катодная секция алюминиевого электролизера

Формула изобретения

Катодная секция алюминиевого электролизера, включающая углеродистый блок с пазом с закрепленным в нем токоподводящим стержнем с внутренней полостью многоугольного сечения, в которую помещен медный вкладыш многоугольного сечения, отличающаяся тем, что медный вкладыш и внутренняя полость в токоподводящем стержне выполнены прямоугольного сечения, при этом полость выполнена под проекцией анодного массива и имеет высоту не менее трети высоты токоподводящего стержня, а медный вкладыш закреплен с зазором со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к устройству катодной секции алюминиевого электролизера.

Известна катодная секция алюминиевого электролизера, содержащая углеродистый блок с пазом, в котором с помощью чугунной заливки закреплен стальной токоподводящий стержень квадратного или прямоугольного сечения (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М., "Металлургия", 1971, стр.194).

Недостатком известной конструкции катодной секции является большая неоднородность вертикального тока по поверхности подины, которая обусловлена относительно низкой удельной электропроводностью материала катодного стержня. Генерируемые при этом большие горизонтальные составляющие тока в слое расплавленного металла неблагоприятно влияют на МГД-устойчивость электролизера. Эффект неоднородности вертикального тока особенно сильно проявляется при использовании подовых блоков с повышенной электропроводностью (с большим содержанием графита). Использование альтернативных материалов с большей электропроводностью для изготовления катодных стержней (медь, серебро) ограничено их высокой стоимостью и низкой температурой плавления.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является катодная секция, включающая углеродистый блок с пазом, с заключенным в нем токоподводящим коллекторным стержнем с размещенным в его полости медным вкладышем. Внешний конец коллекторного стержня соединен с электрической шиной. Полость и медный вкладыш в коллекторном стержне могут иметь многоугольный или круглый профиль в поперечном сечении (Патент Российской Федерации №2239007, кл. С 25 С 3/16, 2004).

Недостатком указанного технического решения является то, что оно не обеспечивает существенного выравнивания горизонтального тока. При использовании вкладыша с многоугольным или круглым профилем рабочая поверхность медного вкладыша для съема тока относительно невелика. Кроме того, возникают технологические трудности при изготовлении полости для вкладыша.

Задачей изобретения является повышение срока службы электролизера, стабильности работы и упрощение технологии сборки катодной секции.

Технический результат заключается в уменьшении падения напряжения в подовой секции за счет выравнивания вертикального электрического тока на поверхности подины.

Для решения поставленной задачи в катодной секции алюминиевого электролизера, включающей углеродистый блок с пазом с закрепленным в нем токоподводящим стержнем с внутренней полостью многоугольного сечения, в которую помещен медный вкладыш многоугольного сечения согласно предлагаемому изобретению, медный вкладыш и внутренняя полость в токоподводящем стержне выполнены прямоугольного сечения, при этом полость выполнена под проекцией анодного массива и имеет высоту не менее трети высоты токоподводящего стержня, а медный вкладыш закреплен с зазором со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На фигуре 1 изображена катодная секция алюминиевого электролизера с токоподводящими стержнями предлагаемой конструкции, продольное сечение.

На фигуре 2 - поперечное сечение катодной секции.

На фигуре 3 - типичное линейное распределение вертикального тока по поверхности подового блока, полученное на основе математического моделирования.

В подовом блоке 1 выполнен продольный паз, в котором закреплен токоподводящий стержень 2. Часть паза 3 подового блока 1 выполнена незаполненной токоподводящим стержнем 2 со стороны внутреннего торца подового блока (потай). Токоподводящий стержень 2 в верхней части закреплен с помощью чугунной заливки, углеродным клеем или уплотненной углеродистой пастой (массой) 4. В нижней части токоподводящего стержня 2 под проекцией анодного массива выполнена полость прямоугольного сечения, в котором помещен медный вкладыш 5 прямоугольного сечения. Высота полости составляет не менее трети высоты токоподводящего катодного стержня 2. Закрепление медного вкладыша в полости проводится со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня приваренными стальными пластинами 6. Для компенсации термических расширений при нагревании до рабочей температуры имеется полость 7 между вкладышем 5 и катодным токоподводящим стержнем 2.

Общая компоновка катодной секции алюминиевого электролизера связана с глобальным преобразованием вертикального тока, входящего со стороны расплавленного металла, в горизонтальный ток по катодным токоподводящим стержням. Это приводит к существенной неравномерности вертикального тока на поверхности подины, особенно при использовании подовых блоков с повышенным содержанием графита (материалов подовых блоков с большей электропроводностью).

Типичное линейное распределение вертикального тока по поверхности подового блока, полученное на основе математического моделирования, приведено при общем съеме тока на подовую секцию 6 кА. В центре ванны электролизера вертикальный ток минимален и увеличивается при приближении к настыли. Зона большого вертикального тока связывается с более высоким износом подины. Увеличение электропроводности катодного токоподводящего стержня при замене материала со стали на медь приводит к существенному выравниванию вертикального тока. Таким образом обеспечивается повышение срока службы и стабильности работы электролизера, уменьшение падения напряжения в подовой секции. Относительно небольшая добавка меди в виде вкладыша приводит к заметному улучшению распределения вертикального тока. Использование вставки цилиндрического сечения неэффективно из-за относительно небольшой поверхности для съема тока.

В зависимости от технологических условий медный вкладыш позволяет снизить падение напряжения в подовой секции на 10-30 мВ.