Катодное устройство алюминиевого электролизера

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК АЗ 09) (1 Ш 4 С ЮЛ. 1 РЧЧ 1 Я Й. Я дЖБЛЖ) 1 ИЛ ВОтро 1 та ХГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБ ПАТЕНТУ(54) КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮШНИЕГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА(57) Изобретение относится к элекметаллургии алюминия. Цель изобрения - сокращение энергозатрат в к тодном устройстве и повышение его срока службы. Катодное устройство включает углеродистые блоки 3 со стальными токоподводящими стержнями 5. Углеродистые блоки установлены продольными сторонами параллельно продольным стенкам кожуха электролизера. Углеродистые блоки соединены по два в виде полумодуля, ширина которого равна половине ширины подины. Подина катодного устройства выполнена из четырех полумодулей. Использование изобретения стабилизирует слой жидкого алюминия, существенно уменьшает расстояние между анодом и катодом. Площадь рабочей катодной поверхностиувеличивается. Обеспечивается одновременно большое сечение стального стержня и большая площадь контакта углерода со сталью. 2 з.п. ф-лы, 8 ил бл.Изобретение относится к электро- металлургии алюминия.Цель изобретения - сокращение энергозатрат и повышение срока службы катодного устройства.На Фиг. 1 показан известный катод электролизера; на фиг. 2 - 8 - предлагаемое катодное устройство электролизера. 10Катодные блоки 1 расположены параллельно меньшей стороне 2 металлического корпуса, несущего катод электролиэера. Эти блоки имеют форму удлиненных параллелепипедов с большой 15 осью АА , высота й и ширина 1 составляют 300-700 мм, а длина - 2 м и более, Соотношение между длиной и шириной в большинстве случаев больше 2 и может достигать 4 и даже 8. Соотношение между высотой и шириной зачастую составляет порядка 1.В случае, представленном на фиг . 1, каждый блок 1 включает в себя два стержня 3, представляющие собой две 25 половинки, которые могут соединяться 1,или нет) в своей центральной части 4, К наружным концам 5 катодных стержней подключены один или несколько боковых проводников б, соединенных З 0 с анодной рамкой следующего электролизера данной батареи. Стержни заделаны чаще всего путем заливки чугуном в одну или две продольные прорези 7 блока 1.35Последовательно расположенные катодные блоки соединяются между собой посредством слоя штыбной пасты 8, трамбуемой в горячем виде и обеспечивающей герметичность всего катода по 40 отношению к проникновению жидкого алюминия и расплавленного электролита. От этой герметичности во многом зависит срок службы электролизера.В соответствии с изобретением (фиг.2-8) катодные блоки 10 установлены так, что их большая ось АА параллельна большей стороне 11 корпуса и его большей оси ХХ, Катодные стержни 3 и выходы 5, а также коллектор 650 сохраняют прежнее расположение, но прорези 12 выполнены поперек катодного блока, параллельно его меньшей стороне, а следовательно, перпендикулярно его большей оси ААКаждый катодный полумодуль образо 55 ван двумя блоками, предварительно соединенными между собой посредством, например, склеивания 9, а установка на место и крепление катодных стержней осуществляются обычными способами, такими как заливка чугуном или(реже) при помощи углеродсодержащейпасты. Соединенные вместе два идентичных полумодуля, установленные симметрично большей оси корпуса, образуют первый катодный модуль. Два полумодуля соединяются между собой обычным способом при помощи штыбной пасты13 или посредством склеивания, Этосоединение может быть осуществленодо или после установки в корпус.Этот первый катоцный модуль дополняется затем п идентичными модулями,соединенными между собой при помощиштыбной пасты 8, причем число модулей зависит от типа электролизера.Например, катод для электролизера на180 000 А может состоять из трех последовательно расположенных модулей.Хотя были описаны полумодули, образованные каждый двумя блоками, этотпример не является ограничительным.Можно представить себе полумодули,образованные двумя блоками различнойширины или тремя блоками одинаковойили различной ширины, но высота и .длина в передней части должны бытьво всех случаях одинаковы. Исходя из основного принципа можно представить себе несколько вариантов осуществления изобретения. Каждый из двух блоков, образующих катодный полумодуль, может иметь идентичный состав, т,е. быть выполнен из такой же углеродсодержащей пасты, или другой состав, обеспечивающий модулю особые свойства, например другую тепло- или электропроводность.Наружный блок классического типа (каменноугольный пек + зерна антрацита) имеет при 900 С электрическое удельное сопротивление порядка 4,4 х х 10= Ом/см и теплопроводность ) порядка 0,03 Вт/см/С, тогда как внутренний блок полуграфитового типа имеет при 900 С электрическое удельное сопротивление 2,8 10Ом/см и теплопроводность А 0,23 Вт/см/ С.В варианте, представленном на фиг. 3, наружный блок образован из двух частей, причем наружная часть выполняется из материала с относительно низкой теплопроводностью с тем, чтобы уменьшить поток тепла, уходящего наружу через углеродсодер 134242720 40 жащие блоки, и улучшить таким образомтепловой баланс электролизера.Сечения прорезей 12 крепления,мо-,гут иметь все одинаковую ширину илинекоторые из них, в частности наруж 5ные, могут иметь различную ширину сцелью, например, обеспечения постоянного расстояния между отверстиями,предусмотренными в боковой стенкекорпуса для выхода наружу катодныхстержней.Кроме того, в часть поверхностикатодных блоков, образующих катод,можно ввести вещество, которое сделает их смачиваемыми жидким алюминием.Такое ввецение может быть поверхностным или затрагивать весь катодныйблок, или часть его. Например, диборид титан ТВ смачивается жидкималюминием и относительно мало разъединяется этим металлом при темпера -туре 930-960 С,Таким образом, можно покрыть полностью или частично поверхность катоднык блоков пластинами или другимиэлементами из чистого ТВили изкомпозитного материала, содержащего,по меньшей мере ЗОБ ТВ, либо осуществить любым известным способомосаждение ТВ или композитного мате.риала на основе ТВ на всей иличасти катодной поверхности, либоввести в углеродсодержащую пасту, изкоторой выполнены катодные блоки,находящиеся в контакте с жидким алю 35минием, ТхВ и/или соединение ОТМ ссодержанием ОТМ равным ЗОХ, что является минимумом, обеспечивающимэффект смачивания. Таким образом,можно стабилизировать слой жидкогоалюминия и существенно уменьшитьрасстояние между анодом и катодоми,следовательно, падение напряжения вэлектролизной ванне, что ведет к со 45ответствующему уменьшению удельнойэнергии в киловаттчасах на тоннупроизведенного алюминия.Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в том, что площадьполезной катодной поверхности увеличивается в результате замены заделкишвов штыбной пастой, слой которойимеет толщину 30-40 мм и обладаетслабой электропроводностью, соедине 55нием блоков между собой посредствомсклеивания, причем слой клея имееточень маленькую толщину порядкамиллиметра; кроме того, обеспечивается одновременно большое сечение стального стержня и большая площадь контакта углерода со сталью.На фиг. 6-8 видно, что для одного и того же вертикального разреза переходят от длины контакта спая 36,8 дм и площади сечения стали и чугуна 17,16 дм (фиг, 6) к длине контакта 29,2 дм и площади сечения 26,4 дм (фиг. 7) и к длине контакта 41,6 дм и площади сечения 25,08 дм (фиг. 8). Результатом этого является очень значительное снижение падения омического напряжения в месте спайного контакта, сочетающееся с очень слабым падением омического напряжения в стальном стержне. Этот общий выигрыш, величина которого достигает нескольких десятков милливольт, обеспечивается без ущерба для прочности углеродсодержащего блока, поскольку размеры крыльев 16 блоков, т.е. частей, остающихся между прорезями или между прорезью и краем блока, остаются прежними. Выигрыш в 10 мВ эквивалентен снижению потребления на 30-35 кВт.ч на тонну произведенного алюминия.Новое расположение катодных блоков позволяет изготавливать смешанные блоки (или "сэндвичи") простым и экономичным методом, В соответствии с известным способом нужно было разрезать блоки 1, затем соединять две части (например антрацит и полуграфит) при монтаже катодов, тогда как по изобретению смешанный блок получают в результате простого склеивания двух блоков стандартных размеров и сразу же устанавливают на место.Установка на место не требует меньших затрат рабочей силы: вместо четырех блоков (фиг. 1) устанавливают два полумодуля (фиг. 2) или один целый модуль, предварительно склеенный.По сравнению с классическим склеиванием блоков 1, осуществляемым при помощи длинноходных силовых цилиндров 14 (фиг. 4) и сопряженным с определенными трудностями, монтаж модулями легкоприспосабливается даже к значительным неточностям, которые компенсируют нри помощи штыбной пасты 8, укладываемой между смеж. ными модулями (фиг. 2). Кроме того, для прижатия друг к другу двух склеи ваемых между собой полумодулей (8),2427 Блоки известной конструкции Показатели г 84 59 67 Спайный контакт 88 83 136 142 172 203 Всего: 5 134 образующих каЖдый катодный модуль, достаточно использовать короткоходные силовые цилиндры 15, устанавливаемые против большей стороны корпуса.В результате замены швов иэ штыбной пасты клееными швами улучшается герметичность катода к проникновению расплавленных металла и электролита. Изобретение допускает использование катодных поверхностей, смачиваемых жидким алкминием.Изобретение было осуществлено на нескольких электролизерах одной бата реи, работающей на 180 000 А, в виде катода, выполненного из двух полу- модулей, образованных каждый двумя блоками нз полуграфита (фиг, 8),На электролизерах классической конструкции с антрацитовыми блоками и на предлагаемых электролизерах быпи проведены измерения падения потенциала в катодной системе, в спайном контакте и в катодном стержне. Измерения представлены в таблице.Максимальный полученный выигрыш составляет 61 мВ, что соответствует экономии примерно 200 кВт.ч на тонну произведенного алюминия, Этот выигрыш был обеспечен наполовину эа счет использования полуграфитных Падение омического напряженияв стержне блоков с более низким удельным сопротивлением и наполовину за счет использования модульного катодного блока по изобретению.5 Формула изобретения 1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее металлический кожух, теплоизоляционную и огнеупорную футеровку, подину, выполненную из углеродистых блоков со стальными токоподводящими стержнями, установленными в пазах углеродистых блоков, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью сокращения энергозатрат и повышения срока службы устройства, углеродистые блоки установлены продольными сторонами параллельно продольным стенкам кожуха, а пазы выполнены перпендикулярно продольным сторонам блока. рб 2. Устройство йо и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что углеродистые блоки соединены по два в виде полумодуля, ширина которого равна половине ширины подины.3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что подина вью полнена из четырех полумодулей. Блоки по изобретению134242772 Составитель О. Голыжникова Техрел. М.ДндьпсКоРректор С. Шекмар Редактор А. Долинич 4448/59 Тираж 612 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5