катодное устройство алюминиевого электролизера

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.

Описание изобретения к патенту

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 = L₁/₁S₁ = L₂/₂S₂, (1)

S₂L = V₂ = S₁L₁/₂ = V₁₁/₂

Вес Р и стоимость С получим, умножая объем на плотность d и на цену Ц тонны металла.

P₂ = V₂d₂ = S₁Ld₁d₂₁/d₁₂ = Pd₂₁/d₁₂ (3)

C₂ = P₂Ц₂ = P₁Ц₁Ц₁d₂₁/Ц₁d₁₂ = C₁Ц₂d₂₁/Ц₁d₁₂ (4)

Откуда получаем соотношение стоимостей медной пластины и стального стержня

C₂/C₁ = Ц₂d₂₁/Ц₁d₁₂

Исходные данные приведены в таблице, подставим их в уравнение (5)

(а) Вариант для стали с высокой удельной электропроводностью.

С₂/С₁₌480008,960,15210⁵ /100007,871,2210⁵=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₌480008,960,110⁵ /100007,871,2210⁵=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.