КАТОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
CATHODIC ELEMENT FOR EQUIPPING ELECTROLYSER, INTENDED FOR ALUMINIUM PROCESSING

Настоящее изобретение касается производства алюминия электролизом в расплаве. Более конкретно, оно касается катодных элементов, используемых в электролизерах, предназначенных для производства алюминия.
Стоимость энергии является важной составляющей в издержках производства электролизных заводов. Следовательно, снижение удельного потребления электролитических ванн становится главной целью для этих заводов. Удельное потребление ванны соответствует энергии, потребляемой ванной для производства одной тонны алюминия. Оно выражается в кВтч/т и, при постоянном выходе по току, оно прямо пропорционально электрическому напряжению на клеммах электролитической ванны.
Электрическое напряжение на электролитической ванне может подразделяться на несколько падений напряжения: падение анодного напряжения, падение напряжения в ванне, электрохимическое напряжение, падение катодного напряжения и потери на линиях. Настоящее изобретение относится к снижению падения катодного напряжения с целью снижения удельного потребления электролитических ванн.
Падение катодного напряжения зависит от электрического сопротивления катодного элемента, который состоит из катодного блока из углеродного материала и одной или нескольких соединительных шин из металла.
Материалы, образующие катодные блоки, изменялись со временем для того, чтобы оказывать все меньшее и меньшее сопротивление прохождению тока. Это позволило увеличить силу токов, проходящих через ванны, при сохранении постоянного падения катодного напряжения.
В 1970-е годы катодные блоки выполнялись из антрацита (аморфный углерод). Данный материал обладал достаточно высоким электрическим сопротивлением. С целью увеличения производительности заводов, производящих блоки, и увеличения объема производства блоков, последние были постепенно заменены, начиная с 1980-х годов, блоками, называемыми “ полуграфитовыми” (содержащими количества графита, изменявшиеся в диапазоне от 30% до 50%), затем блоками, называемыми “графитовыми”, содержащими 100% зерен графита, но связующее которых, соединяющее упомянутые зерна, остается аморфным. Так как зерна графита вышеупомянутых блоков обладают небольшим сопротивлением, блоки обладают более низким сопротивлением прохождению тока и, соответственно, при постоянной силе тока низким падением катодного напряжения.
Наконец, блоки последнего поколения представляют собой блоки, называемые “графитизированными”. Данные блоки подвергают графитизирующей термообработке при высокой температуре, позволяющей увеличить удельную электропроводность блока за счет графитизации углерода.
c
c
c
c
Параллельно упомянутым новым разработкам, направленным на уменьшение электрического сопротивления материалов, электролизные заводы для производства алюминия увеличивали их силу тока для того, чтобы увеличить их производство (при постоянном выходе по току, число тонн металла, производимого ванной, пропорционально силе тока, который через нее проходит). Соответственно, так как падение катодного напряжение U равно произведению катодного сопротивления R и силы тока I, циркулирующего через катод (U= R × I), падения катодного напряжения остаются до настоящего времени высокими, порядка 300 мВ.
Кроме того, эволюция свойств катодных блоков привела к появлению новых проблем, как, например, эрозия катодов. Установлено, например, что чем больше графита содержат катодные блоки, тем больше они подвержены эрозии в головке блока. В самом деле, плотность тока не распределяется равномерно по всей ширине ванны и на поверхности катода существует пик плотности тока, находящийся на каждом конце блока. Упомянутый пик плотности тока порождает локальную эрозию катода, причем эрозия тем более заметна, чем больше содержание графита в блоке. Упомянутые зоны повышенной эрозии могут ограничивать срок службы ванны, что наносит большой экономический ущерб.
c
Известно, что можно снизить падение катодного напряжения U при помощи использования композиционных соединительных шин, содержащих одну часть из стали и одну часть из металла, электропроводность которого выше, чем электропроводность стали, обычно, из меди. В этой связи можно упомянуть, например, французскую заявку на патент FR 1161632 (Pechiney), американские патенты US 2846388 (Pechiney) и US 3551319 (Kaiser) и международную заявку на патент WO 02/42525 (Servico).
С другой стороны, из международных заявок на патенты WO 01/63014 (Comalco) и WO 01/27353 (Alcoa) известно, что применение вставок из меди позволяет более оптимально распределить ток вдоль катодного блока. В упомянутых документах рекомендуется заключать вставку из меди в соединительную шину из стали и закрывать вставку внутри электролизера для того, чтобы уменьшить теплопроводность в направлении наружу из электролизера.
Однако, с экономической точки зрения перечисленные решения априори являются дорогостоящими, так как медь является более дорогой, чем сталь, и используемые количества меди могут быть значительными. В самом деле, в наиболее традиционных технологиях число шин на электролитическую ванну находится, обычно, в интервале от 50 до 100. Таким образом, использование компонентов из меди ведет к быстрому росту стоимости.
2
Кроме того, конфигурации, известные из существующего уровня техники, не лишены недостатков. В самом деле, данные конфигурации приводят к уменьшению падения общего катодного напряжения (то есть, включающего падение напряжения в шине) порядка 50 мВ, которое слишком мало для того, чтобы обеспечить рентабельность инвестиционных вложений, и к относительно высоким, порядка более 12 кА/м, пикам плотности тока в головке блока.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих решениям из известного уровня техники, и, в частности, разрешение проблемы удельного потребления энергии.
Раскрытие изобретения
Предметом изобретения является катодный элемент для оснащения ванны электролизера, предназначенного для производства алюминия, содержащий:
- катодный блок из углеродного материала, имеющий, по меньшей мере, один продольный паз на одной из его боковых поверхностей;
- по меньшей мере, одну соединительную шину из стали, по меньшей мере, часть которой, называемая «наружным участком», размещена снаружи ванны, которая расположена в вышеупомянутом пазу таким образом, что часть шины, называемая «частью вне блока», выступает, по меньшей мере, с одного конца блока, называемого «головкой блока», и которая уплотнена в пазу введением уплотняющего проводящего материала, такого как чугун или проводящая паста, между шиной и блоком.
Катодный элемент согласно изобретению отличается тем, что для каждого наружного участка:
c
- соединительная шина содержит, по меньшей мере, одну металлическую вставку длиной L, электропроводность которой больше электропроводности вышеупомянутой стали, которая расположена продольно внутри шины и которая находится, по меньшей мере частично, в вышеупомянутом участке;
- соединительная шина не уплотнена по отношению к катодному блоку, по меньшей мере, в одной зоне, называемой «неуплотненной», с определенной поверхностью S, расположенной на конце паза в головке блока.
Предпочтительно, чтобы вставка, или каждая вставка достигла - с определенным допуском - одного уровня с поверхностью конца вышеупомянутого наружного участка.
Благоприятно, чтобы вставка, или каждая вставка была изготовлена из меди или сплава на основе меди.
Наличие вставки согласно изобретению позволяет одновременно получить существенное уменьшение общего падения катодного напряжения (например, 0,2 В для шины со вставкой из меди против 0,3 В для шины, изготовленной полностью из стали) и существенное уменьшение плотности тока в головке блока (по меньшей мере, порядка 20%).
Заявителем было обнаружено, что значительная часть падения катодного напряжения (приблизительно третья) приходится на часть шины, называемую «вне блока», которая выходит из блока. В самом деле, по мере приближения к части шины вне блока плотность тока в ней увеличивается с достижением ее максимальной величины в части вне блока. Соответственно, на всей части шины вне блока небольшое сечение обеспечивает пропускание значительного количества тока, что приводит к появлению сильного падения напряжения.
Заявителем была выдвинута идея объединить неуплотненную зону вблизи головки катодного блока и, по меньшей мере, одну вставку в каждый наружный участок соединительной шины, которая простирается предпочтительно на всю длину участка. Заявитель констатировал, неожиданным образом, что комбинированный эффект упомянутых характеристик позволяет существенно уменьшить пик плотности тока, в головке блока, то есть около концов блока, при продолжающемся существенном снижении падения катодного напряжения. В частности, было установлено, что неуплотненная зона позволяет значительно уменьшить воздействие основания откоса на пик плотности тока.
Предпочтительно, чтобы вышеупомянутый углеродный материал содержал графит.
Способ изготовления соединительной шины, которая может быть использована в катодном элементе согласно изобретению, включает в себя предпочтительно формирование продольной полости - обычно, глухого отверстия - в стальной шине, начиная с ее конца, изготовление вставки из материала с более высокой электропроводностью, чем сталь, образующей шину, длина и поперечное сечение которой соответствуют длине и поперечному сечению полости, и введение вставки в полость.
Плотный контакт между вставкой и шиной получают, обычно, во время подъема температуры ванны, благодаря различному термическому расширению вставки и шины (так как сталь расширяется относительно мало по сравнению с другими металлами).
Изобретение касается также электролизера, содержащего, по меньшей мере, один катодный элемент согласно изобретению.
Изобретение детально описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 представляет собой поперечный разрез половины традиционной ванны.
Фиг.2 - вид, аналогичный фиг.1, в случае электролизера, содержащего катодный элемент согласно изобретению.
Фиг.3 - вид снизу катодного элемента согласно одному из способов осуществления изобретения.
Фиг.4 - вид снизу катодного элемента согласно другому способу осуществления изобретения.
Фиг.5 - вид в изометрии конца катодного блока фиг.3 или 4.
Фиг.6 изображает участок соединительной шины, снабженной вставкой круглого сечения.
Фиг.7 - участок соединительной шины, снабженной вставкой круглого сечения в боковом пазу.
Фиг.8 представляет кривые распределения катодного тока вдоль катодного блока.
В том виде, как представлено на фиг.1, электролизер 1 содержит ванну 10 и, по меньшей мере, один анод 4. Ванна 10 содержит корпус 2, днище и боковые стенки которого покрыты элементами из огнеупорного материала 3 и 3'. Катодные блоки 5 размещены на огнеупорных элементах днища 3. Соединительные шины, выполняемые, обычно, из стали, заделаны в нижнюю часть катодных блоков 5. Уплотнение между соединительной шиной или соединительными шинами 6 и катодным блоком 5 осуществляют, как правило, посредством чугуна или проводящей пасты 7.
о
В соответствии с фиг.3 по 5 катодные блоки 5 имеют форму, близкую к форме параллелепипеда длиной L, одна из боковых поверхностей которого имеет один или несколько продольных пазов 15, предназначенных для размещения соединительных шин 6. Пазы 15 выходят в головку блока и простираются, обычно, от одного конца блока до другого. Часть 22 шины 6, называемая «вне блока», которая выступает из катодного блока 5, имеет длину Е.
Катодные блоки 5 и соединительные шины 6 образуют катодные элементы 20, которые, обычно, собирают вне ванны и присоединяют к ней во время формирования ее внутреннего покрытия. Электролитическая ванна 10 содержит, обычно, более двенадцати катодных элементов 20, расположенных рядом. Катодный элемент 20 может содержать одну или несколько соединительных шин, которые насквозь проходят через блок, или одну или несколько пар полушин, типично, выстроенных в линию, которые простираются только на часть блока.
Соединительные шины предназначены для того, чтобы собирать ток, прошедший через каждый катодный блок 5, и направить его в сеть проводников, находящуюся снаружи ванны. Как изображено на фиг.1, соединительные шины 6 проходят через ванну 10 и, обычно, присоединены к соединительному проводнику 13, как правило, из алюминия, при помощи гибкого ответвителя из алюминия 14, присоединенного к участку(ам) шины(н), который(ые) выходит(ят) из ванны 10.
При работе ванна 10 содержит слой жидкого алюминия 8 и электролитическую ванну 9 над катодными блоками 5, и аноды 4 погружены в ванну 9. Откос 12 отвердевшей ванны образуется, обычно, на покрытиях стороны 3'. Часть 12' упомянутого откоса 12, называемая «основанием откоса», может захватывать верхнюю боковую поверхность 28 катодного блока 5. Основание откоса электрически изолирует катод и увеличивает пик плотности тока в головке блока.
Фиг.2 представляет электролитическую ванну 1 для производства алюминия, в которой те же самые элементы обозначены теми же самыми цифровыми обозначениями.
c
Как показано на фиг.1, каждый конец соединительной шины 6 снабжен металлической вставкой 16, предпочтительно из меди или сплава меди, который простирается на длину L, как правило, начиная точно с наружного конца или с каждого наружного конца шины 6. Вставка 16 располагается, по меньшей мере частично, в наружном конце или в каждом наружном конце 19 соединительной шины 6, который располагается снаружи ванны 10.
Предпочтительно вставка или каждая вставка 16 помещена в полость, образованную глухим отверстием внутри шины 6, данный вариант позволяет избежать воздействия на вставку возможных инфильтратов ванны или жидких металлов. В известных случаях полость может представлять собой паз на боковой поверхности шины, такой как изображенный на фигуре 7.
с
Вставка закрывает предпочтительно, по меньшей мере, 90% длины L наружного участка или каждого наружного участка 19 соединительной шины 6, в которой она размещена для того, чтобы оптимизировать падение напряжения.
Наружная поверхность 24, которая предназначена для размещения вне ванны 10, является, обычно, точно вертикальной, когда катодный элемент 20 установлен в ванну.
Согласно одному выгодному варианту осуществления изобретения, вставка или каждая вставка 16 достигает точно одного уровня, то есть с определенным допуском поверхности 24 конца наружного участка 19 шины 6. Вышеупомянутый определенный допуск предпочтительно меньше или равен ±1 см.
Согласно другому варианту осуществления изобретения наружный конец каждой вставки 16 отступает вглубь на определенное расстояние по отношению к поверхности 24 конца наружного участка 19 шины 6. Вышеупомянутое расстояние предпочтительно меньше или равно 4 см. Полость, образованная отступом вставки, может предпочтительно содержать огнеупорный материал для того, чтобы избежать потерь тепла за счет излучения и/или конвекции.
c
Как правило, длина L вставки 16 находится в интервале от 10 до 300%, предпочтительно от 20 до 300% и еще предпочтительнее от 110 до 270% от длины Е участка, называемого “вне блока” (22), шины 6, который выступает из катодного блока 5, в который помещена вставка.
Чем длиннее вставка, тем существеннее уменьшается падение катодного напряжения. Однако, было установлено, что при длине вставки свыше 270% части шины вне блока 22, ее увеличение только незначительно влияет на величину падения катодного напряжения.
Как показано на фиг.2, по меньшей мере, одна зона 17, расположенная между шиной 6 и катодным блоком 5, не содержит уплотняющего материала. Данная зона, называемая “неуплотненная”, предпочтительно заполнена полностью или частично электроизоляционным материалом, таким как огнеупорный материал, обычно, в виде волокон или ткани; упомянутый материал помещают между шиной 6 и катодным блоком 5 в неуплотненной зоне 17, как показано на фиг.5. Неуплотненная зона или каждая неуплотненная зона 17 расположена вблизи конца 25 катодного блока 5, называемого “головкой блока”, из которого выступает шина, и покрывает определенную поверхность S. Предпочтительно неуплотненная зона или каждая неуплотненная зона 17 достигает одного уровня с поверхностью 27 головки блока 25, из которой выступает шина 6.
Фиг.3 и 4 иллюстрируют два особых варианта реализации катодного элемента 20 согласно изобретению. Согласно фиг.3 катодный элемент содержит две параллельные соединительные шины, которые проходят через катодный блок насквозь. Каждая шина содержит в таком случае две части вне блока 22 и два наружных участка 19. В примере, проиллюстрированном на фиг.4, катодный элемент содержит четыре соединительные шины (называемые, равным образом, “полушинами”), каждая из которых выходит наружу на конце блока. Каждая шина содержит в таком случае одну часть вне блока 22 и один наружный участок 19. В обоих примерах между блоком 5 и каждой шиной 6 помещен проводящий уплотняющий материал 7, за исключением зон, расположенных у концов блока 5, где существуют неуплотненные зоны 17, которые могут быть заполнены огнеупорными материалами.
0
0
0
Общая площадь А поверхности(ей), обозначенной(ых) S, неуплотненной(ых) зоны(н) (17) каждой соединительной шины (6) находится, обычно, в интервале от 0,5 до 25%, предпочтительно от 2 до 20% и еще предпочтительнее от 3 до 15% от площади А поверхности S шины (6), которая может быть уплотнена, называемой “уплотняемой поверхностью”. Уплотняемая поверхность S соответствует поверхностям части 23 шины 6, которые расположены напротив внутренних поверхностей паза 15 в блоке 5.
0
0
i
Когда соединительная шина или каждая соединительная шина 6 проходит через катодный блок 5 насквозь, как изображено на фиг.3, площадь А уплотняемой поверхности S, обычно, равна L × (2H + W), где Н - высота шины и W - ее ширина. В данном случае, так как каждая соединительная шина 6 имеет неуплотненную зону 17 на каждом конце 25, общая площадь А равна сумме площадей каждой заданной поверхности S.
0
0
i
Когда соединительные шины 6 прерываются в центре блока с образованием двух выстроенных в линию полушин, как изображено на фиг.4, А уплотняемой поверхности S каждой полушины, типично, равна L × (2H + W), где Н - высота шины и W - ее ширина. В данном случае, так как каждая соединительная полушина 6 имеет одну неуплотненную зону 17 на одном конце 25, общая площадь А равна площади заданной поверхности S данной неуплотненной зоны. Однако, заявителем было установлено, что когда разрыв шины около центра блока является относительно коротким, что является обычным случаем, он слабо изменяет распределение тока и падение напряжения, так что площадь А может быть определена как если бы шины были непрерывными от одного конца до другого.
s
s
s
o
Заданная поверхность S обычно имеет простую форму для того, чтобы облегчить формирование неуплотненной зоны 17. В случае, иллюстрируемом фиг.2-4, где неуплотненная зона 17 не имеет уплотнения на длине L, начиная с поверхности 27 головки блока 25, площадь определенной поверхности S обычно равна L × (2H + W). В данном случае длина L каждой неуплотненной зоны 17 составляет предпочтительно от 0,5 до 25%, предпочтительно от 2 до 20% и еще предпочтительнее от 3 до 15% от половины длины L/2 блока.
Площадь поперечного сечения вставки 16 также влияет на уменьшение падения катодного напряжения. Предпочтительно, площадь поперечного сечения каждой вставки составляет от 1 до 50%, предпочтительно, от 5 до 30% площади поперечного сечения шины 6. В самом деле, при площади поперечного сечения вставки свыше 30%, дополнительное количество проводника приводит к значительным сверхзатратам при незначительном улучшении характеристик.
Вставка 16 принимает обычно форму стержня. Форма поперечного сечения вставки 16 является произвольной, упомянутая форма может быть прямоугольной (такой, как изображенная на фигуре 5), круглой (такой, как изображенная на фигуре 6 или 7), яйцевидной или многоугольной… Тем не менее, предпочтительно она является круглой для того, чтобы облегчить изготовление соединительной шины, в частности, реализацию полости, предназначенной для помещения вставки.
Заявителем были произведены численные расчеты для оценки распределения катодного тока на поверхности 28 катодного блока с конфигурациями согласно известному уровню техники и согласно изобретению.
2
Фиг.8 представляет результаты расчета, соответствующего размерам соединительной шины и силе тока, типичным для существующих электролитических ванн. Кривые соответствуют плотности тока J на верхней поверхности 28 блока, выраженной в кА/м, в зависимости от расстояния D от конца блока.
Ванна содержит 20 расположенных рядом катодных элементов, каждый из которых содержит две соединительные шины, такие, как изображенные на фиг.3. Сила тока составляет 314 кА. Соединительные шины имеют длину L, равную 4,3 м, высоту Н, равную 160 мм, и ширину W, равную 110 мм. Длина Е соединительных шин, выходящих из катодных блоков, составляет 0,50 м.
Кривая А, относящаяся к известному уровню техники, соответствует соединительной шине, полностью изготовленной из стали. Падение катодного напряжения составляет 283 мВ (между центром слоя жидкого металла и нижней анодной рамой ванны).
Кривая В, относящаяся к известному уровню техники, соответствует шине из стали, имеющей те же самые размеры, что в случае А, но содержащей цилиндрическую вставку из меди длиной, равной 1,53 м, диаметр которой равен 4,13 см. Вставка размещена вдоль продольной оси симметрии шины и простирается приблизительно от центра шины (то есть приблизительно от центральной плоскости Р ванны) до приблизительно половины толщины бокового покрытия электролизера. Падение катодного напряжения составляет 229 мВ. По сравнению со случаем А, уменьшение падения катодного напряжения составляет приблизительно 19%, а уменьшение пика плотности тока составляет приблизительно 18%.
Кривая С, относящаяся к изобретению, соответствует шине из стали, имеющей те же самые размеры, что в случае А, но содержащей цилиндрическую вставку из меди длиной, равной 1,30 м, диаметр которой равен 4,5 см (соответствующую объему меди, идентичному объему меди случая А). Вставка размещена вдоль продольной оси симметрии шины и простирается, как на фигуре 2, от наружного конца шины до внутренней части ванны. Неуплотненная зона имеет длину 0,18 м и касается трех нормально уплотненных поверхностей шины. По сравнению со случаем А уменьшение падения катодного напряжения составляет приблизительно 32%, а уменьшение пика плотности тока составляет приблизительно 37%. Распределение катодного тока является определенно более равномерным, чем в случаях А и В.