Катодное устройство алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к электрометаллургии алкминия. Цель изобретения - сокращение энергозатрат в катодном устройстве и повышение его срока службы. Катодное устройство включает углеродистые блоки 3 со стальными токоподводящими стержнями 5. Углеродистые блоки установлены продольными сторонами параллельно продольным стенкам кожуха электролизера. Углеродистые блоки соединены по два в виде полумодуля, ширина которого равна половине ширины подины. Подина катодного устройства вьшолнена из четырех полумодулей. Использование изобретения стабилизирует слой жидкого алюминия, существенно уменьшает расстояние между анодом и катодом. Площадь рабочей катодной поверхности увеличивается. Обеспечивается одновременно большое сечение стального стержня и большая площадь контакта углерода со сталью. 2 з.п. ф-лы, В ил., 1 табл. СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А3

09) (ll) Ш4 С 2

Ю- Л .-"1) ЛЧ 1Я ,.„ l3 юЖБЛЖ) 1ЕКЛ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н flATEHTY х

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3905449/22-02 (22) 12.06.85 (31) 8410557 (32) 13.06.84 (33) FR (46) 30.09.87. Бюл. Ф 36 (71) Алюминиюм Решине (FR) (72) Бернар Лангон (РК) (53) 669.713.72(088.8 ) (56 ) Патент США У 3787311, кл. 204-294, опублик. 1974.

Патент США и 3764509, кл. 204-243 R, опублик. 1974.

Справочник металлурга по цветным металлам. — Производство алюминия.

M. Металлургия, 1971, с. 194-198. (54) КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА (57) Изобретение относится к электрометаллургии алюминия. Цель изобретения — сокращение энергозатрат в катодном устройстве и повышение его срока службы. Катодное устройство включает углеродистые блоки 3 со стальными токоподводящими стержнями 5.

Углеродистые блоки установлены продольными сторонами параллельно продольным стенкам кожуха электролизера.

Углеродистые блоки соединены по два в виде полумодуля, ширина которого равна половине ширины подины. Подина катодного устройства выполнена из четырех полумодулей. Использование изобретения стабилизирует слой жидкого алюминия, существенно уменьшает расстояние между анодом и катодом.

Площадь рабочей катодной поверхности увеличивается. Обеспечивается одновременно большое сечение стального стержня и большая площадь контакта углерода со сталью. 2 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1342427

Изобретение относится к электрометаллургии алюминия.

Цель изобретения — сокращение энергозатрат и повышение срока службы катодного устройства.

На фиг. 1 показан известный катод электролизера; на фиг. 2 — 8 — предлагаемое катодное устройство электролизера. 10

Катодные блоки 1 расположены параллельно меньшей стороне 2 металлического корпуса, несущего катод электролиэера. Эти блоки имеют форму удлиненных параллелепипедов с большой 15

1 осью АА, высота h и ширина 1 состав,ляют 300-700 мм, а длина — 2 м и более. Соотношение между длиной и шириной в большинстве случаев больше

2 и может достигать 4 и даже 8. Соотношение между высотой и шириной зачастую составляет порядка 1.

В случае, представленном на фиг. 1, каждый блок 1 включает в себя два стержня 3, представляющие собой две половинки, которые могут соединяться (или нет) в своей центральной части 4. К наружным концам 5 катодных стержней подключены один или несколько боковых проводников б, соединенных З0 с анодной рамкой следующего электролизера данной батареи. Стержни заделаны чаще всего путем заливки чугуном в одну или две продольные прорези 7 блока 1.

Последовательно расположенные катодные блоки соединяются между собой посредством слоя штыбной пасты 8, трамбуемой в горячем виде и обеспечивающей герметичность всего катода по 40 отношению к проникновению жидкого алюминия и расплавленного электролита. От этой герметичности во многом зависит срок службы электролизера.

В соответствии с изобретением (фиг.

2-8) катодные блоки 10 установлены так, что их большая ось АА параллельна большей стороне 11 корпуса и

его большей оси ХХ . Катодные стержни 3 и выходы 5, а также коллектор 6

50 сохраняют прежнее расположение, но прорези 12 выполнены поперек катодного блока, параллельно его меньшей стороне, а следовательно, перпендиF кулярно его большей оси АА

Каждый катодный полумодуль образо55 ван двумя блоками, предварительно соединенными между собой посредством, например, склеивания 9, а установка на место и крепление катодных стержней осуществляются обычными способами, такими как заливка чугуном или (реже) при помощи углеродсодержащей пасты. Соединенные вместе два идентичных полумодуля, установленные симметрично большей оси корпуса, образуют первый катодный модуль. Два полумодуля соединяются между собой обычным способом при помощи штыбной пасты

13 или посредством склеивания. Это соединение может быть осуществлено до или после установки в корпус.

Этот первый катоцный модуль дополняется затем п идентичными модулями, соединенными между собой при помощи штыбной пасты 8, причем число модулей зависит от типа электролизера.

Например, катод для электролизера на

180 000 А может состоять из трех последовательно расположенных модулей.

Хотя были описаны полумодули, образованные каждый двумя блоками, этот пример не является ограничительным.

Можно представить себе полумодули, образованные двумя блоками различной ширины или тремя блоками одинаковой или различной ширины, но высота и . длина в передней части должны быть во всех случаях одинаковы.

Исходя из основного принципа можно представить себе несколько вариантов осуществления изобретения. Каждый из двух блоков, образующих катодный полумодуль, может иметь идентичный состав, т.е. быть выполнен из такой же углеродсодержащей пасты, или другой состав, обеспечивающий модулю особые свойства, например другую тепло- или электропроводность.

Наружный блок классического типа (каменноугольный пек + зерна антраD цита) имеет при 900 С электрическое удельное сопротивление порядка 4,4х

x10= Ом/см и теплопроводность )- порядка 0,03 Вт/см/ С, тогда как внутренний блок полуграфитового типа имеет при 900 C электрическое удельное сопротивление 2,8 10 Ом/см и теплопроводность А 0,23 Вт/см/ С.

В варианте, представленном на фиг. 3, наружный блок образован из двух частей, причем наружная часть выполняется из материала с относительно низкой теплопроводностью с тем, чтобы уменьшить поток тепла, уходящего наружу через углеродсодер1342427 жащие блоки, и улучшить таким образом тепловой баланс электролизера.

Сечения прорезей 12 крепления,мо-, гут иметь все одинаковую ширину или некоторые из них, в частности наружные, могут иметь различную ширину с целью, например, обеспечения постоянного расстояния между отверстиями, предусмотренными в боковой стенке корпуса для выхода наружу катодных стержней.

Кроме того, в часть поверхности катодных блоков, образующих катод, можно ввести вещество, которое сделает их смачиваемыми жидким алюминием.

Такое введение может быть поверхностным или затрагивать весь катодный блок, или часть его. Например, диборид титан TiB смачивается жидким алюминием и относительно мало разъединяется этим металлом при темпера— туре 930-960 С.

Таким образом, можно покрыть полностью или частично поверхность катоднык блоков пластинами или другими элементами из чистого TiB или из композитного материала, содержащего ,по меньшей мере ЗОБ TiB, либо осуществить любым известным способом осаждение Т В или композитного материала на основе Т В на всей или части катодной поверхности, либо ввести в углеродсодержащую пасту, из которой выполнены катодные блоки, находящиеся в контакте с жидким алюминием, TiB и/или соединение ОТМ с содержанием ОТМ равным ЗОХ, что является минимумом, обеспечивающим эффект смачивания. Таким образом, можно стабилизировать слой жидкого алюминия и существенно уменьшить расстояние между анодом и катодоми, следовательно, падение напряжения в электролизной ванне, что ведет к соответствующему уменьшению удельной энергии в киловаттчасах на тонну произведенного алюминия.

Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в том, что площадь полезной катодной поверхности увеличивается в результате замены заделки швов штыбной пастой, слой которой имеет толщину 30-40 мм и обладает слабой электропроводностью, соединением блоков между собой посредством склеивания, причем слой клея имеет очень маленькую толщину порядка миллиметра; кроме того, обеспечива5

20 тей, остающихся между прорезями или между прорезью и краем блока, остаются прежними. Выигрыш в 10 мВ эквивалентен снижению потребления на

30-35 кВт.ч на тонну произведенного алюминия .

Новое расположение катодных блоков позволяет изготавливать смешанные блоки (или "сэндвичи") простым и экономичным методом. В соответствии с известным способом нужно было разрезать блоки 1, затем соединять две части (например антрацит и полуграфит) при монтаже катодов, тогда как по изобретению смешанный блок получают в результате простого склеивания двух блоков стандартных размеров и сразу же устанавливают на место.

Установка на место не требует меньших затрат рабочей силы: вместо четырех блоков (фиг. 1) устанавливают два полумодуля (фиг. 2) или один целый модуль, предварительно склеенный.

По сравнению с классическим склеиванием блоков 1, осуществляемым при помощи длинноходных силовых цилиндров 14 (фиг. 4) и сопряженным с определенными трудностями, монтаж модулями легко приспосабливается даже к значительным неточностям, которые компенсируют нри помощи штыбной пасты 8, укладываемой между смежными модулями (фиг. 2). Кроме того, для прижатия друг к другу двух склеиваемых между собой полумодулей (8), 25

55 ется одновременно большое сечение стального стержня и большая площадь контакта углерода со сталью.

На фиг. 6-8 видно, что для одного и того же вертикального разреза переходят от длины контакта спая

36,8 дм и площади сечения стали и чугуна 17,16 дм (фиг. 6) к длине контакта 29,2 дм и площади сечения

26,4 дм (фиг. 7) и к длине контакта

41,6 дм и площади сечения 25,08 дм (фиг. 8). Результатом этого является очень значительное снижение падения омического напряжения в месте спайного контакта, сочетающееся с очень слабым падением омического напряжения в стальном стержне. Этот общий выигрыш, величина которого достигает нескольких десятков милливольт, обеспечивается без ущерба для прочности углеродсодержащего блока, поскольку размеры крыльев 16 блоков, т.е. час2427

Блоки известной конструкции

Показатели г J

59

Спайный контакт

83

136

142

172

203

Всего:

5 134 образующих каждый катодный модуль, достаточно использовать короткоходные силовые цилиндры 15, устанавливаемые против большей стороны корпуса.

В результате замены швов иэ штыбной пасты клееными швами улучшается герметичность катода к проникновению расплавленных металла и электролита.

Изобретение допускает использование катодных поверхностей, смачиваемых жидким алкминием.

Изобретение было осуществлено на нескольких электролизерах одной бата реи, работающей нà 180 000 А, в виде катода, выполненного из двух полумодулей, образованных каждый двумя блоками нз полуграфита (фиг. 8).

На электролизерах классической конструкции с антрацитовыми блоками и на предлагаемых электролизерах быпи проведены измерения падения потенциала в катодной системе, в спайном контакте и в катодном стержне. Измерения представлены в таблице.

Максимальный полученный выигрыш составляет 61 мВ, что соответствует экономии примерно 200 кВт.ч на тонну произведенного алюминия. Этот выигрыш был обеспечен наполовину эа счет использования полуграфитных

Падение омического напряжения в стержне блоков с более низким удельным сопротивлением и наполовину за счет использования модульного катодного блока по изобретению.

Формула изобретения

1. Катодное устройство алюминие1 вого электролизера, содержащее металлический кожух, теплоизоляционную и огнеупорную футеровку, подину, выполненную из углеродистых блоков со стальными токоподводящими стержнями, установленными в пазах углеродистых блоков, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью сокращения энергозатрат и повышения срока службы устройства, углеродистые блоки установлены продольными сторонами параллельно продольным стенкам кожуха, а пазы выполнены перпендикулярно продольным сторонам блока.

25 2. Устройство йо и. i, о т л ич а ю щ е е с я тем, что углеродистые блоки соединены по два в виде полумодуля, ширина которого равна половине ширины подины.

3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что подина вью полнена из четырех полумодулей.

Блоки по изобретению

1342427

1342427

Фиг.5

1342427

18 Q

Составитель О. Голыжникова

Техрел. М,Дндьпс Корректор С. Шекмар

Редактор А. Долинич

4448/59 Тираж 612 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4