КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
CATHODE ASSEMBLY OF ALUMINIUM ELECTROLYSIS CELL

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано для реконструкции катодных устройств действующих и проектирования новых электролизеров.
Известно катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее подовые блоки, закрепленные в блоке подовой пастой катодные стержни (блюмсы). При монтаже катодного устройства катодные стержни вставляются в пазы блоков и заливаются чугуном или заполняются подовой пастой для обеспечения электрического контакта блок-блюмс [Serlie M., Оуе H.A. Kathodes in Aluminium Electrolysis. - Düsseldorf: Aluminium-Verlag, 1989. - 294S.].
Недостатками данной конструкции являются: неравномерное распределение тока по подине, появление горизонтальных составляющих тока, и, как следствие, большое падение напряжения в катоде и высокий расход электроэнергии на получение алюминия. Значительная разница в величинах коэффициентов температурного расширения материала катодного стержня (сталь) и подового блока (уголь) вызывает при нагреве этой конструкции большие механические напряжения, в результате чего в теле подовых блоков образуются трещины различной топологии. Расплавленный алюминий, проникая по трещинам в подовом блоке к стальным блюмсам, растворяет их и загрязняет тем самым катодный металл железом. При этом нарушается контакт блок-катодный стержень и электролизер выходит из строя
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой конструкции является катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее катодный кожух, угольные подовые блоки, катодные стержни из меди различной конфигурации. Катодные стержни (не менее 4-х) вмонтированы в узкие пазы в нижней части блока [патент РФ 2209856, МПК C25C 3/08 (прототип)].
Недостатки катодного устройства прототипа заключаются в следующем. Постоянство всех предлагаемых форм сечений по длине катодного стержня не исключает появление горизонтальных токов за счет неравномерного распределения тока в катодном устройстве. Предлагаемое число пазов ослабляет блок и снижает его термомеханическую прочность. Имеет место неконтролируемый прижимной электрический контакт катодного стержня с угольным подовым блоком. Это не обеспечивает снижения падения напряжения в катодном устройстве и не способствует уменьшению расхода электроэнергии на получение алюминия. При этом катодное устройство прототипа потребует неоправданно высокого расхода меди на изготовление катодных стержней.
Основная задача изобретения состоит в:
- уменьшении эрозии подовых блоков;
- увеличении срока службы электролизера за счет уменьшения величин термомеханических напряжений между угольными блоками и катодными стержнями;
- увеличении выхода по току;
- повышении силы тока;
- снижении расхода электроэнергии на получение алюминия за счет выравнивания омического и уменьшения контактного сопротивлений катодных стержней.
Указанные результаты достигаются тем, что заявляемое катодное устройство содержит следующую совокупность существенных признаков: угольные подовые блоки, закрепленные в блоках подовой пастой катодные стержни, при этом катодные стержни имеют электролитическое медное покрытие переменного сечения по длине с увеличением толщины покрытия от периферийного к противоположному концу и покрытием глухого торца. Это позволит обеспечить равномерное токораспределение в катоде, а именно в жидком алюминии и угольном массиве.
По отношению к прототипу у предлагаемого катодного устройства имеются следующие отличительные признаки. Катодные стержни выполнены из стали с электролитическим медным покрытием переменного сечения по длине, что выравнивает омическое и уменьшает контактное сопротивление на границе медь - угольный блок и делает равномерным токораспределение в катоде. Это приводит к снижению падения напряжения в катоде, уменьшению энергозатрат на получение алюминия и увеличению срока службы катодного устройства и электролизера.
Сущность изобретения поясняется иллюстрациями на фиг.1, 2 и 3, где 1 - подовый блок; 2 - катодный стержень; 3 - подовая паста; 4 - медное покрытие.
Приведенная на фиг.З схема поясняет картину выравнивания токораспределения в катоде за счет увеличения электропроводности катодного стержня от периферии к противоположному концу по его длине за счет увеличения толщины медного покрытия, электропроводность которого на порядок выше электропроводности стали при условиях электролиза.
Эксплуатация катодного устройства по прототипу не устраняет главной причины неудовлетворительной работы электролизера - неравномерное распределение тока в катоде. Использование предлагаемого токоотводящего элемента делает распределение тока в катоде равномерным.
Экономическая целесообразность использования предлагаемого катодного устройства подтверждается следующим приближенным расчетом.
ст
м
ст
м
При затратах того же количества стали, что и меди в прототипе, получим следующее соотношение стоимостей стали (С) и меди (С). Принимая цену стали (Ц) в 5 раз ниже цены меди (Ц) на мировом рынке, имеем
м
ст
м
ст
С/С=ρ/(1/5·ρ)=8,96/(1/5·7,87)=5,7.
Таким образом, применение стального катодного стержня в 5,7 раз дешевле, чем медного. При использовании имеющихся в производстве алюминия стальных блюмсов затраты на электролитическое покрытие стали медью вполне компенсируются имеющимся резервом средств. Предлагаемое катодное устройство уменьшает падение напряжения в подине на 60 мВ за счет выравнивания токораспределения на участке центр подины - периферия катода, что обеспечивается изменением конструкции катодного стержня, а именно переменным сечением более электропроводного слоя меди на стальном катодном стержне. Это позволит снизить расход электроэнергии на 1 т алюминия на 1,3%.
Пример расчета омического сопротивления и напряжения на различных участках цепи катодного устройства
Расчет проведен для 3 сечений катодного стержня без покрытия и с покрытием слоем меди переменной толщины по длине стержня.
Условные обозначения:
h - максимальная толщина медного слоя, мм;
Fe
Cu
ρ, ρ - величины удельных сопротивлений стали и меди, соответственно, µкОм·см;
Fe
R - сопротивление стального катодного стержня, µкОм;
Cu
R - сопротивление медного слоя, µкОм;
i
l - длина участка цепи, см;
i
2
S - площадь сечения проводника, см;
В основу расчета положены следующие условия.
i
Толщина медного слоя изменяется в пределах от h до 0;
Fe
Cu
1. ρ=60 µкОм·см, ρ=4,6 µкОм·см;
2. I=6 кА;
3. Схема для расчета:
3
2
1
2
1
l=90 см; l=60 см; l=30 см; h=(2/3)h; h=(1/3)h;
3
Пределы изменения толщины покрытия: h - от h до 0;
2
1
3
h - от (2/3)h до 0; h - от (l/3)h до 0; h=h=2 мм.
1
Участок l:
Fe
R=60·30/11,5·23=6,8 µкОм; U=40,8 мВ
ΣR=(6,8·4,6·30/575h)/6,8-(4,6·30/575h)=0,24/(h-0,035)
2
При h=1/3h=0,066: ΣR=7,7 µкОм; U=46,2 мВ.
2
Участок l:
Fe
R=60·60/11,5·23=13,6 µкОм; U=81,6 мВ
ΣR=(13,6·4,6·60/575h)/13,6-(4,6·60/575h)=0,48/(h-0,035)
2
При h=2/3h=0,133: ΣR=4,9 µкОм; U=29,4 мВ.
3
Участок l:
Fe
Fe
Fe
R=ρ·1/S=60·90/11,5·23=20,4 µкОм
-6
3
U=20,4·10·6·10=122,4 мВ
Fe
Cu
Fe
Cu
Fe
Fe
Cu
Cu
Fe
Fe
Cu
Cu
ΣR=R·R/(R+R)=(ρ·l/ S ·ρ·l/ S)/(ρ·l/S)+(ρ·l/S);
Cu
S=(230+115+230)∫dh;
ΣR=20,4·4,6·90/(575∫dh)/20,4-(4,6·90/575h)=0,72/(h-0,035).
max
При h=h=2 мм:
ΣR=4,4 µкОм; U=26,4 мВ.
Длина
R<sub>Fe</sub>, µкОм
U<sub>Fe</sub>, мВ
ΣR, µкОм
U<sub>Σ</sub>, мВ
I, кА
h, мм
Уч. l<sub>1</sub>
6,8
40,8
7,7
46,2
6
(1/3)2
Уч. l<sub>2</sub>
13,6
81,6
4,9
29,4
6
(2/3)2
Уч. l<sub>3</sub>
20,4
122,4
4,4
26,4
6
2