Катодное устройство алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминия электролизом расплавленных солей из оксидов, и касается конструкции катодного устройства и может быть использовано при проектировании новых и реконструкции действующих электролизеров. Катодное устройство содержит кожух, угольные подовые блоки, закрепленные в блоке подовой массой токоподводящие элементы и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми блоками. Токоподводящие элементы выполнены в виде изогнутых медных пластин, жестко закрепленных вертикальной частью в продольных пазах блоков, выполненных снизу и на их пограничных участках. Токоподводящие элементы в поперечном сечении имеют форму швеллера, уголка или Т-образную. Количество пазов в подовом блоке составляет не менее четырех. Использование изобретения позволяет увеличить срок службы катодного устройства, снизить расход электроэнергии и повысить качество алюминия. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминия электролизом расплавленных солей из оксидов, и касается конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера и может быть использовано при проектировании новых и реконструкции действующих алюминиевых электролизеров.

Известно катодное устройство алюминиевого электролизера содержащее кожух, сплошные угольные подовые блоки, размещенные на теплоизоляционном пористом материале, токоподвод, выполненный в виде стальных пластин с прорезями, расположенными перпендикулярно длинной стороне блока. К пластине приварена небольшая наружная часть токоподводящего стержня, который соединен с катодной алюминиевой шиной через алюминиевый спуск - гибкий пакет из алюминиевых пластин (Патент РФ 2149925, МПК С 25 С 3/08).

Однако в данном устройстве в процессе эксплуатации невозможно достигнуть надежного сцепления угольных подовых блоков и токоподводящих пластин, что приводит к повышенному расходу электроэнергии за счет ослабления электрического контакта блок - пластина, и как следствие - увеличение затрат на производство.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее кожух, угольные подовые блоки, токоподводящие стержни (блюмс) в виде стального бруса и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми блоками. Блюмс вставляется в паз блока и для лучшего электрического контакта заливается чугуном или трамбуется графитовой крошкой со связкой. Блюмс электрически соединяется с катодной алюминиевой шиной через алюминиевый спуск - гибкий пакет из алюминиевых пластин. Последние привариваются контактной сваркой к блюмсу и аргонной - к алюминиевой шине. Сварка осуществляется при монтаже электролизера и разрушается при его демонтаже. Соединение углеграфитового подового блока с блюмсом осуществляется заранее до монтажа электролизера. Подовая масса набивается сбоку блюмса в зазоре с блоком (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971, стр. 195).

Предлагаемая конструкция позволяет достигнуть гарантированный механический контакт между токоподводящими стержнями и блоком, но тем не менее обладает следующими недостатками. Рабочий ток идет от стержня сначала к ножкам блока, а затем по вертикали в блоке к расплаву алюминия, при такой набивке путь тока длинный, и как следствие - большое падение напряжения и повышенный расход электроэнергии. Кроме того, так как коэффициенты термического расширения стали и углеграфитового блока значительно отличаются друг от друга, то при нагреве такой конструкции возникают большие термические напряжения, вызывающие образование трещин в угольных блоках. В результате алюминий, проникая по трещинам в подовом блоке к стальным токоподводящим стержням, растворяет их и происходит загрязнение наработанного алюминия железом, нарушение токоподвода и преждевременное отключение и выход из строя электролизера.

Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы катодного устройства за счет уменьшения величины термического напряжения между блоком и токоподводящим элементом, а также в уменьшении расхода электроэнергии за счет снижения контактного электросопротивления и повышении качества алюминия за счет исключения загрязнения его железом.

Для достижения поставленной задачи заявляемое катодное устройство алюминиевого электролизера содержит следующую совокупность существенных признаков: кожух, угольные подовые блоки, закрепленные в блоке подовой массой токоподводящие элементы и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми блоками, причем токоподводящие элементы представляют собой изогнутые медные пластины, закрепленные жестко вертикальной частью в продольные пазы блоков, выполненных на пограничных участках и снизу блоков.

Совокупность указанных общих существенных признаков дополняют, развивают и уточняют следующие частные отличительные признаки, направленные на решение той же задачи: токоподводящие элементы в поперечном сечении имеют форму швеллера, уголка или т-образную и количество выполненных пазов в блоке составляет не менее четырех.

По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки. Токоподводящие элементы представляют собой изогнутые медные пластины, что значительно увеличивает поверхность контакта токоподводящий элемент - блок и тем самым уменьшает контактное электросопротивление, а кроме того, при электролизе не происходит загрязнение алюминия железом. При использовании изогнутых пластин в количестве менее четырех не достигается достаточное снижение термического напряжения, так как в этом случае необходимо в блоке выполнять широкие пазы, и остается вероятность разламывания блока. При использовании более пяти изогнутых пластин происходит значительное механическое ослабление блока и также вероятно его разламывание. На пограничных участках и снизу угольных блоков выполнены узкие пазы, при этом электрический ток пойдет вверх по телу блока, что заметно уменьшает падение напряжения и энергозатраты.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - конструкция устройства с токоподводом в форме швеллера, вид с торца блока; на фиг.2 - то же устройство с токоподводом в форме уголка; на фиг.3 - то же устройство с т-образным токоподводом.

Катодное устройство алюминиевого электролизера содержит кожух 1, угольные подовые блоки 2, выполненные с пазами снизу блоков и на пограничных участках, в которые вставлены медные изогнутые пластины 3, блоки 2 установлены на теплоизоляционные плиты 4.

В процессе работы данного устройства электрический ток подводится через токоподводящие медные изогнутые пластины 3 к угольным подовым блокам 2. Часть пластины 3 входит в узкий паз блока 2, где она прочно забивается подовой массой и создается гарантированный механический и электрический контакт. При такой конструкции вертикальная часть пластины может быть большей или меньшей в зависимости от технологических и конструктивных требований.

При эксплуатации катодного устройства, выполненного по прототипу, стальной стержень находится в контакте с углеграфитовым блоком и набивочной массой при рабочей температуре 800-900^oС, при длительной работе 3-5 лет происходит науглероживание и стальной стержень не пригоден к повторному использованию, его сдают во вторчермет. Используемая по предлагаемому изобретению медная изогнутая пластина не взаимодействует с углеродом, не образует карбидов, не изменяется и может использоваться повторно. Приводим расчет экономической целесообразности применения медных пластин.

Основой расчета служит закон Ома, электросопротивление стального (1) и медного (2) токоподводов должны быть равны.

R = L₁/σ₁S₁ = L₂/σ₂S₂, (1) S₂L = V₂ = S₁Lσ₁/σ₂ = V₁σ₁/σ₂ Вес Р и стоимость С получим, умножая объем на плотность d и на цену Ц тонны металла.

P₂ = V₂d₂ = S₁Ld₁d₂σ₁/d₁σ₂ = Pd₂σ₁/d₁σ₂ (3) C₂ = P₂Ц₂ = P₁Ц₁Ц₁d₂σ₁/Ц₁d₁σ₂ = C₁Ц₂d₂σ₁/Ц₁d₁σ₂ (4) Откуда получаем соотношение стоимостей медной пластины и стального стержня C₂/C₁ = Ц₂d₂σ₁/Ц₁d₁σ₂ Исходные данные приведены в таблице, подставим их в уравнение (5) (а) Вариант для стали с высокой удельной электропроводностью.

С₂/С₁₌48000•8,96•0,152•10⁵ /10000•7,87•1,22•10⁵=0,8=1/1,47 Оказывается, что токоподвод из меди в 1,47 раз или на 32% дешевле, чем из стали.

(б) Вариант для стали с низкой удельной электропроводностью.

С₂/С₁₌48000•8,96•0,1•10⁵ /10000•7,87•1,22•10⁵=0,45=1/2,24 т. е. применение медной пластины будет в 2,24 раза дешевле, чем применение стального стержня. Более того, поскольку медь не изменяется во время работы, то ее можно использовать многократно без покупки исходной. С учетом соотношения электропроводностей медь/сталь = 10 при 900^oС вместо плоского стального блюмса толщиной 50 мм или 25 мм используем медные листы толщиной всего 50/10= 5 мм или 25/10=2,5 мм. Примерно такой толщины получаются листы электролитической меди, т. e. готовой к употреблению без дополнительной обработки.

Таким образом, предлагаемое катодное устройство за счет уменьшения падения напряжения на подовом блоке с 0,081 В до 0,027 В позволяет уменьшить затраты электроэнергии на (0,054/4,5)•100=1,2% на получение алюминия. Кроме того, применение медной пластины меньшего сечения на выходе из кожуха электролизера уменьшит теплопотери через монтажные окна.

Формула изобретения

1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее кожух, угольные подовые блоки, закрепленные в блоке подовой массой токоподводящие элементы и огнеупорные плиты, расположенные под угольными подовыми блоками, отличающееся тем, что токоподводящие элементы выполнены в виде изогнутых медных пластин, жестко закрепленных вертикальной частью в продольных пазах блоков, выполненных снизу и на их пограничных участках.

2. Катодное устройство по п. 1, отличающееся тем, что токоподводящие элементы в поперечном сечении имеют форму швеллера, уголка или Т-образную.

3. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что количество пазов в подовом блоке составляет не менее четырех.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4