Катод алюминиевого электролизера для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в конструкции электролизных ванн для производства алюминия. Цель изобретения - повьшение срока электролизера и стабильности работы. Катод для алюминиевого электролизера состоит из углеродистых блоков 1, катодного стержня 2, углеродистого блока 3, металлической подкладки 5, слоя 6 электропроводимого материала, сварных швов 8. В изобретении является существенным увеличение (более чем на 10%) стального сечения. Это необходимо для отвода катодного тока и увеличения поверхности контакта между углеродистым блоком и катодными проводниками. 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 21 ил. i СО со 4 -si о tsD Ы

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4 С 25 С 3/08, 3/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ГЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ >„: н пдткнту г..„., 8

Фиг.2 (21) 3836862/22-02 (86) РСТ/FR 84/00129 (22) 15.01.85 (31) 8308334; 8403864 (32) 16.05.83; 02.03.84 (33) FR (46) 30.10.87. Бюл. Ф 40 (71) Алюминиюм Пешинэ (FR) (72) Мишель Леруа (FR) (53) 669.713.72 (088.8) (56) Патент США У 2593751, кл. 204-243 опублик. 1952, поз. 3-5. (54)КАТОД АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ

КРИОЛИТ-ГЛИНОЗЕМНОГО РАСПЛАВА (57) Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использова„„SU„„1349702 А3 но в конструкции электролизных ванн для производства алюминия. Цель изобретения — повышение срока службы электролизера и стабильности работы.

Катод для алюминиевого электролизера состоит из углеродистых блоков 1, катодного стержня 2, углеродистого блока 3, металлической подкладки 5, слоя 6 электропроводимого материала, сварных швов 8. В изобретении является существенным увеличение (более чем на 10X) стального сечения. Это необходимо для отвода катодного тока и увеличения поверхности контакта между углеродистым блоком и катодными проводниками. 13 э.п. ф-лы, 1 табл., 21 ил, 50

13497

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в конструкции электролизных ванн для производства алюминия.

Цель изобретения — повышение срока службы электролизера и стабильности работы.

На фиг.1 представлен известный катод для алюминиевого электролизера, вертикальный разрез; на фиг.2-21 варианты выполнения предлагаемого катода.

На фиг.1 показано расположение углеродистого катодного блока. 1, в котором стержень 2 выполнен с чугунной заливкой. В этом случае стержень выполнен на одном уровне с основанием углеродистого блока.

Стержень 2 в варианте выполнения на фиг,2 может более или менее заходить за плоскость основания углеродистого блока 3. Последовательные катодные блоки наиболее часто соединяются прокладкой 4 из углеродистой 25 пасты. На стержень 2 наварена подкладка 5 иэ листов мягкой стали, соединенная с основанием углеродистого катодного блока посредством слоя 6 из электропроводимого материала. 30

В варианте(фиг.3)подкладка 5 может быть выполнена в виде соединения сталь — медь, при этом медная сторона может находиться в контакте либо непосредственно с углеродистым катодным .блоком либо посредством слоя 6 из упругого материала. Предпочтительно, чтобы толщина медного слоя превышалй минимальную величину, (т,е. около 5Ж стального слоя) соответствую- 40 щую растворимости меди в стали при

900-950 С, однако весь медный слой не должен исчезать в результате диффузии в твердом состоянии в стали, Ковкость меди в нагретом состоянии облегчает установление хорошего контакта с катодным блоком и может, в случае необходимости, частично компенсировать деформации подкладки из стали.

Кроме того, так как электропроводимость меди гораздо выше электропроводимости стали, следовательно, значительно.понижается падение напряжения в катодных коллекторах.

На фиг. 4-7 показаны четыре этапа осуществления способа.

Первый этап - (фиг.4). Углеродистый катодный блок 1 повернут таким

02 2 образом, чтобы канал 7 был сверху, а катодный стержень выполнен с чугунной заливкой.

Второй этап (фиг.5). На верхнюю поверхность перевернутого углеродистого катодного блока накладывают слой

6 из электропроводимого упругого материала — преимущественно углеродистого, или графитового фетра, или свальцованного графитового листа, или материала, образованного склеиванием полосы углеродистого или графитового фетра со свальцованной графитовой полосой.

Третий этап (фиг.6). На слой 6 иэ упругого материала накладывают подкладку 5, состоящую иэ двух толстых стальных листов, которую сильно прижимают путем прессования слоя 6 из упругого материала.

В этом случае можно выполнить сплошные сварные швы 8 для соединения толстых листов с хатодным стержнем.

Таким образом выполняется подкладка, электрически соединенная с катодным стержнем. Толщина подкладки составляет, 4 мм, предпочтительно, по меньшей мере 10 мм или 10-15 мм. Сечение катодного стержня может, например, составлять 160xi20 мм.

На фиг.7 показан катодный углеродистый блок в нормальном положении после переворота.

На фиг.8 подкладка расположена между двумя катодными углеродистыми блоками в электрическом контакте с двумя блоками °

На фиг.9 показано, что в момент выполнения монтажа необходимо предусмотреть зазор между подкладками 5 двух смежных блоков с тем, чтобы, когда достигается нормальная рабочая температура и происходит самое большое расширение подкладки относительно углеродистого блока, края двух смежных подкладок 5 находились в контакте с достаточным давлением для обеспечения горячего спая этих краев, не создавая избыточного давления, которое может привести к деформации подкладок, неблагоприятно влияющей на электрический контакт между углеродистыми блоками и стальными подкладками.

Противоположные концы двух смежных подкладок 5 могут быть перпендикулярны плоскости подкладки и параллельны между собой (фиг.10 и 11).

02

1i, которая поглощает эффект расширения и которую можно заполнять порошкообразным инертным материалом для ограничения внутреннего окисления в нагретом cîñòoÿíèè.

На фиг.15-16 углеродистые катодные блоки снабжены двумя параллельными катодными стержнями с целью увеличения поверхности контакта с углеродистым блоком.

На фиг.i5 видно осуществление одновременной заделки двух стержней посредством заливки 3, при этом толщина (е) чугунной плиты между двумя стержнями меньше или равна разнице сторон h и Ь» (е ch - h, ).

Слой 6 может быть выполнен из простого стального листа или смешанного листа сталь — медь.

На фиг.16 два катодных стержня соединены сваркой с предварительно деформированным листом 12 в виде свода с целью получения контакта с цент.— ральной частью углеродистого блока посредством слоя 6 из упругого проводящего материала.

Во всех вариантах (фиг.2-16) подкладка находится в контакте с основанием углеродистых катоднь1х блоков (непосредственно или через слой 6 на 20K поверхности этого основания.).

На фиг.17 под углеродистым катодным блоком устанавливается экран 13.

Электрическая связь между подкладкой 5 и экраном 13 может быть обеспечена посредством сварки, например, в виде сплошного или прерывистого сварного шва между подкладкой и сплошным экраном. Она может быть также обеспечена плавкой припоя, предварительно размещенного между подкладкой и сплошным экраном при . соответствующем выборе точек солидуса и ликвидуса.

На фиг.18 подкладка 5 каждого стержня 2 устанавливается непосредственно на экран 13, изготовленный из толстой стали, с которым она соединена посредством припоя 14 или сварки 15.

Преимущество этого расположения заключается в том, что сплошной экран из толстой стали во всех точках обладает электрическим потенциалом, катоднь|х стержней, что устраняет какой-либо эффект электрохимического элемента, вызывающий быструю коррозию. Толщина экрана составляет 5 мм, На фиг.13 показано выполнение прокладки между подкладками 5 смежных катодных блоков. При этом отказываются от выполнения непосредственной спайки между подкладками 5 и 45 устанавливают в зазоре 9 гибкую,. предпочтительно, электропроводимую и сжимаемую прокладку, например, графитовый жгут или металлическую тонкостенную трубку (толщиной менее поло- 50 вины толщины подкладки). Кроме того, при монтаже можно предусмотреть покрытие и наклеивание листов из упругого углеродистого материала, который повышает герметичность прокладки.

На фиг.14 прокладка заменена деформируемой предварительно приваренной к одной из подкладок 5 трубкой з

13497

При этом стороны подкладки 5 могут быть параллельны или непараллельны.

Во избежание проникновения порошкообразных материалов из постели в зазор 9 между подкладками 5 предус5 мотрена установка дополнительной подкладки 10 в виде тонкой листовой полосы. Это предохраняет от проникновения углеродистой пасты, заполняю- 10 щей прокладку 4, в зазор 9 во время первого нагревания.

Величина зазора 9, необходимого для монтажа или установки, зависит от точного типа углеродистого блока: на базе антрацита, или полуграфита, или графита, и от точного размера блоков и подкладок, а также от типа и толщины прокладки между углеродистыми блоками: склеенные между собой блоки или разделенные небольшой прокладкой 4 из огнеупорной набойки. Обычно этот зазор определяется соотношением е/L порядка 1-27.

На фиг.12 показана деталь монтажа — слой изоляционных полос 10.

Верхняя полоса, например, наваривается на подкладку 5, а нижняя таким образом, что во время первого нагревания обе могут свободно скользить и занимать окончательное место установки, Кроме того, в углеродистых катодных блоках 1 можно установить прокладки 4 в виде графитовой детали с

35 небольшой пористостью, которая повышает герметичность и уменьшает опасность просачивания криолитового расплава во время пуска электролизной ванны.

1349702 предпочтительно 8-12 мм. Подкладка

5 имеет толщину, по меньшей мере равную 4 мм и, предпочтительно, по меньшей мере равную 10 мм.

На фиг.18 показано, как устройство может быть установлено при строительстве ванны. Стержень 2 устанавливается на место с использованием заливки

3 в каждом углеродистом катадном . блоке 1. Затем в место 16 приваривают подкладку 5, длина которой не превышает, а практически является несколько меньше межосевого расстояния двух соседних стержней. Затем блок устанавливают на экран 13, лежащий на изоляционном слое 17, и приваривают в зазоре 9, предпочтительно, сплошным сварным швом с целью обеспечения хорошего электрического контакта.

Устройство имеет слои 18 и 19, выполненные из изоляционных огнеупорных кирпичей и установлены на днище 20.

В таблице приведены оптимальные составы припоя для осуществления 26 изобретения, которые содержат, по меньшей мере, 50% первого металла, выбранного среди алюминия, меди, цинка, а остальное составляет, по меньшей мере, второй металл, выбранный среди марганца, никеля, ванадия, бериллия, кремния, олова и титана, а также алюминия и меди, если первым металлом не является медь или алюминий.

Среди укаэанных сплавов для промьппленного производства предпочтительныг являются составы 1, 3, 6 и

7. Остальные являются хрупкими и могут дробиться До нужной тонкости, 4р другие должны обрабатываться известным способом посредством распыления в жидком состоянии.

Если состав сплава это позволяет, припой может быть использован в виде 45 тонкого катаного листа, вводимого при монтаже между подкладкой и экраном. Наличие среди основных или вспомогательных компонентов сплава металла-восстановителя относительно окиси железа (окалина), который чаще всего

1 покрывает стальные пластины, использованные для выполнения подкладки или экрана (такой металл, как Al и/или Si) требует использования

55 другого состава для декапирования с целью благоприятного распределения припоя, когда он переходит в жидкое состояние.

В качестве варианта изобретения возможно смешение подкладки 5 и экрана 13 в виде одной детали 21 в форме. толстого стального листа, (фиг. 19 и 20).

На фиг.20 показан способ сборки, по которому стержни 2 располагаются не на одной линии с осью углеродистого катодного блока f., а располагаются между двумя смежными блоками на одной линии с прокладкой между этими двумя блоками. Преимуществом этого расположения является то, что прокладка 4, обеспечивающая заделку между углеродистыми катодными блоками 1 и стержнями 2, может подаваться в нагретом состоянии в пространство, разделяющее два смежньгх блока. .На фиг.2! схематически показан частичный поперечный разрез электролизной ванны, содержащий внешний металлический кессон 22, боковую набойку 23 из углеродистой пасты, катодный углеродистый блок 1 под слоем жидкого алюминия 24, электролит 25 и анодную систему 26, стержень 2, заливку 3 и стальную подкладку 5.

Предлагаемое изобретение обеспечивает следующие преимущества.

Металлическая подкладка на каждом катодном стержне (в ванне их может быть несколько десятков) увеличивает на 10 и до 20-503 пропускное сечение катодного тока и поверхность контакта сталь — углерод с относительным уменьшением падения, напряжения при контакте сталь — углерод.

Металлическая подкладка, соединенная с экраном, обеспечивает очень хорошее распределение тока по всей поверхности катода, в результате чего происходит уменьшение горизонтальньгх токов в жидком алюминии, которые оказывают неблагоприятное влияние на стабильность и производительность ванны вследствие вихревых эффектов в слое жидкого алюминия.

Металлическая подкладка, соединенная с экраном, обеспечиваег отличную однородноть температуры всего катода, что уменьшает опасность просачиваний в горячих зонах и конденсации в относительно более холодных зонах.

В случае разрыва катодного стержня (в результате коррозии под действием просачиваний криолитового расп/

1349702 лава и жидкого алюминия в прокладках) подкладка работает в блоке как запасной коллектор, что увеличивает время остановки и демонтажа ванны для ремонта катода. Кроме того, ограничивается электрическая неуравновешенность ванны, что действует благоприятно для выхода по току в течение периода, разделяющего разрыв стержня и остановку ванны.

Наличие экрана дает дополнительные преимущества. При этом происходит блокировка всех просачиваний натрийфтористых продуктов и криолитового, расплава в направлении термоизолятора, установленного на днище кессона, которые являются основной причиной вывода из строя электролизных ванн.

Упрощенная конструкция катода, например, в случае, показанном на фиг.3, требует только простого дополнительного сварного шва, выполненного методом нижней сварки в доступном месте, или же простого порошкообразного припоя.

Устранена опасность электрохимической коррозии экрана вследствие того, что во всех -точках он обладает потенциалом катодных стержней. Осуществление изобретения способствует повышению срока службы электролизных ванн и улучшению тепловой изоляции днища.

Изобретейие позволяет значительно увеличить срок службы электролизной ванны.

Формула изобретения

1. Катод алюминиевого электролизера для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, включающий углеродистые блоки, уплотнение, катодный стержень, средство для компенсации расширений и напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы электролизера и стабильности работы, он снабжен металлической подкладкой, расположенной под основанием углеродистого блока с воэможностью электрического контакта с основанием углеродистого блока по меньшей мере на

207 всей площади этого основания.

2. Катод по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что подкладка выполнена в виде листа толщиной, по меньшей мерв равной 4 мм и, предпочтительно, по меньшей мере равной 10 мм.

3. Катод по п.2, о т л и ч а ю— шийся тем, что металлическая подкладка выполнена из стального листа.

4.Катод по п.2, о т,л и ч а ю— шийся тем, что подкладка выполнена составной из стали и меди, причем медная часть расположена между стальной частью и основанием углеродистого блока и составляет по меньшей мере 57 от толщины стального листа.

5. Катод по пп. 1-4, о т л и ч аю шийся тем, что он снабжен слоем упругого электропроводного материала, расположенного между подкладкой и основанием углеродистого

2р блока.

6. Катод по п.5, о т л и ч а ю— шийся тем, что упругий материал выполнен из углеродистого фетра, или графитового фетра, или катаного rpa25 фитового листа или составных графитовых катаных листов, склеенных с графитовым или углеродистым фетром.

7. Катод по пп. 1-6, о т л и ч аю шийся тем, что подкладки двух

gp смежных углеродистых блоков установлены с зазором.

8. Катод по п.7, о т л и ч а ю— шийся тем, что он снабжен гибкой прокладкой, установленной в зазоре.

9. Катод по пп. 7-8, о т л и ч а— ю шийся тем, что он снабжен крышками, закрывающими зазор.

10. Катод по п.1, о т л и ч а ю — . шийся тем, что он. снабжен экраном, причем подкладка размещена над экраном и в контакте с ним.

11. Катод по п. 10, о т л и ч аю шийся тем, что подкладка и экран соединены сваркой или пайкой.

4> 12. Катод по и. 10, о т л и ч аю шийся тем, что подкладка и экран выполнены в виде единой плиты.

13. Катод по п.10, о т л и ч а юшийся тем, что катодный стержень размещен в центре углеродистого блока либо между соседними углеродистыми блоками.

i4. Катод по и. 10, о т л и ч аю шийся тем, что катодный стер- жень закреплен в блоке посредством углеродистой пасты, Приоритет по пунктам:

16.05 ° 83 — по пп. 1 — 9

02,03.84 — по пп. 10 — 14

1349702

Сплав, вес.% ликвидное со н с

Пример.

822-880.854-980

V = 3+1%

5 CV 96,5+1X

866

870

870

624-848

802

798

880

750-835

835-960

700-8 10

700

Al = 83+3%

Al 68+3X

А1 97+1%

4 Al 90+2 X

6 CV = 6523

CV = 75+2%

8 CV = 84+2X

9 CV = 80+2%

10 CV = 76+3%

11 Zn = 60+4X

12 Zn = 71+2X

Мп = 17+3%

Ni = 32+3%

Fe = 10+2%

Be 3,5+1%

Mn = 35+3%

Al = 25+2X

Si = 16+2X

Sn = 20+2X

Ti = 24+3X

Mn = 40+4%

Cu = 29+2%

659-822

640-854

662-735

750-950

850-950

866-950

850-950

802-860

798-920

880-892

»a vor

Фиг. Ф

Дог, 5 б5 3 2. 8

4 ие. 7 !349702

, ° ° 1

1349702 б 1

ХХХХХХХХ хххxxxхх

XX X X X X X X X X X X X X X X XX X ххххх ххх ххххх ххххх х х х х х х х A x х х X x x X x x ххххх xxx хххххххх хххх

Фце. Ю

9 Ф

l 349702 г

, isa, л 9

1349702

1349702

О 11 О О

Составитель Л.Романова

Редактор M.Håäoëóæåíêo

Техред Л.Олийнык Корректор О.Кравцова

Подписнее

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

Заказ 5202/58 Тираж 612

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

L

I

1!

s г

71

78

79