КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
CATHODE ASSEMBLY OF ALUMINIUM ELECTROLYTIC CELL

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминия электролизом расплавленных солей и оксидов, касается конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера и может быть использовано при проектировании новых и реконструкции действующих электролизеров.
Известно катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащего кожух, угольные подовые блоки, токоподводящие стержни (блюмс) в виде стального бруса и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми блоками. Блюмс вставляется в паз блока и для лучшего электрического контакта заливается чугуном или трамбуется графитовой крошкой со связкой. Блюмс электрически соединяется с катодной алюминиевой шиной через алюминиевый спуск - гибкий пакет из алюминиевых пластин. Последние привариваются контактной сваркой к стальному блюмсу и аргонной сваркой к алюминиевой катодной шине. Сварка осуществляется при монтаже электролизера и разрушается при его демонтаже. Соединение углеграфитового подового блока с блюмсом осуществляется заранее до монтажа электролизера. Подовая масса набивается сбоку блюмса в зазоре с блоком (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971. -195 с.).
Рассмотренная конструкция позволяет достигнуть гарантированный механический контакт между токоподводящими стержнями и блоком, но тем не менее обладает следующими недостатками. Рабочий ток идет сначала к ножкам блока, а затем по вертикали в блоке к расплаву алюминия, при такой набивке путь тока длинный, и как следствие, большое падение напряжения и повышенный расход электроэнергии. Кроме того, так как коэффициент термического расширения стали и углеграфитового блока значительно отличаются друг от друга, то при нагревании такой конструкции возникают большие термические напряжения, вызывающие образование трещин в угольных блоках. В результате расплавленный алюминий из ванны, проникая по трещинам в подовом блоке к стальным токоподводящим стержням, растворяет их и происходит загрязнение наработанного алюминия железом, нарушение токоподвода, преждевременное отключение и выход из строя электролизера.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее кожух, сплошные угольные подовые блоки, размещенные на теплоизоляционном пористом материале, токоподвод, выполненный в виде стальных пластин с прорезями, расположенными перпендикулярно длинной стороне блока. К пластине приварена небольшая наружная часть токоподводящего стержня, который соединен с катодной алюминиевой шиной через алюминиевый спуск - гибкий из алюминиевых пластин (Патент РФ №2149925, МПК С25С 3/08).
Однако в данном устройстве в процессе эксплуатации невозможно достигнуть надежного сцепления угольных подовых блоков с токоподводящими пластинами, что приводит к повышенному расходу электроэнергии за счет ослабления электрического контакта блок - пластина, и как следствие, увеличению затрат на производство алюминия.
Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы катодного устройства за счет уменьшения величины термического напряжения между блоком и токоподводящим элементом, а также в уменьшении расхода электроэнергии за счет снижения контактного электросопротивления и повышения качества электролитического алюминия за счет исключения загрязнения его железом.
Для достижения поставленной задачи заявляемое катодной устройство алюминиевого электролизера содержит следующую совокупность существенных признаков: кожух, угольные подовые блоки, закрепленные в блоке подовой массой, токоподводящие элементы и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми боками, причем токоподводящие элементы представляют собой пакет из алюминиевой фольги, свободно уложенный между подовыми блоками и огнеупорными плитами по всей поверхности каждого подового блока.
Совокупность указанных общих существенных признаков дополняют, развивают и уточняют следующие частные отличительные признаки, направленные на решение той же задачи: токоподводящие элементы из пакета алюминиевой фольги имеют форму прямоугольника, на большую верхнюю поверхность - плоскость которого уложен подовый блок, а нижняя большая поверхность - плоскость лежит на огнеупорной плите.
По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки. Токоподводящий элемент представляет собой пакет из алюминиевой фольги под всей нижней поверхностью подового блока, что значительно увеличивает поверхность контакта токоподводящий элемент - блок и тем самым уменьшает контактное электросопротивление, а кроме того, при электролизе не происходит загрязнения алюминия железом. Токоподводящий пакет из алюминиевой фольги сжат верхним массивным угольным подовым блоком, поэтому между листами пакета алюминиевой фольги имеется хороший электрический контакт как между металлами, т.е. листы фольги в пакете - это параллельно соединенные металлические проводники. Все это заметно уменьшает падение напряжения и энергозатраты.
Сущность изобретения поясняется графически (см. чертеж) - вид катодного устройства сбоку, на котором изображено: 1 - кожух электролизера, 2 - угольный подовый блок, 3 - токоподвод - пакет из алюминиевой фольги, 4 - огнеупорные плиты.
В процессе работы данного устройства электрический ток подводится через токоподводящий пакет из алюминиевой фольги 3 к угольным подовым блокам 2 и далее выше к электролиту. Пакет из алюминиевой фольги сжат массивным угольным подовым блоком. Фольга гибкая, поэтому плотно контактирует с небольшими неровностями низа угольного подового блока и между слоями фольги, поэтому создается гарантированный механический и электрический контакт и исключаются термические напряжения между угольным подовым блоком с пакетом из алюминиевой фольги.
При эксплуатации катодного устройства, выполненного по прототипу, стальной стержень находится в контакте с углеграфитовым блоком и набивочной массой при рабочей температуре 800-900°С, при длительной работе 3-5 лет происходит науглероживание и стальной стержень не пригоден к повторному использованию, его сдают во Вторчермет. Алюминий из-за наличия прочной оксидной пленки не взаимодействует с углеродом, поэтому отработанная фольга сминается и сплавляется в собственном алюминиевом электролизере.
Алюминиевая фольга представляет собой алюминиевый лист толщиной 0,05-0,1 мм, покрытый пленкой оксида алюминия. Поэтому алюминиевая фольга представляет собой композиционный материал, в котором одна фаза - алюминий и вторая фаза - оксид алюминия, прочно соединены между собой (прочная адгезия на границе фаз). Алюминий плавится при температуре 660°С, а оксид алюминия - 2050°С. Температура сохранения формы композиционного материала алюминий-оксид алюминия сохраняется и выше температуры плавления алюминия. Эта температура тем выше, чем больше содержание оксида алюминия в композиционном материале. Реальная алюминиевая фольга, изготовленная из высокочистого алюминия, при толщине фольги 0,1 мм сохраняет форму пакета до 1100°С. Следовательно, пакет из алюминиевой фольги служит хорошим токоподводом к низу угольного подового блока, работающего при температуре 800-900°С.
Приведем расчет экономической целесообразности применения пакета из алюминиевой фольги.
Основой расчета служит закон Ома. Электросопротивление R стального (1) и алюминиевого (2) тоокоподводов должны быть равны.
где L, S и V длина, сечение и объем тоокоподвода, σ - удельная электропроводность. Вес Р и стоимость С получим, умножая объем на плотность d и на цену Ц тонны металла:
2
1
Откуда получаем соотношение стоимостей пакета из алюминиевой фольги С и стального штыря C
Исходные данные приведены в таблице, подставим их в уравнение (7)
4
Как видим, замена стального блюмса на пакет из алюминиевой фольги в 10 дороже стали по стоимости материалов.
4
Для тоокоподвода в виде пакета алюминиевой фольги не обязательно использовать товарную фольгу в виде рулонов, так как она очень дорогая. Для этого достаточно использовать обрезки фольги, которые не используются и переплавляются для получения слитков алюминия. В этом случае можно покупать обрезки алюминиевой фольги по цене технического алюминия 5·10 руб/т (см. таблицу). Эту цену подставим в уравнение (7):
т.е. применение пакета из алюминиевой фольги вместо стального блюмса дороже всего лишь в 4 раза по материалам.
Однако надо учитывать еще несколько преимуществ применения алюминиевой фольги: не требуются операции изготовления, транспортировки и заделки стального блюмса в угольный подовый блок, уменьшение падения напряжения на контакте блок - блюмс и соответственно уменьшение энергозатрат на 1-2%, уменьшение потерь тепла с торца тоокоподвода из-за уменьшения его сечения, увеличение рабочей толщины угольного подового блока из-за исключения паза, исключения термических напряжений и трещин в угольном подовом блоке, повышение технологичности монтажа и демонтажа электролизеров и их долговечность и др. Однако положение может быть еще более выгодным, если учесть что увеличивается срок эксплуатации электролизера в 2 раза с алюминиевой фольгой по сравнению со сроком службы со стальным блюмсом, так как стоимость демонтажа электролизера около 30 млн руб.
Кроме того, предлагаемое катодное устройство за счет уменьшения падения напряжения на подовом блоке с 0,0081 до 0,027 В позволяет уменьшить затраты энергии на (0,081-0,027)/1 00/4,5=1,2% на получение алюминия, где 4,5 В - падение напряжения на электролизере. Еще уменьшаются потери тепла через торец токоподвода из-за уменьшения его сечения. В итоге окажется выгодным применение алюминиевой фольги вместо стального блюмса.