КАТОДНЫЙ БЛОК, ИМЕЮЩИЙ ПАЗ ПЕРЕМЕННОЙ ГЛУБИНЫ И ЗАПОЛНЕННОЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО
CATHODE UNIT HAVING GROOVE OF VARIABLE DEPTH AND COMPLETED INTERMEDIATE SPACE

Настоящее изобретение относится к катодному блоку для алюминиевого электролизера, к его использованию, а также к содержащему его катоду.
3
6
Электролизеры, например, применяются в электролитическом производстве алюминия, которое в промышленных масштабах обычно осуществляется в соответствии с процессом Холла-Эру. В рамках процесса Холла-Эру проводится электролиз расплавленной смеси оксида алюминия и криолита. В данном случае криолит, Na[AIF], применяется для снижения температуры плавления 2045°C для чистого оксида алюминия до приблизительно 950°C для смеси, содержащей криолит, оксид алюминия и дополнительные вещества, такие как фторид алюминия и фторид кальция.
Электролизер, применяемый в данном процессе, содержит катодное дно, которое образовано из множества, например, до 28, смежных катодных блоков, формирующих катод. В данном случае промежуточные пространства между катодными блоками обычно заполняются углеродистой набивной подовой массой для изоляции катода от расплавленных составляющих электролизера и компенсации механических напряжений, которые возникают при вводе электролизера в эксплуатацию. Катодные блоки обычно изготавливают из углеродистого материала, такого как графит, чтобы они могли выдерживать термические и химические условия, преобладающие при эксплуатации электролизера. Нижние части катодных блоков обычно обеспечены пазами, в каждом из которых размещена одна или две шины, по которым подается ток, поступающий посредством анодов. В данном случае промежуточные пространства между шинами и отдельными стенками катодного блока, прилегающими к пазам, часто заполняют чугуном, так что созданная таким образом чугунная оболочка шин электрически и механически соединяет шины с катодными блоками. Приблизительно на 3-5 см над слоем жидкого алюминия на верхней части катода, который обычно имеет толщину 15-50 см, находится анод, в частности, образованный из отдельных анодных блоков. Электролит или, иными словами, расплавленная масса, содержащая оксид алюминия и криолит, находится между этим анодом и поверхностью алюминия. В процессе электролиза, который проводится при приблизительно 1000°C, сформированный таким образом алюминий, будучи более плотным, чем электролит, оседает ниже слоя электролита, то есть, иными словами, как промежуточный слой между верхней частью катода и слоем электролита. В процессе электролиза оксид алюминия, растворенный в расплавленной массе, распадается на алюминий и кислород под действием электрического тока. С точки зрения электрохимии слой жидкого алюминия фактически представляет собой катод, поскольку ионы алюминия восстанавливаются до элементарного алюминия на его поверхности. Тем не менее ниже термин «катод» будет относиться не к катоду с точки зрения электрохимии или, иными словами, слою жидкого алюминия, а к компоненту, образованному, например, из одного или более катодных блоков и формирующему дно электролизера.
Одним из основных недостатков катодных устройств, применяемых в рамках процесса Холла-Эру, является их сравнительно низкая износоустойчивость, которая проявляется в виде съема материала с поверхностей катодных блоков во время электролиза. В данном случае ввиду неоднородного распределения тока в пределах катодных блоков не происходит равномерного съема материала с поверхностей катодных блоков по длине катодных блоков, но в большей степени это происходит на концах катодных блоков, в результате чего после прохождения электролиза в течение определенного времени поверхности катодных блоков приобретают W-образный профиль. Ввиду неравномерного съема материала с поверхностей катодных блоков срок эксплуатации катодных блоков ограничен зонами с наибольшим съемом материала.
Для разрешения данной проблемы в WO 2007/118510 A2 предложен катодный блок, в котором паз, предназначенный для размещения одной или более шин, имеет по отношению к длине катодного блока большую глубину в центре, чем на концах катодного блока. В ходе работы электролизера это приводит к по существу однородному вертикальному распределению тока по длине катодного блока, посредством чего более высокий уровень износа на концах катодного блока снижается, и, таким образом, срок службы катодного блока увеличивается. В данном случае шина(-ы) заключена(-ы) в чугунную оболочку обычным образом, при котором данная оболочка создается путем выливания жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами). Однако катодный блок данного типа обременен множеством недостатков. При выливании жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) и впоследствии, при вводе в эксплуатацию электролизера, содержащего катодный блок, и впоследствии, при отключении электролизера и его дальнейшем повторном включении и впоследствии катодный блок подвергается сравнительно большим изменениям температуры, которые приводят к расширению или сжатию чугуна и шины (шин) относительно катодного блока. Этот эффект расширения или сжатия может усиливаться за счет возникающих температурных градиентов. При применении выражения «большое(-ие) изменение(-я) температуры» ниже его следует понимать как указание на наличие одного или обоих из упомянутых эффектов - иными словами, расширение/сжатие или температурный градиент. Поскольку чугун и материал шины (шин) имеют более высокий коэффициент термического расширения, чем материал катодного блока, то при повышении температуры чугун и шина(-ы) расширяются относительно катодного блока, тогда как, с другой стороны, при снижении температуры происходит их сжатие относительно катодного блока. Это вызывает ухудшение электрического контакта между шиной, чугуном и катодным блоком, особенно в случае обычных пазов с их прямоугольным поперечным сечением, а это, в свою очередь, приводит к повышению электрического сопротивления конструкции и, таким образом, низкой энергетической эффективности электролитического процесса. Кроме того, до выливания жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) шина(-ы) выполнена(-ы) с возможностью перемещения не только вертикально, но также и горизонтально, так что они могут неконтролируемо перемещаться в пазу во время выливания жидкого чугуна, а затем во время его охлаждения и отверждения. Это также может привести к неравномерному электрическому контакту между шиной, чугуном и катодным блоком. Это также приводит к повышению электрического сопротивления конструкции и, таким образом, низкой энергетической эффективности электролитического процесса. Вместо чугуна можно также применять набивную подовую массу. В качестве набивной подовой массы можно применять набивные подовые массы на основе антрацита, графита или любой их смеси. Предпочтительно применяют набивную подовую массу на основе графита.
При упоминании чугуна далее в настоящем документе следует понимать, что набивную подовую массу можно замещать чугуном без особых оговорок в каждом случае.
Поэтому задача изобретения заключается в обеспечении катодного блока, подходящего, в частности, для применения в алюминиевом электролизере, с помощью которого достигается по существу однородное вертикальное распределение тока по длине катодного блока при эксплуатации электролизера, который также имеет, даже при больших изменениях температуры, низкое удельное электрическое сопротивление и, в частности, в течение длительного периода электролиза постоянно низкое удельное электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление между шиной и катодным блоком, и который в случае больших изменений температуры является устойчивым по отношению к механическим повреждениям, таким как растрескивание.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью катодного блока для алюминиевого электролизера на основе углерода и/или графита, при этом катодный блок имеет по меньшей мере один паз, проходящий в продольном направлении катодного блока, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза имеет переменную глубину, если смотреть по длине катодного блока, и в по меньшей мере одном пазу обеспечена по меньшей мере одна шина, при этом промежуточное пространство между по меньшей мере одной шиной и стенкой, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, по меньшей мере частично заполнен сталью. Для целей настоящего изобретения вместо стали можно также применять другой подходящий материал, такой как, например, другие металлы, такие как медь или серебро, сплавы, композитные материалы из упомянутых выше материалов, такие как, например, стальные корпусы с медной сердцевиной, композитные материалы, такие как, например, пропитанный металлом графит, или углеродные материалы, или электропроводные массы. В качестве металла в упомянутых пропитанном металлом графите или углеродных материалах можно применять любой металл, который имеет температуру плавления выше рабочей температуры электролизера, которая составляет приблизительно 1000°C. Предпочтительным металлом является медь с температурой плавления 1080°C. Доля металла в композитном материале может находиться в диапазоне от 40% до 90% вес. Углерод в композитном материале может представлять собой антрацит, а графитный композитный материал может содержать графитизированный или графитообразный углерод в качестве графита. Термин «сталь» далее в настоящем документе будет применяться в этом отношении для всех из этих материалов.
В соответствии с изобретением было признано, что ввиду по меньшей мере частичного заполнения промежуточного пространства, которое, ввиду установки шины в форме балки в паз катодного блока (при этом упомянутый паз имеет переменную глубину, если смотреть вдоль длины катодного блока), формируется между шиной и стенкой, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, создается простое и дешевое катодное устройство с использованием стали, которая благодаря пазу переменной глубины по длине катодного устройства характеризуется по существу однородным вертикальным распределением тока и имеет в то же время, несмотря на паз переменной глубины, постоянно низкое электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление между шиной и катодным блоком, и которая в случае больших изменений температуры является устойчивой по отношению к механическим повреждениям, таким как растрескивание. В катодных устройствах, известных из предшествующего уровня техники, дополнительный объем промежуточного пространства, который возникает при применении традиционной шины в форме балки, благодаря глубине паза, варьирующейся по длине катодного блока, заполнен полностью или частично чугуном. Однако большее количество чугуна означает более высокий подвод тепла, когда заливают чугун, и это приводит к увеличению термических напряжений, ввиду которых в катодном блоке могут формироваться трещины, а именно, в некоторых обстоятельствах они не формируются до начала электролиза, что может приводить к ухудшению рабочих характеристик или даже к преждевременному отказу всего электролизера. Более того, такой объемный слой чугуна приводит к плохому электрическому контакту между шиной и катодным блоком посредством находящегося между ними чугуна, поскольку слой чугуна от времени своего отверждения до эксплуатации электролизера претерпевает общую усадку, поскольку рабочая температура электролизера, составляющая от 850 до 950°C, значительно ниже температуры отверждения чугуна, составляющей приблизительно 1150°C. Действительно, в WO 2007/118510 A2 уже предлагалось устранить эти недостатки путем по меньшей мере частичного заполнения промежуточного пространства стальными пластинами или даже путем применения шины с геометрией, соответствующей форме паза. Однако эти решения сопряжены с более высокими затратами в части производственной технологии. Более того, в частности, изготовление шины с геометрией, соответствующей форме паза, является дорогостоящим. При заполнении промежуточного пространства в соответствии с изобретением сталью или, иными словами, материалом, из которого изготавливают традиционные шины, этот материал ведет себя как шина в случае изменений температуры и, в частности, при резких изменениях температуры, так что посредством этого надежно предотвращается общая усадка и плохой электрический контакт в промежуточном пространстве. Промежуточное пространство может быть заполнено одним или более заполняющими материалами, изготовленными из стали, которая может быть изготовлена отдельно путем литья, проката, фрезеровки или другими подходящими способами формования. Это означает, что раствор в соответствии с изобретением может быть получен особенно просто, быстро и недорого.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере 50% промежуточного пространства заполнено сталью, предпочтительно по меньшей мере 75%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, еще более предпочтительно по меньшей мере 95%, исключительно предпочтительно по меньшей мере 98% и максимально предпочтительно 100%.
При разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы сталь, которой, по меньшей мере частично, заполняют промежуточное пространство, предпочтительно была такой же, как та, из которой образована по меньшей мере одна шина. В этом случае коэффициенты термического расширения двух материалов одинаковы, так что механические напряжения между шиной и сталью, которой, по меньшей мере частично, заполнено промежуточное пространство, надежно минимизированы во время нагрева до рабочей температуры электролизера.
Предпочтительно в этом случае применяется сталь с очень высокой электропроводностью в качестве материала для шин и формованных изделий, заполняющих промежуточное пространство. Эта сталь характеризуется, например, низким содержанием углерода, составляющим < 0,1%, содержанием кремния < 0,1% и содержанием фосфора < 0,05%.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере 50% промежуточного пространства заполнено сталью, предпочтительно по меньшей мере 75%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, еще более предпочтительно по меньшей мере 95% и исключительно предпочтительно по меньшей мере 98%, и между сталью и стенкой, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, обеспечен чугун. Чугун создает хорошее механическое соединение между, с одной стороны, сталью, которой, по меньшей мере частично, заполнено промежуточное пространство, и по меньшей мере одной шиной и, с другой стороны, катодным блоком катодного устройства, при этом благодаря стали, которой промежуточное пространство заполнено по меньшей мере на 50%, а предпочтительно заполнено по меньшей мере на 90%, требуется сравнительно небольшое количество чугуна, так что недостатки, описанные ранее в отношении заполнения промежуточного пространства чугуном, полностью, по меньшей мере в наибольшей возможной степени устранены.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере 50% промежуточного пространства заполнено сталью, предпочтительно по меньшей мере 75% и особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, при этом между шиной и стенкой, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, обеспечены одна или более стальных пластин или шаров.
Для достижения особенно равномерного вертикального распределения плотности тока на поверхности катодного блока во время электролитического процесса при разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза или предпочтительно все из пазов переменной глубины имел или имели на своем или своих продольных концах глубину меньше, чем в своем центре или своих центрах. Таким образом, достигается равномерное распределение электрического тока, подаваемого во время операции электролиза, по всей длине катодного блока, посредством чего удается избежать чрезмерно высокой плотности электрического тока на продольных концах катодного блока и, таким образом, предотвратить преждевременный износ на концах катодного блока. Ввиду такого равномерного распределения плотности тока по длине катодного блока удается избежать перемещений в расплаве алюминия, вызванных взаимодействием электромагнитных полей во время электролиза, посредством чего становится возможным располагать анод на меньшей высоте над поверхностью расплава алюминия. Это снижает электрическое сопротивление между анодом и расплавом алюминия и повышает энергетическую эффективность проводимого электролиза расплавленных солей.
Предпочтительно каждый из по меньшей мере одного паза имеет поперечное сечение, которое является по меньшей мере по существу прямоугольным, предпочтительно прямоугольным.
В равной степени предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна шина имела по меньшей мере по существу форму прямоугольного параллелепипеда или балки, предпочтительно форму прямоугольного параллелепипеда или балки.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения катодный блок в соответствии с изобретением может быть получен таким образом, а в особенности предпочтительно получается, если обеспечен катодный блок с по меньшей мере одним пазом переменной глубины, если смотреть по длине катодного блока, если по меньшей мере одна шина предпочтительно в форме балки вводится в по меньшей мере один паз, если промежуточное пространство между по меньшей мере одной шиной и стенкой, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, по меньшей мере частично заполнено одним или более формованными изделиями, изготовленными из стали.
С этим вариантом осуществления особенно предпочтительно по причинам, приведенным выше, чтобы одним или более формованными изделиями, изготовленными из стали, была заполнена только часть промежуточного пространства, такая как, например, по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 75% и особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, и между ними и стенкой катодного блока, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, помещался расплавленный чугун, и расплавленному чугуну позволяли затвердеть.
Дополнительным объектом настоящего изобретения является катодное устройство, которое содержит по меньшей мере один описанный ранее катодный блок.
Наконец, настоящее изобретение относится к применению описанного ранее катодного устройства для проведения электролиза расплавленных солей для производства металла, предпочтительно для производства алюминия.
Ниже настоящее изобретение описано исключительно для примера посредством преимущественного варианта осуществления и со ссылкой на прилагаемый чертеж.
Здесь:
на Фиг.1 показано продольное сечение катодного блока в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.1 показано продольное сечение катодного устройства 12' в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Катодное устройство 12' содержит катодный блок 20, в дне которого обеспечен паз 26, глубина которого варьируется по длине паза 26, а именно таким образом, что паз 26 имеет меньшую глубину на своем продольном конце, чем в своем центре. Разница между глубиной паза на продольных концах паза 26 и в центре - по отношению к продольному направлению катодного блока - паза 26 в настоящем примере осуществления составляет приблизительно 5 см. В данном случае глубина паза 26 на двух продольных концах паза 26 составляет приблизительно 16 см, тогда как, с другой стороны, глубина паза 26 по центру - по отношению к продольному направлению катодного блока - паза 26 составляет приблизительно 21 см. Ширина 44 каждого паза 26 является по существу постоянной по всей длине паза и составляет приблизительно 15 см, тогда как, с другой стороны, ширина 46 катодных блоков 20 в каждом случае составляет приблизительно 42 см. Шина в форме балки 28 с прямоугольным продольным сечением расположена в пазу 26, при этом между шиной 28 и дном 34 паза имеется промежуточное пространство 56, которое становится больше к центру паза 26. В соответствии с изобретением это промежуточное пространство 56 по меньшей мере частично, а в случае, показанном на Фиг.1, полностью заполнено сталью, а именно такой же сталью, как та, из которой изготовлена шина 28.
Перечень ссылочных номеров
12, 12' катодное устройство
20 катодный блок
26 паз
28 шина
34 нижняя стенка
56 промежуточное пространство