EA018760B1 - Электрод и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Электрод (3, 20) для применения в процессе электролиза для производства алюминия содержит тело из кальцинированного углеродсодержащего материала, соединенное с электрическим токопроводом (1, 21). Токопровод заделан в выемку в углеродсодержащем теле электрода. Выемка шире, чем токопровод, и заполняется электропроводным материалом. Электропроводный материал содержит проводящие частицы (4, 4'). Способ относится к изготовлению такого электрода и к восстановлению электропроводного материала после того, как электрод изнашивается.

Description

Изобретение относится к электроду и способу его изготовления. В частности, изобретение относится к предварительно обожженным электродам для электролитического производства алюминия и может применяться как в качестве анода (полож'ительный электрод), так и в качестве катода (отрицательный электрод).

Обычно предварительно обожженные аноды скрепляют с ниппелями, формирующими часть анодного подвеса. Анод имеет заранее сформированные углубления, которые позволяют ниппелям войти в них. Фиксация между ниппелем и анодом осуществляется за счет заливки расплавленного чугуна в кольцевое пространство между каждым отдельным ниппелем и соответствующим углублением в аноде.

Подобным образом для фиксации блюмсов в катодных блоках в этих блоках выполняются прорези, которые позволяют вводить в них блюмсы. Пространство между стенками каналов и блюмсом заполняется расплавленным чугуном.

Применение расплавленного чугуна имеет некоторые последствия в отношении огнеупорных смесей, например, печей, которые плавят чугун, и соответствующей системы распределения и заливки. Кроме того, перед заливкой чугуна в прорези в катоде электрод и блюмсы должны быть предварительно нагреты из-за большой температурной разницы между расплавленным металлом и электродом (комнатная температура). Что касается анода, то ниппели в некоторых технологических процессах предварительно нагреваются. Другие технические решения заключают в себе заделку блюмсов в контактную массу, что приводит к образованию паров или газов в процессе предварительного нагревания или нагревания катода.

Обожженный анод обычно изнашивается после приблизительно 30 дней в электролизере вследствие расхода углеродного материала, из которого он состоит. Затем он должен быть заменен. Изношенный анод (остатки) передается в установку, где ниппели подвеса очищаются путем удаления остаточного материала анода вместе с остатками чугуна. Обычно это производится с помощью механических охлаждающих приспособлений.

Операции по сборке нового анода и удалению остатков изношенного анода являются трудоемкими и дорогостоящими. Это относится и к более долговечным катодным блокам, в которых блюмсы и углеродный материал должны быть разделены перед употреблением или перед повторным использованием.

Документ И8 4574019 относится к процессу прикрепления анодных блоков к средствам подвески анодов с помощью использования связующей массы. Эта масса должна быть механически прочной и иметь хорошую электропроводимость, по меньшей мере, при температурах между 900 и 1000°С. Связующая масса может быть смесью твердых частиц, связующего вещества и отвердителя. Твердые вещества могут быть представлены в виде металлического порошка, например, железного, медного или алюминиевого. Размер металлических частиц должен быть не более 1 мм. Подобный тип контактной массы описан в документе ЕР 0027534.

В соответствии с настоящим изобретением применяются электропроводные частицы в качестве заполняющего материала между электрическим токопроводом и кальцинированным углеродосодержащим материалом в электроде. Использование электропроводных частиц без связующего материала упрощает повторное использование электропроводных частиц. Кроме того, замечено, что электрическое сопротивление в катоде, где применяется изобретение, оказывается улучшенным по отношению к обычно применяемой контактной массе. Подобные улучшенные результаты при измерении получены для анода в соответствии с изобретением.

Эти и другие преимущества обеспечиваются благодаря изобретению, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Настоящее изобретение будет описано далее с помощью примеров и чертежей, где:

фиг. 1 представляет разрез ниппеля, вставленного в отверстие в аноде с помощью первого средства закрепления;

фиг. 2 представляет разрез ниппеля, вставленного в отверстие в аноде с помощью второго средства закрепления;

фиг. 3 представляет в разрезе кронштейн, подготовленный для заделки в отверстие в аноде, с помощью третьего средства закрепления;

фиг. 4а представляет катодный элемент в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 4Ь представляет катодный элемент, изображенный на фиг. 4а, схему измерения тока и напряжения;

фиг. 5 представляет диаграмму периодически измеряемого сопротивления (мкОм) между блюмсом и углеродным материалом в катоде;

фиг. 6а-Ь представляет анод с помощью четвертого средства закрепления, подготовленный к сборке;

фиг. 7а-Ь представляет анод, изображенный на фиг. 6а-Ь, в промежуточном положении при закреплении;

фиг. 8 представляет анод, изображенный на фиг. 6а-Ь, в конечном положении при закреплении;

фиг. 9 представляет вид сбоку второго варианта реализации катодного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

- 1 018760 фиг. 10 представляет падение напряжения в обычном соединении с заливкой чугуном и в соединении, как показано на фиг. 8.

Как показано на фиг. 1, представлено сечение ниппеля 1, заделанного в отверстие 2 в аноде 3. Выемка шире, чем соответствующие размеры ниппеля, и кольцевое пространство между ниппелем и выемкой заполняется электропроводными твердыми частицами 4, которыми являются в этом варианте реализации изобретения стальные шарики. Штырь 5 проникает в ниппель через отверстие 6 и далее входит в отверстие 7 в аноде 3 для механического скрепления частей друг с другом. В качестве варианта штырь может быть заменен болтом с резьбой для более прочного соединения по сравнению со штырем и отверстием. Болт имеет головку для более легкой сборки/извлечения (не показано).

На фиг. 2 показано сечение ниппеля 1', заделанного в отверстие 2' в аноде 3', с использованием второго способа закрепления. Отверстие имеет коническую секцию 8', которая отклоняется книзу. Пространство между ниппелем и отверстием заполняется электропроводными частицами 4', которыми в этом варианте реализации являются стальные шарики. На уровне неполного заполнения некоторая часть стальных шариков приваривается к ниппелю с помощью соответствующего сварочного оборудования 9' так, чтобы ниппель закрепить в отверстии.

На фиг. 3 показано сечение кронштейна 111, соединенного со штангой 113. Как кронштейн, так и штанга имеют прорезь 112, которая позволяет удерживать ниппели 101 и 102 на расстоянии от ниппелей 103 и 104. Когда кронштейн раздвинут, он может быть вставлен на место в аноде 130. Когда усилие снимается, выступы (122, 123) на ниппелях 102 и 103 могут входить в заранее выполненные выемки (132, 133) в полостях в аноде 130.

На фиг. 4а изображен катодный элемент 20 в соответствии с настоящим изобретением, где катодный элемент временно лежит на двух опорах (28, 29). Элемент имеет два продольных паза 23, 24, куда вставляются блюмсы 21, 22. Пространство между каждым блюмсом и соответствующим пазом заполняется электропроводными частицами (не показаны). Крышки 25, 26 герметично заполняют пространство на конце элемента, и подобные крышки используются также на нижней части и на другом конце катодного элемента (не показано). Временная система установки удерживает отдельные элементы на месте до окончательной сборки в электролизере.

На фиг. 4Ь изображено, как выполнялись при испытаниях измерения напряжения и тока. Сопротивление вычисляется путем деления измеренного напряжения на измеренный ток.

На фиг. 5 показано измеренное сопротивление между одним блюмсом и кальцинированным углеродным материалом в катодном блоке, когда указанный блюмс заделан в него. При испытаниях выполнялись параллельно два измерения в соответствии с особенностями настоящего изобретения.

Как видно из графика, сопротивление, измеренное на блюмсе, заделанном в соответствии с особенностями настоящего изобретения, представлено двумя самыми нижними линиями (301, 302).

При измерении сопротивление от верхней поверхности блока до конца стального блюмса составляет для четырех видов стали от 50 до 60 мкОм, что находится в пределах точности измерительного оборудования. Эти испытания длятся приблизительно 8 месяцев, и из графика видно, что сопротивление является довольно стабильным. Линии сверху относятся к стандартным катодам в таком же алюминиевом электролизере с контактной массой в качестве связующего материала.

На фиг. 6а изображена часть кронштейна 211 (его подвес здесь не показан), снабженного набором средств 222, 223 крепления, который соответствует выемке 234 в анодном блоке. На фиг. 6Ь, которая представляет вид сбоку изображения на фиг. 6а, показано средство 222 закрепления, аналогично которому имеется средство закрепления 222' с противоположной стороны. То же самое применимо к средству 223 закрепления, но это здесь не показано. Как видно из фиг. 6Ь, часть кронштейна имеет возможность входить в выемку 234, в то время как средства 222, 223 закрепления располагаются так, чтобы происходило их сочленение с выемками 235, 235' соответственно.

На фиг. 7а видно, что кронштейн 211 вошел в 234, и средства закрепления 222, 223 вошли сверху в открытые выемки 232, 233 соответственно. Фиг. 7Ь изображает средство 222 закрепления и противоположное ему средство 222' закрепления в положении внутри выемок 235, 235' соответственно в аноде 230.

На фиг. 8 кронштейн 211 передвигался вбок по отношению к аноду 230, а средства закрепления 222, 223 передвигались по той части выемки 235, которая сверху закрыта по отношению к средствам закрепления 222, 223. Этот способ закрепления может быть назван скользящим.

Пространство между кронштейном 211 и незанятой частью выемки 234 затем заполняется электропроводными частицами, такими как стальные дробинки.

Следует понимать, что выемки 234, 235, 235' могут быть в виде ласточкиного хвоста, т.е. иметь непрямоугольную форму.

Средства 222, 223 в вышеописанном примере состоят из цилиндрических штырей, которые входят в отверстие через часть кронштейна 211. Эти штыри могут быть укреплены посредством запрессовки и размещены так, чтобы была возможность легко производить их удаление и замену.

В качестве варианта форма средств закрепления может быть выровненной, т.е. иметь более вытянутую, плоскую поверхность напротив выемки в аноде.

Форма основной части выемки может придаваться, пока анод находится в сыром состоянии, т.е. до

- 2 018760 того, как его подвергнут кальцинированию. Затем выемка проверяется с помощью вращающегося обрабатывающего инструмента, или имеющего форму, стыкующуюся с окончательной формой выемки, или имеющего размер меньше, чем размер окончательной формы выемки. Инструмент может быть приспособлен к применению в станке ЧПУ типа СИС, при этом обработка (технологический процесс) будет выполняться автоматически. При механической обработке, по меньшей мере, образуется одна из верхних выемок 232, 233, и затем инструмент передвигается вдоль внутри электрода для образования выемки 234. Также выемка может быть сделана более простым способом, как изложено выше, даже когда отсутствует предварительное формирование выемки в электроде в сыром состоянии.

На фиг. 10 изображены две линии, которые представляют падение напряжения в зависимости от времени, в обычно применяемом кронштейне (с ниппелями), соединение с анодом чугунной заливкой, и для данного соединения скользящего кронштейна, со стальными дробинками, как показано на фиг. 8. В обоих случаях измерения произведены на кронштейне/месте присоединения на 10 см выше анодного блока и на поверхности анодного блока на расстоянии 10 см в направлении, перпендикулярном по отношению к кронштейну/месту соединения.

Из фиг. 10 видно, что после некоторого периода времени, например приблизительно 200 ч, измеренное падение напряжения в варианте изобретения, как показано на фиг. 8, было в диапазоне 60-80 мВ. Падение напряжения в обычно применяемом соединении место соединения/анод при измерении находилось в диапазоне 100-110 мВ.

На фиг. 9 изображен вид сбоку катода 20', имеющий выемки или пазы 23' в нижней части (здесь описан только один из семи). Так же как в варианте, показанном на фиг. 4а-Ь, коллекторные элементы 21' вставляются в пазы, в которых оставшееся пространство заполняется электропроводными частицами. Коллекторные элементы 21' в этом варианте крепятся к коллекторной пластине 30', которая собирает ток и обеспечивает стабильность.

В другом варианте коллекторные элементы 21' частично или полностью исключаются, и пазы 23' заполнены токопроводящими частицами, которые создают электрическое соединение с коллекторной пластиной 30'.

Предпочтительно катод 20' и коллекторная пластина 30' наклонены при заполнении частицами для того, чтобы дать возможность частицам ровно заполнить выемку.

Выемки или пазы 23' могут быть сделаны тем же способом, который указан выше. В кальцинированном состоянии выемки могут быть сделаны с помощью технологического оборудования, содержащего один или более вращающихся режущих дисков, вводимых в катод, и затем инициируя взаимное перемещение между катодом и технологическим оборудованием.

Следует иметь в виду, что электропроводные твердые тела или частицы могут быть выполнены из любого подходящего металла, такого как сталь, железо, медь, алюминий и т.д. или их сплавов. Кроме того, форма твердых частиц может быть сферической, овальной или эллиптической, хлопьевидной или иметь любую подходящую форму. Размер и распределение частиц может варьироваться. Максимальный размер вообще будет ограничиваться пространством, подлежащим заполнению. Неравномерное распределение частиц по размерам может быть подходящим для получения по возможности компактного заполнения с малыми промежутками между частицами.

Наряду с хорошими электропроводными свойствами, применяемый материал должен иметь хорошие механические свойства (дробление) и иметь возможность выдерживать высокие температуры. Как упомянуто ниже, могут быть предпочтительны магнитные свойства.

Далее, размер указанных твердых частиц может составлять от 0,1 мм и быть близким к минимальному зазору между ниппелем и стенкой отверстия/паза в аноде. Обычно размер доходит до 10 мм. Частицы с такими же размерами могут применяться в катодном элементе, где размер определяется зазором между блюмсом и стенкой прорези.

Электропроводные частицы помещаются в контейнере или в соответствующей емкости на более высоком уровне, чем выемка в электроде, подлежащая заполнению. Трубка, укрепленная на контейнере, с клапаном и соответствующим отверстием по направлению к прорези может регулировать необходимое количество частиц в прорезь. Таким образом, передвижение и распределение может выполняться за счет подачи под действием силы тяжести. При заполнении можно применять вибрацию для получения более компактного заполнения. Электрод и/или кронштейн/блюмс может подвергаться вибрации. В качестве варианта может использоваться вибрационный ниппель в выемке, заполненной электропроводными частицами, для создания вибрации непосредственно в материале наполнителя.

Испытания, проведенные с анодами, имеющими стальной песок (малые частицы железа) в качестве заполняющего материала, показывают, что после приблизительно 12 ч работы частицы становятся несколько вязкими и склеенными друг с другом. В то же время представляется, что агломерация частиц имеет определенную механическую прочность. По отношению к подвесным анодам этот эффект успешно помогает механическому креплению кронштейна к аноду. Упомянутый эффект полностью не выяснен, но температуры и возможное расширение данной части анодного кронштейна в выемке и наполнителя может создавать процесс, аналогичный процессу спекания.

Кроме того, обычно применяемая закрепляющая масса или другое защитное средство может быть

- 3 018760 использовано для создания защитного слоя на верхней части электропроводных частиц. То же самое применяется для катодов.

Изношенные аноды обычно транспортируются на установку очистки, где их остатки извлекаются из кронштейна (после удаления защитного покрытия). Предпочтительно, чтобы остатки раскалывались способом, при котором они в основном резко падали, на два куска, по линии их крепления. В другом случае они могут быть раздроблены или сбиты с подвесного устройства. Обычно остатки устанавливаются на конвейер.

В случаях, когда применяются в качестве наполнителя частицы с магнитной проводимостью, то предпочтительно, чтобы анодный кронштейн был намагничен соответствующим способом, на основании чего частицы будут притягиваться к кронштейну во время удаления остатков.

После удаления остатков предпочтительно кронштейн передвигают к другой части установки очистки с целью восстановления наполнителя. Затем кронштейн может быть размагничен, чтобы дать возможность частицам удаляться. Какие-либо оставшиеся частицы на ранее заделанной части кронштейна могут быть удалены простыми механическими способами, такими как соскабливание, так как частицы удаляются легко.

Как окончательный этап ранее заделанная часть кронштейна может быть подвергнута струйной обработке (как с помощью песчаной струи) предпочтительно посредством частиц подобного типа или сходным с имеющимся в наличии заполняющим материалом, таким как железо, сталь или любой другой электропроводный материал. Кроме того, эта струйная очистка может производиться с помощью песка, глинозема и любым другим соответствующим материалом.

Обычно остатки транспортируются на предприятия по получению электродной массы или подобное. Перед тем, как они покинут установку очистки, или близко к этому, было бы полезно отделить оставшийся заполняющий материал от остатков. В случае применения магнитного заполняющего материала он отделяется от остатков в установке магнитного разделения. Например, остатки могут транспортироваться на конвейер близко к одному или более намагниченным элементам, которые притягивают магнитные частицы из остатков. Предпочтительно, чтобы остатки тряслись и стучались во время этого процесса. Намагниченные элементы могут быть размагничены на периоды, когда частицы отделяются, и эти частицы могут быть повторно использованы в качестве заполняющего материала после возможного дробления блоков частиц и классификации материала в виде частиц.

Следует учесть, что не намагниченные заполняющие материалы могут быть также восстановлены и повторно использованы, даже если технология отделения и восстановления будет каким-то образом отличаться от вышеописанной. Для отделения остатков от заполняющего материала может применяться просеивающая машина.

Восстановленный заполняющий материал может отделяться в виде блоков частиц. Эти блоки требуют раздробления на большие или меньшие отдельные частицы для повторного использования в качестве заполняющего материала, определяемые зазором фактической выемки, подлежащей заполнению. Дробление может производиться с помощью применяемых традиционных устройств.

Вышеупомянутое восстановление заполняющего материала объяснялось на примере электрода, используемого как анод. Однако аналогичный процесс отделения, который объединяет соответствующие этапы, может также применяться для катода.

При сборке электрода предпочтительным является нанесение графитовой суспензии на электрические провода, заделанные в углеродистый материал. Это обычно делается посредством чугунных соединителей.

Предпочтительным может быть примешивание сухого порошка, например, графита в заполняющий материал. Это может способствовать перемещению, т.е. восстановлению заполняющего материала на установке по переработке остатков.

Claims (18)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Электрод для применения в процессе электролиза для производства алюминия, содержащий тело из кальцинированного углеродсодержащего материала, соединенное с электрическим токопроводом, причем токопровод размещен в выемке в углеродсодержащем теле, выемка шире, чем токопровод, и заполнена электропроводным материалом, отличающийся тем, что токопровод механически закреплен в выемке углеродсодержащего материала, а зазор в выемке, оставшийся после соединения между собой токопровода и углеродсодержащего материала, заполнен электропроводящими частицами, не связанными между собой связующим веществом.
2. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что частицы имеют сферическую форму.
3. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что частицы имеют овальную или эллиптическую форму.
4. 4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что частицы выполнены из материала, стойкого к высоким температурам и механическим нагрузкам.
5. 5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что материал имеет широкое распределение частиц.
6. 6. Электрод по п.1, отличающийся тем, что электропроводный материал содержит магнитные час

   - 4 018760 тицы.
7. 7. Электрод по п.1, отличающийся тем, что частицы выполнены из железа или сплава железа.
8. 8. Электрод по п.1, отличающийся тем, что частицы выполнены из стали или легированной стали.
9. 9. Электрод по п.1, отличающийся тем, что электродом является катодный блок.
10. 10. Электрод по п.9, отличающийся тем, что катодный блок имеет множество выемок в нижней части, обращенных к коллекторной пластине (30').
11. 11. Электрод по п.1, отличающийся тем, что электродом является анодный блок.
12. 12. Электрод по п.11, отличающийся тем, что анодный блок скреплен с токопроводом с помощью штыря, болта или подобными соединительными деталями.
13. 13. Электрод по п.11, отличающийся тем, что анодный блок скреплен с токопроводом с помощью выступающих средств крепления на токопроводе и одной или более выемок, выполненных в аноде.
14. 14. Способ изготовления электрода для применения в процессе электролиза для производства алюминия, причем электрод содержит тело из кальцинированного углеродсодержащего материала, соединенное с электрическим токопроводом, отличающийся тем, что токопровод механически закрепляют в выемке, выполненной в кальцинированном углеродсодержащем материале, а зазор в выемке, оставшийся после соединения между собой токопровода и углеродсодержащего материала, заполняют электропроводящим материалом, причем электропроводящий материал содержит электропроводящие частицы, не связанные между собой связующим веществом.
15. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что материал подают под действием силы тяжести.
16. 16. Способ по п.14, отличающийся тем, что материал состоит из отдельных твердых частиц.
17. 17. Способ по п.14, отличающийся тем, что токопровод прикрепляют к электроду с помощью механических средств крепления.
18. 18. Способ по п.14, отличающийся тем, что материал восстанавливают после износа электрода.