WO2018016989A1 - Катодный токоподводящий стержень алюминиевого электролизера - Google Patents
Катодный токоподводящий стержень алюминиевого электролизера Download PDFInfo
- Publication number
- WO2018016989A1 WO2018016989A1 PCT/RU2017/000369 RU2017000369W WO2018016989A1 WO 2018016989 A1 WO2018016989 A1 WO 2018016989A1 RU 2017000369 W RU2017000369 W RU 2017000369W WO 2018016989 A1 WO2018016989 A1 WO 2018016989A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- cathode
- current
- cathode current
- metal base
- rod
- Prior art date
Links
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 27
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 34
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 11
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 206010044038 Tooth erosion Diseases 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
Definitions
- the invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular, to the production of aluminum by electrolysis of molten salts, in particular to a device for a cathode current-conducting rod used in the construction of a cathode device of an aluminum electrolyzer.
- the cathode current-conducting rod usually made of steel, is fixed in the groove of the carbon-containing cathode block using an electrically conductive material (cast iron, carbon paste or carbon glue).
- An electrically conductive material cast iron, carbon paste or carbon glue.
- Carbon-containing cathode blocks with installed cathode current-carrying rods are called cathode sections, which are installed in the cathode casing of the electrolyzer and form the cathode device (cathode) of the aluminum electrolyzer.
- the purpose of the cathode current-supplying rod is to remove electric current from the cathode, and transfer it to the external busbar, through which it enters the next cell.
- Current is transferred from the external busbar to aluminum busbar stacks (risers) connected to the anode busbar, then through the anodes, passes through the layers of electrolyte and metal, and then enters the cathode of the aluminum electrolyzer.
- Known cathode section of an aluminum electrolyzer including a cathode carbon block with a cathode current-supplying rod fixed in it using cast iron, which is made in the form two elements of the same cross section are rigidly interconnected, and the part of the rod located under the anode is made of copper, and the outer part is made of steel (patent SU 1260412 - ⁇ 25 ⁇ 3/08 ⁇ 1, 09/30/1986)
- the copper part of the cathode current-conducting rod does not have a continuous protective sheath that prevents air from entering and oxidizing copper at high temperatures, in addition, with increasing temperature, the strength of copper decreases significantly. All of the above leads to an increase in the contact resistance of the carbon block - the current-conducting rod and, accordingly, will lead to an increase in the voltage drop in the cathode of the electrolyzer.
- Another disadvantage of the invention is the difficulty encountered in creating the connection of the copper part - the steel part of the current-supplying rod with an acceptable level of voltage drop in it. Since the problems associated with the difference in the thermal expansion coefficients of copper and steel, the high oxidizability and low strength of copper at temperatures close to the electrolysis temperature and the high temperature of the region of the connection of copper and steel do not allow to obtain a good connection.
- Blooms and a cathode block are used in an electrolyzer for aluminum production.
- the blooms are installed in the groove of the cathode block and sealed with an electrically conductive sealing material such as cast iron.
- an electrically conductive sealing material such as cast iron.
- a copper plate having a variable width along the length of the bloom is welded to the steel bloom by explosion welding. Explosion welding provides good electrical contact of copper and steel, and a variable width allows you to provide a given profile of the effective conductivity of the bloom.
- the copper plate is protected by a steel sheet welded on top of the copper plate and steel bloom.
- Aluminum is obtained by electrolytic reduction of alumina in a cryolite electrolyte. This is carried out in a Hall-Herou electrolyzer, which is usually operated at low voltages and very high values of electric currents. A large electric current enters the cell through the anode structure and then passes through a cryolite electrolyte, through a layer of molten metal aluminum, and then enters the carbon cathode block. Electric current is removed from the cell by cathode blooms, which are connected to external busbars.
- the flow of electric current through the aluminum layer and the carbon cathode block flows along the paths of least resistance.
- the electrical resistance in a conventional cathode bloom is proportional to the length of the current path from the point at which electric current enters the cathode bloom to the nearest external bus.
- the lower resistance on the current path which begins at the points on the cathode bloom closer to the outer bus, causes the current passing through the aluminum melt layer and the carbon cathode blocks to deviate in this direction.
- the main reason for the unsatisfactory characteristics of the cathode blocks containing graphite is the highly localized erosion of the cathode surface, due to which the blooms are exposed to aluminum metal. It was found that there is a relationship between the rapid degree of wear, the location of the area of maximum wear and the heterogeneity of the distribution of the cathode current. Therefore, there is a constant need to develop and ensure a more uniform distribution of the cathode current so that the localized wear rates of the cathode blocks are reduced and the life of the cell increases.
- intermittent termination portions according to this invention is effective for controlling the distribution of cathode current. This, however, can cause an additional drop in potential in the cell, leading to an increase in operating costs.
- the main disadvantages of the prototype include: the need for high-precision fit of the copper liner and the cavity of the current-supplying rod to create good electrical contact along the entire length of the cathode current-supplying rod; It is problematic to ensure uniform (in length) electrical contact between the copper insert and the cavity of the current-supplying rod, since the rod is heated unevenly along the length (from 950 to 700 ° C) and, accordingly, the thermal expansion of the liner will be different, which means different electrical resistance of the current-supplying rod; the insecurity of the copper liner from the effects of the oxidizing environment will lead to its rapid degradation and decrease.
- the objective of the invention is to increase the technical and economic performance of the electrolyzer by increasing the service life (by reducing the wear of the cathode blocks), the stability of the electrolyzer and, accordingly, the production of metal (by aligning horizontal currents along the length of the cathode section) and reducing energy consumption per ton of aluminum produced (by reducing the voltage drop in the cathode section).
- the technical result is to reduce the voltage drop in the cathode section by increasing the conductivity of the current-supplying rod, providing an acceptable electrical contact between the insert and the steel cathode rod throughout the life of the electrolyzer, substantially aligning the horizontal currents along the length of the cathode section.
- the cathode current-supplying rod used in the construction of the cathode device of an aluminum electrolyzer including a metal base with an internal cavity and a liner made of a material with high electrical conductivity, installed in the internal cavity with the possibility of electrical contact with metal basis
- the cathode conductive rod is made of one or two or more metal bases rigidly fixed to each other, while Adyshev fixedly connected to the metal substrate through a bonding layer and is arranged on one or several lateral faces of the metal substrate.
- the liner may be made of copper or an alloy based on copper. It is advisable that the cross-sectional area of the liner is from 8 to 30% of the cross section of the rod. It is also preferred that the outside of the liner be covered with a steel plate that is rigidly fixed to the surface of the metal base.
- the connecting layer can be made by welding, for example, by explosion.
- the connection of a metal base with a liner of metal with high electrical conductivity can be carried out by hot rolling (rolling) - a form of metal forming.
- the connecting layer is formed by itself during the welding process, and is a transition layer between the surface atomic layers of each of the joined materials (base and liner) exposed to a plasma jet (as a result of welding).
- Plasma causes the formation of a metal bond, in which metals are divided among themselves by valence electrons.
- the metal interface (connecting layer) is usually pronounced and has the appearance of regular sinusoidal waves.
- rods of various cross-sectional shapes are used - square, rectangular, round or oval. In our case, the shape of the rod can be any.
- the rod is usually made of steel, as a replacement option can be cast iron.
- the liner may be made of copper, an alloy based on copper, aluminum, an alloy based on aluminum.
- the indicated cross-sectional area of the liner from 8 to 30% of the cross section of the rod allows you to adjust the effective electrical conductivity of the cathode current-carrying rod.
- a steel plate that is rigidly fixed to the surface of the metal base helps protect the liner and the connecting layer from oxidation.
- connection of a metal base with a liner of metal with high electrical conductivity can be carried out by explosion welding.
- Welding method based on the use of explosion energy (a variety of metal processing by explosion). Based on the use of kinetic energy of the collision of the moving part (liner) with the surface of the fixed part (base), it is expended on the work of joint plastic deformation of the contacting layers of the metal, leading to the formation of a welded joint (connecting layer between them).
- the proposed design of the cathode current-supplying rod allows to significantly reduce the voltage drop in the cathode current-supplying rod and significant alignment of horizontal currents along the length of the cathode section due to the presence of a high-quality connecting layer between the metal base and the liner. This layer provides reliable electrical contact between the metal base and the liner, regardless of temperature gradient along the length of the cathode rod.
- figure 1 shows the cathode section of an aluminum electrolyzer in figure 2 - cathode current-supplying rod in disassembled and assembled condition;
- FIG. 3 shows the proposed cathodic current-supplying rod, assembled from two metal bases
- FIG. 4 shows the proposed cathodic current-supplying rod with a steel plate covering the liner from the outside.
- the proposed cathode current-supplying rod 1 is intended for installation in a carbon-containing cathode block 2 made with a groove 3 by fixing the rod 1 with an electrically conductive material 4 (cast iron, carbon paste or carbon glue).
- a cathode current-supplying rod 1 including a metal base 5, with an internal cavity 6 made by machining, an insert 7 made of a material with high electrical conductivity, installed in the inner cavity 6 and rigidly connected to the metal base 5 through a connecting layer 8, a steel plate 9 mounted on the outer side of the liner 7 and is rigidly fixed to the surface of the metal base 5 by electric arc welding around the perimeter of the plate.
- the insert 7 is fixed inside the cavity 6 of the metal base 5 by explosion welding, the soft metal insert 7 "rushes" onto the surface of the metal base 5 as a result of collision, plastic deformation occurs, causing local heating surface layers of metal of a throwable insert 7 and the base of the metal base 5. As a result of deformation and heating, physical contact develops, activation of the surfaces to be welded and a joint forms - a connecting layer 8.
- the insert 7 can be fixed inside the cavity 6 of the metal base 5 using joint hot rolling (knurling).
- the metal base 5 and the insert 7 are heated and jointly rolled between the rollers, as a result, the insert is soldered to the metal base and a strong connecting layer 8 appears.
- the cathode current-supplying rod 1 composite consisting of two metal bases 5 they are connected rigidly to each other by the sides on which the insert 7 is mounted.
- the connection of two metal bases 5 is carried out by perimeter arc welding.
- the liner with high electrical conductivity is made of copper or an alloy based on copper.
- the general layout of the cathode section of an aluminum electrolyzer is related to the global conversion of the vertical current entering from the side of the molten metal (on top of the cathode section) into horizontal current along the cathode current-supplying rods.
- the cathode current supply rod with an insert 7 installed in the cavity 6 can significantly increase the conductivity of the cathode current supply rod 1, which in turn leads to a decrease in voltage drop in the cathode section, a significant alignment of horizontal currents along the length of the cathode section, thereby reducing the uneven wear of the cathode section and, accordingly to increase the service life and stability of the cell.
- the copper insert allows to reduce the voltage drop in the cathode section by 50-100 mV.
- a cathode current-supply rod of arbitrary length, consisting of a steel base with a cross-section of 230x110 mm and a cavity with a cross-section of 155x20 mm and a copper insert with a cross-section of 150x20 mm, which is thrown onto a steel base, then, on the outside of the insert, a steel plate with a cross-section of 180x10 mm is welded, which protects the copper insert from oxidation by atmospheric oxygen and exposure to aggressive electrolyte vapors.
- the cathode current-supplying rod is obtained with a cross section of 230x120 mm.
- Cathodic current-supplying rod of arbitrary length, consisting of two identical steel substrates with a section of 230x60 mm and a cavity with a section of 155x10 mm and a copper insert with a section of 150x10 mm that is thrown onto a steel base. Then, the two bases (halves) are deployed with a copper liner to each other and welded together. This results in a cathode current-supplying rod with a cross section of 230x120 mm which forms an integral steel protective sheath with a copper insert inside.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно, к устройству катодного токоподводящего стержня, используемого в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера. Предложен катодный токоподводящий стержень, включающий металлическую основу с внутренней полостью и вкладыш, выполненный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлической основой. При этом катодный токопроводящий стержень выполнен из одной или двух и более жестко закрепленных между собой металлических основ, а вкладыш жестко соединен с металлической основой через соединительный слой и размещен на одной или нескольких боковых гранях металлической основы. В результате обеспечивается снижение падения напряжения в катодной секции за счет увеличения проводимости токоподводящего стержня, с обеспечением приемлемого электрического контакта между вставкой и стальным катодным стержнем на протяжении всего срока службы электролизера, существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции.
Description
КАТОДНЫЙ ТОКОПОДВОДЯЩИЙ СТЕРЖЕНЬ
АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно, к производству алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к устройству катодного токоподводящего стержня, используемого в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера.
Уровень техники
Катодный токоподводящий стержень, обычно выполняемый из стали, закрепляется в пазу углеродсодержащего катодного блока с помощью электропроводного материала (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея). Углеродсодержащие катодные блоки с установленными катодными токоподводящими стержнями называются катодными секциями, которые устанавливаются в катодный кожух электролизера и образуют катодное устройство (катод) алюминиевого электролизера.
Назначение катодного токоподводящего стержня - съем электрического тока с катода, и передача его на внешнюю ошиновку, по которой он поступает в следующий электролизер. Ток передается с внешней ошиновки на пакеты алюминиевых шин (стояки) соединенных с анодной ошиновкой, затем через аноды, проходит через слои электролита и металла, затем поступает в катод алюминиевого электролизера.
Известна катодная секция алюминиевого электролизера, включающая катодный углеродистый блок с закрепленным в нем с помощью чугунной заливки катодным токоподводящим стержнем, который выполнен в виде
двух элементов одинакового сечения жестко соединенных между собой, причем часть стержня находящаяся под анодом, выполнена из меди, а внешняя часть - из стали (патент SU 1260412 - С 25 С 3/08 А 1, 30.09.1986) Одним из основных недостатков указанного технического решения является то, что медная часть катодного токоподводящего стержня не имеет сплошной защитной оболочки, препятствующей доступу воздуха и окислению меди при высоких температурах, кроме того, с ростом температуры у меди существенно снижается прочность. Все вышесказанное приводит к росту контактного сопротивления углеродистый блок - токопод- водящий стержень и соответственно приведет к росту перепада напряжения в катоде электролизера.
Другим недостатком изобретения является сложности, возникающие при создании соединения медная часть - стальная часть токоподводящего стержня с приемлемым уровнем перепада напряжения в нем. Так как проблемы связанные с различием коэффициентов термического расширения меди и стали, высокой окисляемостью и низкой прочностью меди при температурах близких к температуре электролиза и высокая температура области соединения меди и стали не позволяют получить хорошее соединение.
Этими недостатками и объясняются относительно не высокие показатели, полученные при испытаниях предлагаемой катодной секции.
Блюмс и катодный блок используются в электролизере для производства алюминия. Блюмс установлен в паз катодного блока и заделан электропроводным заделывающим материалом типа литейного чугуна. Для повышения эффективной электропроводности к стальному блюмсу с помощью сварки взрывом приварена медная пластина, имеющая переменную по длине блюмса ширину. Сварка взрывом обеспечивает хороший
электрический контакт меди и стали, а переменная ширина позволяет обеспечить заданный профиль эффективной электропроводности блюмса. Для предотвращения выгорания медная пластина защищена стальным листом, приваренным сверху к медной пластине и стальному блюмсу.
Алюминий получают при электролитическом восстановлении глинозема в криолитовом электролите. Это осуществляется в электролизере Холла-Эру, который обычно эксплуатируется при низких напряжениях и очень высоких значениях электрических токов. Большой электрический ток входит в электролизер через анодную структуру и затем проходит через криолитовый электролит, через слой расплавленного металлического алюминия, а затем входит в угольный катодный блок. Электрический ток выводится из электролизера катодными блюмсами, которые соединяются с внешними электрическими шинами.
Поток электрического тока через алюминиевый слой и угольный катодный блок течет по путям наименьшего сопротивления. Электрическое сопротивление в обычном катодном блюмсе пропорционально длине пути тока от точки, в которой электрический ток входит в катодный блюмс, до ближайшей внешней шины. Более низкое сопротивление на пути тока, который начинается в точках на катодном блюмсе, находящихся ближе к внешней шине, заставляет ток, идущий через слой расплава алюминия и угольные катодные блоки, отклоняться в этом направлении.
В частности, основной причиной неудовлетворительных характеристик катодных блоков, содержащих графит, является сильно локализованная эрозия катодной поверхности, из-за которой блюмс подвергается воздействию металлического алюминия. Было установлено, что существует связь между быстрой степенью износа, местоположением области максимального износа и неоднородностью распределения катодного тока.
Поэтому имеется постоянная потребность в разработке и обеспечении более равномерного распределения катодного тока для того, чтобы скорости локализованного износа катодных блоков были снижены, а срок службы электролизера увеличился.
Известно, что удельная электропроводность стала очень мала по сравнению со слоем металлического алюминия, поэтому внешняя треть блюмса, ближайшая к борту электролизера, несет большую часть нагрузки, создавая, таким образом, очень неравномерное распределение катодного тока в пределах каждого катодного блока.
Один из методов, который использовался, для достижения более однородного распределения катодного тока, состоял в увеличении удельной электропроводности блюмса. Это привело к снижению плотности локализованного тока и, как следствие, снижению степени износа. Один из методов, который, как было обнаружено, позволяет увеличить удельную электропроводность, заключался в использовании в блюмсе медных вставок, описанных в Патентах US 5 976 333, МПК С25СЗ/16, опубл. 02.11.1999г. и US 3 551 319, МПК С25СЗ/16, опубл. 29.12.1970г.
Однако в обоих случаях электрическое соединение медного ядра со стальной оболочкой блюмса обеспечивалось за счет механического контакта. При высокой температуре за счет окисления сопротивление контакта медь- сталь увеличивается, что приводит к существенному снижению эффективной электропроводности.
Хотя использование медного сердечника с большей удельной электропроводностью, безусловно, полезно для достижения более однородного распределения катодного тока, он служит только для снижения степени неоднородности распределения тока и все еще не в состоянии
обеспечить сбалансированное распределение катодного тока по ширине катодного блока.
Прерывистое электрическое соединение блюмса с катодным блоком, описанное в Патенте WO 2004/031452 А1, МПК С25СЗ/16, опубл. 15.04.2004г., приводит к более равномерному распределению тока по катодному блоку.
Использование прерывистых порций заделки согласно данному изобретению эффективно для управления распределением катодного тока. Это, однако, может вызывать дополнительное падение потенциала в электролизере, приводя к увеличению эксплуатационных расходов.
Эту проблему решили в патенте RU 2303654, МПК С25СЗ/08, опубл. 27.07.2007 г. где медная вставка помогает преодолевать это падение потенциала, и этому также помогает увеличение полного поперечного сечения блюмса. Площадь поперечного сечения медной вставки - предпочтительно составляет 20% от площади поперечного сечения блюмса. Эта медная вставка в комбинации с увеличенной площадью поперечного сечения блюмса способна в значительной степени скомпенсировать дополнительное падение потенциала, вызванного путём ступенчатого уменьшения площади электрического контакта боковых поверхностей паза катодного блока и катодного стержня ступенчатой.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является катодная секция алюминиевого электролизера по патенту RU 2285754, МПК С25СЗ/08, опубл. 20.10.2006г., в которой 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.
К основным недостаткам прототипа относятся: необходимость высокоточной подгонки медного вкладыша и полости токоподводящего стержня для создания хорошего электрического контакта по всей длине катодного токоподводящего стержня; проблематично обеспечить равномерный (по длине) электрический контакт между медным вкладышем и полостью токоподводящего стержня, так как стержень по длине нагрет неравномерно (от 950 до 700 °С) и соответственно термическое расширение вкладыша будет разное, что означает разное электрическое сопротивление токоподводящего стержня; незащищенность медного вкладыша от воздействия окислительной среды приведет к его быстрой деградации и снижению.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей работы электролизера за счет повышения срока службы (путем уменьшения износа катодных блоков), стабильности работы электролизера и соответственно наработки металла (путем выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции) и снижения расхода электроэнергии на тонну произведенного алюминия (путем снижения падения напряжения в катодной секции).
Техническим результатом является снижение падения напряжения в катодной секции за счет увеличения проводимости токоподводящего стержня, с обеспечением приемлемого электрического контакта между вставкой и стальным катодным стержнем на протяжении всего срока службы электролизера, существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в катодном токоподводящем стержне, используемом в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера, включающем металлическую основу с внутренней полостью и вкладыш, выполненный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлической основой, катодный токопроводящий стержень выполнен из одной или двух и более жестко закрепленных между собой металлических основ, при этом вкладыш жестко соединен с металлической основой через соединительный слой и размещен на одной или нескольких боковых гранях металлической основы.
Вкладыш может быть выполнен из меди или сплава на медной основе. Целесообразно, чтобы площадь поперечного сечения вкладыша составляет от 8 до 30% поперечного сечения стержня. Также предпочтительно, чтобы наружная сторона вкладыша была закрыта стальной пластиной, которая жестко закреплена на поверхности металлической основы. Соединительный слой может быть выполнен путем сварки, например, взрывом. Соединение металлической основы с вкладышем из металла с высокой удельной электропроводностью могут осуществлять путем горячей прокатки (накатки) - разновидности обработки металлов давлением.
Соединительный слой образуется сам, в процессе сварки, и представляет собой переходный слой между поверхностными атомными слоями каждого из соединяемых материалов (основы и вкладыша) подвергшийся воздействию струи плазмы (в результате сварки). Плазма вызывает образование металлической связи, при которой металлы делятся между собой валентными электронами. Граница раздела металлов (соединительный слой) обычно резко выражена и имеет вид регулярных синусоидальных волн.
В конструкции алюминиевых электролизеров применяются стержни разных форм поперечного сечения - квадратного, прямоугольного, круглого или овального. В нашем случае форма стержня может быть любой.
Стержень выполнен как правило из стали, как вариант замены может быть чугун. Вкладыш может быть выполнен из меди, сплава на основе меди, алюминия, сплава на основе алюминия.
Указанная площадь поперечного сечения вкладыша от 8 до 30% поперечного сечения стержня позволяет регулировать эффективную удельную электропроводность катодного токоподводящего стержня.
Стальная пластина, которая жестко закреплена на поверхности металлической основы способствует защите вкладыша и соединительного слоя от окисления.
Соединение металлической основы с вкладышем из металла с высокой удельной электропроводностью может осуществляться сваркой взрывом. Метод сварки на основе использования энергии взрыва (разновидности обработки металлов взрывом). Основанной на использовании кинетической энергии соударения движущейся части (вкладыша) с поверхностью неподвижной части (основы) затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения (соединительного слоя между ними).
Предложенная конструкция катодного токоподводящего стержня позволяет обеспечить значительное снижение перепада напряжения в катодном токоподводящем стержне и существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции за счет наличия качественного соединительного слоя между металлической основы и вкладыша. Этот слой обеспечивает уверенный электрический контакт между металлической основой и вкладышем независимо от температурного
градиента по длине катодного стержня.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 изображена катодная секция алюминиевого электролизера на фиг.2 - катодный токоподводящий стержень в разобранном и собранном состоянии;
на фиг. 3. изображен предлагаемый катодный токоподводящий стержень, собранный из двух металлических основ;
на фиг. 4 изображен предлагаемый катодный токоподводящий стержень со стальной пластиной закрывающей вкладыш с наружной стороны.
Осуществление изобретения
Предлагаемый катодный токоподводящий стержень 1 предназначен для установки в углеродсодержащий катодный блок 2 выполненный с пазом 3 путем закрепления стержня 1 с помощью электропроводного материала 4 (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея).
Катодный токоподводящий стержень 1, включающий металлическую основу 5, с внутренней полостью 6 выполненную путем механической обработки вкладыш 7 изготовленный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости 6 и жестко соединенный с металлической основой 5 через соединительный слой 8, стальную пластину 9 установленную на наружной стороне вкладыша 7 и жестко закреплённую на поверхности металлической основы 5 путем электродуговой сварки по периметру пластины.
Закрепление вкладыша 7 внутри полости 6 металлической основы 5 осуществляется с помощью сварки взрывом, вкладыш 7 из мягкого металла «метается» на поверхность металлической основы 5 в результате соударения возникает пластическая деформация, вызывающая местный нагрев
поверхностных слоев металла метаемого вкладыша7 и основания металлической основы 5. В результате деформации и нагрева развиваются физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуется соединение - соединительный слой 8.
Также, вкладыш 7 можно закрепить внутри полости 6 металлической основы 5 используя совместную горячую прокатку (накатку). В этом случае металлическая основа 5 и вкладыш 7 нагреваются и совместно прокатываются между валками, в результате припаивается вкладыш к металлической основе и появляется прочный соединительный слой 8.
В случае выполнения катодного токоподводящего стержня 1 составным, состоящим из двух металлических основ 5, они соединяются жестко друг с другом сторонами, на которой установлен вкладыш 7. Соединение двух металлических основ 5 осуществляется электродуговой сваркой по периметру.
В конструкции катодного токоподводящего стержня вкладыш с высокой удельной электропроводностью выполнен из меди или сплава на медной основе.
В конструкции катодного токоподводящего стержня для более радикального выравнивания вертикального тока по поверхности катодной секции предлагается выполнить сечение вкладыша от 8 до 30% сечения стержня.
Работа устройства осуществляется следующим образом
Общая компоновка катодной секции алюминиевого электролизера связана с глобальным преобразованием вертикального тока, входящего со стороны расплавленного металла (сверху катодной секции), в горизонтальный ток по катодным токоподводящим стержням. Это приводит к неравномерности вертикального тока на поверхности подины, особенно при
использовании катодных блоков с высоким содержанием графита (материалов с высокой электропроводностью), увеличенному перепаду напряжения в катодной секции, неравномерному износу катодного блока (так как в местах с высокой плотностью тока на поверхности происходит интенсивная эррозия материала катодного блока) и соответственно к снижению срока службы электролизера.
Катодный токоподводящий стержень с установленным в полости 6 вкладышем 7 позволяет значительно увеличить электропроводности катодного токоподводящего стержня 1, что в свою очередь приводит снижению падения напряжения в катодной секции, к существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции, тем самым уменьшить неравномерность износа катодной секции и соответственно повысить срок службы и стабильность работы электролизера.
Относительно небольшая добавка меди (от 8%) виде вкладыша приводит к заметному улучшению распределения тока. В зависимости от технологических условий вкладыш из меди позволяет снизить падение напряжения в катодной секции на 50-100 мВ.
Примеры
Катодный токоподводящий стержень, произвольной длины, состоящий из стальной основы сечением 230x110 мм с полостью сечением 155x20 мм и медного вкладыша сечением 150x20 мм, который метается на стальную основу, затем, с наружной стороны вкладыша приваривается стальная пластина сечением 180x10 мм, которая защищает медный вкладыш от окисления кислородом воздуха и воздействия агрессивных паров электролита. Катодный токоподводящий стержень получается сечением 230x120 мм.
Катодный токоподводящий стержень, произвольной длины, состоящий из двух одинаковых стальных основ сечением 230x60 мм с полостью сечением 155x10 мм и медного вкладыша сечением 150x10 мм который метается на стальную основу. Затем, две основы (половинки) разворачиваются медным вкладышом друг другу и свариваются между собой. При этом получается катодный токоподводящий стержень сечением 230x120 мм который образует цельную стальную защитную оболочку с медным вкладышем внутри.
Это приводит к снижению падения напряжения в катодной секции на 50-80 мВ, к значительному выравниванию горизонтальных токов по длине катодной секции, так дельта между максимальным и минимальным значением плотности тока снижается на 50%. Срок службы при этом увеличивается на 6 мес. (подтверждено натурными испытаниями на электролизёрах большой мощности > 300 кА).
Приведенные выше варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной первым пунктом формулы.
Claims
1. Катодный токоподводящий стержень, используемый в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера, включающий металлическую основу с внутренней полостью и вкладыш, выполненный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлической основой, отличающийся тем, что катодный токопроводящий стержень выполнен из одной или двух и более жестко закрепленных между собой металлических основ, при этом вкладыш жестко соединен с металлической основой через соединительный слой и размещен на одной или нескольких боковых гранях металлической основы.
2. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из меди или сплава на медной основе.
3. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из алюминия или сплава на основе алюминия.
4. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения вкладыша составляет от 8 до 30% поперечного сечения стержня.
5. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что наружная сторона вкладыша закрыта стальной пластиной, которая жестко закреплена на поверхности металлической основы.
6. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что соединительный слой выполнен путем сварки взрывом.
7. Катодный токоподводящий стержень по п.1, отличающийся тем, что соединительный слой выполнен путем прокатки (накатки).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129595A RU2657682C2 (ru) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Катодный токоподводящий стержень алюминиевого электролизера |
| RU2016129595 | 2016-07-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018016989A1 true WO2018016989A1 (ru) | 2018-01-25 |
Family
ID=60996002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2017/000369 WO2018016989A1 (ru) | 2016-07-19 | 2017-05-30 | Катодный токоподводящий стержень алюминиевого электролизера |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657682C2 (ru) |
| WO (1) | WO2018016989A1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5976333A (en) * | 1998-01-06 | 1999-11-02 | Pate; Ray H. | Collector bar |
| RU2285754C1 (ru) * | 2005-03-29 | 2006-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Катодная секция алюминиевого электролизера |
| RU2348743C2 (ru) * | 2007-03-15 | 2009-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" | Катодный токоведущий стержень алюминиевого электролизера |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2868435B1 (fr) * | 2004-04-02 | 2006-05-26 | Aluminium Pechiney Soc Par Act | Element cathodique pour l'equipement d'une cellule d'electrolyse destinee a la production d'aluminium |
| TW200925328A (en) * | 2007-10-29 | 2009-06-16 | Bhp Billiton Aluminium Technologies Ltd | Composite collector bar |
-
2016
- 2016-07-19 RU RU2016129595A patent/RU2657682C2/ru active
-
2017
- 2017-05-30 WO PCT/RU2017/000369 patent/WO2018016989A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5976333A (en) * | 1998-01-06 | 1999-11-02 | Pate; Ray H. | Collector bar |
| RU2285754C1 (ru) * | 2005-03-29 | 2006-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Катодная секция алюминиевого электролизера |
| RU2348743C2 (ru) * | 2007-03-15 | 2009-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" | Катодный токоведущий стержень алюминиевого электролизера |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2657682C2 (ru) | 2018-06-14 |
| RU2016129595A (ru) | 2018-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4792105B2 (ja) | 非平坦なスロット形態を有する、アルミニウム電解セルのためのカソード | |
| RU2449058C2 (ru) | Электролизер для производства алюминия, содержащий средства для уменьшения падения напряжения | |
| US6387237B1 (en) | Cathode collector bar with spacer for improved heat balance and method | |
| US11060199B2 (en) | Electrode configurations for electrolytic cells and related methods | |
| RU2239007C2 (ru) | Катодный коллекторный стержень для улучшения теплового баланса | |
| EP4276226A2 (en) | Cathode current collector for a hall-heroult cell | |
| AU2008318268B2 (en) | Composite collector bar | |
| RU2178016C2 (ru) | Электролитическая ячейка восстановления для производства металла | |
| CN109863258B (zh) | 用于霍尔-埃鲁电池的阴极集流器/连接器 | |
| AU2014305612B2 (en) | Electrolytic cell intended for the production of aluminium and electrolytic smelter comprising this cell | |
| RU2657682C2 (ru) | Катодный токоподводящий стержень алюминиевого электролизера | |
| WO2019245386A1 (en) | Anode hanger, and method of production thereof | |
| RU2285754C1 (ru) | Катодная секция алюминиевого электролизера | |
| RU2348743C2 (ru) | Катодный токоведущий стержень алюминиевого электролизера | |
| RU2209856C1 (ru) | Катодное устройство алюминиевого электролизера | |
| EA044747B1 (ru) | Сборочный узел катода для электролизера холла-эру для производства алюминия и способ его изготовления | |
| RU2381301C1 (ru) | Катодное устройство алюминиевого электролизера | |
| CA3179900A1 (en) | Cathode assembly for a hall-heroult cell for aluminium production and method for making same | |
| AU713342B2 (en) | Cathode construction | |
| RU2630114C2 (ru) | Электролизер, в частности, для получения алюминия |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 17831422 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 17831422 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |