EA014744B1 - Электролизер для получения алюминия и способ управления электролизером - Google Patents

Abstract

Электролизер и способ управления электролизером, содержащим горизонтальный катод (4) из электропроводного материала и заделанные в катод в качестве токоотводов горизонтальные катодные стержни. Электролизер также содержит ошиновку. Когда указанный катод содержит по меньшей мере один вертикальный токоотвод (6), распространение электрического тока становится более равномерным, что улучшает работу электролизера.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию электролизера и способу его работы. В частности, изобретение относится к распределению электрического тока в электролизере Холла-Эру для производства алюминия.

С целью лучшего понимания изобретения следует прежде всего напомнить, что промышленное производство алюминия происходит путем электролиза в последовательно соединенных электрически ваннах с раствором гликозема в расплавленном криолите, доведенном до температуры приблизительно 940-980°С за счет теплового действия тока, пропускаемого через ванну.

Каждая ванна состоит из изолированного стального контейнера в форме параллелепипеда, служащего основанием для катода, содержащего подвергнутые предварительной термообработке углеродистые блоки, в которые заделаны несколько стальных стержней, известных как блюмсы - катодные стержни, через которые ток выводится из электролизера, обычно приблизительно по 50% с каждой большой стороны электролизера. Катодные стержни подсоединяются к ошиновке, которая служит для отвода тока от катодов к анодам следующего электролизера. Система анодов, состоящих из углерода, стали и алюминия, закреплена на так называемой анодной раме с анодными стержнями, регулируемыми по высоте и электрически связанными с катодными стержнями предыдущего электролизера.

Электролит, которым является раствор гликозема в смеси расплавленного криолита при температуре 940-980°С, находится между системой анодов и катодом. Получаемый алюминий выделяется на поверхности катода. Слой жидкого алюминия постоянно находится на дне катодной подины. Так как подина является прямоугольной, анодная рама, держащая аноды, обычно параллельна ее большим сторонам, в то время как катодные стержни параллельны ее меньшим сторонам, известным как головки электролизера.

Основное магнитное поле в электролизере создается за счет протекания тока в анодной и катодной системе. Все другие токи будут создавать помехи для образования этого основного поля.

Электролизеры размещаются рядами и могут устанавливаться поперек в положении бок о бок, и тогда их короткая сторона параллельна оси серии электролизеров. И, наоборот, при установке электролизеров в продольном направлении один за другим их длинная сторона параллельна оси серии электролизеров. Обычно для одной серии электролизеров используется двухрядное продольное размещение. Ток имеет противоположные направления в этих двух рядах. Электролизеры соединяются последовательно, причем концы последовательного соединения подсоединены к положительному и отрицательному выходам электрического выпрямителя и подстанции управления. Электрический ток, проходящий через различные проводящие элементы: анод, электролит, жидкий металл, катод и соединительные проводники, создает сильные магнитные поля. Эти поля вместе с электрическим током в жидком электролите и металле формируют основу магнитогидродинамического (МГ Д) процесса в электролите и жидком металле, содержащемся в плавильной подине. Так называемые силы Лапласа, которые создают течение электролита и металла, также нарушают устойчивую работу (стабильность) электролизера. Кроме того, конструкция электролизера и конфигурация его шины влияет на то, как распределяется проходящий в электролизере электрический ток. Должно быть понятно, что изобретение может быть реализовано как для электролизеров с поперечным расположением, так и для электролизеров с продольным расположением.

Обычно на распространение тока в анодной системе основное влияние оказывает расположение анодов в электролизере, а также конфигурация стойки анодного кронштейна и их сопряжение с отдельным анодом.

Что касается катодной системы, то обычно ее конструкция такова, что шины вмонтированы в отдельные катодные блоки горизонтально. Это технологическое решение обеспечивает высокую надежность в отношении проблем утечек расплавленного металла или раствора через катодную систему. Кроме того, шины защищены с помощью материала вокруг катода (материал на основе углерода), который обладает повышенной стойкостью к высоким температурам и коррозии. Обычно шины собирают ток на наружной стороне корпуса катода. Одним из недостатков известных решений является то, что распределение тока в катодной системе является более интенсивным на периферии катодных блоков, чем гделибо в другом месте. Кроме того, технологический процесс на основе однородной заделки катодных стержней в канавки на нижней части катодных блоков, приводит к такому результату, что распределение тока в катодном стержне внутрь, к другому концу катодного блока, будет уменьшаться пропорционально расстоянию от сборной шины. Таким образом, распределение тока должно быть предпочтительно заранее заданным и на соответствующих участках катодной системы, для получения равномерного распределения тока.

Постановка задачи

Вопрос о конфигурации распределения катодного тока и конструкции соответствующей ошиновки для электролизеров для получения алюминия представляет один из наиболее важных вопросов для создания конкурентоспособного и простого способа получения алюминия.

Разработчик должен обладать некоторой степенью свободы в процессе создания оптимальной катодной системы, используя свои профессиональные знания для выбора конфигурации (топологии), кото

- 1 014744 рая сможет обеспечить оптимальное распределение тока.

Установлено, что если ток снимается с катодной системы в предварительно заданных точках или участках, полученных с помощью расчетов и моделирования, то появляется возможность улучшить распределение тока в катодной системе. Однако для этого потребуется, чтобы катодная система, по меньшей мере, частично выступала снизу вверх и предпочтительно соединялась с горизонтальными шинами посредством токоподводящих элементов или штекеров. На сегодняшний день нет какого-либо доказавшего свою пригодность технического решения для реализации такой концепции с вертикальными токовыводами в основании катода.

Уровень техники

Из Европейского патента ЕР 0345959А1 известно о распространении тока, полученного из электролизера с помощью двух катодных стальных стержней и через дно электролизера с помощью проводников и гибких проводников, и токовым сборным шинам.

В ΝΟ-Β-165203 на фиг. 1 раскрыт электролизер с катодным токоотводом и на его сторонах, и на дне.

В патенте И8 3470083, поданном в октябре 1964 г., описана катодная подина электролизера с вертикально установленными токопроводящими проводниками. Цилиндрические ниппели вставлены в вертикальные каналы катода и заделаны с помощью отлитого материала. Предложенный материал может состоять или из углеродсодержащей массы, или может быть отвержденным отлитым металлом, таким как железо. Посредством представленного в этом патенте технического решения сделана попытка решить проблемы, относящиеся к обычным шинам, среди которых проблемы, вызванные разным тепловым расширением углеродного материала и железных брусков (шин), что вызывает существенные механические напряжения, которые приводят к образованию поперечных трещин в углеродных блоках. В связи с этим данное техническое решение основывается на замене горизонтальных шин на множество ниппелей относительно небольшого диаметра. В то время, когда была подана вышеуказанная заявка на патент, электролизер, требующий ток величиной 100000 ампер, считался большим. В настоящее время большим считается электролизер, если требуется сила тока, приблизительно в 2,5 раза превышающая указанную величину. Поэтому в связи с относительно малым участком для ниппелей будет недопустимо высокая плотность тока между каждым отдельным ниппелем и катодом, даже если применяется значительное количество ниппелей. Кроме того, эта публикация не определяет, как располагать ниппели оптимальным способом для получения равномерного распределения тока, приводится только один пример соответствующей симметричной конфигурации с применением 132 ниппелей, как показано на фиг. 4-6. Более того, из-за термических индуцируемых сил и растяжения/сжатия конструкция с использованием вертикально расположенных ниппелей согласно техническому решению данной публикации будет испытывать повышенное сопротивление вследствие вышеупомянутого ограниченного участка токопереноса и соответственно высокой локальной плотности тока. Вертикально расположенные каналы в углеродистых блоках являются слабыми местами, где может произойти образование трещин, а увеличение количества ниппелей, чтобы удовлетворять требованиям по току, предъявляемым к современным большим электролизерам, будет даже усугублять эту ситуацию.

Настоящее изобретение дает возможность устранить вышеупомянутые недостатки. Настоящее изобретение предлагает применение вертикальных токопроводов оптимизированной конструкции. Кроме того, токопроводы (токоотводы) предпочтительно электрически соединяются с горизонтальными элементами катодного стержня, которые могут проходить частично или полностью через катодный блок. Во втором случае наиболее удаленный конец (концы) может быть соединен с ошиновкой электролизера. Предпочтительная, суживающаяся к концу (клинообразной или конусообразной формы) конструкция токопроводов оказалась оптимальной в отношении расширения и изгиба элементов катодного стержня, выполненного обычно из токопроводящего металла. Угол сужения токоотвода выбирается из соображений механической прочности, падения напряжения и тепловых потерь и является предпочтительным в диапазоне 5-15° относительно вертикальной плоскости.

Предпочтительное распределение катодного тока будет зависеть от характеристики ошиновки. Она может существенно различаться: в одном случае при модернизации существующих ошиновок, в другом случае для конструкции новой ошиновки. Следовательно, предпочтительное количество тока, отводимого вертикальными токоотводами, может находиться в пределах диапазона 20-100%, где 100% представляет конструкция, имеющая только вертикальные токоотводы.

Количество токопроводов может быть относительно небольшим, например, в таком варианте реализации изобретения, где применяется обычно используемое число горизонтальных катодных стержней. В соответствии с настоящим изобретением магнитогидродинамические эффекты в электролизере можно уменьшить, а также имеется возможность упростить конструкцию шины указанного электролизера за счет уменьшения ее веса. Вследствие этого капитальные затраты могут быть сокращены.

В соответствии с настоящим изобретением, как определено формулой изобретения, может быть получена оптимизированная система распространения катодного тока, с помощью которой устраняются основные недостатки известных конструкций. Кроме того, формула изобретения определяет способ работы электролизера с усовершенствованным распространением катодного тока.

- 2 014744

Далее настоящее изобретение описано с помощью примеров и чертежей, где фиг. 1 показывает конструкцию катодного стержня электролизера с токоотводом в ее нижней части; фиг. 2 - детали, относящиеся к вертикальным токоотводам катодного стержня, фиг. 3а-3е - различные конфигурации конструкции катодного стержня.

Цель изобретения - получение низкого падения напряжения на катоде и равномерного или одинакового распределения тока на поверхности катодного блока. Соответствующая конструкция катодного стержня также дает возможность упростить систему катодных стержней (уменьшение веса и соответственно стоимости) по сравнению с традиционной конструкцией катодного стержня. Важным фактором успеха являются детали вблизи вертикальных токоотводов. Тогда вертикальные катодные стержни должны также иметь возможность выдвигаться вверх, иначе вертикальные выводы будут оторваны от горизонтальных катодных стержней.

На фиг. 1 показана конструкция катодного стержня электролизера 1 с анодными устройствами 2, 3 и катодным блоком 4. На фигуре изображены токоотводы в нижней части ванны. В этом представленном варианте реализации изобретения ванна может иметь и горизонтальные 5, 5', и вертикальные 6, 6' токоотводы.

На фиг. 2 представлены детали, относящиеся к вертикальным токоотводам катодного стержня. Как показано, токоотвод имеет один вертикальный отвод 25, соединенный с ошиновкой электролизера (не показанной). Вертикальный отвод 25 соединен с одной горизонтальной частью 23 катодного стержня, которая заделана в один катодный блок 4. Вертикальные и горизонтальные части могут составлять одно целое, например, посредством литья или могут быть выполнены из двух отдельных частей, соединенных при помощи сварки или аналогичными способами соединения, которые обеспечивают хорошую электрическую проводимость. Эти части могут выполняться из стали или любого другого соответствующего материала.

Как показано на фигуре, вертикальный токоотвод проходит внутри нижней части катодной конструкции. Катодная конструкция содержит (сверху) один катодный блок 4, два или более слоев кирпичей 20-21, имеющих соответствующие температурные и химические свойства, и чашеобразный кожух 22, обычно изготовленный из стальных пластин. Нижняя часть кожуха может находиться в области токоотвода (не показан). Вертикальный токоотвод проходит через различные слои через одно отверстие или канал. Снаружи вертикальный вывод, который может иметь суживающуюся к концу форму, выполнен с защитным слоем из углеродистого материала 27 с хорошей устойчивостью к воздействию электролита и реагентов электролита. Пространство между защищенным вертикальным выводом и катодной структурой заполнено литьевым материалом 26, устойчивым к химическому воздействию электролита и продуктов электролитической реакции.

Одна важная особенность, относящаяся к конструкции вертикального токоотвода, заключается в том, что токоотвод закрыт снаружи углеродистым слоем 27, который способствует вертикальному перемещению токоотвода внутри отверстия или канала, заполненного литьевым материалом.

На фиг. 3а-3е представлены различные конструкции катодных стержней.

На фиг. 3а схематически изображен катодный блок 4. Показаны три катодных стержня 30, 31 и 32, заделанные в катодный блок 4. Имеются два горизонтальных вывода 30', 31' и один вертикальный вывод 33.

На фиг. 3Ь показаны два катодных стержня 35, 36, заделанных в катодный блок 4. Катодный стержень имеет горизонтальные выводы 35' и 36'. К тому же катодный стержень 36 имеет один вертикальный вывод 37.

На фиг. 3с показаны четыре катодных стержня 40, 41, 43 и 45, заделанных в углеродный блок 4. Катодные стержни 45 и 40 имеют один горизонтальный вывод 45' и 40', соответственно. Катодные стержни 41 и 43 имеют вертикальные выводы 42 и 44 соответственно.

На фиг. 36 показан только один катодный стержень 50, заделанный в один углеродный блок 4. Катодный стержень имеет только один вывод 50' и один вертикальный вывод 51.

На фиг. 3е показана конструкция катодного стержня, где катодный стержень 60 заделан в катодный блок 4. Катодный стержень 60 имеет два горизонтальных вывода 61', 61 и расположенный по центру вертикальный вывод 62.

Понятно, что благодаря настоящему изобретению могут быть получены другие комбинации и варианты расположения горизонтальных и вертикальных выводов катодных стержней.

Используя вышеуказанные варианты расположения, можно установить катодные стержни полностью или частично в каждом отдельном катодном блоке способом, при котором сочетаются вертикальные и горизонтальные токоотводы выгодным образом с целью достижения равномерного распределения тока в катодной конструкции электролизера.

Количество тока, пропускаемого через каждый конкретный вывод, можно предварительно рассчитать и оптимизировать при помощи программного обеспечения САПР и экспериментальных исследований.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ управления электролизером, заключающийся в том, что электрический ток подают в электролизер через анодное устройство, расположенное в верхней части электролизера, через электропроводный электролит и далее через, по существу, горизонтальный катод (4), отличающийся тем, что электрический ток выводят из электролизера с помощью по меньшей мере одного, по существу, вертикально расположенного токоотвода (25), который имеет сужающийся к низу участок, при этом электрический ток собирают в катоде с помощью одной внутренней, горизонтально вытянутой части (23) указанного токоотвода (25), причем указанная горизонтально вытянутая часть (23) заделана в катод.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что катод содержит по меньшей мере один заделанный в него катодный стержень, а ток отводят с катода с помощью по меньшей мере одного горизонтального конца указанного катодного стержня, причем количество тока, отводимого с катода через по меньшей мере один вертикальный отвод, представляет собой заранее рассчитанную долю тока, отводимого через горизонтальный конец катодного стержня.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество тока, отводимого с вертикального вывода, находится в диапазоне 20-100% общего тока, где 100% соответствует конструкции только с вертикальными выводами.
4. 4. Электролизер, содержащий, по существу, горизонтальную катодную конструкцию из электропроводного материала и объединенные токопроводы, такие как заделанные в нее горизонтальные катодные стержни, причем электролизер также содержит ошиновку, отличающийся тем, что указанная катодная конструкция содержит по меньшей мере один, по существу, вертикальный токоотвод (25), соединенный с ошиновкой, причем указанный токоотвод имеет сужающийся к низу участок, при этом токоотвод имеет по меньшей мере одну горизонтальную токопроводящую часть (23), заделанную в материал (4) катода и находящуюся в электрическом контакте с материалом (4) катода.
5. 5. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна горизонтальная токопроводящая часть заделана в предварительно подготовленный паз в материале катода посредством пасты или т.п.
6. 6. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна горизонтальная токопроводящая часть выступает наружу из материала катода и электрически соединена с ошиновкой.
7. 7. Электролизер по п.6, отличающийся тем, что горизонтальная токопроводящая часть выступает наружу из материала катода в виде двух концов, причем оба конца электрически соединены с ошиновкой.
8. 8. Электролизер по п.6 или 7, отличающийся тем, что горизонтальная токопроводящая часть выступает наружу из материала катода на минимальное расстояние, что облегчает извлечение катода и его замену в кожухе катода.
9. 9. Электролизер по п.8, отличающийся тем, что горизонтальная токопроводящая часть соединена с ошиновкой с помощью гибких электрических соединений.
10. 10. Электролизер по п.8, отличающийся тем, что соединение между ошиновкой и горизонтальной токопроводящей частью находится внутри кожуха катода.
11. 11. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один вертикальный токоотвод, по меньшей мере, частично охвачен углеродсодержащим слоем.
12. 12. Электролизер по п.4 или 11, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один вертикальный токоотвод, по меньшей мере, частично заделан в литьевой материал, имеющий высокую устойчивость к химическим воздействиям.
13. 13. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что сужающийся участок имеет конусообразную форму предпочтительно с углом в диапазоне 5-10° относительно вертикальной плоскости.
14. 14. Электролизер по п.4, отличающийся тем, что суживающийся участок имеет клинообразную форму.