КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
DESIGN OF CURRENT TAPS OF CATHODE OF ALUMINIUM ELECTROLYSER

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из криолит-глиноземных расплавов, и может быть использовано в конструкции токоотводов катодного устройства.
Катодное устройство электролизера для производства алюминия - важнейший электромеханический узел, определяющий, в основном, и срок службы электролизера и эффективность технологического процесса электролиза, в том числе и токораспределение в подине и токопередачу.
Существующие конструктивные исполнения электрического катодного узла и технологии его изготовления имеют существенные недостатки. Токовая нагрузка от прикатодного металла (жидкий алюминий) через углеродистую подину передается на механически закрепленные (электропроводные пасты, чугунная заливка) в углеродистых блоках токоотводящие стальные стержни - блюмсы, затем через контактный узел стальной блюмс - катодный алюминиевый спуск и далее на сборную алюминиевую катодную шину. При этом в электроконтактных узлах применяются различные материалы с различными электромеханическими свойствами, что приводит к перепадам напряжения в контактных узлах, локальным перегревам, к нарушениям целостности контактных узлов, нарушениям целостности подины, и как следствие ведет к нарушениям токораспределения в подине, к дестабилизации технологических параметров процесса.
Известен катод алюминиевого электролизера с токоотводами, выполненными в виде стержней, которые расположены в вертикальных трубах из материала, устойчивого к химическому воздействию расплавленного алюминия и криолита (например - из плотного графитового материала), и которые в свою очередь размещаются внутри стальных труб и разделены между собой теплоизолирующим слоем. Верхняя часть стержней-токоотводов находится в расплавленном состоянии и напрямую контактирует с металлом электролизера, а нижняя часть, находящаяся в твердом состоянии, соединена с токоотводящими шинами (патент США №3723287, C22d 3/02, 3/12, опубл. 27.03.1973).
Основными недостатками данной конструкции токоотводов является сложность изготовления, громоздкость и соответственно значительная стоимость катодного устройства.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является конструкция токоотводов электролизера для получения алюминия из смеси расплавленных солей и глинозема, включающего аноды и выполненные из алюминия и проходящие вертикально сквозь подовую футеровку катодные токоотводящие элементы, выполненные жидкими в верхней части в контакте с расплавом катодного алюминия и твердыми в нижней части в контакте с катодной шиной, в котором катодные токоотводящие элементы выполнены, по крайней мере, частично, в виде перевернутого усеченного конуса с отношением площади нижнего сечения к площади верхнего как 1:2 и установлены в количестве, равном или большем количества анодов, а подовая футеровка выполнена из огнеупорного неугольного материала и покрыта слоем материала, не взаимодействующего с алюминием (патент РФ №2281986, С25С 3/08, 2006).
По назначению, по технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве прототипа. Известное решение позволяет устранить перепады напряжения в контактных узлах катодного токоотвода устранением самих этих узлов, исключить горизонтальные токи в катоде, и, соответственно, уменьшить циркуляцию и волнообразования границы металла с электролитом, а это напрямую влияет на показатели выхода по току и расхода электроэнергии; уменьшить фильтрацию расплава через подину и по границам катодный токоотводящий элемент - футеровка, снизить внедрение в подину щелочных металлов и обеспечить благодаря этому увеличение срока службы электролизера.
Основной недостаток известного технического решения - то, что в процессе работы электролизера между внутренней поверхностью трубы и сердечником из алюминия появляется слой электролита, отжимающий алюминий. Электролит при температурах 600-650°С будет кристаллизоваться на стенках трубы и приводить к уменьшению сечения токоотводов. Вышесказанное приведет к ухудшению электрического контакта между его жидкой и твердой частями, росту перепада напряжения в катоде, локальному разогреву токоотводов, дестабилизации температурного состояния и к нарушениям технологического режима работы электролизера со снижением технико-экономических показателей процесса.
2
Кроме того, при выполнении токоотводящих элементов в виде перевернутого конуса с отношением площади верхнего сечения к нижнему, как 1:2 и в количестве, равном или большем количества анодов, площадь нижнего сечения определяется допустимой для алюминия плотностью тока 0,65 А/мм. Что означает, что для условного электролизера на силу тока 120 кА с 16-ю анодами, при 16-ти токоотводящих элементах, размеры последних составят 0120 мм в нижней и 0170 мм в верхней частях соответственно. Предлагаемое решение с токоотводами имеет как преимущества в виде низкого перепада напряжения в катоде, так и серьезные недостатки в виде существенного теплосъема, осуществляемого токоотводящими элементами из алюминия, для восполнения которого необходимо будет увеличивать межэлектродный зазор. Тем самым, увеличивая расход электроэнергии, необходимой на производство тонны электролитического алюминия.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежного электрического контакта в токоотводе между его жидкой и твердой частями и обеспечение его стабильного состояния на протяжении всего срока эксплуатации электролизера. Другая задача настоящего изобретения состоит в стабилизации технологического режима и повышении технико-экономических показателей процесса электролиза.
Техническими результатами являются создание надежного электрического контакта в токоотводе между его жидкой и твердой частями, обеспечение его стабильного состояния на протяжении всего срока эксплуатации электролизера и стабилизация технологического режима и повышение технико-экономических показателей процесса.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алюминиевом электролизере, в котором вертикальные металлические катодные токоотводы, проводящие электрический ток от расплава алюминия к катодной ошиновке, выполнены таким образом, что их верхняя часть представляет собой расплавленный алюминий, а нижняя - твердый, и размещенных в каналах, выполненных в футеровке подины, согласно заявляемому изобретению, каналы токоотводов в средней части выполнены с расширением, шириной большей, чем на обеих частях токоотводов.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, способствующие решению поставленной задачи.
Согласно п.2 формулы изобретения - расширение в канале токоотвода заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод.
Согласно п.3 формулы изобретения - токоотводы выполнены в виде трубы, а расширение в канале и пространство внутри трубы заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг.1 изображен катод алюминиевого электролизера с предлагаемыми токоотводами, показано с вырезом 1/4 части;
на фиг.2 показан подовый блок с каналами для токоотводов;
на фиг.3 представлен подовый блок в сборе с токоотводами, изображено с вырезом;
на фиг.4 изображен подовый блок в сборе с токоотводами выполненными по п.2. формулы изобретения.
на фиг.5 показан подовый блок в сборе с токоотводами выполненными по п.3. формулы изобретения.
2
3
Катодное устройство алюминиевого электролизера с инертными анодами включает стальной катодный кожух 1; подовые блоки 2 из высокоглиноземистого бетона (AlO не менее 90%); установленные в каналах 3 подового блока 2 токоотводы из алюминия, с твердой 4 и с жидкой частями 5, токоведущий сборный коллектор 6 из алюминиевой пластины с выходящей наружу частью 7, межблочные швы 8 из высокоглиноземистого бетона, бортовые блоки 9, слоев огнеупорного изготовленного, например, из шамотного, высокоглиноземистого, магнезиального, периклазоуглеродистого кирпича и теплоизоляционных материалов 10, которые могут быть изготовлены, например, из шамота-легковеса, вермикулита, пенодиатомита, диатомита, силиката кальция, композиционного материала 11 на основе диборид титана - углерод для заполнения каналов 3 подового блока 2.
В подовых блоках 2 катодного устройства выполняются каналы 3 для токоотводов с твердой 4 и жидкой частями 5, равномерно распределенные по рабочей поверхности подового блока 2. Каналы 3 могут быть выполнены механической обработкой блоков или при формовании подовых блоков 2. Предварительно выполняют соединение твердых частей 4 токоотводов с токоведущим сборным коллектором 6, выполненным из алюминия. Соединение выполняется сваркой. Затем в подовый блок 2 устанавливают собранный в одно целое токоведущий сборный коллектор 6 с токоотводами и фиксируют там с помощью «прихватки» монтажных стержней к выступающим из подового блока токоотводам. После этого собранный подовый блок 2 монтируется в катод. Следует отметить, что дополнительные предварительные операции по изготовлению катодных токоотводящих каналов и токоотводов и затраты на них ничтожно малы по сравнению с получаемыми результатами при эксплуатации электролизера.
Работает электролизер следующим образом. Катод электролизера перед запуском нагревается до температур 850-900°С с помощью газообразных или жидкостных горелок или электрическими нагревателями. При этом верхняя часть токоотводов расплавляется и становится жидкой частью токоотвода 5 и заполняет собой расширение в канале 3 (образовавшуюся полость). Дальнейшему вытеканию алюминия из канала 3 препятствует теплоотвод, осуществляемый токоведущим сборным коллектором 6, который заставляет жидкий алюминий кристаллизоваться вокруг токоотвода и тем самым заполнить имеющиеся полости между каналами 3 и токоотводами.
После разогрева катода электролизера в ванну заливается жидкий алюминий для создания на подине слоя 120-150 мм, этот слой алюминия соединяется в одно целое с жидкой частью 5 токоотводов и образуется замкнутая электрическая цепь. Через образованную цепь эффективно происходит передача токовой нагрузки от анодов к катоду, с последующей подачей токовой нагрузки на следующий по ходу тока электролизер в корпусе электролиза. Эффективность передачи токовой нагрузки обусловлена использованием в качестве проводников жидкого и твердого алюминия, отсутствием в цепи электрических контактов разнородных металлов, отсутствием электрического сопротивления материала футеровки подины.
Выполнение канала 3 с расширением позволит значительно увеличить площадь контакта жидкой 5 и твердой частей 4 токоотвода и обеспечит его стабильный электрический контакт на протяжении всего срока эксплуатации электролизера.
Кроме того, расширение в канале 3 подового блока 2 может быть заполнено композиционным материалом 11 на основе диборид титана - углерод. Работает это решение следующим образом. Композиционный материал 11 хорошо смачивается жидким алюминием и препятствует проникновению электролита между жидкой 5 и твердой 4 частями токоотвода. При этом со временем сам композиционный материал 11, имеющий пористость порядка 30-40%, пропитывается алюминием с образованием внутренних пор, капилляров, каналов, полостей, заполненных металлом того состава, который выделяется на катоде. Применение данного решения позволяет снизить риски протеков алюминия в цоколь ванны при запуске, т.к. полость в канале подового блока изначально заполняется композиционным материалом, препятствующим проникновению алюминия.
Кроме того, токоотвод может быть выполнен в виде трубы, внутренняя полость которого может быть заполнена композиционным материалом 11, который в течение непродолжительного времени весь пропитается жидким алюминием.
Одним из преимуществ этого решения является снижение затрат на изготовление токоотводов, поскольку верхняя часть токоотвода так или иначе будет расплавлена, то вполне логично вместо цельного прутка алюминия использовать полую трубу из алюминия. Это позволит сэкономить порядка 25-30% при изготовлении токоотводов.
Таким образом, обеспечивается стабилизация электрических и технологических параметров электролизера, эффективное токораспределение, повышается надежность работы металлических катодных токоотводов (т.е. электрический контакт в токоотводе между его жидкой и твердой частями) и срока их эксплуатации, повышается срок службы электролизера, и, следовательно, повышаются технико-экономические показатели процесса.
Монтаж футеровки алюминиевого электролизера с инертными анодами осуществляется следующим образом.
Первоначально осуществляют сборку подовых блоков 2, для этого в сформованный подовый блок 2, снабженный каналами 3, помещаются предварительно соединенные токоведущий коллектор 6 с токоотводами 4 (вертикальными трубками), закрепляются там, после этого, подовый блок 2 перевозится к месту монтажа футеровки.
После сборки и установки стального катодного кожуха 1 его днище футеруется огнеупорными и теплоизоляционными материалами 11, после чего поверхность огнеупорного слоя покрывается слоем сыпучего материала, играющего роль выравнивающей подушки, на которую устанавливаются подовые блоки, с определенным шагом, чтобы между соседними блоками был зазор 30…50 мм, для создания межблочного шва 8. После этого производится кладка боковой футеровки так называемой "бровки", размещенной по периметру катодного кожуха между подовыми блоками и нижней частью стенок кожуха и состоящей из слоя теплоизоляционного материала, устанавливаемого вплотную к стенкам кожуха, и огнеупорного материала, устанавливаемого вплотную к теплоизоляционному материалу. Выступающие части токоведущих коллекторов обкладываются боковой футеровкой, обеспечивая при этом герметичность "бровки", одновременно не препятствуя термическому расширению алюминиевых коллекторов. Бровка является основанием для монтажа бортовой футеровки 9, установка бортовых блоков из неметаллических тугоплавких соединений производится в один ряд вдоль стенок катодного кожуха 1, с приклеиванием их к стенкам кожуха, и промазкой всех опорных и стыковочных поверхностей. В качестве клеящего или цементирующего состава могут быть использованы, например, торкретмасса, мертели или огнеупорный бетон, содержащий порошок карбида кремния.
Завершающей и ответственной операцией монтажа футеровки является заполнение межблочных швов 8 между подовыми блоками 2.
Использование предлагаемого технического решения позволит в значительной мере повысить эффективность использования электрической энергии за счет отсутствия в катодном токоотводе контактных узлов с разнородными материалами, за счет снижения токовых потерь, за счет получения гарантированного эффективного токораспределения и эффективного токоотвода.