АНОДНЫЙ ТОКОПОДВОД АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
ANODE CURRENT CONDUCTOR OF ALUMINIUM ELECTROLYTIC CELL

Изобретение относится к области производства алюминия в электролизерах, оснащенных анодными расходуемыми токоподводами, выполненными из алюминия.
Известен алюминиевый электролизер Содерберга, содержащий стальные анодные штыри для верхнего подвода тока к аноду с дополнительными алюминиевыми расходуемыми листами, снабженными отверстиями для циркуляции жидкой анодной массы и электрически соединенными с анодной ошиновкой, с установленными дополнительными стальными нерасходуемыми трубами для отвода газов из-под подошвы анода, размещаемыми в аноде рядами, нижние концы которых расположены над электролитом, а верхние соединены с полыми контрфорсными балками анодного кожуха, стальные нерасходуемые трубы выполнены с уменьшающимся наружным диаметром книзу (Авторское свидетельство СССР, SU 351926, МКИ C22d 3/02, C22d 3/12, дата подачи заявки 11.08.1970, дата публикации 21.09.1972, автор Рягузов В.Н., аналог).
Недостатком указанного алюминиевого электролизера со стальными токоподводящими штырями является выделение большого количества канцерогенных соединений при перестановке токоподводящих штырей на новые горизонты по мере расходования анодной массы, а также трудозатраты по установке металлических расходуемых листов, используемых для создания газоходного канала в подошве анода.
В качестве прототипа, исключающего проблему выделения канцерогенных соединений при перестановке токоподводящих штырей на новые горизонты, принят анодный расходуемый токоподвод для электролизера Содерберга, содержащий расходуемые алюминиевые стержни с токоотводами, которые расположены под углом к его оси и выполнены либо совместно с основным стержнем, например при прессовке взрывом, либо прикреплены к основному стержню, например сваркой, клепкой или при помощи болтов, при этом в качестве материалов для токоотводов могут быть использованы как алюминиевые порошки, так и алюминий или его сплавы. Принцип работы расходуемого токоподвода состоит в том, что когда нижняя часть основного стержня в зоне высоких температур расплавляется и стекает в ванну, подвод электрического тока а нижележащие зоны подошвы анода производится по верхней неразрушенной токопроводящей зоне стержня и далее по токоотводам, нижняя часть которых не достигла подошвы анода. После выхода какого-либо токоотвода на подошву анода и его разрушения ток к зонам в подошве анода подводится следующими вышерасположенными токоотводами (Авторское свидетельство СССР, SU 537130, МКИ С22С 3/16, дата подачи заявки 10.02.1975, дата публикации 30.11.1976, автор Цомаев З.С. и др., прототип).
Недостатками прототипа являются высокие трудозатраты при изготовлении, монтаже и обслуживании электролизера, обусловленные сложной технологией изготовления как конструктивно целого токоподвода, так и с закрепленными токоотводами, а также сложностью установки токоподвода на анодной шине при его наращивании по мере расходования.
Задачей изобретения является снижение трудозатрат при изготовлении и использовании расходуемого токоподвода при эффективном токообеспечении подошвы анода и оптимальном расходовании электроэнергии.
Для решения поставленной задачи в анодном токоподводе алюминиевого электролизера, содержащем центральный расходуемый алюминиевый стержень с дополнительными боковыми токоотводами, равномерно расположенными в анодной массе по высоте центрального стержня под углом к его оси и наклоненными к подошве анода, согласно изобретению боковые токоотводы установлены примыкающими к центральному стержню с образованием зазора, заполняемого проводящей анодной массой, образуя в процессе работы электролизера гетерогенную проводящую структуру, при этом боковые токоотводы омически подключены к центральному стержню через проводящую анодную массу за счет ее расплавления и коксования в зазоре.
Согласно изобретению боковые токоотводы могут быть выполнены из пеноалюминия.
На чертеже представлена схема гетерогенного расходуемого анодного токоподвода для алюминиевого электролизера.
Заявляемый анодный токоподвод алюминиевого электролизера содержит центральный алюминиевый стержень 1 с подводимыми к нему по мере погружения в анодную массу токоотводами 2. Токоотводы 2 установлены свободно примыкающими к центральному стержню 1 под углом к его оси и наклонены к подошве анода. Зазоры 3 между токоотводами 2 и центральным стержнем 1 заполняются проводящей анодной массой, образуя гетерогенную проводящую структуру, обеспечивающую омическое подключение токоотводов 2 к центральному стержню 1. При этом в качестве токоотводов 2 могут быть использованы стержни, пластины, профили, выполненные из алюминия, пеноалюминия или алюминиевых сплавов. При их установке не требуется жесткое закрепление на центральном стержне с целью обеспечения исходного хорошего омического контакта.
Принцип работы гетерогенного токоподвода основан на образовании в аноде в процессе работы электролизера гетерогенной проводящей структуры. При этом по мере погружения в анод стержня 1 с последовательно подводимыми к нему токоотводами 2 зазоры 3 между ними заполняются расплавленной анодной массой, которая подвержена коксованию в зазорах. В результате этого образовавшаяся в зазорах за счет расплавления и коксования проводящая анодная масса обеспечивает необходимое омическое подключение боковых токоотводов 2 к центральному стержню 1.
В нижней части анода, где происходит расплавление и вытекание нижней части 4 центрального алюминиевого стержня до некоторой высоты h, боковые токоотводы 2 также расплавляются, но остаются инкапсулированными в полостях первичного их размещения до момента открытия нижнего их конца на нижней поверхности анода. Соответственно эти токоотводы позволяют обеспечить сохранение токоподвода непосредственно в нижнюю часть подошвы анода.
Эффективность токообеспечения подошвы анода повышается за счет использования боковых токоотводов при условии, если среднее сопротивление гетерогенной структуры с токоотводными элементами будет ниже того, что имеет место для сплошного анодного массива в области подошвы. В этом случае обеспечивается сохранение подводимого в подошву анода тока без увеличения перепадов напряжения в подошве анода и соответственно улучшаются электрические характеристики электролизера:
g
u
p
g
p
p
Al
C
где j и j - соответственно средняя плотность тока в гетерогенном и в сплошном токоподводе, U - падение напряжение на аноде, U=j·R - переходное падение напряжения на границе раздела Al-анодная масса (R - удельное переходное сопротивление границы раздела Al-анодная масса), H - толщина анода, l - длина отдельного бокового токоотвода, θ - угол установки токоотвода (отсчитываемый от вертикали), ρ и ρ - соответственно удельное сопротивление алюминия и закоксовавшейся анодной массы в подошве анода.
Из выражения (1) определяется соотношение установочных параметров токоотводов в аноде, таких как длина и угол установки токоотводов:
При выполнении дополнительного условия, когда суммарное поперечное сечение токоотводов не должно быть меньше сечения центрального стержня-токоподвода, требуемый токоподвод к подошве анода будет обеспечиваться без необходимости увеличения перепада напряжения на аноде из-за выгорания центральных стержней. Соответственно, использование предлагаемой конструкции позволяет обеспечить оптимальный расход электроэнергии и повысить стабильность работы анода.
Для электролизера с токовой нагрузкой 250 кА при использовании 32 алюминиевых токоподводящих стержней требуемая толщина анодного стержня не превышает 70 мм. Длина отдельного токоотвода и угол установки составляют
l=0.35 м, θ=30°,
p
Al
C
-5
2
6
-5
при Н=1 м, U=4 В, R=2,83·10 Ом/м, ρ=2.7·10· Ом·м, ρ=1.4·10 Ом·м
при температуре плавления алюминия T=658.7°С (на границе разрушения центрального анодного стержня на расстоянии h от нижней границы подошвы анода).
Общая масса оборотного расхода алюминия для изготовления гетерогенного токоподвода не превышает 2-2.5 т на один электролизер за один цикл обновления анодной массы. Соответственно, удельный оборотный расход алюминия не превышает 30-40 кг/сутки или 2-5% от суточной выработки электролизера в 0.7-1.7 т.
Таким образом, предлагаемый расходуемый гетерогенный токоподвод позволяет снизить трудозатраты при его изготовлении и эксплуатации по сравнению с аналогом, обеспечить стабилизацию работы электролизера, повысить экологическую безопасность производства, исключив выбросы канцерогенных соединений, возникающие при перестановке стальных стержней-токоподводов в электролизерах Содерберга.