катодная секция электролизера

Формула изобретения

Катодная секция электролизера, содержащая углеродистый блок и токоподвод с посадочными местами, отличающаяся тем, что токоподводы выполнены в виде одной или нескольких труб с продольными, например винтовыми, разрезами, образующими зазоры не меньше тепловых, замыкаемых при рабочих температурах, и расположены в соответствии с решетчатой упаковкой, например, составленной из правильных треугольников, под углами от нуля до /2 относительно рабочей поверхности секции, а посадочные места в токоподводах и углеродистом блоке имеют размеры, обеспечивающие посадку токоподводов с натягом, например, в виде конусов Морзе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, использующей электролиз расплавленных солей, в частности к устройству катодной секции алюминиевого электролизера.

Известна конструкция катодной секции электролизера, в которой углеродистый блок с посадочным местом под токоподвод жестко удерживает токоподводящий стержень (токоподвод), на гранях рабочей части которого, перпендикулярно его продольной оси выполнены пазы на глубину, равную 0,55-1,2 высоты токоподвода [1]

Недостатками известной конструкции являются: увеличенное сопротивление токоподвода, обусловленное удлинением пути для тока из-за необходимости огибать пазовые пространства; технологическая сложность чугунной заливки; поперечное расширение токоподвода, приводящее к растягивающим усилиям в углеродистом блоке и появлению трещин в последнем "усов"; наличие консольно выступающей горизонтальной части токоподвода, что в результате микроколебаний приводит к нескомпенсированным напряжениям в углеродистом блоке.

Известна конструкция катодной секции электролизера, частично устраняющая вышеописанные недостатки [2] Она содержит углеродистый блок с продольным пазом (посадочное место для токоподвода), металлический стержень (токоподвод), чугунную заливку и прокладку из электропроводного сжимаемого материала, устанавливаемую между стенками токоподвода и чугунной заливкой. В этой конструкции поперечное тепловое расширение токоподвода компенсируется сжимаемой прокладкой.

Недостатком известной конструкции являются: увеличенное электрическое сопротивление из-за наличия прокладки, удельное сопротивление которой более, чем на два порядка больше сопротивления стального токоподвода, да еще два дополнительных контактных перехода токоподвод-прокладка и прокладка-чугунная заливка; технологические трудности заливки чугуном с одновременной установкой прокладок; нескомпенсированность продольных перемещений (вдоль оси) токоподвода и чугунной заливки, приводящих к появлению дополнительных напряжений и трещин в углеродистом блоке. Кроме того, при изменении размеров токоподвода или его формы не представляется возможным использовать рекомендации по относительной толщине прокладки, а влияние микроколебаний перераспределяет электросопротивление между нижней и верхней прокладками, что также ведет к увеличению электросопротивления секции в целом. Наконец, токоподвод нельзя расположить вертикально или под большим углом к рабочей поверхности углеродистого блока он может выскользнуть из прокладок.

Предлагаемое устройство устpаняет вышеприведенные недостатки, снимая усилия токоподводов до необходимых для сохранения электроконтакта с углеродистым блоком, существенно уменьшая электросопротивление блока в целом, расширяет функциональные возможности до управления током в рабочей части блока и управлением гидромеханикой жидкого алюминия в электролизере.

Указанный эффект достигается тем, что в катодной секции электролизера токоподводы выполнены в виде одной или нескольких труб с продольными, например винтовыми, разрезами, образующими зазоры, не меньше тепловых, замыкаемых при рабочих температурах, и расположены в соответствии с решетчатой упаковкой, например, составленной из правильных треугольников, под углами от нуля до 0,5 относительно рабочей поверхности секции, а посадочные места в токоподводах и углеродистом блоке имеют размеры, обеспечивающие посадку токоподводов с натягом, например, в виде конусов Морзе.

Выполнение катодной секции по предложенной конструктивной схеме позволяет: во-первых, устранить технологически сложные операции по креплению токоподводов расплавом чугуна; во-вторых, уменьшить единичную массу токоподвода, а следовательно, и напряжения, связанные с его консольным расположением; в-третьих, уменьшить до безопасных напряжения между токоподводом и углеродистым блоком; в-четвертых, в несколько раз увеличить площадь контакта токоподвода с углеродистым блоком, уменьшив тем самым электросопротивление секции в целом; в-пятых, произвольно располагать относительно рабочей поверхности углеродистого блока токоподводы, что в конечной стадии дает возможность управлять гидродинамикой расплавленного металла в подине электролизера.

На фиг. 1 изображена катодная секция с токоподводом из двух цилиндрических и одной конической трубы; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 катодная секция с вертикальным расположением токоподводящих труб относительно рабочей поверхности секции; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3.

На фиг.1 катодная секция представлена углеродистым блоком 1 с посадочными местами под токоподводы 2 и 3, собственно токоподводами 4 и 5. Сборка катодной секции осуществляется одним из следующих способов. Посадочные места под цилиндрические трубы обрабатываются с таким расчетом, чтобы после установки точно обработанных понаруже труб образовалась посадка с натягом, для чего следует устанавливать в разогретые до 400-500^oC углеродистые блоки трубы при нормальной температуре, либо предварительно охлажденные, например, в жидком азоте. Возможно запекание труб в углеродистых блоках на заводе-изготовителе блоков, с обязательным сохранением продольного зазора в трубах-токоподводах. Посадочные места под конические токоподводы, в случае их точного изготовления, заполняются ответным конусом токоподводов с закреплением их осевым усилием, после чего последнее снимается. В случае неточного изготовления отверстие в блоке промазывается пастой, вставляется токоподвод, и, прижимая детали осевым усилием, известными способами производят отвердение пасты. После этого усилие снимается.

Работает катодная секция следующим образом. Токоподводы 4 и 5 присоединяются к источнику тока, при управлении гидродинамикой расплава - через индивидуальные регуляторы тока, а сама катодная секция в составе собранной подины электролизера, достигая температур 500-600^oC. При этом металлические токоподводы 4 и 5 существенно расширяются по сравнению с углеродистым блоком 1, однако, то обстоятельство, что труба имеет внутри свободное пространство, не позволяет ей создавать радиальные усилия, а расширение вдоль образующей окружности компенсируется уменьшением зазора продольного разреза. Аналогично осевые расширения приводят к локальным перемещениям и уменьшению зазоров винтовых разрезов, причем осевые перемещения во столько раз меньше, чем у прототипа, во сколько шаг винтового разреза укладывается на длину посадочного места, при прочих равных условиях. Для тонкостенных труб, у которых отношение толщины к диаметру не превышает 0,25, в частных случаях, возможна установка без сплошного разреза токоподвода, так как при рабочих температурах из-за малости массы металла возможна просто садка металла, т.е. утолщение стенок за счет периферийных (по кольцу) усилий тепловых расширений. Для труб с коническими посадочными местами ввиду геометрического подобия осевые продольные перемещения при тепловом расширении дополнительно компенсируют боковые расширения.

На фиг.4 катодная секция представлена углеродистым блоком 6 с посадочными местами 7, 8, 9 и токоподводами 10, 11, 12. Приведенный на фиг.2 пример возможных расположений токоподводов 10, 11, 12 дает представление о преимуществах предложенного изобретения по сравнению с прототипом, а именно: обеспечение низкого электросопротивления катодной секции, благодаря увеличенной площади контакта токоподводы-углеродистый блок 10, 11, 12-6; возможность управления в различных рабочих участках секции электрическим током за счет подвода регулируемого тока к каждому из токоподводов, расположение которых может быть расчетным, причем токоподводы (10, 11, 13) могут быть с различными площадями контакта (с углеродистым блоком 6), различной глубиной контактов (по оси токоподвода), на различных расстояниях между собой; снижение веса единичного токоподвода, а следовательно и консольно выступающих концов (из углеродистых блоков), что уменьшает влияние последних, на передачу микроколебаний в посадочные места.

Таким образом, катодные секции электролизера, в которых используется настоящее предложение, позволяет избавиться от трещинообразования за счет резкого уменьшения растягивающих усилий в углеродистом блоке (1 и 6), благодаря изменению конструкции токоподводов (4, 5 и 10, 11, 12). В последних тепловые расширения не приводят к опасным концентрациям напряжений: во-первых, из-за несплошности осевого сечения тонкостенной трубы; во-вторых, из-за наличия продольного разреза на трубе, что позволяет увеличивающемуся объему занять пространство разреза и сохранить усилие поджатия токоподвода (4, 5 и 10, 11, 12) трубы к посадочному месту (2, 3 и 7, 8, 9) углеродистого блока (1 и 6) в пределах, необходимых для сохранения электроконтакта. В случае применения труб 5 с конусными посадочными местами 3 существенно упрощается сборка катодных секций при сохранении в различных стадиях контактного усилия, задаваемого начальным осевым усилием.

Кроме того, настоящее предложение позволяет принципиально изменить технологию сборки катодных секций, например, путем запекания токоподводов в углеродистые блоки "снизу", что в свою очередь позволяет не только в несколько раз увеличить площадь электроконтакта и снизить электросопротивление блока в целом, но и управлять гидродинамикой ванны путем регулирования подачи тока по различным токоподводам.

В итоге, предлагаемое изобретение позволяет увеличить срок службы катодных блоков в составе подины электролизера за счет устранения силовых напряжений в контакте токоподвод-углеродистый блок, уменьшить электросопротивление катодного блока и тем самым уменьшить расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции, управлять гидродинамикой расплава и тем самым увеличить срок службы электролизера и количество выплавляемого металла за межремонтный период.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 1219677, кл. С 25 С 3/08, 3/16, 1986, Бюл. N 11.

2. Авторское свидетельство СССР N 1346696, кл. С 25 С 3/08, 1987, Бюл. N 39.