Катодный токоотвод/соединитель для электролизера холла-эру
Изобретение относится к оборудованию для производства алюминия с использованием процесса Холла-Эру. Катодный токоотводный/соединительный узел содержит токоотводящий стержень из меди или медного сплава, расположенный под углеродным катодом и находящийся в непосредственном электрическом контакте с углеродным катодом. Токоотводящий стержень содержит одну или две выводную(ые) концевую(ые) часть(и), проходящую(ие) наружу вплоть до внутренней стороны или наружной стороны внешнего кожуха электролизера к соединителю. Выводная(ые) концевая(ые) часть(и) токоотводящего стержня электрически соединены каждая последовательно с проводящим элементом, обеспечивающим электрическое соединение с внешней шиной, который обеспечивает электрическое соединение токоотводящего стержня с внешней шиной и содержит гибкую соединительную полосу, которая выполнена из меди или медного сплава. Изобретения позволяют упростить токоотводную систему, уменьшить тепловой поток, исключить отрицательные последствия в виде низкого перенапряжения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область изобретения
Изобретение относится к производству алюминия с использованием процесса Холла-Эру, в частности, к оптимизации катодных токоотводящих/соединительных стержней, предназначенных для подсоединения электролизера к внешней шине.
Предпосылки изобретения
Алюминий производят посредством процесса Холла-Эру, электролизом глинозема, растворенного в электролитах на основе криолита, при температуре до 1000°С. В состав типового электролизера Холла-Эру входит стальной кожух, изолирующая футеровка из огнеупорных материалов и углеродный катод, удерживающий жидкий металл. Катод составлен из некоторого числа катодных блоков, в нижние части которых заделаны токоотводящие стержни для отвода тока, протекающего через электролизер.
В ряде патентных публикаций предлагались различные подходы для минимизации падения напряжения между жидким металлом и концом токоотводящих стержней. В WO2008/062318 предлагается использование высокопроводящего материала в дополнение к существующему стальному токоотводящему стержню и дается ссылка на WO 02/42525, WO 01/63014, WO 01/27353, WO 2004/031452 и WO 2005/098093, в которых раскрыты решения, предусматривающие использование медных вставок внутри стальных токоотводящих стержней. В патенте США 4795540 предложено разделение катода, а также токоотводящих стержней на секции. В WO2001/27353 и WO2001/063014 внутри токоотводящих стержней использованы высокопроводящие материалы. В US2006/0151333 предусмотрено применение разных электрических проводимостей в токоотводящих стержнях. В WO 2007/118510 предложено увеличение сечения токоотводящего стержня при перемещении к центру электролизера для изменения распределения тока на поверхности катода. В US 5976333 и 6231745 представлено использование медной вставки внутри стального токоотводящего стержня. В ЕР 2 133 446 А1 описаны конструкции катодных блоков с модификацией геометрии поверхности катода для стабилизации волн на поверхности слоя металла и, следовательно, минимизации МПР (межполюсного расстояния - расстояния между анодом и катодом).
В WO 2011/148347 описан углеродный катод электролизера для производства алюминия, который содержит высокоэлектропроводящие вставки, заключенные в оболочках внутри углеродного катода. Эти вставки изменяют проводимость основной части катода, но не участвуют в токосъеме и отводе тока токоотводящими стержнями.
Удельная электропроводность расплавленного криолита очень низкая, как правило, 220 Ом-1м-1, и МПР не может быть значительно уменьшено вследствие образования магнитогидродинамических нестабильностей, приводящих к волнам на поверхности раздела металл-ванна (металл-криолитовый электролит). Наличие волн приводит к потере выхода по току в процессе и не позволяет уменьшить энергопотребление до значений ниже критического. В целом в алюминиевой промышленности плотность тока такова, что падение напряжения на МПР составляет минимум 0,3 В/см. Поскольку МПР составляет 3-5 см, падение напряжения на МПР, как правило, составляет от 1,0 В до 1,5 В. Магнитное поле внутри жидкого металла является результатом токов, протекающих во внешней ошиновке, и внутренних токов. Локальная плотность внутренних токов внутри жидкого металла определяется главным образом геометрией катода и его локальной электрической проводимостью. Магнитное поле и плотность тока обуславливают создание поля сил Лоренца, которое само генерирует контур поверхности металла, поле скоростей металла, и определяет базовую среду для магнитогидродинамической устойчивости электролизера. Устойчивость электролизера может быть выражена в виде способности к уменьшению МПР без генерирования неустойчивых волн на поверхности слоя металла. Степень устойчивости зависит от плотности тока и индукционных магнитных полей, а также от формы ванны жидкого металла. Форма этой ванны зависит от поверхности катода и формы гарнисажа. Решения по предшествующему уровню техники учитывают в определенной степени магнитогидродинамическое состояние, требуемое для обеспечения хорошей устойчивости электролизера (низкого МПР), но решения с использованием медных вставок являются очень дорогостоящими и часто требуют сложных процессов механообработки.
В WO 2016/079605, содержание которого включено в данный документ по ссылке, описан высокоэлектропроводящий соединительный стержень, который содержит центральную часть, расположенную под центральной частью углеродного катода, обычно расположенную непосредственно в пазу или сквозном отверстии катода или предусматривающую использование U-образного профиля в качестве опоры, причем эта центральная часть высокоэлектропроводящего соединительного стержня имеет по меньшей мере свою верхнюю наружную поверхность в непосредственном электрическом контакте с углеродным катодом или в контакте с углеродным катодом через электропроводящий интерфейс, образованный электропроводящим клеем и/или электропроводящими гибкими фольгой или листом, нанесенными (наложенными) на поверхность высокоэлектропроводящего соединительного стержня. Высокоэлектропроводящий соединительный стержень выбран из меди, алюминия, серебра и их сплавов, предпочтительно из меди или медного сплава, и содержит одну или две наружные части, расположенные прилегающими к и с одной или обеих сторонах от центральной части, и выводную(ые) концевую(ые) часть или части, проходящую(ие) наружу от упомянутой(ых) наружной(ых) части(ей). Эти выводная(ые) концевая(ые) часть(и) высокоэлектропроводящего токоотводящего стержня электрически последовательно соединена(ы) со стальным проводящим стержнем с большей площадью поперечного сечения, чем у высокоэлектропроводящего соединительного стержня, при этом упомянутый(ые) стальной(ые) проводящий(е) стержень (стержни) выступает(ют) наружу для соединения с внешней шиной источника тока.
В этой известной конструкции выводные концевые части высокоэлектропроводящего металлического стержня предпочтительно электрически соединены последовательно со стальным проводящим стержнем, образующим переходный стык, при этом высокоэлектропроводящий металлический стержень и стальной проводящий стержень частично перекрываются друг с другом и скреплены вместе сваркой, электропроводящим клеем и/или посредством приложения механического давления, например, с помощью зажима для обеспечения посадки с натягом, или стыка, скрепленного за счет теплового расширения. В альтернативном варианте скрепленные концевые части свинчены вместе по резьбе. Стальные стержни, образующие переходный стык, выступают наружу для соединения с внешней ошиновкой электролизера, при этом выступающие наружу концевые секции стальных стержней имеют увеличенное поперечное сечение для уменьшения падения напряжения и обеспечения теплового баланса электролизера.
Известная конструкция с образующими переходный стык стальными стержнями является частично удовлетворительной тем, что она дает адекватные тепловые потери с отрицательным последствием в виде небольшого перенапряжения. Однако контакт меди и стали усложнен и приводит к увеличенным производственным затратам, в то время как эти контакты меди и стали подвержены разрушению с течением времени, приводящему к плохому контакту.
Сущность изобретения
Основная и первая задача изобретения состоит в упрощении токоотводной системы за счет использования медного стержня (или медных стержней) в виде цельного элемента, идущего изнутри углеродного катода прямо наружу электролизера, где он подсоединен в том месте, где ранее был подсоединен стальной стержень.
Следует понимать, что согласно изобретению термин «углеродный катод» означает все типы катодов на основе антрацита и/или графита и/или кокса, независимо от того, являются ли эти катоды обожженными или графитированными.
Другая задача состоит в реализации уменьшения теплового потока в медном стержне за счет уменьшения его сечения с использованием разных методов.
Еще одна задача состоит в дополнительном упрощении соединения с использованием медного гибкого спуска от конца медного стержня для соединения непосредственно с основной шиной.
Еще одна цель изобретения состоит в обеспечении того, чтобы медные стержни могли выходить из электролизера без какого-либо промежуточного стального элемента и могли быть соединены напрямую с гибкими спусками или с шинами. Для того чтобы добиться желательной температуры в точке соединения (от 150°С до 250°С), желательного падения напряжения от жидкого металла до точки соединения (от 100 мВ до 300 мВ) и желательного теплового потока (от 500 Вт до 1500 Вт), уменьшение поперечного сечения медных стержней может быть реализовано до точки соединения, предпочтительно снаружи электролизера.
Таким образом, изобретение позволяет выгодно обойтись без ранее используемых стальных соединительных стержней, с меньшими затратами, за счет обеспечения соединений, которые являются надежными в течение длительного срока, уменьшения теплового потока и с отрицательным последствием в виде более низкого перенапряжения.
В качестве разъяснения следует отметить, что электрический ток течет от углеродного катода в медный стержень, который сам должен быть соединен с внешней основной ошиновкой, изготовленной из алюминия, для подвода тока к следующему электролизеру.
Задача состоит в том, чтобы минимизировать падение напряжения, что означает обеспечение наименьшего технически возможного электрического сопротивления. Это подразумевает большое сечение самого токоотводящего стержня. Медь от катода до внешней шины может функционировать надлежащим образом при соответствующем сечении вследствие ее высокой удельной электропроводности.
Количество тепла, отводимого из катода в пространство снаружи электролизера, должно быть как можно меньшим, поскольку согласно первому закону термодинамики генерируемое тепло равно тепловым потерям в установившемся режиме. Другими словами, если сечение слишком большое, то слишком большое количество тепла будет выходить из электролизера, и вследствие низкого напряжения криолит будет застывать на поверхности катода, что неприемлемо. Кроме того, невозможно соединить медный стержень с высокой температурой на основной алюминиевой шине.
Ранее считалось, что эти ограничения обуславливают необходимость наличия стального элемента в виде стержня между медными стержнями внутри электролизера и внешними деталями электролизера. Сейчас считается, что можно использовать только металл с высокой удельной электропроводностью, такой как медь, для соединения снаружи электролизера, если имеется решение с охлаждением конца медного стержня и если существует возможность регулирования количества тепла, которое должно удовлетворять требованиям к электролизеру.
Одно решение охлаждения конца медного токоотводящего стержня состоит в использовании медного или алюминиевого гибкого спуска. Другое решение охлаждения конца медного токоотводящего стержня состоит в регулировании его сечения. Еще одно решение охлаждения конца медного токоотводящего стержня состоит в установке большого алюминиевого блока. Эти и другие решения предусмотрены настоящим изобретением по отдельности или в комбинации.
Изобретение относится к катодному токоотводному и соединительному узлу, собранному в углеродном катоде электролизера Холла-Эру для производства алюминия, содержащему по меньшей мере один стержень из высокоэлектропроводящего металла, который расположен под углеродным катодом. Высокоэлектропроводящий металл имеет большую чем у стали удельную электропроводность и предпочтительно выполнен из меди или медного сплава. Упомянутый или каждый высокоэлектропроводящий токоотводящий стержень содержит одну или две выводную(ые) концевую(ые) часть или части, проходящую(ие) наружу вплоть до внутренней стороны или наружной стороны внешнего кожуха электролизера, на котором каждая из упомянутой(ых) выводной(ых) концевой(ых) части(ей) упомянутого или каждого высокоэлектропроводящего токоотводящего стержня электрически соединена(ы) последовательно с проводящим элементом, обеспечивающим соединение с внешней шиной.
Согласно основному аспекту изобретения проводящий элемент, который обеспечивает электрическое соединение токоотводящего стержня с внешней шиной, содержит гибкую соединительную полосу из того же или иного высокоэлектропроводящего металла, что и соединительный стержень.
Высокоэлектропроводящий металл выбран из мели, алюминия, серебра и их сплавов, предпочтительно меди или медного сплава.
Таким образом, можно задать правильную поверхность медного гибкого спуска для обеспечения естественного конвекционного охлаждения. Сечение определяет падение напряжения и теплопроводность (тепло, отводимое из электролизера), поверхность гибкого спуска определяет потери тепла в гибком спуске, которые необходимы для снижения температуры до достижения основного проводника, который предпочтительно остается ниже 100°С - 120°С.
Гибкая соединительная полоса, как правило, представляет собой гибкую полосу из меди или медного сплава, имеющую на ее концах соединительные элементы из меди с кольцами или крюками для непосредственного или опосредованного соединения с выводной частью токоотводящего стержня и с внешней шиной. Когда такой гибкий соединитель подсоединен между токоотводящим стержнем и шиной, он, как правило, провисает или изгибается в его средней части.
Выводная(ые) часть(и) токоотводящих стержней преимущественно содержит(ат) в окрестности упомянутого соединителя зону с уменьшенной площадью поперечного сечения, причем эта площадь поперечного сечения упомянутой зоны выводной части меньше площади поперечного сечения остальной части упомянутой(ых) выводной(ых) части(ей).
Зона с уменьшенной площадью поперечного сечения, как правило, содержит по меньшей мере одно отверстие или углубление, или часть с уменьшенной толщиной в выводной концевой части токоотводящего стержня.
Таким образом, высокопроводящие (медные) стержни могут выходить наружу из электролизера без каких-либо промежуточных стальных пластины или стержня и могут быть соединены напрямую с гибкими проводниками или с внешними шинами. Зона с уменьшенным поперечным сечением предусмотрена до точки соединения и предпочтительно снаружи электролизера. Эта зона с уменьшенным поперечным сечением уменьшает сечение в области соединения для минимизации тепловых потерь таким образом, чтобы уравновешивать выделяемое в катоде тепло. Таким образом, это обеспечивает желательную температуру от 150°С до 250°С в точке соединения, желательное падение напряжения от 100 мВ до 300 мВ от жидкого металла до точки соединения и желательный тепловой поток от 500 Вт до 1500 Вт.
В некоторых вариантах осуществления соединитель содержит проводящий блок из того же или иного высокоэлектропроводящего металла, что и токоотводящий стержень, причем этот проводящий блок соединен с выводной концевой частью токоотводящего(их) стержня(ей) так, что он выступает сверху и снизу и/или вбок из любой стороны упомянутой выводной концевой части.
В конкретном варианте осуществления токоотводящий стержень содержит два разнесенных ответвления, соединенных на внешнем конце поперечиной, при этом проводящий блок соединен снаружи с поперечиной, и при этом каждое из двух разнесенных ответвлений содержит рядом с местом соединения с поперечиной упомянутую зону с уменьшенной площадью поперечного сечения, причем площадь поперечного сечения каждого ответвления меньше площади поперечного сечения остальной части упомянутых ответвлений.
В этом случае проводящий блок может быть соединен с гибкой соединительной полосой, которая выполнена из множества полос или плетенок, или рельефных профилей из высокопроводящего металла.
Упомянутый проводящий блок может быть выполнен из алюминия, меди или их сплавов, в то время как гибкая соединительная полоса предпочтительно выполнена из меди или медного сплава.
В предпочтительных вариантах осуществления проводящий блок прикреплен к выводной секции токоотводящего(их) стержня(ей) так, что он выступает сверху и/или снизу и/или вбок из любой стороны упомянутой выводной секции.
Предпочтительно, также предусмотрена биметаллическая пластина между обращенными друг к другу поверхностями проводящего блока и токоотводящего стержня. Одна сторона биметаллической пластины, находящаяся в контакте с токоотводящим стержнем, предпочтительно выполнена из того же металла, что и токоотводящий стержень, например, из меди. Другая сторона биметаллической пластины, находящаяся в контакте с проводящим блоком, предпочтительно выполнена из того же металла, что и проводящий блок, например, из алюминия. Эта биметаллическая пластина может занимать только пространство между данными обращенными друг к другу поверхностями, или она может проходить частично или полностью над свободной поверхностью проводящего блока.
В некоторых вариантах осуществления выводная(ые) часть(и) токоотводящих стержней содержат внешнюю защитную оболочку, предпочтительно из стали, проходящую вплоть до окрестности упомянутого соединителя. Эта защитная оболочка, как правило, будет заканчиваться, не доходя до упомянутой зоны с уменьшенным поперечным сечением, если она предусмотрена, или не доходя до упомянутой поперечины, если она предусмотрена. Промежуток между токоотводящим стержнем и защитной оболочкой необязательно заполнен материалом с низкой удельной электропроводностью, например, материалом на основе керамики или аморфного углерода, предпочтительно керамическими материалами. Этот аморфный углерод может быть коксом или антрацитом. Керамический материал может представлять собой листы из керамических волокон, вату из керамических волокон или гранулы.
Во всех вариантах осуществления в состав по меньшей мере одного катода входит углерод с долей по меньшей мере 50% масс., предпочтительно с долей по меньшей мере 60% масс., более предпочтительно с долей по меньшей мере 80% масс., еще более предпочтительно с долей по меньшей мере 90% масс., а наиболее предпочтительно с долей по меньшей мере 95% масс. углерода.
В другом варианте осуществления верхняя часть катода, как правило, его верхняя поверхность, может содержать по меньшей мере одно тугоплавкое твердое соединение металла, такое как TiB2, а нижняя часть катода выполнена из углерода и/или графита, например, аморфного углерода, в частности, содержащего антрацит.
Катодный токоотводный и соединительный узел согласно изобретению может включать все признаки, описанные в WO 2016/079605. Например, медный токоотвод будет обычно находиться в непосредственном контакте с углеродным блоком катода. В частности, это новое изобретение может включать, например, следующие признаки из WO 2016/079605.
Поверхность верхней части и, необязательно, боковых сторон из высокоэлектропроводящего металла может быть сделана шероховатой или может быть снабжена углублениями, такими как канавки, или выступами, такими как ребра, для улучшения контакта с углеродным катодом.
Когда между высокоэлектропроводящим металлом и углеродным катодом имеется проводящий интерфейс, такой проводящий интерфейс может быть выбран из металлических ткани, сетки или пены, предпочтительно из меди, медного сплава, никеля или никелевого сплава, или графитовых пленки или полотна, или проводящего слоя клея, или их комбинации. Преимущественно, проводящий интерфейс содержит электропроводящий клей на углеродной основе, получаемый смешиванием твердого углеродсодержащего компонента с жидким компонентом двухкомпонентного отверждающегося клея.
В зависимости от конструкции электролизера боковые стороны и, необязательно, нижняя сторона стержня из высокоэлектропроводящего металла могут непосредственно или опосредованно контактировать с набивной массой или огнеупорными кирпичами, находящимися в контакте с углеродным катодом.
Стержень из высокоэлектропроводящего металла может быть выполнен механообработкой с по меньшей мере одним пазом или снабжен другим промежутком, причем этот паз или промежуток расположен так, чтобы компенсировать тепловое расширение стержня в катоде за счет обеспечения возможности расширения высокоэлектропроводящего металла внутрь в промежуток, обеспечиваемый пазом(ами).
Углерод катода может электрически контактировать с открытой верхней наружной поверхностью высокоэлектропроводящего металла в результате действия веса катода на высокоэлектропроводящий металл и за счет контролируемого теплового расширения высокоэлектропроводящего металла.
Наружная(ые) часть(и) высокоэлектропроводящего соединительного стержня, как правило, проходит(ят) под или через электропроводящую часть подины электролизера, причем в этом случае данные наружные части высокоэлектропроводящего соединительного стержня электрически изолированы от электропроводящей части подины электролизера, в частности от боковых частей углеродного катода или от набивной массы. Некоторые секции стержня из высокоэлектропроводящего металла традиционно изолируют от электропроводящей части подины электролизера посредством их заключения в изолятор, в частности, их заключения в один или более листов из изоляционного материала, такого как глинозем, обернутых вокруг упомянутой(ых) наружной(ых) части(ей), или в слой электроизоляционного клея или цемента или любого изоляционного материала, способного выдерживать температуры вплоть до 1200°С.
Стержень из высокоэлектропроводящего металла в центральной секции катодного токоотвода может удерживаться в U-образном профиле, выполненном из материала, который сохраняет свою прочность при температурах в катоде электролизера Холла-Эру. Такой U-образный профиль может иметь основание под упомянутым стержнем, на которое опирается этот стержень, необязательно, по меньшей мере одно выступающее вверх («стоящее») ребро и боковые секции, которые проходят с боковых сторон и расположены на расстоянии от боковых сторон или контактируют с боковыми сторонами высокопроводящего стержня. Упомянутый высокопроводящий стержень имеет по меньшей мере верхнюю часть и, необязательно, также боковые части, остающиеся свободными от U-образного профиля для обеспечения возможности контакта высокоэлектропроводящего металла с углеродным катодом непосредственно или посредством проводящего интерфейса. Открытая верхняя часть, предпочтительно также и боковые стороны из высокоэлектропроводящего металла входят в контакт с углеродным катодом непосредственно или посредством проводящего интерфейса. U-образный профиль, как правило, выполнен из металла, такого как сталь, или из бетона или керамики.
Применение катодных токоотводящих стрежней согласно WO 2016/079605 обеспечивает увеличение проводимости углеродного катода, позволяя увеличить полезную высоту катодного блока на величину от 10% до 30% в зависимости от исходной конструкции катода и конструкции верхнего контактного профиля из высокопроводящего металла нового токоотводящего стержня. При увеличении высоты катодного блока может быть соответственно увеличен полезный срок службы катода и, следовательно, электролизера.
Применение катодных токоотводящих стержней согласно WO 2016/079605 также приводит к оптимизированному распределению тока в жидком металле и/или внутри углеродного катода, обеспечивающему возможность работы электролизера при более низком электрическом напряжении. Более низкое электрическое напряжение является результатом или меньшего межэлектродного расстояния (МПР), и/или меньшего падения напряжения внутри углеродного катода от жидкого металла до конца токоотводящего стержня.
Контроля теплового расширения относительно углеродного катода можно добиться за счет вырезания механообработкой одного или более пазов в высокопроводящем стержне или за счет использовании двух или более разнесенных стержней.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет дополнительно описано в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1А – схематический разрез электролизера Холла-Эру, оборудованного конструкцией с токоотводящими и соединительными стержнями по уровню техники.
Фиг.1В – схематический вид электролизера Холла-Эру, оборудованного конструкцией с токоотводящими и соединительными стержнями согласно изобретению.
Фиг.2 – схематический вид в перспективе, показывающий соединение медного токоотводящего стержня с внешней шиной.
Фиг.3 – схематичный вид, показывающий одну возможность выполнения зоны с уменьшенным поперечными сечением в токоотводящем стержне.
Фиг.4 иллюстрирует уменьшение температуры на конце токоотводящего стержня.
Фиг.5 показывает изогнутые стержни с уменьшенным сечением и областью соединения.
Фиг.6 показывает примеры отверстий с разными формами для уменьшения поперечного сечения токоотводящего стержня.
Фиг.7 иллюстрирует другой способ уменьшения поперечного сечения токоотводящего стержня.
Фиг.8 показывает два примера гибких медных полос.
Фиг.9А и 9В иллюстрируют испытательную установку для сравнения эффектов от токоотводящего стержня без зоны с уменьшенным поперечными сечением с эффектами от токоотводящего стержня с зоной с уменьшенным поперечным сечением.
Подробное описание
Фиг.1 схематически показывает электролизер 1 Холла-Эру для производства алюминия согласно WO 2016/079605, содержащий углеродную катодную подину 4 электролизера, ванну 2 жидкого катодного алюминия на углеродной катодной подине 4 электролизера, расплавленный электролит 3 на основе фторида, т.е. криолита, содержащий растворенный глинозем, поверх ванны 2 алюминия, и множество анодов 5, подвешенных в электролите 3. Также показано укрытие 6 электролизера, катодные токоотводящие стержни 7 согласно изобретению, которые заходят в углеродную подину 4 электролизера снаружи электролизной ванны 8, и штанги 9 для подвески анодов. Как можно видеть, токоотводящий стержень 7 разделен на зоны. Зона 10 электрически изолирована, а зона 11 состоит из слоев. Расплавленный электролит 3 удерживается в корке 12 застывшего электролита.
Существенным соображением в WO 2016/079605 было то, что стальные стержни 18 с увеличенной площадью поперечного сечения были соединены электрически последовательно с концами токоотводящих стержней 7 и выступают наружу электролизера 1 для соединения с внешними источниками тока. Зона 10 токоотводящего стержня электрически изолирована, например, посредством обертывания листом из глинозема или заключения в оболочку из электроизоляционного клея или цемента.
Фиг.1В схематически показывает электролизер Холла-Эру, оборудованный конструкцией с токоотводящими и соединительными стержнями согласно изобретению. При этом медный токоотводящий стержень 7 соединен напрямую с основной шиной 40 через промежуточный алюминиевый блок 20 и гибкий медный соединитель 30.
Фиг.2 представляет собой выполненный в увеличенном масштабе вид в перспективе, показывающий пример соединения медного токоотводящего стержня 7 с внешней шиной 40. Как показано, в этом примере токоотводящий стержень 7 содержит два параллельных разнесенных ответвления, соединенных на наружном конце поперечиной. Снаружи с поперечиной соединен алюминиевый проводящий блок 20, который шире и намного выше, чем разнесенные ответвления 7. Каждое из двух разнесенных ответвлений содержит рядом с местом соединения с поперечиной зону 15, в которой площадь поперечного сечения каждого ответвления меньше площади поперечного сечения остальной части упомянутых ответвлений, в данном примере – за счет наличия круглых отверстий в противоположных ответвлениях, смежных с областью соединения.
Алюминиевый проводящий блок 20 является массивным по сравнению с токоотводящими стержнями 7 и прикреплен к поперечине токоотводящего(их) стержня(ей) так, что он выступает сверху и снизу выводной секции токоотводящих стержней 7 и вбок с любой стороны. Как показано, выступающая нижняя часть проводящего блока 20 со стороны, противоположной токоотводящим стержням 7, соединена гибким медным соединителем 30, соединенным на его другом конце с шиной 40, причем этот гибкий соединитель 30 провисает в середине.
Проводящий блок 20 при изготовлении его из алюминия может, например, как правило, иметь размеры 220×120×50 мм, но можно обойтись и без этого блока 20 при использовании медного гибкого спуска.
Фиг.3 представляет собой схематичный вид, показывающий одну возможность выполнения зоны 16 с уменьшенным поперечным сечением в токоотводящем стержне, а именно посредством уменьшения толщины вдоль поперечины и рядом с поперечиной.
Фиг.4 иллюстрирует уменьшение температуры на конце токоотводящего стержня. Температура, как правило, близка к 950°С внутри углеродного катода и снижается при выходе из катода, достигая примерно 200° на границе раздела медный стержень/гибкий спуск.
Фиг.5 показывает изогнутые стержни 7 с уменьшенным сечением в области 17 соединения. Изогнутые участки используются для привинчивания болтами конца медного стержня к медному(ым) гибкому(гибким) спуску(ам) и/или к сплошному интерфейсу 20.
Фиг.6 показывает примеры отверстий с разными формами для уменьшения поперечного сечения токоотводящего стержня 7 в зоне 15. Фиг.6а показывает круглое или, возможно, овальное отверстие. Фиг.6b показывает узкое отверстие с прямоугольной формой, скругленной на его краях. Фиг.6с показывает квадратное отверстие со скругленными краями, а 6d - ромбовидную форму со скругленными краями. Фиг.6е показывает упорядоченную совокупность из пяти круглых отверстий, сгруппированных вместе.
Фиг.7 показывает еще один способ уменьшения поперечного сечения токоотводящего стержня 7 за счет сжатия между двумя роликами 22 для формирования профилированной роликами зоны 15 с уменьшенным поперечным сечением.
Фиг.8 показывает два примера гибких медных полос 30 для соединения блока 20 с внешней шиной 40. Каждая гибкая полоса 30 выполнена из снабженной углублениями или ребрами или плетеной медной полосы 32, имеющей на каждом из двух концов сплошной медный соединитель 34 для соединения с блоком 20 или шиной 40. Соединители 34 имеют центральное круглое отверстие для выполнения соединения, так что один конец медного стержня 7 может быть привинчен болтами к одному концу гибкой полосы 30 или к нижней стороне блока 20, а другой конец гибкой полосы 30 может быть прижат к основной шине 40.
Для того чтобы реализовать очень низкое контактное напряжение с течением времени, на контакте медь-алюминий (30/20) и на контакте медь-медь (30/40) может быть использована специальная электропроводная металлическая пена, такая как ECOCONTACT™.
Эти медные гибкие полосы 30 могут быть преимущественно использованы для замены используемых в настоящее время алюминиевых гибких спусков. Преимущества медных гибких спусков по сравнению с алюминиевыми гибкими спусками многочисленны:
- быстрое выполнение;
- высокая гибкость, облегчающая процедуру;
- меньшее падение напряжения;
- легкость нахождения правильного сечения;
- отсутствие механического напряжения на медном стержне.
Снижение внешнего напряжения может быть значительным.
Фиг.9А и 9В иллюстрируют испытательную установку для сравнения эффектов от токоотводящего стержня без зоны с уменьшенным поперечными сечением с эффектами от токоотводящего стержня с зоной с уменьшенным поперечным сечением.
Как показано на фиг.9А, токоотводящий стержень 7 без зоны с уменьшенным поперечным сечением соединен с алюминиевым блоком 20, который, в свою очередь, соединен с внешней шиной 40 гибким медным соединителем 30. Фиг.9В показывает сопоставимую установку за исключением того, что токоотводящий стержень 7 имеет зону 15 с уменьшенным поперечным сечением, образованную именно противоположными парами канавок на противоположных сторонах двух ответвлений, составляющих токоотводящий стержень 7. Эти две установки подвергали испытанию при идентичных условиях и измеряли температуру стержней. Температура на конце токоотводящих стержней, т.е. в месте расположения концевой поперечины, составляла соответственно 241°С для токоотводящего стержня без зоны с уменьшенным поперечным сечением и 218°С для токоотводящего стержня с зоной с уменьшенным поперечным сечением.
1. Катодный токоотводный и соединительный узел, собранный в углеродном катоде электролизера Холла-Эру для производства алюминия, содержащий по меньшей мере один токоотводящий стержень из меди или медного сплава, расположенный под углеродным катодом и находящийся в непосредственном электрическом контакте с углеродным катодом, при этом упомянутый или каждый токоотводящий стержень содержит одну или две выводную(ые) концевую(ые) часть или части, проходящую(ие) наружу вплоть до внутренней стороны или наружной стороны внешнего кожуха электролизера к соединителю, на котором упомянутая(ые) выводная(ые) концевая(ые) часть(и) упомянутого или каждого токоотводящего стержня электрически соединены каждая последовательно с проводящим элементом, обеспечивающим электрическое соединение с внешней шиной, отличающийся тем, что упомянутый проводящий элемент, обеспечивающий электрическое соединение токоотводящего стержня с внешней шиной, содержит гибкую соединительную полосу, которая выполнена из меди или медного сплава.
2. Катодный токоотводный и соединительный узел по п.1, в котором гибкая соединительная полоса представляет собой гибкую полосу, имеющую на ее концах соединительные детали из сплошной меди с кольцами или крюками для соединения непосредственно или опосредованно с выводной частью токоотводящего стержня и с внешней шиной.
3. Катодный токоотводный и соединительный узел по п. 1 или 2, в котором упомянутая(ые) выводная(ые) часть(и) токоотводящих стержней содержат в окрестности упомянутого соединителя зону с уменьшенной площадью поперечного сечения, при этом площадь поперечного сечения упомянутой зоны выводной части меньше площади поперечного сечения остальной части упомянутой(ых) выводной(ых) части(ей).
4. Катодный токоотводный и соединительный узел по п.3, в котором зона с уменьшенной площадью поперечного сечения содержит по меньшей мере одно отверстие, или углубление, или часть с уменьшенной толщиной в выводной концевой части токоотводящего стержня.
5. Катодный токоотводный и соединительный узел по любому из пп. 1-4, в котором упомянутый соединитель содержит проводящий блок из того же или иного высокоэлектропроводящего металла, что и токоотводящий стержень, и при этом проводящий блок присоединен к выводной концевой части токоотводящего(их) стержня(ей) так, что он выступает сверху и снизу и/или вбок с любой стороны упомянутой выводной концевой части.
6. Катодный токоотводный и соединительный узел по п.5, в котором токоотводящий стержень содержит два разнесенных ответвления, соединенных на внешнем конце поперечиной, при этом проводящий блок соединен снаружи с поперечиной, и при этом каждое из двух разнесенных ответвлений содержит рядом с местом соединения с поперечиной упомянутую зону, при этом площадь поперечного сечения каждого ответвления меньше площади поперечного сечения остальной части упомянутых ответвлений.
7. Катодный токоотводный и соединительный узел по п.5 или 6, в котором проводящий блок соединен с гибкой соединительной полосой, которая выполнена из множества полос, или плетенок, или рельефных профилей из высокопроводящего металла, и при этом проводящий блок предпочтительно выполнен из алюминия, меди или их сплавов, а гибкая соединительная полоса выполнена из меди или медного сплава.
8. Катодный токоотводный и соединительный узел по любому из пп.5-7, содержащий биметаллическую пластину между обращенными друг к другу поверхностями проводящего блока и токоотводящего стержня.
9. Катодный токоотводный и соединительный узел по любому из пп.1-8, в котором упомянутая(ые) выводная(ые) часть(и) токоотводящих стержней содержат внешнюю защитную оболочку из металла, проходящую вплоть до окрестности упомянутого соединителя.
10. Катодный токоотводный и соединительный узел по п.9, в котором промежуток между токоотводящим стержнем и защитной оболочкой необязательно заполнен сжимаемым материалом с низкой электропроводностью и низкой теплопроводностью.
11. Катодный токоотводный и соединительный узел по любому из пп.1-10, в котором в состав по меньшей мере одного катода входит углерод и/или графит с долей по меньшей мере 50 мас.%, предпочтительно с долей по меньшей мере 60 мас.%, более предпочтительно с долей по меньшей мере 80 мас.%, еще более предпочтительно с долей по меньшей мере 90 мас.%, а наиболее предпочтительно с долей по меньшей мере 95 мас.% углерода.
12. Катодный токоотводный и соединительный узел по любому из пп.1-11, в котором верхняя часть катода содержит по меньшей мере одно тугоплавкое твердое соединение металла, такое как TiB2, а нижняя часть катода выполнена из углерода.
13. Электролизер Холла-Эру для производства алюминия, снабженный катодным токоотводным и соединительным узлом по любому из пп.1-12.
