Углеродный анод электролизера

 

Изобретение относится к производству кальция электролитическим методом и может быть применено в других производствах цветной металлургии, использующих хлориды металлов в качестве сырья при электролизе. Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса работы анодного узла электролизера и уменьшение потерь электроэнергии в контактном токопроводящем узле. Углеродный анод электролизера содержит токоподводящий узел в виде металлической траверсы и прикрепленный к ней анодный блок с нанесенным на его поверхность защитным антикоррозионным слоем. Анодный блок прикреплен к траверсе через склеивающую токопроводящую прослойку, выполненную из графитового порошка на фенольном связующем. Защитный антикоррозионный слой выполнен из порошка алюмосиликата на алюмохромфосфатном связующем. Размер частиц графитового порошка не превышает 100 мкм, в качестве фенольного связующего токопроводящая прослойка содержит фенольную смолу, а массовое соотношение графитового порошка и фенольной смолы составляет 3:2. Размер частиц порошка алюмосиликата не превышает 100 мкм, а в качестве алюмохромфосфатного связующего защитного антикоррозионного слоя использован его 30%-ный водный раствор. Массовое соотношение порошка алюмосиликата и раствора алюмохромфосфатного связующего составляет 1:1. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к производству кальция электролитическим методом и может быть применено в других производствах цветной металлургии, использующих хлориды металлов в качестве сырья при электролизе.

Анод кальциевого электролизера представляет собой сборку из углеродных блоков размером 300×300×900 мм с прямоугольной призмой в верхней части, к которой с помощью болтовых соединений крепится токоподводящая металлическая траверса. На общей металлической траверсе собирается анодная сборка, состоящая из двенадцати углеродных блоков.

Применяемые конструкции анодных сборок (Доронин Н.А. Металлургия кальция, М.: Атомиздат, 1959 г., Доронин Н.А. Кальций, М.: Атомиздат, 1962 г.) обладают двумя существенными недостатками:

- потерей электроэнергии в зоне контакта траверса - графит, увеличивающейся в процессе эксплуатации электролизера с 70-100 до 300 мВ через 1 месяц работы;

- недостаточным ресурсом работы анодного узла, обусловленным как разрушением, так и выгоранием графита над зоной “зеркало” электролита - хлорвоздушная газовая смесь. При температуре электролиза ~700°С ресурс работы анодной сборки составляет в среднем 3 месяца. Дальнейшее выгорание графита приводит к неравномерному разрушению отдельных углеродных блоков анодной сборки и выпадению его в электролизную ванну, что создает аварийную ситуацию.

Известна также конструкция углеродного анода электролизера с поверхностным защитным слоем, состоящим из соединений бора (борная кислота, окись бора, соли борной кислоты). Для формирования такого слоя необходимо проведение специального обжига анода с защитным слоем (патент №2155826, кл. С 25 С 3/12, 7/02, 2000). Недостатками такой конструкции применительно к электролизу для получения кальция являются наличие в слое бора, что недопустимо при получении кальция, а также необходимость специального обжига анода, что повышает энергетические затраты, увеличивает предпусковой период и требует специального оборудования.

Известна также конструкция углеродного анода электролизера с поверхностным защитным слоем из смеси алюминия с оксидом алюминия. В процессе эксплуатации пластичный алюминий удерживается в каркасе из оксида алюминия. Недостатками конструкции являются сложность получения равномерного защитного слоя, наносимого распылением жидкого алюминия в воздушной среде, а также сложность и ненадежность имеющегося распылительного оборудования (Авторское свидетельство СССР №583199, кл. С 25 С 7/00, С 25 В 11/12, С 01 В. 1977).

Наиболее близким аналогом является углеродный анод электролизера, содержащий токоподводящий узел в виде металлической траверсы и прикрепленный к ней анодный блок, поверхностный слой которого пропитан ортофосфорной кислотой (Родякин В.В. Кальций, его соединения и сплавы. М.: Металлургия, 1967, с. 84-85).

Заявляемое изобретение решает задачу увеличения ресурса работы анодного узла электролизера и уменьшения потерь электроэнергии в контактном токопроводящем узле.

Технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего токоподводящий узел в виде металлической траверсы и прикрепленный к ней анодный блок с пропитанным ортофосфорной кислотой поверхностным слоем, в предлагаемой конструкции между токоподводящими поверхностями металлической траверсы и графитового анода располагается специальная токопроводящая прослойка, а для защиты от окисления нанесен защитный антикоррозионный слой толщиной 0,3-0,4 мм.

Технический результат достигается также за счет того, что токопроводящая склеивающая прослойка толщиной 0,5-1,0 мм состоит из токопроводящего порошка графита с размером частиц менее 100 мкм и фенольного связующего. Соотношение графитового наполнителя и связующего 3:2. Предварительно подготовленная графитофенольная смесь наносится на всю поверхность анодной сборки, контактирующей с траверсой. Сопряжение траверсы с графитовыми блоками осуществляется болтовым соединением. При монтаже контактного узла не требуется предварительной подготовки поверхности и последующей специальной термообработки зоны соединения. Удельное электросопротивление склеивающей прослойки составляет (10-15)·10^-6 Ом·м, что практически равно электросопротивлению материала графитового анода и фактически не изменяется в процессе работы электролизера.

Соотношение графитового наполнителя и фенольного связующего определено экспериментально. При заданном размере частиц и содержании графитового порошка в склеивающей прослойке равномерно по всей площади склеивания образуются графитовые электропроводные “мостики” при хорошем сцеплении склеивающей прослойки как с поверхностью анода, так и с поверхностью металлической траверсы, обеспечиваемой фенольным связующим.

Достижению технического результата способствует и то, что защитный антикоррозионный слой состоит из алюмосиликатного порошкового наполнителя с размером частиц менее 100 мкм и 30%-ного водного раствора алюмохромфосфатного связующего. Соотношение наполнителя и связующего 1:1. Алюмосиликатный наполнитель обеспечивает высокую жаростойкость защитного антикоррозионного слоя в хлорвоздушной газовой среде вплоть до температуры 700-900°С, а алюмохромфосфатное связующее, наряду с высокой жаростойкостью, обеспечивает хорошее сцепление защитного антикоррозионного слоя с графитовой основой. Отверждение слоя происходит либо при комнатной температуре, либо нагревом открытым пламенем одновременно с пусковым прогревом электролизной ванны, предусмотренным режимом работы электролизера. Использование 30%-ного водного раствора связующего обеспечивает равномерное распределение смеси по графитовой поверхности при ее нанесении, а применение наполнителя с размером частиц менее 100 мкм снижает пористость защитного антикоррозионного слоя. Выбранное соотношение алюмосиликатного наполнителя и алюмохромфосфатного связующего обеспечивает оптимальную жаростойкость покрытия при температуре работы электролизера и хорошие адгезионные свойства защитного антикоррозионного слоя с поверхностью графитового анода.

Нанесение защитного антикоррозионного слоя осуществляется следующим образом. Поверхность анодных блоков зачищается от налипших частиц графита и посторонних предметов. Предварительно приготовленная смесь алюмосиликата и 30%-ного водного раствора алюмохромфосфатного связующего в соотношении 1:1 наносится кистью на зачищаемую поверхность анода. После высыхания при комнатной температуре наносятся поочередно второй и третий слои так, чтобы общая толщина слоя составляла 0,3-0,4 мм. Затем в процессе пускового прогрева электролизной ванны открытым пламенем происходит отверждение и формирование защитного слоя. При этом температура не превышает 600°С. Окончательное формирование антикоррозионного слоя происходит в процессе эксплуатации электролизера.

Преимущества заявляемого изобретения иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1: В промышленных электролизных ваннах №31 и №32 предприятия были установлены графитовые анодные блоки с пропиткой ортофосфорной кислотой и токоподводящими траверсами со склеивающей токоподводящей прокладкой из отходов пищевой промышленности (патока). Режим работы электролизера: ток 22-23 кА, напряжение 8-9 В. Ресурс работы составил 94 суток. Потери (падение напряжения) в контактном токоподводящем узле в начале работы составили 110-140 мВ, а после 90 суток работы - 300 мВ. Таким образом, падение напряжения увеличилось почти в 3 раза.

Пример 2: В промышленных электролизных ваннах №29 и №30 были установлены выполненные по заявляемому изобретению графитовые анодные блоки с защитным антикоррозионным слоем на основе алюмосиликата и алюмохромфосфатного связующего и токоподводящими металлическими траверсами с использованием склеивающих токопроводящих прокладок на основе графитового наполнителя и фенольного связующего. Режим работы электролизера: ток 22-23 кА, напряжение 8-9 В. Ресурс работы составил 120 суток. Потери (падение напряжения) в контактном токоподводящем узле в начале работы составили 100-110 мВ и практически не изменились за весь срок работы.

Как видно из приведенных примеров, при использовании предлагаемого изобретения:

- ресурс работы анодной сборки электролизера увеличился на 20%;

- потери электроэнергии в контактном токоподводящем узле в процессе работы электролизера сократились почти в 1,5-2,0 раза.

Кроме того, используемые сырьевые материалы дешевы и недефицитны, технология изготовления защитного антикоррозионного слоя и склеивающей токопроводящей прослойки проста и не требует специального оборудования.

Формула изобретения

1. Углеродный анод электролизера, содержащий токоподводящий узел в виде металлической траверсы и прикрепленный к ней анодный блок с нанесенным на его поверхность защитным антикоррозионным слоем, отличающийся тем, что анодный блок прикреплен к траверсе через склеивающую токопроводящую прослойку, выполненную из графитового порошка на фенольном связующем, а защитный антикоррозионный слой выполнен из порошка алюмосиликата на алюмохромфосфатном связующем.

2. Анод по п.1, отличающийся тем, что размер частиц графитового порошка не превышает 100 мкм, в качестве фенольного связующего токопроводящая прослойка содержит фенольную смолу, а массовое соотношение графитового порошка и фенольной смолы составляет 3:2.

3. Анод по п.1, отличающийся тем, что размер частиц порошка алюмосиликата не превышает 100 мкм, а в качестве алюмохромфосфатного связующего защитного антикоррозионного слоя использован его 30%-ный водный раствор.

4. Анод по п.3, отличающийся тем, что массовое соотношение порошка алюмосиликата и раствора алюмохромфосфатного связующего составляет 1:1.