PL195085B1 - Grafitowa katoda do elektrolizy glinu - Google Patents

Abstract

1. Grafitowa katoda do elektrolizy glinu, któ- ra ma postac pojedynczego bloku, znamienna tym, ze jej elektryczna rezystywnosc jest nie- równomierna wzdluz jej osi podluznej, przy czym rezystywnosc ta jest wyzsza w obszarach koncowych katody (3) niz w jej obszarze srod- kowym w wyniku odmiennej obróbki cieplnej tych róznych obszarów podczas procesu grafi- tyzacji, w którym obszary koncowe znajduja sie w temperaturze nizszej, niz obszar srodkowy. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest grafitowa katoda do elektrolizy glinu.

W procesie elektrolizy stosowanym w większości zakładów produkujących glin, wanna do elektrolizy zawiera, w komorze metalowej powleczonej materiałem ognioodpornym, dno będące katodą złożoną z wielu bloków katodowych. Zespół ten stanowi zbiornik, który po uszczelnieniu masą wykładzinową, jest miejscem, w którym pod wpływem prądu elektrycznego zachodzi przemiana kąpieli elektrolitycznej w glin. Reakcja ta zachodzi w zasadzie w temperaturze wyższej niż 950°C.

Aby blok katodowy mógł wytrzymać warunki termiczne i chemiczne panujące w czasie działania wanny, jak również dla utrzymania przepływu prądu elektrolizy, blok ten wytwarza się z materiału węglowego. Do materiałów takich zaliczają się materiały od semigrafitowych do grafitowych. Wytwarza się je przez wytłaczanie lub przez wibrozagęszczanie po zmieszaniu surowców początkowych:

- mieszaniny smoły, kalcynowanego antracytu i/lub grafitu, w przypadku materiałów semigrafitowych i grafitowych.

Materiały te są następnie spiekane w temperaturze około 1200°C.

Katoda grafitowa nie zawiera antracytu. Katoda wykonana z powyższych materiałów nazywana jest potocznie katodą węglową;

- ewentualnie z mieszaniny smoły i koksu, z grafitem lub bez niego, w przypadku materiałów grafitowych.

W tym przypadku materiały te są spiekane w temperaturze około 800°C a następnie grafityzowane w temperaturze powyżej 2400°C.Taka katoda nazywana jest katodą grafitową.

Stosowanie katod węglowych jest znane. Mają one jednak przeciętne własności elektryczne i termiczne, które nie są odpowiednie do warunków pracy panujących w nowoczesnych wannach, zwłaszcza o dużym natężeniu prądu. Potrzeba ograniczania zużycia energii i możliwość zwiększania natężenia prądu, zwłaszcza w istniejących zakładach, skłania do stosowania katod grafitowych.

Zabieg grafityzacji katody grafitowej w temperaturze powyżej 2400°C pozwala na zwiększenie przewodności cieplnej i elektrycznej, a co za tym idzie wytworzenie zadawalających warunków dla optymalnego działania wanny do elektrolizy.

Zużycie energii elektrycznej spada w związku ze zmniejszeniem rezystancji elektrycznej katody. Inną korzyścią wynikającą ze zmniejszenia rezystancji elektrycznej jest zwiększenie natężenia prądu wprowadzanego do wanny, które umożliwia zwiększenie produkcji glinu. Wysoka przewodność cieplna katody umożliwia natomiast odprowadzenie nadmiaru ciepła wytworzonego wskutek zwiększenia natężenia.

Ponadto, wanny z katodą grafitową wydają się być mniej niestabilne elektrycznie, to znaczy wykazują zredukowane fluktuacje potencjałów elektrycznych, w stosunku do wanien z katodą węglową.

Okazało się jednak, że wanny wyposażone w katody grafitowe są mniej trwałe niż wanny wyposażone w katody węglowe. Katody grafitowe stają się niezdatne do użytku z powodu nadmiernego wzbogacenia w żelazo otrzymanego glinu, co wynika z uderzania glinu w pręt katody. Metal uderza w pręt w wyniku erozji bloku grafitowego. Pomimo, że obserwuje się również erozję katod węglowych, to jest ona dużo słabsza i nie ma szkodliwego wpływu na żywotność wanien, które stają się bezużyteczne z powodów innych niż erozja katody.

Natomiast zużycie katod grafitowych jest dostatecznie szybkie, aby stało się główną przyczyną zniszczenia wanny do elektrolizy glinu po okresie użytkowania, który można określić jako zbyt krótki w stosunku do żywotności właściwych dla wanien wyposażonych w katody węglowe. Zanotowano następujące stopnie zużycia dla różnych materiałów:

Katoda węglowa, Stopień zuyccia (mmrrok) węglowa, semigrafitowa 10-20 węglowa, grafitowa 20-40 grafitowa 40-80

Figura 1 przedstawia blok katodowy 3 z prętami katodowymi 2 doprowadzającymi prąd. Początkowy przekrój pręta oznaczono numerem 4. Przekrój 5, oznaczony linią przerywaną, wskazuje, że erozja wzrasta przy końcach bloku katodowego.

PL 195 085 B1

W dokumencie FR 2117960 opisano katodę do wytwarzania glinu w procesie elektrolizy. Katoda ta jest wykonana z kilku bloków z semigrafitowego węgla, przy czym rezystywności poszczególnych bloków są różne. Struktura, która jest złożona z powodu umieszczenia bloków jeden przy drugim i, co za tym idzie, nieciągła elektrycznie, nie jest uzasadniona zmniejszeniem erozji, ponieważ katody tego typu nie są na nią wrażliwe, lecz zmniejszeniem pęcznienia podłoża w obszarze środkowym.

Stopień erozji bloku katody grafitowej jest więc jego słabym punktem i nie będzie to rozwiązanie ekonomicznie atrakcyjne, pomimo zwiększonej wydajności produkcji, jeżeli nie uda się wydłużyć żywotności bloku.

Wyliczenie gęstości prądu w katodzie wskazuje, że są one wyższe w okolicy wyjścia pręta katodowego. Gęstości prądu wzrastają wraz ze spadkiem rezystancji katody. Tak więc profil erozji katod, a zwłaszcza wysokie zużycie obserwowane na ich końcach odpowiadają obszarom wysokich gęstości prądu w katodzie.

Problemem jest więc zmniejszenie erozji katod wykonanych z grafitu, w szczególności w ich obszarach końcowych.

Celem wynalazku jest opracowanie katody grafitowej o zwiększonej żywotności dzięki zmniejszeniu erozji, która zachodzi na końcach katody.

Katoda według wynalazku, wykonana z grafitu, stanowi pojedynczy blok, którego rezystywność jest nierównomierna wzdłuż jego osi podłużnej, to znaczy jest wyższa w obszarach końcowych katody niż w jej obszarze środkowym. Średnia rezystywność produktu jest dostosowana do zoptymalizowanego działania wanny do elektrolizy.

Wyższa rezystywność w obszarach końcowych katody kieruje linie pola elektrycznego w kierunku środka wanny. Z tego powodu wysokie gęstości prądu, zazwyczaj notowane w okolicach wyjścia pręta katodowego, zmniejszają się powstrzymując proces erozji w tych obszarach. Wzrasta więc żywotność wanny. Za obszary końcowe katody można w przybliżeniu uznać obszary znajdujące się w odległości mniej więcej od 0 do 800 mm od każdego końca katody.

Według jednego wariantu wynalazku, końcowe obszary katody doprowadzane są w procesie grafityzacji do temperatury około 2200 - 2500°C, podczas gdy środkowy obszar doprowadzany jest do temperatury około 2700 - 3000°C.

Zgodnie z pierwszym przykładem realizacji wynalazku, różnica w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody uzyskana jest przez ograniczenie izolacji termicznej pieca grafityzacyjnego i/lub umieszczenie ujść ciepła w końcowych obszarach katody dla zwiększenia strat ciepła.

Zgodnie z drugim przykładem realizacji wynalazku, różnica w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody uzyskana jest przez lokalną modyfikację linii pola elektrycznego, a w konsekwencji wynikający z niej efekt Joule'a, podczas procesu grafityzacji.

W tym samym procesie grafityzacji można połączyć oba powyższe zjawiska.

Zgodnie z jednym z przykładów realizacji wynalazku, w którym proces grafityzacji przeprowadzany jest jednocześnie dla wielu katod ustawionych równolegle względem siebie w piecu, na przykład typu Achesona, gdzie katody oddzielone są od siebie wypełnieniem z materiału oporowego w postaci ziaren, na przykład granulkami węgla lub koksu, różnicę w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody uzyskuje się przez zróżnicowanie rezystywności materiału oporowego w postaci ziaren między obiema katodami i/lub umieszczenie ujść ciepła w końcowych obszarach katody.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia widok katody z wyszczególnieniem jej erozji po pewnym okresie działania; fig. 2 do 4 przedstawiają trzy widoki, odpowiednio z góry, z przodu i z boku, pieca grafityzacyjnego Achesona; fig. 5 do 7 przedstawiają trzy widoki, odpowiednio z góry, z przodu i z boku, podłużnego pieca grafityzacyjnego.

Figura 2 do 4 przedstawiają piec grafityzacyjny Achesona 6, w którym umieszczono pewną ilość katod 3 równolegle względem siebie, w kilku rzędach, umieszczając miedzy poszczególnymi katodami materiał oporowy w postaci ziaren 7. Materiał oporowy w postaci ziaren może się składać na przykład z granulek węgla lub koksu. Całość otoczona jest izolującymi termicznie ziarnami.

W celu przeprowadzenia procesu grafityzacji do wnętrza pieca doprowadza się energię elektryczną, co powoduje wydzielanie ciepła w wyniku efektu Joule'a. W piecu tego rodzaju linie pola elektrycznego są prostopadle do osi katod 3. Dla zmniejszenia ilości ciepła w końcowych obszarach katod 3, w okolicy tych obszarów 9 umieszcza się ziarna oporowe o większej rezystywności, niż rezystywność ziaren w obszarach 10, odpowiadających środkowym obszarom katod. Aby doprowadzić do

PL 195 085 B1 ograniczenia temperatury grafityzacji w końcowych obszarach katod przez większą utratę ciepła, można też zmniejszyć grubość warstwy izolujących ziaren 8 w tych obszarach.

Na figurze 5 przedstawiono podłużny piec 11, w którym rozmieszczono od końca do końca kilka katod oddzielając sąsiadujące katody od siebie za pomocą złącza grafityzacyjnego 12. Złącza grafityzacyjne mają możliwie jak najmniejszą rezystancję. Pozwala to uniknąć niepożądanego nagrzewania się styków katod. Dodatkowo, w końcowych obszarach katod przewidziane są miejsca powstawania strat ciepła oznaczone strzałkami. Straty te zachodzą wskutek zmniejszenia grubości izolacji cieplnej 8 i/lub wskutek istnienia ujść cieplnych, które mogą stanowić elementy grafitowe umieszczone prostopadle do katod naprzeciw chłodzonych obszarów.

Jak wynika z powyższego, rozwiązanie według wynalazku stanowi znaczące ulepszenie istniejących technologii poprzez dostarczenie katody o konwencjonalnej strukturze, uzyskanej za pomocą znanych środków technicznych, która jednak ma wyższą rezystywność w swoich obszarach końcowych niż w obszarze środkowym, umożliwiając tym samym zmniejszenie gęstości prądu na końcach katody i zwiększając jej odporność na korozję w tych obszarach końcowych.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Grafitowa katoda do elektrollzy gllnu, którama postać pojedynczego bloku, znamienna tym, że jej elektryczna rezystywność jest nierównomierna wzdłuż jej osi podłużnej, przy czym rezystywność ta jest wyższa w obszarach końcowych katody (3) niż w jej obszarze środkowym w wyniku odmiennej obróbki cieplnej tych różnych obszarów podczas procesu grafityzacji, w którym obszary końcowe znajdują się w temperaturze niższej, niż obszar środkowy.

2. Grafitowa katoda ννθόΚ.ΐ9Ζ35Τζ. 2, znamienna tym, że obszary końcowekatody (3) są grafl· tyzowane w temperaturze około 2200-2500^oC, podczas gdy obszar środkowy jest grafityzowany w temperaturze około 2700-3000°C.

3. Grafitowa katoda według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że różnica w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody (3) uzyskana jest poprzez ograniczenie izolacji termicznej (3) pieca grafityzacyjnego (11) i/lub przez umieszczenie ujść ciepła naprzeciw obszarów końcowych, dla zwiększenia strat ciepła.

4. Grafitowa katoda według zas^z. 1 albo 2, znamienna tym. że różnica w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody (3) uzyskana jest poprzez lokalną modyfikację linii pola elektrycznego, a w konsekwencji efekt Joule'a, który z niej wynika, podczas procesu grafityzacji.

5. Grafitowa katoda według zastrz. 4, znamienna tym, że w przypadku procesu grafityzacji przeprowadzanego jednocześnie dla kilku katod (3) rozmieszczonych równolegle względem siebie wewnątrz pieca (6), zwłaszcza pieca Achesona, w którym katody oddzielone są od siebie wypełnieniem (7) z ziaren oporowych, zwłaszcza z granulek węgla lub koksu, różnica w obróbce cieplnej obszarów końcowych i obszaru środkowego katody (3) uzyskana jest poprzez zróżnicowanie elektrycznej rezystywności ziaren oporowych między dwiema katodami i/lub poprzez umieszczenie ujść ciepła naprzeciw obszarów końcowych.