СОСТАВНОЙ ТОКООТВОДЯЩИЙ СТЕРЖЕНЬ
COMPOSITE SHUNT ROD

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к восстановительным электролизерам, используемым для получения алюминия, и, в частности, к токоотводящим стержням, составляющим их часть.
Предпосылки изобретения
2
3
Металлический алюминий обычно извлекают из глинозема (AlO) электролизом с помощью способа, обычно называемого процессом Холла-Эру. Этот процесс хорошо известен специалистам-практикам в алюминиевой промышленности и не требует здесь дальнейшего объяснения.
Данное изобретение сосредоточено не на самом процессе, а на электролизной ванне или электролизере, в которых этот электролитический процесс проводят. Верхняя (анодная) часть электролизера обычно состоит из одного или более токонесущих (обычно углеродистых) блоков, предназначенных равномерно распределять электрический ток по мелкому (в том смысле, что он имеет гораздо больший размер по горизонтали, чем по вертикали в глубину) жидкому слою расплавленного криолита, находящемуся поверх другого слоя расплавленного алюминия.
Нижняя (катодная) часть электролизера физически содержит слои расплавленных криолита и алюминия в полости, образованной из огнеупорных материалов, при этом нижняя поверхность этой полости опять же образована из электропроводящего (обычно углеродистого) материала. Этот электропроводящий материал обычно выполнен в виде последовательности крупных блоков (катодных блоков), в которые заделаны металлические проводники тока (токоотводящие стержни), образуя узел с путями для отвода электрического тока из электролизера.
Обычной практикой является то, что множество таких электролизеров соединены вместе в последовательную цепь (серию) с помощью системы электрических шин (ошиновки), позволяющей электрическому току входить в каждый электролизер по очереди через его анодную часть, подводя энергию для электролитического процесса, осуществляемого в пределах слоев жидкого криолита и алюминия, содержащихся внутри катодной части, и, в конце концов, покидать электролизер через токоотводящие стержни.
По мере того как электрический ток пересекает электролизер, он обычно ищет путь наименьшего сопротивления через компоненты электролизера, тем самым направляя наибольшую концентрацию тока к тому месту соединения, в котором токоотводящие стержни выходят из катодных блоков. Это неравномерное распределение тока оказывает вредное влияние, значительно повышая расход (обычно за счет эрозийных процессов) катодных блоков в зонах самой высокой концентрации тока.
Предшествующий уровень техники демонстрирует, что распределение тока по катодным блокам может быть значительно улучшено за счет использования составного токоотводящего стержня, состоящего из наружной стальной оболочки, окружающей высокоэлектропроводящий сердечник (обычно медный) на части его длины. Известно, что это улучшение распределения тока значительно улучшает сроки службы катодных блоков.
Хотя эти усовершенствованные токоотводящие стержни способствуют меньшей эрозии катода и поэтому улучшают срок службы катодных блоков, эти преимущества следует сопоставлять с высокими производственными затратами, связанными с материалами конструкции и сложностью сборки составных токоотводящих стержней. Поэтому существует необходимость в устройстве составного токоотводящего стержня, обладающем преимуществами устройств из дополняющих материалов, но которое относительно легче изготовить, тем самым значительно снижая затраты.
Сущность изобретения
По одному аспекту настоящего изобретения предложен электролизер в серии электролизеров для получения алюминия, содержащий:
- кожух и огнеупорную футеровку, образующие рабочую полость для содержания высокотемпературных расплавов;
- электропроводящий катод, содержащий множество катодных блоков, образующих основание рабочей полости;
- по меньшей мере один анод, подвешенный внутри электролизера и находящийся в контакте с высокотемпературными расплавами в рабочей полости;
- по меньшей мере один токоотводящий стержень, помещенный внутри пазов, выполненных в каждом катодном блоке катода, причем токоотводящий стержень расположен в катодном блоке непосредственно не контактирующим с расплавами в рабочей полости;
- размещенную снаружи кожуха электрическую ошиновку для переноса электрического тока от токоотводящих стержней этого электролизера к аноду следующего электролизера в серии электролизеров;
при этом токоотводящий стержень содержит первый проводник и по меньшей мере один второй проводник, причем первый проводник электрически соединен с электрической ошиновкой и имеет наружную поверхность или поверхности, которые электрически соединяются (контактируют) с катодным блоком, а упомянутый по меньшей мере один второй проводник имеет меньшее электрическое сопротивление, чем первый проводник, и при этом второй проводник расположен на по меньшей мере одной наружной поверхности первого проводника в электрическом контакте с первым проводником.
Согласно второму аспекту изобретение предлагает токоотводящий стержень для электрического соединения с ошиновкой электролизера, помещаемый внутри паза в катодном блоке катода электролизера, при этом токоотводящий стержень содержит первый проводник, электрически соединяющийся с электрической ошиновкой и имеющий наружную поверхность или поверхности, которые электрически контактируют с катодным блоком, и по меньшей мере один второй проводник, имеющий более низкое электрическое сопротивление по сравнению с первым проводником и расположенный на по меньшей мере одной наружной поверхности первого проводника в электрическом контакте с первым проводником.
Такой составной токоотводящий стержень по изобретению может иметь второй проводник, механически или химически связанный с первым проводником. В предпочтительном варианте изобретения этот первый проводник, который по площади поперечного сечения предпочтительно больше, чем второй проводник, образует нижнюю наружную поверхность составного токоотводящего стержня, когда он установлен в катодный блок.
Первый проводник составного токоотводящего стержня предпочтительно изготовлен из материала, который обладает относительно низкой тепло- и электропроводностью, такого как сталь. Низкая теплопроводность снижает потери тепла через концы токоотводящего стержня, а особенно к внешним носителям тока.
В отличие от первого проводника, второй проводник составного токоотводящего стержня предпочтительно изготовлен из материала с относительно высокой тепло- и электропроводностью, такого как медь. Таким образом, второй проводник обладает более высокой тепло- и/или электропроводностью по сравнению с первым проводником. Более высокая электропроводность второго проводника обеспечивает приблизительно равномерный электрический потенциал по всему токоотводящему стержню, тем самым способствуя равномерной плотности тока на поверхности катодного блока. Дополнительно, более высокая электропроводность второго проводника обеспечивает путь меньшего сопротивления между катодными блоками и внешним носителем тока, тем самым уменьшая падение напряжения на комплекте катодных блоков.
Альтернативно, первый проводник составного токоотводящего стержня может быть выполнен с каналом или иметь образованный в нем паз, при этом второй проводник закреплен в этом канале или пазу. В этом случае токоотводящий стержень может быть закреплен в катодном блоке либо с расположенным сверху первым проводником (в этом случае все стороны составного стержня химически защищены от катода), либо с расположенным сверху вторым проводником (в этом случае между наружными поверхностями второго проводника и катодным блоком может быть размещен дополнительный слой изоляции).
Хотя возможны и другие поперечные сечения (например, круглые поперечные сечения), формы поперечного сечения двух проводников составного токоотводящего стержня обычно будут многоугольными, а в большинстве случаев будут либо прямоугольными, либо желобчатыми (т.е. с каналом). В любом случае, второй (высокопроводящий) проводник будет образовывать по меньшей мере часть одной наружной поверхности токоотводящего стержня. Оба проводника токоотводящего стержня будут надежно связаны друг с другом, чтобы обеспечить хороший электрический контакт.
Относительные площади поперечных сечений первого и второго проводников составного токоотводящего стержня рассчитаны так, чтобы оптимизировать электрические токи и тепловой поток через составной стержень. Хотя соотношение площадей первого и второго проводников токоотводящего стержня зависит от особенностей конструкции катода и огнеупоров, по соображениям стоимости площадь поперечного сечения второго (высокопроводящего) проводника составного стержня предпочтительно будет составлять меньше, чем 50% от общего поперечного сечения токоотводящего стержня. Для оптимального расположения обоих проводников составного токоотводящего стержня относительно катодного блока может быть использовано математическое моделирование с тем, чтобы минимизировать тепловые потери и оптимизировать распределение электрического тока по внешней стороне катодного блока.
В качестве дальнейшего развития данного изобретения, относительные площади поперечных сечений первого и второго проводников токоотводящего стержня могут варьироваться в последовательных катодных блоках в катоде вдоль длины электролизера. Варьирование относительных площадей поперечных сечений проводников токоотводящего стержня между последовательными комплектами катодных блоков может быть использовано для выгодного изменения распределения поля плотности тока и общего потока тока через электролизер.
Способы соединения, которые могут быть использованы для изготовления составного токоотводящего стержня, хорошо известны в уровне техники и включают в себя (но не ограничены этим): посадку с натягом, крепления со взаимным зацеплением (замковое соединение), заклепочное соединение, сварка взрывом или соединение прокаткой. Уровень техники также показывает, что такие подходящие связи могут быть облегчены путем введения промежуточного слоя между двумя проводниками составного стержня, чтобы либо химически, либо механически способствовать прочности связи. Если такой промежуточный связующий слой применяется, то он не должен негативно влиять на электрический контакт между двумя проводниками составного токоотводящего стержня.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой один вариант реализации токоотводящего стержня по изобретению в катодном блоке;
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе электролизера, содержащего токоотводящий стержень по изобретению.
Фиг.3 представляет собой вид в разрезе второго варианта реализации токоотводящего стержня в катодном блоке, и
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе третьего варианта реализации токоотводящего стержня в катодном блоке.
Подробное описание вариантов реализации изобретения
Предпочтительный вариант реализации изобретения будет теперь описан со ссылкой на упомянутые выше чертежи.
Обращаясь к фиг.1, там показан токоотводящий стержень согласно одному варианту реализации изобретения. Катодный блок 10 показан с токоотводящим стержнем, вставленным внутрь паза, выполненного в катодном блоке 10. Токоотводящий стержень включает в себя первый проводник 11, который обычно представляет собой стальное тело, и второй проводник 12, который обычно выполнен из металла с высокой проводимостью, такого как медь, и вставлен в паз внутри первого проводника 11. В этом варианте реализации изобретения тот участок токоотводящего стержня, который вмещает в себя проводящий вкладыш, полностью размещен внутри катодного блока. Разрез А-А (фиг.1) токоотводящего стержня показывает, что второй проводник 12 является намного более тонким, чем первый проводник 11. Второй проводник 12 находится внутри верхней наружной поверхности первого проводника 11, так что включающая второй проводник наружная поверхность обращена к катоду. Согласуясь с применением токоотводящего стержня, размеры в направлении длины первого и второго проводников больше, чем размеры по высоте или ширине первого и второго проводников, что придает первому и второму проводнику удлиненную форму. Следовательно, удлиненный токоотводящий стержень вставляется внутрь удлиненного канала, выполненного внутри катодного блока.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения (фиг.3) второй проводник 30 механически или химически связан внутри первого проводника 31. В этом втором варианте реализации первый проводник, который будет в целом иметь большую площадь поперечного сечения по сравнению со вторым проводником, образует нижнюю поверхность токоотводящего стержня, когда он вставлен в катодный блок. В этом варианте реализации второй проводник вставлен внутрь паза 32, выполненного в наружной поверхности 33 первого проводника, и не граничит с катодным блоком, когда установлен. В этом варианте реализации второй проводник не обращен к катодному блоку или не находится в прямом контакте с ним, и ожидается, что он будет долговечным при нормальных рабочих условиях.
В другом варианте реализации изобретения (фиг.4) второй проводник 40 механически или химически связан с одной наружной поверхностью первого проводника 41. Второй проводник 40 будет иметь такие же размеры по длине и ширине, что и первый проводник 41, тем самым полностью покрывая одну сторону первого проводника. Этот вариант реализации мог бы быть использован и со вторым проводником, составляющим самую нижнюю наружную поверхность токоотводящего стержня.
Однако, когда этот вариант реализации изобретения используется в катодном блоке, предпочтительно, чтобы высокопроводящий второй проводник 40 был самой нижней поверхностью токоотводящего стержня, так чтобы только области меньшей стороны второго проводника были обращены к катодному блоку.
Во всех вариантах реализации, как правило, второй проводник занимает меньше, чем 50% общей площади поперечного сечения токоотводящего стержня.
Способы соединения, которые могут быть использованы для изготовления составного токоотводящего стержня по изобретению, хорошо известны в технике и включают в себя (но не ограничены этим): посадку с натягом, крепления с взаимным зацеплением (замковое соединение), заклепочное соединение, сварку взрывом или соединение прокаткой. Специалистам в данной области техники будет понятно, что такие связи могут быть облегчены путем введения промежуточного слоя между двумя проводниками составного стержня, чтобы либо химически, либо механически способствовать прочности связи между двумя проводниками. Если такой промежуточный слой применяется, то он не должен негативно влиять на электрический контакт между двумя проводниками составного токоотводящего стержня, т.е. в изобретении требуется, чтобы устанавливалась и поддерживалась хорошая электрическая проводимость (связность) между первым и вторым проводниками токоотводящего стержня.
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе электролизера, содержащего токоотводящий стержень согласно показанному на фиг.1 варианту реализации.
Электролизер является обычно одним из серии электролизеров в серии электролиза для получения алюминия с помощью процесса Холла-Эру. Электролизер содержит кожух и огнеупорную футеровку, образующие рабочую полость для содержания высокотемпературных расплавов. В производстве алюминия этими расплавами являются расплавленный жидкий криолит и расплавленный алюминий. Электролизер содержит катод, содержащий множество катодных блоков, которые образуют основание рабочей полости. Каждый из катодных блоков простирается поперек электролизера. Катодные блоки, образующие катод, окружены на своих концах и снизу огнеупорными кирпичами и материалом-заполнителем 13. Во время эксплуатации катод покрывается расплавленным алюминием 14 и расплавленным криолитом 15. Внутри электролизера согласно изобретению вторые проводники 12 показаны связанными внутри первых проводников токоотводящего стержня 11. Хотя такие проводящие вкладыши 12 показаны как находящиеся полностью внутри катодного блока 10, в других вариантах реализации изобретения эти вкладыши могут занимать всю длину одной из поверхностей токоотводящего стержня. Как показано на фиг.2, является общепринятой практикой, что по длине катодного блока может быть совмещен более чем один токоотводящий стержень, и в этом случае токоотводящие стержни отделены на своих внутренних концах изоляционным материалом 16.
В математических моделях, разработанных для токоотводящих стержней, изготовленных из одного материала, такого как сталь, электрический потенциал является высоким на значительной доле катодного блока и уменьшается неравномерно по направлению к подсоединениям токоотводящего стержня к ошиновке. В таком случае различия в потенциале на верхней поверхности катодного блока составляют приблизительно 100-150 мВ. Математические модели, разработанные для такой конфигурации токоотводящего стержня, как представленная на фиг.2, показывают, что хотя потенциал является изначально высоким вдоль самой верхней поверхности катодного блока, потенциал уменьшается почти равномерно по высоте катодных блоков. Различия в потенциале по верхней поверхности катодного блока составляют намного меньше, чем 10 мВ. Это является указанием на то, что составной токоотводящий стержень эффективно обеспечивает эквипотенциальную поверхность в пределах катодного блока, тем самым гарантируя намного более равномерное распределение тока по катодному блоку при использовании токоотводящего стержня в соответствии с изобретением, обеспечивая тем самым более равномерный износ по катодному блоку.
Использованные здесь термин «содержит» и его вариации, такие как «содержащий», «содержит» и «содержавший», не предназначены исключать другие добавки, компоненты, целые числа или этапы.
Понятно, что раскрытое и охарактеризованное в данном описании изобретение распространяется на все альтернативные сочетания двух или более отдельных признаков, перечисленных или очевидных из текста или чертежей. Все эти различные сочетания составляют различные альтернативные аспекты изобретения.