Секция подины электролиза

 

Использование: изобретение относится к электрометаллургии, в частности, к устройству катодной секции электролизера. Сущность: изобретение позволяет полностью избавиться от растягивающих напряжений в углеродистом блоке, вызываемых тепловым расширением токопроводов, и, как следствие, от трещинообразований по этим причинам за счет выполнения секции электролизера, состоящей из углеродистого блока, токопровода и фиксатора токопровода в блоке, является то, что в углеродистом блоке расположены с противоположных сторон посадочные места, в которые помещают токопроводы, прижимаемые к блоку механическими фиксаторами с автоматическими компенсаторами усилия прижатия. 3 ил.

Изобретение относится к металлургии, использующей электролиз расплавленных солей, в частности, к устройству катодной секции алюминиевого электролизера.

Секция подины электролизера является одной из важнейших составляющих конструкции электролизера в целом, и, в подавляющем большинстве случаев, определяет долговечность работы последнего.

Известна конструкция секции подины электролизера, в которой углеродистый блок с пазом фиксируется токоподводом (стержнем) путем чугунной заливки, а компенсация усилий, возникающих при тепловом расширении токоподвода, осуществляется с помощью прокладки из бетона, в которую помещен частично токоподвод [1] Недостатком известной конструкции является, в первую очередь сам принцип противодействия тепловым расширениям, путем создания сил в материале углеродистого блока и бетонной прокладке. Далее, конструктивное решение, заставляющее металл сплошного токоподвода работать на сжатие, а соизмеримые с ним стенки паза углеродистого блока на растяжение, что естественно ведет к появлению трещин (усов) в углеродистом блоке. В направлении, перпендикулярном как оси токоподвода, так и подошве углеродистого блока, за счет токоподвода появляются усилия, стремящиеся, при рабочих температурах, приподнять углеродистый блок над бетонной прокладкой, что ведет к возникновению трещин в углеродистом блоке. И наконец, наличие бетонной прокладки способствует появлению неконтролируемых напряжений в токоподводах при ее формировании, монтажных операциях, вертикальных тепловых деформациях. Эффективность поглощения энергии тепловых деформаций, по утверждению авторов, не превышает 50% Известна конструкция секции подины электролизера, частично устраняющая вышеописанные недостатки [2] Она содержит углеродистый блок с пазами, в которых зафиксированы, при помощи чугунной заливки, токоподводы стальные стержни, соединенные сваркой со стальной прокладкой. Наличие токоподводящей прокладки позволяет несколько уменьшить объем основных токоподводов (стержней), что несколько снижает в них тепловые напряжения и, следовательно, несколько уменьшает растягивающие напряжения в углеродистом блоке.

Недостатком этой конструкции, в полной мере, остается жесткая фиксация стального токоподвода в пазу углеродистого блока, приводящая, из-за разности коэффициентов теплового расширения материалов токоподвода и блока, к растягивающим усилиям в блоке и появлению трещин. Кроме того, во время соединения сваркой токоподвода с подложкой, ее плотно прижимают к плоскости углеродистого блока, а после снятия прижима появляются усилия, вытаскивающие токоподвод из паза блока. В то же время, при увеличении температур секции до рабочих, из-за больших расширений металла, по сравнению с углеродистым блоком, контакт подложки с плоскостью углеродистого блока уменьшается (и электрический тоже) и он начинает опираться на токоподвод, что является источником дополнительных напряжений.

Общим недостатком известных конструкций является жесткая фиксация токоподвода и углеродистого блока чугунной заливкой, приводящей, при рабочих температурах, к продольным перемещениям токоподвода, срыву местных контактов чугуна с углеродом блока и, как результат, увеличению электросопротивления секции.

Еще одним недостатком известных конструкций является то, что углеродистый блок, незначительным по сечению пазом, удерживает очень длительное время консольно замещенный массивный токопровод. Такое положение приводит к тому, что в углеродистых блоках накаливается усталость от неизбежных микроколебаний свободного конца токопровода, ведущая к появлению трещин.

Целью настоящего изобретения является снятие растягивающих усилий с углеродистого блока.

Указанная цель достигается тем, что углеродистый блок имеет по крайней мере два, расположенных с противоположных, например, боковых сторон, посадочных места, в которых помещены токоподводы, прижимаемые к блоку механическими фиксаторами с автоматическими компенсаторами усилия поджатия. Выполнение секции подины электролизера по предложенной схеме имеет ряд преимуществ, прежде всего вследствие переноса растягивающих усилий на элементы фиксатора токопровода, что позволяет практически полностью ликвидировать причины растрескивания углеродистых блоков из-за тепловых напряжений в местах фиксации блока с токопроводом.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены примерные конструктивные схемы его реализации.

На фиг. 1 представлена секция подины электролизера в двух проекциях с двурядным расположением токоподводов как сплошных, так и секционных; на фиг. 2 представлена секция подины электролизера с примером многорядного расположения токоподводов на углеродистом блоке, на фиг. 3 представлена секция подины электролизера с неплоскими поверхностями токоподводов.

На фиг. 1, а изображена катодная секция подины электролизера, включающая углеродистый блок 1, в котором выполнены посадочные места 2, металлические токоподводы 3; фиксаторы, состоящие из шпилек 4 и гаек 5; автоматические компенсаторы 6. На фиг. 1, б показана горизонтальная проекция вида на фиг. 1, а.

Сборка и работа секции подины электролизера происходит следующим образом. В посадочные места 2 блока 1 симметрично устанавливаются металлические токоподводы 3 и, в соответствующие отверстия в токоподводах 3, заводятся шпильки 4, на концы которых устанавливаются автоматические компенсаторы усилия 6 и гайки 5. Затем происходит затяжка гаек до расчетного усилия, их контровка, например, электросваркой подварка гайки 5 к шпильке 4, и присоединение токоподводов, например, сваркой к внешним электропитающим шинам. После этого секция подины монтируется в составе последней и включается в электропитание.

Особенностью конструкции, приведенной на фигуре 1, является выбор материала для конструкции фиксатора и типовой расчет всех деталей секции подины электролизера на тепловые напряжения и перемещения.

Суть теплового расчета заключается в том, чтобы, при увеличении температуры секции до рабочей, величина усилия прижима токопроводов 3 к посадочному месту 2 оставалась в пределах допуска такой же, как и при температуре монтажа, а удлинение шпильки 5 должно компенсироваться расширением блока 1, токоподводов 3 и автоматическим компенсатором 6. Автоматический компенсатор 6 может представлять собой произвольную конструкцию, например, в виде цилиндра с осевым отверстием под шпильку 5, которая при увеличении температуры автоматически увеличивала бы свой линейный размер например, высоту цилиндра, причем величина этого увеличения должна быть существенно большей, чем у шпильки 5 и токоподводов 3.

В простейшем виде автоматический компенсатор 6 может представлять либо тонкостенный тороид из стали с наполнителем из легкоплавкого металла, либо просто цилиндрическую шайбу, например, из FeS, либо из Cu. Соответственно, материал шпилек подбирается с коэффициентом температурного расширения максимально близким к материалу углеродистого блока. В данном случае компенсатор 6 может быть неэлектропроводным. В общем же случае, компенсатор может быть представлен в виде электрического, либо пневматического регулятора перемещений или усилий с исполнительным механизмом, т.е. систему автоматического регулирования в целом.

На фиг. 1,б показаны токопроводы 3 в виде сплошной прямоугольной пластины. Принципиально они могут быть выполнены в виде отдельных пластин различной конфигурации, например, в виде пластины, ограниченной частью параболы, круглые и т.д. Возможные формы показаны пунктирными линиями на фиг. 1, б, а реальные формы должны быть связаны с планируемым распределением тока по углеродистому блоку в электролизере.

На фиг. 2 представлена секция подины электролизера, включающая: углеродистый блок 7, с посадочными местами 8 и 9, токоподводы 10, механические фиксаторы, состоящие из шпилек 11 и гаек 12, автоматические компенсаторы 13 перемещения и усилия. Отличие изображенного на фиг. 2 варианта выполнения катодной секции от изображенного на фиг. 1 в том, что токоподводы 10 располагаются в несколько параллельных рядов (изображено 4 ряда) как вдоль, так и поперек блока, а не только в два ряда, как изображены токоподводы 3 на фиг. 1. Этим возможно в несколько раз увеличить площадь электроконтакта токоподводов с углеродистым блоком, т.е. существенно уменьшить потери энергии при протекании между ними тока.

На фиг. 3 представлена секция подины электролизера, включающая: углеродистый блок 14, посадочные места 15, токоподводы 16, механические фиксаторы состоящие из шпилек 17 и гаек 18, автоматические компенсаторы 19 перемещения и усилия. Отличие представленной секции от изображенной на фиг. 1 и 2 заключается в форме контактирующих поверхностей токопроводов 16 и блока 14, его посадочных мест 15, и увеличенной длине компенсаторов 19. Выполнение поверхности контакта токопроводов 16 с посадочным местом 15 углеродистого блока 14, например, конусной позволяет увеличивать площадь электрического контакта, по сравнению с плоскостью круга, почти в два раза, что положительно влияет на уменьшение электросопротивления контакта токоподвод-углеродистый блок. Получение необходимой плотности поджатия контакта при рабочих температурах технологически вполне остижимо и может быть осуществлено либо расчетным путем параметров секции, либо экспериментальным путем. Кроме того, сближение между собой токоподводов 16 позволяет более равномерно распределить между отдельными участками блока 14 плотность электрического тока по двум координатам, а также воспользоваться более широким выбором материала для простых автоматических компенсаторов их материал по коэффициенту линейного теплового расширения может ненамного превосходить материал токопроводов, шпилек и гаек, так как длина конденсаторов 19 существенно больше, чем у компенсаторов 6, изображенных на фиг. 1 "а". Технология сборки и, собственно, работа секции подины электролизера, изображенной на фиг. 3, аналогична изображенным на фиг. 1 и фиг. 2.

Таким образом, использование углеродистых блоков, в которых на посадочных местах располагаются токоподводы, прижимаемые (стягиваемые) механическим фиксатором, позволяет существенно упростить технологию сборки катодных секций электролизера и их утилизацию, существенно увеличить площади электроконтакта, т. е. уменьшить электросопротивление секции. А при нетщательной подготовке посадочных мест, целесообразно между токоподводами и этими местами помещать тонкий слой токопроводящей пасты с последующем поджатием фиксатором. Углеродистая паста, которая и сейчас широко используется на алюминиевых заводах, при рабочих температурах затвердевает и обеспечивает электроконтакт по всей плоскости (в общем случае поверхности) прилегания электроконтакта токоподводов-посадочных мест блока. Характерно и то, что нормальные усилия поджатия токоподводов к углеродистым блокам по посадочным местам ограничены нормированным предварительным усилием на фиксаторе, а во время работы прижимное усилие стабильно поддерживается компенсаторами, и в то же время, касательные напряжения, возникающие в токоподводах, не передаются углеродистому блоку, так как токоподводы имеют возможность свободно перемещаться по посадочному месту.

В случае неплоской контактной поверхности (см. фиг. 3) отсутствие касательных напряжений в углеродистом блоке гарантируется расчетными и экспериментальными данными, на базе которых выполняется конструкция секции подины электролизера таким образом, чтобы токоподвод плотно контактировал с посадочным местом блока при рабочих температурах, а возможные микронные зазоры при температуре сборки не ведут к появлению касательных напряжений.

Вместе с тем, предлагаемое устройство не только позволяет увеличить площадь электроконтакта, но и управлять силой электротока в различных частях секции, за счет нескольких пар электрически не связанных непосредственно токоподводов, т.е. управлять гидродинамикой расплава алюминия в электролизной ванне.

Выполнение секции подины электролизера по предложенной конструктивной схеме обеспечивает, во-первых, существенное упрощение техпроцесса, за счет отмены плавки и специального режима заливки чугуном предварительно подготовленных токоподвода и углеродистого блока, и снижения при этом брака. Во-вторых, существенно уменьшается вес каждого токопровода при том, что площадь контакта с углеродистым блоком не уменьшается. В-третьих, за счет возможной вариации площадей контакта токопровода и избирательного внешнего подвода к ним токовых шин по всей длине катодного блока, можно управлять распределением электротока по всей длине подины электролизера, как и по каждой катодной секции. Такая возможность отсутствовала в известных конструкциях. В-четвертых, наличие автоматического компенсатора усилий поджатия позволяет в простейшем случае использовать расчетные методы и экспериментальные данные для осуществления стабильного электроконтакта токопровода с углеродистым блоком, что позволяет минимизировать электросопривление катодного блока во всем рабочем диапазоне температур. При использовании более сложных конструкций компенсатора усилий и управляющего микропроцессора, возможно управление распределением электротока по всей секции и подине электролизера в целом. В-пятых, за счет снятия растягивающих напряжений в углеродистых блоках, устраняются причины трещинообразования в них, что позволяет несколько раз продлить время рабочей эксплуатации катодной секции. В-шестых, при демонтаже отработавших свой срок электролизеров возможно повторное использование отдельных элементов токоподводов и механических фиксаторов, и, в любом случае, существенно упрощается, по сравнению с прототипом, отделение металлических частей от углеродистых, что уменьшает время на ремонтные и восстановительные работы.

В итоге, предлагаемое изобретение позволяет упростить технологию сборки и утилизации катодной секции электролизера; уменьшить расход металла, в том числе на единицу площади контакта; увеличить площадь контакта с углеродистым блоком, что в конечном случае приводит к снижению расхода электроэнергии на единицу продукции тонну выплавляемого алюминия; в принципе решает проблему управления гидродинамикой электролизной ванны; полностью устраняет растягивающие (трещинообразующие) напряжения в углеродистых блоках секции подины электролизера, тем самым существенно увеличивает срок активной работы электролизной ванны в целом.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 1477785 А1, кл. C 25 C 3/08, 1989, БИ N 17.

2. Авторское свидетельство СССР N 1349702 A3, кл. C 25 C 3/08, 3/16, 1987, БИ N 40.

Формула изобретения

Секция подины электролизера, включающая углеродистый блок, токоподвод, фиксатор блока и токоподвода, отличающаяся тем, что углеродистый блок имеет по крайней мере два расположенных с противоположных, например боковых, сторон посадочных места, в которые помещены токоподводы, прижатые к блоку механическими фиксаторами с автоматическими компенсаторами усилия прижатия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3