Подовая секция алюминиевого электролизера

 

Использование: для электролитического получения алюминия. Сущность: в углеродсодержащем подовом блоке поперечный профиль паза и металлического токоотводящего стержня выполнены в виде сегмента, выпуклой стороной обращенного в направлении рабочей поверхности подового блока. Поперечный профиль паза и токоотводящего стержня могут быть выполнены в виде полукруга. 1 з. п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия, в частности к устройству катодной (подовой) секции.

Известна подовая секция алюминиевого электролизера, содержащая углеродистый блок с пазом трапецеидального сечения, в котором с помощью чугунной заливки закреплен стальной токоотводящий катодный стержень прямоугольного или квадратного сечения.

Трапецеидальное сечение паза обеспечивает удержание катодного стержня при кантовании и монтаже секции. Однако наличие острых углов между большим основанием и боковой гранью трапеции паза вызывает механические, термические и электрические напряжения в вершине острого угла. В результате, при заливке чугуна, последующем монтаже и эксплуатации подины образуются угловые трещины в угольном блоке. Это приводит к возрастанию падения напряжения, проникновению жидкого алюминия к стальным стержням. В результате, снижается срок службы подины и сортность алюминия-сырца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известная электролизная ванна для производства алюминия и способ установки металлических катодных стержней, согласно которым металлические стержни круглого сечения вдвигают в пазы углеродсодержащего блока, имеющие также круглое сечение, через соответствующие окна в стальном кожухе катода при 20^оС. Нижние поверхности стержней при электролизе выступают из углеродсодержащего блока вдоль всей нижней грани.

Недостатками известного устройства являются такие факторы, как круглое сечение токоотводящего стержня, что вызывает неравномерность распределения тока по рабочей поверхности самого стержня, а именно нижняя часть (полукруг) стержня менее нагружена. Это приводит к неравномерности теплового поля в стержне, что, в свою очередь, вызывает термические напряжения по всей длине стержня и его деформацию. С другой стороны, круглое сечение паза углеродсодержащего блока образует острый угол с нижней поверхностью блока, а минимальное расстояние стержень боковая поверхность блока совпадает с горизонтальной осью круга паза. Все это вызывает концентрацию тока и термические напряжения в блоке по плоскости стержень боковая поверхность блока и по ребру острого угла на нижней поверхности блока. Давление массы жидкого расплава и самого подового блока на верхнюю рабочую поверхность стержня вызывает концентрацию механических напряжений по той же плоскости стержень боковая поверхность блока. Все это приводит к трещиноватости боковой и нижней граней блока, возрастанию вероятности проникновения алюминия к катодным стержням через межблочный шов подины, растворению стержней, ухудшению сортности получаемого алюминия, падению напряжения и снижению срока службы электролизера. Способ монтажа также вызывает большие затруднения.

Цель изобретения повышение сортности получаемого алюминия, увеличение срока службы электролизера, снижение расхода электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что в углеродсодержащем подовом блоке поперечный профиль паза и токоотводящего стального стеpжня выполнены в виде сегмента, выпуклой поверхностью обращенного в направлении рабочей поверхности подового блока. Поперечный профиль паза подового блока и токоотводящего стержня могут быть выполнены в виде полукруга.

Выполнение сечения паза и токоотводящего стержня в виде сегмента устраняет наличие острых углов на поверхности углеродсодержащего блока и рабочей поверхности стержня. Это предотвращает возникновение термических и электрических напряжений в конструкции подовой секции. Наличие выпуклой поверхности паза и стержня, обращенной в сторону рабочей поверхности подового блока, вплоть до нижней грани блока, создает условия более равномерного и плавного распределения плотности тока по их токоотодящим поверхностям без концентрации на каких-либо участках. Это создает условия более равномерного электрического и теплового поля в металле стержня и чугунной заливки, тем самым снижается возможность возникновения механических напряжений, деформации (уменьшение стрелы прогиба) токоотводящего стержня и термических напряжений в подовом блоке на участке стержень-боковая поверхность блока. В результате уменьшаются трещиноватость материала подового блока, падение напряжения в устройстве, токовая и механическая нагрузки в межблочном шве.

При выполнении заливки чугуна по известной технологии, когда нижняя поверхность с пазом и помещенным в нем стержнем обращены вверх, наличие криволинейной (сегмент или полукруг) конфигурации зазора, заполняемого жидким чугуном, обеспечивает свободную эвакуацию газов, выделяющихся при заливке, поскольку горизонтальные участки, вызывающие задержку газовых пузырей, отсутствуют. В результате снижается газосодержание на границе чугун-углерод, тем самым улучшается контакт указанных поверхностей, механическая прочность соединения. Все это снижает падение напряжения в конструкции секции, улучшает ее прочность.

Предлагаемый профиль паза и стержня позволяет уменьшить высоту этих профилей без увеличения плотности тока в них. Это позволяет уменьшить высоту самого подового блока, что приводит к снижению падения напряжения в подине. Дополнительным эффектом здесь является некоторое уменьшение потребности в углеродсодержащем сырье, а также облегчение операции демонтажа токоотводящего стержня.

Токоотводящая поверхность паза и стержня может быть выполнена в виде полукруга.

На фиг.1 изображено сечение подовой секции 1 с профилем паза 2 и токоотводящего стержня 3 в виде сегмента и зазором, заполненным чугуном 4; на фиг. 2 то же, в виде полукруга при операции монтажа. Здесь же показано устройство для кантования секции и монтажа подины, содержащее верхнюю 5 и нижнюю 6 части хомута, гибкую связь 7 с узлами 8 крепления. Верхняя часть 5 хомута с проушинами и гибкая связь 7 удаляются после установки подовой секции на подушке катода.

П р и м е р 1. Согласно известной технологии производят монтаж подовой секции из угольного блока с размерами сечения 550х400 мм, c трапецеидальным пазом 265х255х145 мм. Размеры сечения стального токоотводящего стержня 230х115 мм. Контакт осуществляют заливкой чугуном. Монтируют подовую секцию из угольного блока с размерами сечения 550х350 мм, с пазом, имеющим сечение в виде сегмента с шириной основания d=265 мм, высотой b=100 мм. Размеры сечения стального стержня, имеющего также вид сегмента, на 15 мм меньше соответственно. Таким образом, зазор между сталью и углеродом, заполняемый чугуном, составляет: 25-35 мм согласно известному изобретению, и 15 мм согласно предлагаемому изобретению. Уменьшение зазора возможно из-за лучших условий заливки чугуна, появляющихся при реализации предлагаемого изобретения. Устраняется также газовая прослойка на границе чугун-углерод. Производят измерения электрических параметров и механической прочности сцепления стержень-блок. Результаты измерений приведены в табл.1.

Как видно из табл. 1, электрические и механические параметры подовой секции, выполненной по предлагаемому изобретению, превосходят аналогичные показатели секции, выполненной по известной технологии.

Кроме этого, появилась возможность уменьшить общую высоту подового блока на величину Н=50 мм (фиг.2).

П р и м е р 2. Из комплекта подовых секций монтируют подину алюминиевого электролизера типа С8Б на силу тока 155 кА и ведут электролиз в течение 9 мес. Производят периодические измерения параметров на опытном электролизере и электролизе-свидетеле С8Б. Результаты измерений и наблюдений приведены в табл.2.

Как следует из полученных результатов, на опытном электролизере получено значительное снижение падения напряжения в подине (60 мВ, или ≈15%). Снижение температуры днища катода на ≈51^оС указывает как на общее снижение величины греющего напряжения в подине, так и на отсутствие проникновения жидкого алюминия под секцию и через трещины на боковых гранях подового блока. На это же указывает значительно меньшее содержание основных примесей в алюминий-сырце электролизера, смонтированного из подовых секций, выполненных согласно предлагаемому изобретению. Улучшение равномерности распределения тока на рабочей поверхности подового блока снижает токовую нагрузку на межблочный шов, предотвращая фильтрацию алюминия под воздействием тока (электрофорез). Увеличение суточной производительности опытного электролизера на 11 кг/сут указывает на более стабильный технологический ход, что может быть объяснено более равномерным распределением тока в подине (катодной плотностью тока), снижением горизонтальной составляющей тока в подине и металле.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить сортность получаемого алюминия, увеличить срок службы электролизера, снизить расход электроэнергии за счет снижения падения напряжения в подине.

Дополнительным эффектом от использования изобретения следует считать снижение потребности в угольной продукции, трудозатрат на демонтаж подовой секции, повышение производительности электролизера.

Формула изобретения

1. Подовая секция алюминиевого электролизера, содержащая углеродсодержащий подовый блок прямоугольного или трапецеидального сечения с плоской горизонтальной поверхностью, продольным пазом в нижней части и вмонтированным в него металлическим токоотводящим стержнем, отличающаяся тем, что поперечный профиль паза и токоотводящего металлического стержня выполнены в виде сегмента, выпуклой поверхностью обращенного в направлении рабочей поверхности подового блока.

2. Секция по п.1, отличающаяся тем, что поперечные профили паза и токоотводящего стержня выполнены в виде полукруга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3