PL167124B1 - Elektrolizer do otrzymywania aluminium - Google Patents

Abstract

1. Elektrolizer do otrzymywania aluminium składający się z podłużnej części katodowej i podłużnej części anodowej oraz oszynowania, którego z każdej strony wyprowadzona część prętów katodowych poprzez szynę lub szyny katodowe i stojak połączona jest od czoła z jednej i z drugiej strony z szynami anodowymi następnego elektrolizera, podczas gdy druga część sworzni doprowadzonajest poprzez szyny katodowe do szyn anodowych od tylnego czoła następnego elektrolizera, znamienny tym, że co najmniej od strony dalszej (zewnętrznej) szeregu elektrolize- rów szyna katodowa skrócona (16) poprzez taśmę, stojak (17) oraz giętką taśmę (18) połączona jest z dodatkową szyną anodową (19) od strony przedniego czoła następnego elektrolizera, która korzystnie w drugiej połowie, najkorzystniej na 2/3 długości połą- czonajest z podstawową szyną anodową (13), podczas gdy nad szynami katodowymi (14 i 16) na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowanajest wzdłużna zewnętrzna szyna kompensacyjna (26) oraz nad szynami katodowymi (20,22 i 23) na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowana jest wzdłużna wewnętrzna szyna kompensacyjna (25).

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrolizer do otrzymywania aluminium z tlenku glinu. Rozwiązanie techniczne według wynalazku jest przeznaczone dla elektrolizerów ustawionych w szeregu wzdłużnie i zasilanych prądem symetrycznie z poprzedzającego go elektrolizera zarówno przez czoło przednie, jak i czoło tylne. Elektrolizer do otrzymywania aluminium przedstawione w polskim opisie patentowym nr 110 688. Elektrolizer składający się z podwieszonej anody węglowej i misy katodowej wykonanej z płaszcza stalowego wyłożonego materiałem izolacyjnym stanowiącym komorę roboczą wypełnioną elektrolitem i płynnym metalem, zawiera co najmniej jedną komorę dodatkową tworzącą z komorą roboczą naczynie połączone wypełnione płynnym metalem. W komorze dodatkowej jest umieszczona co najmniej jedna szyna prądowa, zakończona wymienną końcówką zanurzoną w płynnym metalu stanowiącym katodę elektrolizera. Z polskiego opisu patentowego nr 131 110 znane jest też urządzenie do automatycznego zasilania termoelektrolizera tlenkiem glinu.

Znany również elektrolizer do otrzymywania aluminium z książki Orman Zofia i Woźniak Mieczysław pt. Metalurgia aluminium, Wydawnictwo Śląsk K-ce 1972 r. str. 149-181 składa się z katody, anody i oszynowania. Elektrolizer przemysłowy do produkcji aluminium z anodą samospiekającą (Sóderberga) zbudowany jest na prostokątnym fundamencie, na którym ustawiony jest stalowy płaszcz katodowy przymocowany do fundamentu za pomocą izolowanych kotwic, który ma za zadanie ochronę wyłożenia katody przed pęknięciami i uszkodzeniami. Wewnątrz płaszcza znajduje się wyłożenie katodowe, które składa się z kilku warstw cegieł szamotowych spełniających rolę izolacji cieplnej oraz stykających się bezpośrednio z kąpielą spieczonych bloków z prasowanych materiałów węglowych. Dno katody tworzą bloki denne wraz z zamocowanymi w nich stalowymi rdzeniami o przekroju prostokątnym lub kwadratowym. Rdzenie wychodzą poza płaszcz katodowy: przeprowadzają one prąd z katody do oszynowania katodowego. Ściany boczne wyłożone są spieczonymi blokami bocznymi z tworzywa

167 124 węglowego jak katodowe. Często spotyka się również konstrukcję płaszcza katodowego razem z dnem stalowym umieszczonym na belkach wspornikowych i słupach nośnych.

Nad katodą zawieszona jest w sposób ruchomy anoda stanowiąca dodatnią elektrodę elektrolizera zajmująca w poziomym przekroju od 30 do 50% powierzchni wewnętrznej płaszcza katodowego. Anoda wstępnie spieczona składa się z jednego lub wielu węglowych bloków anodowych z odprowadzeniem prądu i rozłącznym podłączeniem do szyn prądowych, konstrukcji nośnej i mechanizmów podnoszenia anody, a dla anod samospiekających również z części płynnej masy anodowej, płaszcza anodowego, sworzni anodowych oraz przy pionowym doprowadzeniu z systemu dzwonowego odciągu gazów.

Płaszcz anodowy nadaje prostokątny kształt samospiekającej anodzie, często z zaokrąglonymi narożami i tworzy zbiornik masy płynnej, która w miarę schodzenia w dół w strefie wyższych temperatur od około 400 - 950°C ulega procesowi koksowania (spękania) tworząc monolityczną stopę zwaną stożkiem spiekania. W stożku spiekania tkwią stalowe sworznie anodowe doprowadzające z boków lub z góry do anody prąd ze zbiorczych szyn anodowych, do których są podłączone. Sworznie te muszą być okresowo wymieniane i przedstawiane w nowe położenia w miarę upalania się anody. Mechanizm pionowego ruchu anody nie zapewnia regulacji odległości międzybiegunowej.

Oszynowanie elektrolizera dzieli się na dwie części, a mianowicie: oszynowanie katodowe anodowe. Szyny prądowe wykonane są z aluminium. Szyny katodowe, często sekcjonowane, umieszczone są na izolowanych wspornikach koło płaszcza i podłączone do katodowych rdzeni za pomocą aluminiowych taśm. Szyny anodowe podłączone są z jednej strony giętkimi taśmami z szynami katodowymi sąsiedniego elektrolizera, z drugiej strony ze sworzniami anodowymi tkwiącymi w anodzie elektrolizera.

Oszynowanie elektrolizera z samospiekającą się anodą z pionowym doprowadzeniem prądu przedstawia się następująco. Do poziomych szyn katodowych elektrolizera poprzedzającego (n-1) są przyspawane albo przykręcone szyny lub taśmy aluminiowe pionowe, zwane stojakami, połączone w ten sam sposób z szynami anodowymi elektrolizera opisywanego (n). Jedno z tych połączeń wykonuje się często jako skręcone z mechanicznie obrabianymi stykami ze względu na konieczność rozłączania przy remoncie elektrolizera. Połączenie szynami wykonuje się wtedy, gdy oszynowanie anodowe zamontowane jest nieruchomo, co występuje rzadko. Na ogół połączenie to wykonuje się jako elastyczne za pomocą taśm aluminiowych o grubości do 4 mm i szerokości od 260 do 400 mm. Wykonuje się także obustronne połączenie taśmy z szynami jako spawane. Szyny anodowe nie są konstrukcją mogącą przenosić większe obciążenia i dlatego skręca sięje razem z dwuteowymi, stalowymi belkami stanowiącymi konstrukcję nośną anody. Na jednym boku szyny w wypadku pionowego doprowadzenia prądu są przyspawane lub przykręcone mimośrodowe zaciski mocujące ramiona sworzni anodowych do szyny, albo elastycznie połączone z szyną podkładki z półokrągłymi wycięciami oraz mechanizmy zaciskowe dla przyłączania bezpośrednio okrągłych sworzni anodowych do szyny. Same stalowe sworznie zalicza się do zespołu konstrukcyjnego anody.

W niektórych elektrolizerach stosuje się czasem szyny anodowe ze stopniowanym przekrojem proporcjonalnie do natężenia prądu.

Serię elektrolizy stanowi zwykle kilkadziesiąt elektrolizerów ustawionych szeregowo w dwóch rzędach.

Znany elektrolizer charakteryzuje się niekorzystnymi wskaźnikami i znaczną emisją szkodliwych związków do otoczenia. Z tych przyczyn prowadzi się modernizację serii elektrolizerów, zastępując anody samospiekające (Soderberga) anodami uprzednio spieczonymi i wprowadzając między innymi sprawniejsze systemy oczyszczania gazów.

Wprowadzenie anod uprzednio spieczonych w miejsce anod samospiekających (Soderberga) oraz centralnego dozowania tlenku glinu do elektrolitu w miejsce obróbki peryferyjnej - bez zmian w oszynowaniu części anodowej i części katodowej - nie przyczynia się do wyraźnej poprawy wskaźników. Ponadto elektrolizery oznaczają się niską stabilnością cieplną pracy.

Układ oszynowania znanego elektrolizera z anodami samospiekającymi (Soderberga) przy natężeniu prądu około 100 kA umożliwia uzyskanie wydajności prądowej około 84%, zużycie energii elektrycznej około 16.000 kWh/t aluminium przy ciągłej i stabilnej pracy, natomiast w

16-7124 przypadku przejścia na anody uprzednio spieczone i nieco wyższe natężenie prądu uzyskuje się wydajność prądową do około 88% przy zużyciu energii elektrycznej około 15.000 kWh/t aluminium, ale przy gorszej stabilności cieplnej elektrolizerów.

Celem wynalazku jest usunięcie lub co najmniej zmniejszenie niedogodności znanych elektrolizerów do otrzymywania aluminium. Aby osiągnąć ten cel wytyczono zadanie opracowania konstrukcji ulepszonego elektrolizera do otrzymywania aluminium z anodami uprzednio spieczonymi.

Zadanie to rozwiązano zgodnie z wynalazkiem w ten sposób, że co najmniej od strony dalszej (zewnętrznej) szeregu elektrolizerów szyna katodowa skrócona, poprzez taśmę, stojak oraz giętką taśmę połączona jest z dodatkową szyną anodową od strony przedniego czoła następnego elektrolizera, która korzystnie w drugiej połowie, najkorzystniej na 2/3 długości połączona jest z podstawową szyną anodową, podczas gdy nad szynami katodowymi po zewnętrznej stronie na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowana jest wzdłużna zewnętrzna szyna kompensacyjna. Nad szynami katodowymi po wewnętrznej stronie na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowana jest wzdłużna wewnętrzna szyna kompensacyjna. Dodatkowa szyna anodowa poprowadzona jest korzystnie nad podstawową szyną anodową, przy czym dodatkowa szyna anodowa i podstawowa szyna anodowa są względem siebie równoległe i leżą w tej samej płaszczyźnie pionowej w określonej odległości od siebie. Stojak połączony z dodatkową szyną anodową korzystnie usytuowany jest za stojakiem połączonym z podstawową szyną anodową.

Wprowadzenie środków technicznych w zakresie oszynowania elektrolizera nieoczekiwanie umożliwia kosztem niewielkich zmian w usytuowaniu torów prądowych przeprowadzenie modernizacji elektrolizerów z anodami samospiekającymi (Soderberga) na elektrolizery z anodami uprzednio spieczonymi oraz zwiększyć natężenie prądu do około 120 kA, oraz tym samym zwiększyć produkcję z jednostki, a przy zastosowaniu także szyny kompensacyjnej nawet do 130 kA uzyskując przy tym wyraźnie zwiększenie wydajności prądowej i obniżenie zużycia energii elektrycznej.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie elektrolizer do otrzymywania aluminium z anodami uprzednio spieczonymi w przekroju poprzecznym, fig. 2 - elektrolizer do otrzymywania aluminium z anodami uprzednio spieczonymi wraz ze stojakami przynależnymi od czoła przedniego i tylnego elektrolizera w przekroju pionowym podłużnym, fig. 3 - elektrolizer do otrzymywania aluminium z anodami uprzednio spieczonymi wraz ze stojakami przynależnymi od czoła przedniego i tylnego elektrolizera w widoku z góry, fig. 4 - schematycznie przepływ prądu pomiędzy dwoma elektrolizerami z szeregu elektrolizerów do otrzymywania aluminium w widoku z góry, fig. 5 przepływ prądu pomiędzy dwoma elektrolizerami z szeregu elektrolizerów do otrzymywania aluminium w widoku z boku od strony zewnętrznej.

Dla oznaczenia składowych pola magnetycznego przyjęto na fig. 1 i fig. 2, trójwymiarowy układ współrzędnych elektrolizera. Oś 0x jest osią wzdłużną elektrolizera i jest zgodna z kierunkiem przepływu prądu, oś Oy jest osią poprzeczną, oś 0z jest osią pionową skierowaną do góry, natomiast środek 0 jest środkiem płaszczyzny katodowej elektrolizera.

Elektrolizer do otrzymywania aluminium składa się ze stalowego płaszcza 1 spoczywającego na konstrukcji nośnej 2, trzonu, wyłożenia ścian oraz anod węglowych 3 wraz z urządzeniami do ich podnoszenia i opuszczania oraz oszynowania doprowadzającego i odprowadzającego prąd. Stalowy płaszcz 1 w przekroju poziomym ma kształt prostokąta o ściętych narożach z dnem umieszczonym na belkach wspornikowych i słupach nośnych. Trzon wanny elektrolizera wykonany jest z bloków katodowych 4 ułożonych na warstwie z masy węglowej umieszczonej na izolacji dennej 5. Szczeliny między blokami katodowymi 4 wypełnione są niewypaloną masą węglową. W wycięciach bloków katodowych 4 znajdują się stalowe sworznie zwane prętami katodowymi 6 zalane żeliwem lub otoczone ubitą w wycięciach masą węglową. Pręty katodowe 6 przechodzą przez otwory w stalowym płaszczu 1 i są od niego odizolowane masą składającą się z azbestu i szkła wodnego. Wyłożenie ścian bocznych stalowego płaszcza 1 składa się z warstwy ogniotrwałej 7 wykonanej z cegieł szamotowych, przylegającej do stalowego płaszcza 1 i drugiej warstwy z prasowanych i wypalonych płyt węglowych 8. Płyty węglowe 8 łączy się z masą węglową. Ograniczona przestrzeń, której dno stanowią bloki katodowe 4, a boki płyty węglowej 8 stanowią misę katodową. Na dnie misy gromadzi się płynne aluminium 9, a nad warstwą metalu jest warstwa elektrolitu 10, w którym jest rozpuszczony tlenek glinu, W elektrolicie zanurzone są anody węglowe 3 uprzednio spieczone, zawieszone na mieczach anodowych 11, które z kolei są przytwierdzone do szyn anodowych 12 i 13. Anody węglowe 3 są zanurzone w elektrolicie w dwu rzędach, po 10 sztuk z każdej strony, przy czym szyna anodowa 13 jest zainstalowana od strony zewnętrznej elektrolizera.

Pręty katodowe 6 w ilości 9 sztuk licząc od czoła elektrolizera od jego zewnętrznej strony poprzez taśmy łączące połączone są z jedną lub dwoma, poziomo usytuowanymi szynami katodowymi 14 i poprzez taśmę aluminiową oraz stojak 15 zainstalowany między elektrolizerami połączone są rozłącznie z szyną anodową 13, następnego elektrolizera, która z kolei połączona jest z mieczami anodowymi 11. Pręty katodowe 6 w ilości 4 sztuk od strony wyjścia elektrolizera po jego zewnętrznej stronie poprzez taśmy aluminiowe połączone są z szyną katodową skróconą 16, zainstalowaną najbliżej stalowego płaszcza 1, która z kolei poprzez taśmę aluminiową oraz stojak 17 i giętkie łaśmy aluminiowe 18 połączona jest z dodatkową szyną anodową 19 usytuowaną nad szyną anodową 13, odizolowaną od niej i połączoną z nią od strony wyjścia elektrolizera.

Podobnie pręty katodowe 6 w ilości 9 sztuk licząc od czoła elektrolizera po jego wewnętrznej stronie połączone są poprzez taśmy łączące aluminiowe z szynami katodowymi 20, a następnie poprzez taśmę aluminiową oraz stojak 21 usytuowany między elektrolizerami połączone są rozłącznie od strony wejścia elektrolizera następnego z szyną anodową 12, która z kolei połączona jest z mieczami anodowymi 11. Natomiast cztery ostatnie pręty katodowe 6 od strony wewnętrznej elektrolizera połączone są z szyną katodową 22 usytuowaną po zewnętrznej stronie szyn katodowych 20, która przy następnym elektrolizerze stanowi szynę katodową obwodową 23 usytuowaną najbliżej stalowego płaszcza 1 i połączona jest poprzez taśmę aluminiową ze stojakiem 24 połączonym rozłącznie na wyjściu następnego elektrolizera z szyną anodową 12.

Między elektrolizerami usytuowanymi podłużnie znajdują się cztery stojaki 15, 17, 21 i 24, które stanowią pionowo ustawione szyny aluminiowe. Stojaki 15,17,21 i 24 są ustawione symetrycznie, przy czym stojaki 15 i 17 połączone są odpowiednio z zewnętrznymi szynami katodowymi 14 i 16, a stojaki 21 i 24 z wewnętrznymi szynami katodowymi 20 i 23, przy czym stojak 17 usytuowany za stojakiem 15 poprzez giętką taśmę aluminiową 18 połączony jest z dodatkową szyną anodową 19.

Wzdłuż rzędu elektrolizerów od strony zewnętrznej i wewnętrznej nad szynami katodowymi 14, 16, 20, 22 i 23 na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowane są wzdłużne szyny kompensacyjne 25 i 26, przez które płynie prąd najkorzystniej o natężeniu 10 kA, przy czym od strony wewnętrznej przez szynę kompensacyjną 25 kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem prądu w danym szeregu elektrolizerów, a od strony zewnętrznej jest przeciwny do przepływu prądu w szeregu elektrolizerów.

Fig.2

Fig. 3

Fig. 5

^Fi9-¹

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Elektrolizer do otrzymywania aluminium składający się z podłużnej części katodowej i podłużnej części anodowej oraz oszynowania, którego z każdej strony wyprowadzona część prętów katodowych poprzez szynę lub szyny katodowe i stojak połączona jest od czoła z jednej i z drugiej strony z szynami anodowymi n^tępnego elektrolizera, podczas g<^(/ druga część sworzni doprowadzona jest poprzez szyny katodowe do szyn anodowych od tylnego czoła następnego elektrolizera, znamienny tym, że co najmniej od strony dalszej (zewnętrznej) szeregu elektrolizerów szyna katodowa skrócona (16) poprzez taśmę, stojak (17) oraz giętką taśmę (18) połączona jest z dodatkową szyną anodową (19) od strony przedniego czoła następnego elektrolizera, która korzystnie w drugiej połowie, najkorzystniej na 2/3 długości połączona jest z podstawową szyną anodową (13), podczas gdy nad szynami katodowymi (14 i 16) na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowana jest wzdłużna zewnętrzna szyna kompensacyjna (26) oraz nad szynami katodowymi (20, 22 i 23) na wysokości misy katodowej elektrolizera usytuowana jest wzdłużna wewnętrzna szyna kompensacyjna (25).
2. 2. Elektrolizer według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowa szyna anodowa (19) poprowadzona jest nad podstawową szyną anodową (13), przy czym dodatkowa szyna anodowa (19) i podstawowa szyna anodowa (13) są względem siebie równoległe i leżą w tej samej płaszczyźnie pionowej w określonej odległości od siebie.
3. 3. Elektrolizer według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stojak (17) połączony z dodatkową szyną anodową (19) usytuowany jest za stojakiem (15) połączonym z podstawową szyną anodową (13).