Катодный токоведущий стержень алюминиевого электролизера

Изобретение относится к производству алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к конструкции катодного токоведущего стержня. Катодный токоведущий стержень содержит металлический стержень с внутренней полостью и вкладыш из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлическим стержнем. Вкладыш выполнен из металла с температурой плавления ниже рабочей температуры электролиза, не взаимодействующего с материалом металлического стержня и обеспечивающего электрический контакт вкладыша с внутренней поверхностью металлического стержня при плавлении металла. Вкладыш может быть выполнен из магния или кальция. Вкладыш может быть выполнен переменным в поперечном сечении по его длине за счет установки металлических вставок во внутренней полости металлического стержня. Обеспечивается стабильность работы электролизера за счет снижения степени неоднородности вертикального тока по поверхности катодной секции, увеличение срока службы катодного устройства алюминиевого электролизера за счет равномерности износа углеродсодержащих катодных блоков. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, к производству алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к конструкции катодного токоведущего стержня.

Катодный токоведущий стержень предназначен для съема электрического тока с катода и передачи на внешнюю ошиновку, по которой он поступает на следующий электролизер. Электрический ток поступает в электролизер через аноды, проходит через слои электролита и металла, затем поступает в катод алюминиевого электролизера.

Катодный токоведущий стержень, выполняемый обычно из стали, закрепляется в пазу углеродсодержащего катодного блока с помощью электропроводного материала (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея). Углеродсодержащие катодные блоки с установленными катодными токоведущими стержнями именуются катодными секциями, группа которых формирует катод алюминиевого электролизера.

Известна катодная секция алюминиевого электролизера, включающая катодный углеродистый блок с закрепленным в нем с помощью чугунной заливки катодным токоведущим стержнем, который выполнен в виде двух элементов одинакового сечения жестко соединенных между собой, причем часть стержня находящаяся под анодом, выполнена из меди, а внешняя часть - из стали (патент SU 1260412, м. кл. С25С 3/08, 1986).

Одним из основных недостатков указанного технического решения является то, что медная часть катодного токоведущего стержня не имеет сплошной защитной оболочки, препятствующей доступу воздуха и окислению меди при высоких температурах, кроме того, с ростом температуры у меди существенно снижается прочность. Все вышесказанное приводит к росту контактного сопротивления углеродистый блок - катодный токоведущий стержень, и соответственно, приведет к росту перепада напряжения в катоде электролизера.

Другим недостатком изобретения являются сложности, возникающие при создании соединения «медная часть - стальная часть» катодного токоведущего стержня с приемлемым уровнем перепада напряжения в нем. Проблемы, связанные с различием коэффициентов термического расширения меди и стали, высокой окисляемостью и низкой прочностью меди при температурах близких к рабочей температуре электролиза и высокой температурой области соединения меди и стали, не позволяют получать хорошее соединение.

Этими недостатками и объясняются относительно не высокие показатели, полученные при испытаниях предлагаемой катодной секции.

Аналогичными недостатками обладают катодные токоведущие стержни по патентам US 2846388, 1956, US 3551319, 1970.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является катодный токоведущий стержень, устанавливаемый в паз углеродсодержащего катодного блока катодного устройства алюминиевого электролизера, включающий металлический стержень (сталь) с внутренней полостью и вкладыш из материала с высокой удельной электропроводностью (медь), установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта со стержнем. Внутренняя полость в катодном токоведущем стержне выполнена со стороны его внутреннего конца не доходит до внешнего конца, и имеет в поперечном сечении многоугольный профиль или круглый профиль (патент RU №2239007, МПК С25С 3/08, 2004).

К основным недостаткам указанного изобретения относятся технологические трудности при изготовлении в катодном токоведущем стержне внутренней полости для вкладыша и самого вкладыша. Для создания хорошего электрического контакта по всей длине катодного токоведущего стержня требуется высокая точность обработки изделий, или необходимо сложное технологическое оборудование по запрессовке медного сердечника в стальной токоведущий стержень. Но даже в этом случае обеспечить хороший электрический контакт при температуре катодного стержня ˜850÷960°С на длине несколько метров чрезвычайно трудно. Другим недостатком прототипа является существенное удорожание стоимости катодной секции за счет добавления медного вкладыша, обладающего высокой стоимостью, так как длина вкладыша составляет от 1,0 до 1,4 м при площади поперечного сечения вкладыша 5-30% (иногда до 70%) от сечения стального токоведущего стержня. В случае использования медного вкладыша с меньшим сечением не происходит заметного выравнивания степени неоднородности вертикального тока по длине углеродсодержащего катодного блока и не снижается перепад напряжения в катодном токоведущем стержне.

Задача изобретения - снижение перепада напряжения в катодном блоке для уменьшения расхода электроэнергии, упрощение и удешевление конструкции катодного токоведущего стержня за счет снижения требований к точности изготовления внутренней полости стержня и вкладыша, и использования менее дорогих материалов, повышения срока службы и стабильности работы электролизера за счет снижения степени неоднородности вертикального тока по поверхности углеродсодержащего катодного блока.

Технический результат заключается в уменьшении перепада напряжения в углеродсодержащем катодном блоке за счет разработки несложной в изготовлении конструкции катодного токоведущего стержня, позволяющего значительно увеличить эффективную удельную электропроводность последнего. При этом обеспечивается низкое электрическое контактное сопротивление между внутренней полостью металлического стержня и вкладышем с высокой удельной электропроводностью по всей длине катодного токоведущего стержня.

Для решения поставленной задачи в конструкции катодного токоведущего стержня, предназначенного для установки в паз углеродсодержащего катодного блока катодного устройства алюминиевого электролизера, включающего металлический стержень с внутренней полостью и вкладыш из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлическим стержнем, согласно заявляемому изобретению, вкладыш выполнен из металла с температурой плавления ниже рабочей температуры электролиза, не взаимодействующего с материалом металлического стержня и обеспечивающего электрический контакт вкладыша с внутренней поверхностью металлического стержня при плавлении металла вкладыша.

Данная конструкция катодного токоведущего стержня позволяет обеспечить существенное снижение перепада напряжения в катодном токоведущем стержне, в углеродсодержащем катодном блоке в целом и, тем самым, уменьшить расход электроэнергии, потребляемой электролизером. Кроме того, увеличение удельной электропроводности позволяет снизить степень неоднородности распределения вертикального тока по поверхности катодного блока и, тем самым, уменьшить неравномерность износа и, соответственно, повысить срок службы и стабильность работы алюминиевого электролизера.

Вкладыш катодного токоведущего стержня может быть выполнен из магния или кальция.

Во внутренней полости металлического стержня может быть установлена металлическая вставка со скосом, причем массивная часть вставки направлена к выходящей наружу части катодного стержня, остальная часть внутренней полости металлического стержня может быть заполнена металлом вкладыша с образованием переменного по длине поперечного сечения вкладыша.

Что позволяет выравнивать степень неоднородности вертикального тока по поверхности катодной секции. Таким образом, эффективная удельная электропроводность по длине катодного токоведущего стержня становится дифференцированной: минимальной в выступающей наружу части стержня и максимальной в части стержня, устанавливаемой в центре катодного блока.

Для обеспечения значительного увеличения электропроводности катодного токоведущего стержня можно использовать любые металлы (а не только медь χ=9900000 [Ом·м]^-1) с удельной электропроводностью, превышающей электропроводность стали при рабочих температурах электролиза 930-970°С (860000 [Ом·м]^-1), например: магний 2278000 [Ом·м]^-1, кальций 2380000 [Ом·м]^-1.

При рабочей температуре 930-970°С все предлагаемые металлы для вкладыша (магний, кальций) будут находиться в расплавленном состоянии. Преимущество их в том, что они не образуют сплавов со сталью. Кроме того, эти металлы обладают еще одним преимуществом - низкой плотностью, так плотность магния составляет 1,74 г/см³, кальция 1,55 г/см³ в отличие от меди 8,89 г/см³, и более низкой стоимостью. Например, чтобы получить увеличение электропроводности катодного токоведущего стержня в 3 раза необходимо использовать медный вкладыш, составляющий ˜24% от объема катодного стержня, в случае магниевого вкладыша ˜63%, а кальциевого ˜60%. В таблице представлены сравнительные оценки доли стоимости вкладыша в общей стоимости катодного токоведущего стержня на примере катодного стержня размером 1900×80×180 мм и вкладыша с высокой удельной электропроводностью длиной 1000 мм.

Параметры	Материл вкладыша
Медь (Cu)	Магний (Mg)	Кальций (Са)
Составляющая вкладыша от сечения катодного стержня, %	24	62	60
Масса вкладыша, кг	30,7	15,5	13,2
Стоимость, руб/кг (по данным 1-й кв. 2007 г.)	162	54	108
Итого, руб	4973	837	1426

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображен общий вид алюминиевого электролизера, поперечный разрез; на фиг.2 представлена катодная секция электролизера с предлагаемым катодным токоведущим стержнем, условно показано с вырезом; на фиг.3 показана катодная секция с катодным токоведущим стержнем, выполненным в соответствие пункта 3 формулы изобретения, условно показано с вырезом, на фиг 4 изображены температурные зависимости удельного электрического сопротивления некоторых конструкции катодных токоведущих стержней.

Катодный токоведущий стержень 1 включает металлический стержень 2 с внутренней полостью 3, вкладыш 4 из материала с высокой удельной электропроводностью, с температурой плавления ниже рабочей температуры электролиза и установленный во внутренней полости 3 с возможностью электрического контакта с металлическим стержнем 2, торцы которого закрываются металлическими накладками 5, а в выступающей части 6 имеется выпускное отверстие 7 для выхода воздуха. Предлагаемый катодный токоведущий стержень 1 предназначен для установки в углеродсодержащий катодный блок 8, выполненный с пазом 9 путем закрепления стержня 1 с помощью электропроводного материала 10 (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея). Углеродсодержащие катодные блоки 8 с установленными катодными токоведущими стержнями 1 именуются катодными секциями 11, группа которых формирует катод 12 алюминиевого электролизера.

Для существенного выравнивания вертикального тока по поверхности катодной секции 11, предлагается выполнить вкладыш 4 с поперечным сечением переменным по длине катодного токоведущего стержня 1 путем установки во внутренней полости 3 металлического стержня 2 металлических вставок 13.

Катодный токоведущий стержень 1 работает следующим образом: электрический ток поступает в электролизер 14 через анодную ошиновку 15 и аноды 16, проходит через слои электролита 17 и металла (алюминия) 18 и поступает в катод 12 алюминиевого электролизера, состоящий из катодных секций 11, оттуда снимается катодными токоведущими стержнями 1, соединенными гибкими алюминиевыми спусками 19 с катодной ошиновкой 20 и далее по ней поступает в следующий электролизер (условно не показан).

Для оценки предлагаемого технического решения проводились экспериментальные исследования образцов катодных токоведущих стержней, в ходе которых проводились замеры величин удельного электрического сопротивления. Для этого использовались следующие образцы: стальной пруток диаметром 27 мм, стальная труба с внешним диаметром 27 мм и диметром внутренней полости 22 мм, в которую был помещен вкладыш из магния. Проводились испытания до максимальных температур ˜1000°С, причем многократно, при этом образцы постоянно показывали повторяемость результатов.

Результаты проведенных испытаний (фиг.4) показывают, что удельное электрическое сопротивление предлагаемого катодного стержня при эксплутационных температурах практически в 3 раза ниже стали.

Проверка электрического сопротивления на границе раздела между магнием и сталью в образце показывает наличие низкого контактного сопротивления, составляющего не более 10^-10 Ом·м².

Образец с вкладышем из магния разрезали для просмотра границы раздела между магнием и внутренней поверхностью стального стержня и обнаружили, что поверхность стали хорошо смочена магнием и он плотно прилегает к стенке. Следов их взаимодействия и образования интерметаллидов не обнаружено.

Пример конструкции: В стальную прямоугольную трубу размером 1840×80×180 мм с толщиной стенки 12 мм помещается магниевый или кальциевый пруток соответствующего размера, после чего завариваются торцы трубы металлическими накладками размером 180×80×30 мм, но остается небольшое выпускное отверстие в выступающей части трубы. После этого металлический катодный стержень нагревается до температуры 970°С, отверстие заваривается и стержень охлаждается. Существует другой вариант: металлический токоведущий катодный стержень с помещенным магниевым или кальциевым прутком устанавливается в катодную секцию и в процессе обжига катода электролизера (внешними источниками тепла - пламенный обжиг) магний или кальций расплавляется, тем самым обеспечивается электрический контакт вкладыша с внутренней поверхностью металлического стержня, если есть излишки магния или кальция, они выдавливаются через выпускное отверстие.

В случае использования в конструкции катодного устройства электролизера катодных блоков с высоким содержанием графита 80-100% или полностью графитированных (термообработка до 3000°С), обладающих низким удельным электрическим сопротивлением 8-18 мкОм·м, может возникнуть необходимость в выравнивания степени неоднородности вертикального тока по поверхности катодной секции. Это можно выполнить путем установки внутрь стальной прямоугольной трубы размером 1840×80×180 мм с толщиной стенки 12 мм стальной металлической вставки со скосом размером длиной 1800 мм, шириной 56 мм и высотой от 0 до 80 мм, причем массивная часть вставки должна быть направлена к выходящей наружу части катодного стержня. В оставшуюся внутреннюю полость помещаются магниевые или кальциевые прутки соответствующего размера, после чего завариваются торцы трубы. Таким образом, изменяется эффективная удельная электропроводность по длине катодного токоведущего стержня, становится минимальной в выступающей наружу части стержня и максимальной - в части стержня, устанавливаемой в центре катодного блока.

Следует особо отметить, что предложенное в данном патенте техническое решение можно использовать не только на прямоугольных трубах, как показано в примере, но и на квадратных, круглых, приплюснутых (овальных) или профильных трубах.

Предлагаемое изобретение позволяет снизить расход электроэнергии в алюминиевом электролизере на 300-400 кВт/ч т А1 путем снижения перепада напряжения в катодной секции на 90-120 мВ, а именно в катодном токоведущем стержне, снизить стоимость катодного токоведущего стержня с магниевым или кальциевым вкладышем в 2-4 раза относительно стержня с медным вкладышем за счет упрощение конструкции катодного токоведущего стержня и удешевления используемых материалов (металлов).

При этом обеспечиваются условия для стабильной работы электролизера за счет снижения степени неоднородности вертикального тока по поверхности катодной секции, что помимо всего позволяет увеличить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера за счет равномерности износа углеродсодержащих катодных блоков.

1. Катодный токоведущий стержень, предназначенный для установки в паз углеродсодержащего катодного блока катодного устройства алюминиевого электролизера, включающий металлический стержень с внутренней полостью и вкладыш из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлическим стержнем, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из металла с температурой плавления ниже рабочей температуры электролиза, не взаимодействующего с материалом металлического стержня и обеспечивающего электрический контакт вкладыша с внутренней поверхностью металлического стержня при плавлении металла вкладыша.

2. Катодный токоведущий стержень по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из магния или кальция.

3. Катодный токоведущий стержень по п.1, отличающийся тем, что во внутренней полости металлического стержня установлена металлическая вставка со скосом, причем массивная часть вставки направлена к выходящей наружу части катодного стержня, остальная часть внутренней полости металлического стержня заполнена металлом вкладыша с образованием переменного по длине поперечного сечения вкладыша.