CS202528B2 - Electrodes system - Google Patents

Description

Vynález se týká elektrodové soustavy pro vedení elektrického proudu do komory nebo z komory s tepelně izolující stěnou obklopující korozívní prostředí ó vysoké teplotě, určené zejména k použití v elektrolytických Článcích na výrobu kovů, zejména hliníku, a opatřené elektrodou umístěnou v komoře a vedením s nízkým elektrickým odporem, jehož jeden konec je umístěn v komoře a je v elektrickém kontaktu s elektrodou, a jehož druhý konec je vně komory, přičemž elektrický kontakt mezi elektrodou a vedením je proveden elektricky vodivým, vůči teplu a korozi odolným Členem, umístěným v uvedené stěně.

Výhody, které by byly spojeny s užitím chloridu hlinitého jako surovniny při elektrolytické redukci hliníku, byly již dávno seznány, avšak obchodní uskutečnění tohoto postupu bylo brzděno nemožností rozřešit Četné problémy s tímto postupem spojené.

Jedním z trvalých vážných problémů byl problém přivádění a odvádění proudu u elektrod umístěných uvnitř elektrolyzérů a pecí používaných pro redukční postup a problém přívodů a vodičů, které by vydržely působení složek korožívního složení, tj. lázně obsahující chlorid hlinitý a plynného chloru.

Elektrody v takovém elektrolyzéru vyčnívají za účelem vedení proudu lázní do této elektrolytické lázně a jsou s ní tedy ve styku. Elektrodových přívodů se užívá pro elektrické spojení elektrod s vodiči a obvody umístěnými vně elektrolyzérů.

Přívody spojené s elektrodami elektrolyzéru mohou ovšem být zhotoveny z elektricky vodivého kovu, například mědi, avšak takové přívody jsou vystaveny korozívnímu narušování lázní a plynným chlorem při pracovní teplotě elektrolyzéru, což vede k jejich rychlému zničení.

202528 2

Jelikož bod tání hliníku je přibližně 660 °C, pracuje se s elektrolyzéry, které slouží pro výrobu hliníku z chloridu, obvykle při teplotách přibližně 700 °C. Žádný známý kov nemůže vydržet korozívní působení chloru při teplotě nad přibližně 550 °C a mít delší životnost než jeden nebo dva dny až několik málo týdnů, což závisí na použitém kovu a na trvajících teplotách.

Přívody mohou být provedeny z vodivých nekovů, jako například grafitu, avšak mají-li mít takovou velikost, aby vedly potřebný proud při nízkém úbytku napětí, jsou tyto přívody neprakticky velké a vedou nadměrná množství tepla z elektrolyzéru.

Zmenší-li se velikost takových přívodů za účelem snížení tepelné ztráty a dosažení praktických rozměrů, pak tyto přívody nejsou dostatečně vodivé, což znamená, že jejich vlastní elektrický odpor vytváří podél jejich délky nevhodně velké úbytky napětí.

Řešením problému, jak přivádět a odvádět proud u anod a katod elektrolytických van obsahujících korozívní prostředí, by tedy bylo použití vodivých členů, které vyčnívají do elektrod, které by byly zhotoveny z vysoce vodivého materiálu spojeného s nízkým úbytkem napětí, vystaveného napadení korozívním prostředím, jako je vysoce vodivý kov, avšak byly proti korozívnímu okolí Chráněny účinným způsobem.

Vynález řeší tento problém tím, že u shora uvedené elektrodové soustavy je elektricky vodivý člen vytvořen jako objímka, mající uzavřený konec a umístěná uvnitř vývrtu elektrody a v objímce je umístěno vedení.

Podle výhodného provedení vynálezu prochází vedením vnitřní průchod к prostoru spojujícímu podélně probíhající kanály na povrchu vedení.

Vedení je účelně opatřeno nejméně jedním kanálem pro chladicí tekutinu.

Podle dalšího provedení vynálezu je vnější průměr alespoň části objímky, která zasahuje do elektrody, po délce opatřen úkosem, jehož rozměr se zmenšuje směrem do elektrody.

Hlavní předností vynálezu je vytvoření elektrodové soustavy, která je neprostupná pro korozívní pronikavé tekutiny přítomné při elektrolytické redukci hliníku z chloridu hlinitého rozpuštěného v roztavené lázni halogenidů, čímž se pracovní životnost elektrolyzéru velmi značně prodlouží. Další předností vynálezu je možnost včas rozpoznat a indikovat začínající porušení elektrodové soustavy vyvolané začátkem proniknutí korozívní tekutiny do blízkostí stěny elektrolyzéru po průchodu nízkoodporovým jádrem vedoucím proud.

Elektrodová soustava podle vynálezu bude nyní popsána na příkladu provedení v souvislosti s výkresy.

Obr. 1 je průřez elektrodovou soustavou konstruovanou podle vynálezu.

Obr. 2 je řez elektrodovou soustavou podle obr. 1, podle čáry II-II v obr. 1.

Obr. 3 je pohled na část obr. 1 ve zvětšeném měřítku.

Na výkresech je znázorněna v podélném řezu elektrodová soustava JjQ, uložená ve stěně znázorněného elektrolyzéru na výrobu kovového hliníku. Stěna elektrolyzéru, ze které je zakreslena pouze část a která může tvořit hořejšek, postranici nebo jinou obvodovou část vany elektrolyzéru, sestává z relativně silné žáruvzdorné a tepelně izolující♦vrstvy čili stěny 12 (která je znázorněna pouze z části) a z vnějšího kovového pláště ДД, který má vodivé vlastnosti a je s výhodou elektricky uzemněn.

Taková stěna elektrolyzéru je schopna uchovávat vysoce korozívní prostředí, jaké je například přítomno při elektrolýze chloridu hlinitého, rozpuštěného v roztavené halogenidové lázní, jako například v lázni jednoho nebo několika halogenidů alkalických kovů, ' při výrobě kovového hliníku.

Korozívní tekutiny takto příoomné, například složky roztavené lázně a plynný chlor vyvjející se během elektrolýzy,· jsou vysoce pronikavé a pro kovy jsou vysoce koroz^ní, zejména při vysokých teplotách používaných při provozů·takových elektrolyzérů.

Znázorněná elektrodová soustava . 10 obsahuje elektrodu 14, která je umístěna uvnitř , elektrolyzérů a vystavena popsanému prostředí a alespoň jedno vedení £6, s nízkým elektrickým odporem, které má s·výhodou podobu protáhlé kovové tyče nebo tyčky procházející stěnou 12 elektrolyzérů, přičemž jeho jeden konec zasahuje do vývrtu 18 elektrody £4, kdežto druhý konec vedení 16 je umístěn vně elektrolyzéru za účelem jeho připojení na zdroj elektrické energie. .

Kovovou tyč tvořící vedení 16 obklopuje protáhlá objímka 20, která je vytvořena ·z·elektrocky vodivého maSeriálu, v podstatě nepropustného, například hustého grafitu, a . má takový rozměr, že vyčnívá do vývrtu 18 elektrody 14 a prochází ven stěnou elektrolyzéiů. Zvvášt vhodná pro účely vynálezu je grafitová objímka povlečená pyrolytccým grafiem.

Pro účely dobrého elektrického kontaktu se rozměry vnitřního průřezu objímky 20 a rozměr vnějšího průřezu·vedení 16 zvolí tak, že objímka 20 a vedení 16 na sebe těsně lícují, čímž se dosáhne dobrého elektrického kontaktu mezi vedením 16 a objímkou 20.

' Podobným·způsobem se dosáhne dobré elektrické vodšvooti mezi elektrodou 14 a objímkou tím, že se mezi · nimi vy-tv^iří silový styk. Při volbě rozměrů pro objímku 20 a vývrt £8 elektrody 14 lze za účelem usnadnění zavádění a vyjmutí objímky 20·při takovém typu vzájemného dosednutí upravit na vnějším, průřezu objímky 20·nepatrný úkos, jehož rozměry se zmen^jí směrem do elektrody 14. .

Objímka 20.probíhá s výhodou po celé té Čááti vedení £6, která je umístněna uvnitř elektrody 14 a je opatřena uzavřeným'koncem, . jak je znázorněno v obr. 1, eby vedení 16 bylo v ní úplně uzavřeno. Objímka 20 může · být také opatřena otevřeným koncem a probíhat po necelé délce té části vedení 16, která . je obklopena elektrodou £4· Jak je znázorněno v obr. 1, je s výhodou mezi koncem vedení 16 a mezi vnitřním povrchem uzavřeného konce objímky 20 upraven prostor 21.

Elektroda £4 je, jak je znázorněno v ob]?. 1, umístěna tak, · že přiléhá za vytvoření rozhraní na vnitřní plochu isolační stěny . 12 elektrolyzérů a může mít takovou velikost, že podél této stěny probíhá na značnou vzdálenost. ...

V takovém případě se užije několika elektrodových soustav shora uvedeného typu s jedinou elektrodou £4. a to za účelem snížení odporu v důsledku zkrácení proudové dráhy elektrodou 14 při přívodu eljktrickéht proudu k této elektrodě, je-li to anoda,a popřípadě při odvádění proudu z této elektrody, je-li to katoda. .

. Jak je znázorněno v obr. 1 Ϊ elektricky izolující plášt 22, který omezuje otvor proiáázejíií stěnou elektrolyzérů, obklopuje soustředně tu část objímky £0. která prochází stěnou 12 ·elektrolyzérů, a má vhodný rozměr pro uložení této objímky .20. Mezi oběma kryty, tj. objímkou 20 a.izolačním pláštěm 23. je protáhlá prstencová mezera 24. jejíž velikost . je na vyobbazenn· pro ilustraci přehnána. _v

Těsné dosednutí mezi oběma kryty je v zásadě vyloučeno, jelikož maSeniZl izolačního pláště 23 (s výhodou oxinnirid křemíku·nebo křemen) se nedá snadno opracovat pro vytvoření takového lícování, a objímka 20 má poněkud větší koeficient roztažnos^ než izolační plást 23. Je . dále žádoucí, aby oba kryty seděly na sobě volně za účelem . rozebírání a sestavování.

2Ó2528 , ·’ . 4

Izolační plášť 23 tedy jednak elektricky izoluje vodivou objímku20 a vedení . 16 od normálně uzemněného kovového pláště 13 stěny 12 elektrolyzéru, jednak všaktaké tvoří protáhlou přepážku pro tok pronikavé koroz'ívní tekutiny v podobě prstencové mezery 24.

. V elektrolyzéru, u něhož existuje vysoce korozívní prostředí žde uvažované, mají (eho vysoce pronikavé a korozívní plynné a kapalné složky sklon pronikat elektrodou 14 v· důsledku její průlinčivosti a prosakovat jejím rozhraním se stěnou ·12 elektrolyzéru a přijít do^ styku s vodiči,· které jsou umístěny uvnitř a které přivádějí ,aodvádějí proud.

U uspořádán:! podle obr. 1 by tedy v případě neexistence ochrany vedení . 16 měly takové korozívní složky sklon prosakovat podél rozhraní mezi stěnou 12 a elektrodou 14 a průlinami elektrody 14 do styku s vedením 16. '

Podle vynálezu je veden:! 16 důkladně chráněno proti tomuto prostředí nepropustnou objímkou 20. Taková objímka působí tak, že brání jakékoliv lázni nebo plynu, pronikajícímu elektrodou 14 nebo pronikajícímu mezi elektrodou 14 a stěnou 12 elektrolyzéru, aby dospěl v jakémkooiv znatelném mnoožtvíaž k vedení 1 6. čímž se značně .zvýší jeho životnost.

Například při použžtí objímky 20 podle vynálezu se pronikání korozfvních složek sníží do té míry, že vedení 16 zůstává v zásadě dobrém pracovním stavu po velmi dlouhá časová období, dokonce několik roků. Tímto způsobem bude životnost vedení 16 odpovídat pracovním obdobím mezi normálním zastavováním elektrolyzéru na výrobu hLiníku za účelem údržby, a opravy, ba dokonce bude tato období značně přesahovat.

V důsledku toho lze jakoukooi údržbu, kterou by snad chráněné vedení podle vynálezu vyžadovalo, provádět v té době, když jeho eiektrolyzér je normálně pro shora uvedené účely zastaven.. Shora popsaná sbíhavost grafitové objímky 20 také umožňuje, aby celá elektrodová soustava 10 byla odstraněna a vyměněna před zastavením elektrolyzé^.

Podle dalšího provedení vynálezu lze upravit obal z inertní tekutiny, s výhodou plynu, který nereaguje do větší míry chemicky s materiálem vedení J_6, elektrody 14 a objímky 20, a který je udržován kolem vedení 1 6. korozi, na dostatenném tlaku pro odpuzování přibližující se korozívní tekutiny, čímž se zabírání kontaktu s touto tekutinou.

Toho se podle Vyyniezu dosáhne tím, že se zavádí plynný dusík nebo jiný inertní plyn z odlehle umístěného tlakového zdroje 26 'vnitřním průchodem 23. který prochází.po celé délce vedení 16 až do čelního prostoru 21. Pro podpoření udržení tohoto plynného obalu je vnější povrch vedení 16 opatřen několika malými podélnými kanály JO, které probíhají alespou od konce vedení 16 do sousedství stěny 12 elektrolyzéru.

Plyn umístěný uvnitř kanálů 30 difunduje a proniká rozhraním mezi vnitřním povrchem objímky 20 a vnějším povrchem vedení £6, jelikož i při normálním opracoynání pro těsné dosednutí budou tyto povrchy ještě dostatečně drsné, takže připustí mezi sebe tenkou plynovou vrstvou. \

Jak je podrobn^i vyznačeno v obb.-?, jsou kanály JO provedeny dostatečně malé, aby se zabránilo většímu snížení žádaného vysokého stupně elektrického kontaktu mezi objímkou 20 a vedením 16. Jak shora-uvedeno, budou povrchy vedení 16 a objímky 20 normálně dostatečně drsné, aby mezi ně mohla vniknout plynná tekutina, a tato drsnost nebo dálková koroze může být uměle zvětšena, aby se zvýšilo krycí působeni. Podle jiného provedení může být užito vedení 16 z matetiálu, který je uměle nebo přirozeně průlinčitý.

Udržování plynného obalu na žádaném tlaku postačujícím pro odpuzení jakýchkoliv se přibližujících koroz^ních tekutin vede k vytvoření tlakového gradientu, který zajišťuje jednosměrné proudění obalového plynu směrem od přívodu a navenek průlinami objímky 20a elektrody 14. a to s výhodou s minimální rychlostí, která je dokonce přibližně nulová, tak5 že ze soustavy se ztrácí jen málo obalového plynu nebo žádný. V tomto případě probíhá objímka 20 po celé délce vedení V6 a je opatřena uzavřeným koncem, takže vedení 16 je V ní úplně uzavřeno'.

Avšak IV případě značného proudění obalové tekutiny směrem ven, ke kterému může například dojít při průrazu nebo průlomu v objímce 20 a/nebo v elektrodě 14. bude toto proudění .směřovat od vedení 16 a bude takové, že bude bránit vniknutí korozívní tekutiny do takového otvoru, Čehož důsledkem je ochrana kovu vedení 16 vůči korozívním tekutinám.

Jak je zřejmé, je pouze zapotřebí / aby tlak obalové tekutiny byl větší než tlak existující uvnitř pracujícího eléktrolyzéru. To umožňuje použití levného nízkotlakého přístroje a spojů pro přívod obalové tekutiny do elektrodové soustavy, jakož i dovoluje použít ne nákladné těsnicí soustavy na tom konci objímky 2.0, který prochází stěnou 12 elektrolyzéru.

Popsaný obalový plyn také působí jako indikátor nebo poplašná ^omůck?-·. pro údaj o zhoršujících se podmínkách uvnitř elektrolyzéru a o počínajícím selhání elektrodové soustavy. Jelikož normální proudění inertního obalového plynu bude.minimální, pak každé znatelné zvýšení proudění plynu nebo snížení tlaku z toho vyplývající tvořit snadno zjistitelný údaj, například význačnou změnou v měřiči 31 tlaku nebo v proudoměru 212 (nebo v obou), · připojeném к tekutinové soustavě, jak je znázorněno v obr. 1, přičemž tyto měřicí přístroje trvale ukazují velikost tlaku v soustavě a rychlost proudění obalového plynu.

Pro uložení elektrodové soustavy 10 ve stěně elektrolyzéru a pro vytvoření účinného těsnění mezi kryty 20 a 23 a stěnou 12 elektrolyzéru a mezi objímkou 20 a vedením 1 6, užije se odstranitelné soustředění těsnicí soupravy 32, obr. 1, která současně izoluje objímku 20 a vedení od vodivého pláště 13. Těsnicí souprava 32 sestává zejména z přírubového límce 36 umístěného kolem konce objímky 20 a připevněného ke kovovému plášti 13 vhodnými pomůckami, například obvodově rozloženými čepy, připevněnými svým koncem к vodivému plášti 13 a procházejícími sousední částí límce 36.

Límec 36 je izolován od pláště 13 a od čepů izolačními pouzdry 37, Obklopujícími čepy v límci J6, a izolační podložkou 38 umístěnou mezi límcem a pláštěm, jakož i izolačními objímkami 38a umístěnými mezi límcem 36 a hlavami čepů.

Mezi límcem 36 a mezi přilehlou částí objímky 20 je umístěn izolační ucpávkový materiál 39. například asbestový provazec; ucpávkový materiál je s výhodou také umístěn v mezeře mezi stěnou 12 elektrolyzéru a mezi izolačním pláštěm 23 za účelem utěsnění stěny 12 kolem objímky 20.

U toho konce límce 36. který je odvrácen od pláště 13 a umístěn kolem vedení 16. je izolační vložka 40. která je na svém místě nad ucpávkou 39 držena pevnou deskou 41 upevněnou к límci 36 svorníky procházející deskou 41 do té části límce 36. která přiléhá к objímce 20. Část izolační vložky Д0, která leží mezi vnitrním krajem desky 41 a vedením izoluje účinně toto vedení 16 i límec 36 vůči vedení 16 a současně zajištuje ucpávku .39 na konci objímky 20 a kolem kovového členu.

Takovéto soustředné uspořádání těsnění vhodně utěsňuje stěnu 12 elektrolyzéru proti prosakování kapalin a plynů kolem izolačního pláště 23 a utěsňuje obalovou tekutinu proti unikání z toho konce objímky 20. který je umístěn vně stěny 12 elektrolyzéru. Kromě toho shora uvedené těsnicí uspořádání udržuje izolaci danou izolačním pláštěm 23 na místě mezi vodivým pláštěm J2 elektrolyzéru á objímkou 20 s jejím kovovým vedením 16.

( . '

Ta část vedení 1 6. která prochází stěnou 12 elektrolyzéru. je dále podle výhodného provedení vynálezu opatřena druhým vnitřním kanálem nebo kanály 44 (obr. 1) pro vedení chladicí tekutiny tímto kanálem. Jelikož vedení 16 je vysoce vodivé, bude teplo nacházející se uvnitř jeho přiřazeného elektrolyzéru rychle vedeno ke všem jeho částem včetně částí íe202528 žacích v sousedství těsnicí soupravy 32. Procházení chladicí tekutiny kanály 44 přispívá k tomu, , žé se tato část vedení 16'udržuje na teplotě v podstatě stejnoměrné, takže · jeho roztahování a smršťování je v oblasti těsnění minimáání, nenn-li mu dokonce·úplně zabráněno. '

Tímto způsobem není těsnicí působení těsnění nepříznivě ovlivňováno změnami teploty uvnntř a vně elektrolyzéru. .

Jak bylo shora uvedeno, mohou korozívní tekutiny uvnntř elektrolyzéru snadno pronikat rozhraním mezi elektrodou JL± a stěnou elektrolyzéru, a tak vstupovat do prstencové mezery 24 mezi · izolačním pláětěm 23 a objímkou 20·

Kýby tam nebyly vhodné překážky, dostaly by se korozívní tekutiny až k těsněním umístěiým · kolem · elektrody popřípadě kolem členů elektrodové soustavy v sousedství vodivého pláStě 13 elektrolyzéru, tem by se nashromážddly a částečně ztuhly.

Takový částečně ztuhlý maaeriál lázně a narušená těsnění by vytvořily ·.dráhu pro průchod proudu mezi elektrodou 14 a vodivým plášěěm ,13. čímž by se snížila účinnost elektrody 14 při provozu elektrolyzéru a dokonce by se takové uspořádání moWLo zkratovat.

Shora popsané· chlazení vedení 16 a tím dosažení snížení teploty v obbasii izolačního pláště 23 přispívá·k tomu, aby se vyvolalo selektivně·umístěné ztuhnutí maaeriálu lázně, který je převeditelný do pevného stavu a proniká do prstencové mezery 24 dříve, než se dostane do místa pláště 13 elektrolyzéru a těsnicí soupravy · 32. Mttřiál uvedený do pevného stavu pak slouží jako bariéra, která snižuje na minimální míru další pronikání lázně á udržuje vysoký stupeň elektrické izolace mmzi objímkou J20 a vedeném £6 oprot^ vodivému plášti £J.

I když vynález byl shora popsán pro ·proveSení · s jedinou vrstvou nebo obalem inertní plynné tekutiny kolem vedení £6, · bylo by'lze užít.dvou nebo více prekticky nepropustných a soustředně umístěných objímek 20, · uspořádaných kolem· vedení. £6. . .

Ze shora uvedeného bude pro óddorníky zřejmá, že vynálezem byla udána nová a''užitečná konstrukce elektrodové soustavy, u které· je obal · chemicky inertní plynné tekutiny hospodárným způsobem umístěn kolem kovu · nebo' · jiného · nízkooSporovéhl vysoce vodivého· míttгiálu, tvořícího vedení zasahující do elektrody Udítěné v konzívním prostředí, u něhož kov vyvolává nízký úbytek' napptí, který ·· je dosažitelný u takových spojů·z ní2klodporováho kovu.

Elektrodová soustava podle vynálezu ·se zvlášť, užitečnou ·při elektrolytické redukci hliníku z chloridu hliniéého’ rozpuštěného v lázni roztavených halogeni-dů a i když vynález sám o sobě ještě takovu redukci neUskutečňuje v míře průmyslově maximálně výhodné, přece představuje · řešení jednoho z dlouhodobých problémů, které dosud bránily pokroku v této oblasti, a tak· přispívá k tomu, aby tento redukční postup se* stál' technickou skutečností. ... . ,·, ' · ,

Zařízení podle vynálezu je však neobyčejně · užitečné v nejrůznějších elektrolýzách a konstrukcích i · jiného typu, než jaký · se užívá pro redukci hliníku z chloridu hlinitého, jako například v elektricky zapojených grafitových odporových zahřívacích · tělesech umíítěných uvnitř·pecní komory při výrobě chloridu hlinitého z plynného chloru, hliníkatého materiálu a uhlí.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Elektrodová soustav© pro vedení elektrického proudu do komory nebo z komory s tepelné izolující stěnou obklopující korozívní prostředí o vysoké teplotě, určená zejména к použití v elektrolytických článcích na výrobu kovů, zejména hliníku, a opatřená elektrodou umístěnou v komoře a vedením s nízkým elektrickým odporem, jehož jeden konec je umístěn v komoře a je v elektrickém kontaktu s elektrodou, a jehož druhý konec je vně komory, přičemž elektrický kontakt mezi, elektrodou a vedením je proveden elektricky vodivým, vůči teplu a korozi pdolným členem, umístěným v uvedené stěně, vyznačující se tím* že p. ektricky vodivý člen je vytvořen jako objímka (20), mající uzavřený konec a umístěná uvnitř vývrťu, (18) elektrody (14), a v objímce 420) je umístěno vedení (16).
2. 2. Elektrodová soustava podle bodu 1, vyznačující se tím, že vedením (16) prochází

   I vnitřní průchod (28) к prostoru (21) spojujícímu podélně probíhající kanály (30) na povrchu vedení (16).
3. 3. Elektrodová soustava podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že vedení (161 je opatřeno nejméně jedním kanálem (44) pro chladicí tekutinu.
4. 4. Elektrodová soustava podle kteréhokoliv ž předcházejících bodů, vyznačující se tím, že vnější průměr alespoň Části objímky (20), které zasahuje do elektrody (14), je po délce opatřen úkosem, jehož rozměr se zmenšuje směrem do elektrody (14).