PL201671B1 - Sposób wytwarzania bloków katodowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób grafityzacji naw eglonych bloków katodowych, w którym grafityzacja jest przeprowadzana przynajmniej cz esciowo poprzez indukcyjne nagrzewanie bloku ka- todowego, za s strefa nagrzewania indukcyjnego, maj aca d lugosc od 25 do 90% ca lkowitej d lugo sci bloku katodowego, znajduje si e w srodku d lugo sci bloku katodowego, bloki katodowe wytworzone tym sposobem oraz ich zastosowanie w elektrolitycznym procesie wytwarzania aluminium. PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) Numer zgłoszenia: 368561	(11) 201671 (13) B1
	(22) Data zgłoszenia: 19.12.2002	(51) Int.Cl. C04B 35/52 (2006.01)
	(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:	C25C 3/08 (2006.01)
	19.12.2002, PCT/EP02/14558	C25C 3/06 (2006.01)
Urząd Patentowy	(87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:	C01B 31/04 (2006.01)
Rzeczypospolitej Polskiej	10.07.2003, WO03/055824

PCT Gazette nr 28/03 (54)

Sposób wytwarzania bloków katodowych

	(73) Uprawniony z patentu:
(30) Pierwszeństwo:	SGL CARBON AG,Wiesbaden,DE
28.12.2001,DE,10164010.2	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 04.04.2005 BUP 07/05	Johann Daimer,Morfelden-Walldorf,DE Frank Hiltmann,Kriftel,DE Jorg Mittag,Wiesbaden,DE
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2009 WUP 04/09	(74) Pełnomocnik: Łukaszyk Szymon, Kancelaria Patentowa Łukaszyk

⁽⁵⁷⁾ Przedmiotem wynalazku jest sposób grafityzacji nawęglonych bloków katodowych, w którym grafityzacja jest przeprowadzana przynajmniej częściowo poprzez indukcyjne nagrzewanie bloku katodowego, zaś strefa nagrzewania indukcyjnego, mająca długość od 25 do 90% całkowitej długości bloku katodowego, znajduje się w środku długości bloku katodowego, bloki katodowe wytworzone tym sposobem oraz ich zastosowanie w elektrolitycznym procesie wytwarzania aluminium.

PL 201 671 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bloków katodowych, zwłaszcza do elektrolitycznego wytwarzania aluminium.

W elektrolitycznym procesie wytwarzania aluminium metodą Hall-Heroult'a wykorzystuje się wanny elektrolityczne, których dna są wykonane z wielu bloków, działających jako katody. Elektrolit jest materiałem roztopionym, w skład którego wchodzi głównie roztwór tlenku aluminium w kriolicie. Przykładowa temperatura pracy elektrolitu wynosi około 1000°C. Elektrolitycznie wytworzone roztopione aluminium odkłada się na dnie wanny pod warstwą elektrolitu. Wanny otoczone są metalową obudową (korzystnie wykonaną ze stali) wyłożoną materiałem o wysokiej odporności temperaturowej.

Z uwagi na wymaganą odporność chemiczną i stabilność termiczną, korzystne jest aby bloki katodowe były wykonane z węgla, który może być częściowo lub całkowicie grafityzowany w trakcie obróbki termicznej. Bloki takie są wykonywane w procesie formowania, wypalania i, jeśli stosowne, częściowej grafityzacji mieszaniny złożonej ze smoły, koksu, antracytu i/lub grafitu o określonych rozmiarach cząsteczek lub określonych rozkładach cząsteczkowych. Proces wypalania (nawęglania) jest zwykle przeprowadzany w temperaturze około 1200°C, a grafityzacja jest zwykle przeprowadzana w temperaturze 2400°C.

Mimo, że zastosowanie katod grafityzowanych jest korzystne z uwagi na ich wyższą przewodność elektryczną, to problemem pojawiającym się podczas ich użytkowania jest nadmierna korozja, która powoduje średnie roczne zmniejszenie się ich grubości nawet do 80 mm. Korozja ta nie następuje równomiernie na długości bloku katodowego (odpowiadającej szerokości wanny) a powierzchnia bloku katodowego zmienia się przybierając profil W-kształtny. Ze względu na nierównomierne usuwanie materiału, czas użyteczności bloków katodowych ograniczają powierzchnie objęte największą korozją.

Jednym z możliwych sposobów prowadzących do bardziej równomiernie występującej korozji wzdłuż długości bloków katodowych i tym samym wydłużających czas ich użyteczności jest taka budowa bloków katodowych, aby ich rezystancja elektryczna zmieniała się wzdłuż ich długości w taki sposób aby gęstość prądu (i tym samym korozja) była jednakowa na całej długości lub przynajmniej wykazywała bardzo małe zmiany od wartości średniej wyznaczonej dla całej długości. Jedno z rozwiązań tego problemu zostało przedstawione w opisie patentowym DE 20 61 263, według którego złożone katody wykonuje się albo z wielu bloków węglowych o różnej przewodności elektrycznej, które ustawione są tak żeby uzyskać jednorodny lub w przybliżeniu jednorodny rozkład gęstości prądu, albo z bloków węglowych o rezystancji wzrastającej w sposób ciągły w kierunku końców katody. Liczba bloków węglowych oraz ich rezystancja elektryczna zależy w każdym przypadku od rozmiaru i typu wanny i musi być na nowo wyliczana dla każdego przypadku. Bloki katodowe wykonane z wielu oddzielnych bloków węglowych są trudne do skonstruowania, a ich połączenia muszą być dobrze uszczelnione aby uniemożliwić wypływ ciekłego aluminium w obszarach połączeń.

W opisie patentowym US 4,071,604 opisano proces grafityzacji elementów węglowych w piecu indukcyjnym, który jest jedynym źródłem ciepła.

Opis patentowy WO 00/46426 przedstawia katodę grafitową złożoną z pojedynczego bloku, który ma przewodność elektryczną zmieniającą się wzdłuż jego długości, przy czym przewodność ta jest mniejsza na końcach bloku niż w jego środku. Taki niejednorodny rozkład przewodności elektrycznej jest osiągany przez utrzymywanie stref końcowych bloku w temperaturze od 2200 do 2500°C podczas procesu grafityzacji, podczas gdy strefa środkowa jest poddana działaniu temperatury od 2700 do 3000°C. Jak ujawniono, taka zróżnicowana obróbka cieplna może być osiągnięta na dwa sposoby: z jednej strony można ograniczać w sposób zróżnicowany straty ciepła przewodzenia w piecu grafityzacyjnym, lub też, w celu zwiększenia strat ciepła, można zastosować ujścia ciepła w sąsiedztwie stref końcowych. W przypadku grafityzacji poprzecznej, gęstość warstwy izolacji cieplnej jest różnicowana w taki sposób, że strata ciepła na długości katody jest niejednorodna co prowadzi do uzyskania pożądanych temperatur. W przypadku grafityzacji wzdłużnej, straty ciepła w sąsiedztwie końców można zwiększyć poprzez zróżnicowaną konfigurację warstwy izolacji cieplnej lub poprzez, korzystnie grafitowe, elementy odprowadzające ciepło na zewnątrz, które są zainstalowane w tym celu w sąsiedztwie końców katody tak, aby spowodować większy odpływ ciepła do ścianek pieca.

Według innego sposobu, zróżnicowanie obróbki cieplnej może zostać osiągnięte poprzez lokalne zmiany gęstości prądu, które dają w rezultacie zmiany wydzielania ciepła. Jak ujawniono, taka zmiana gęstości prądu może zostać osiągnięta dzięki zróżnicowaniu rezystancji warstw przewodzących

PL 201 671 B1 pomiędzy dwiema katodami w piecu Acheson'a (grafityzacja poprzeczna); żadne takie rozwiązanie nie zostało wskazane dla procesu grafityzacji wzdłużnej.

Przedstawione powyżej sposoby posiadają jednak znaczące niedogodności z punktu widzenia zastosowania przemysłowego. Wymagana w procesie grafityzacji różnica temperatur pomiędzy środkiem i końcami katody, wynosząca 500°C, nie może być osiągnięta tylko dzięki zastosowaniu ujść ciepła. Wymagane zróżnicowanie w odprowadzaniu ciepła na zewnątrz daje w konsekwencji znaczne straty energii, co znacząco zwiększa koszty produkcji. Wyższe straty ciepła odprowadzanego do ścianek pieca zwiększają ich obciążenie termiczne, co w konsekwencji podraża konstrukcję pieca lub skraca jego żywotność. W końcu, zastosowanie niejednorodnej warstwy izolacji cieplnej lub warstwy przewodzącej nie jest zbyt praktyczne, ponieważ materiał warstwy musiałby być wprowadzany w wielu krokach a następnie sortowany według jego przewodności cieplnej lub elektrycznej po zakończeniu cyklu w piecu i wyjęciu katod.

Celem wynalazku jest dostarczenie praktycznego sposobu wytwarzania katod cechujących się zmienną rezystancją elektryczną wzdłuż długości katody.

Cel ten według wynalazku osiągnięto dzięki wprowadzeniu dodatkowego indukcyjnego nagrzewania bloku katodowego.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania bloków katodowych, mających zastosowanie do elektrolitycznego wytwarzania aluminium, który według wynalazku obejmuje przeprowadzenie wzdłużnej grafityzacji nawęglonych bloków katodowych oraz wykonanie grafityzacji przynajmniej częściowo poprzez nagrzewanie indukcyjne bloku katodowego, przy czym strefa nagrzewania indukcyjnego, mająca długość od 25 do 90% całkowitej długości bloku katodowego, znajduje się w środku długości bloku katodowego.

Podczas badań prowadzących do powstania wynalazku, zauważono, że wprowadzenie ujścia ciepła zwiększa określone zużycie energii, to znaczy ma niekorzystny wpływ na ilość zużywanej energii. Pożądane zmniejszenie zużycia energii może być jednak osiągnięte, jeśli poprzez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji, zamiast wyprowadzania energii, dodatkowa energia będzie doprowadzana do wcześniej określonych regionów. Według wynalazku osiąga się to poprzez dodatkowe nagrzewanie indukcyjne, działające tylko w środkowej części przyszłej katody umieszczonej w obszarze rdzenia cewki indukcyjnej. Długość rdzenia cewki indukcyjnej może być ustalona przez odpowiedni dobór typu i gęstości ośrodka wypełniającego oraz przewodności cieplnej materiału, tak aby energia cieplna otrzymana w wyniku wytworzonego pola indukcji pokryła część lub całość wymaganego zapotrzebowania na ciepło oraz tak aby obszar poza strefą efektywnego oddziaływania cewki był nagrzewany tylko poprzez przepływ prądu stałego i/lub poprzez przewodnictwo cieplne samego materiału bloku.

Korzystny przykład wykonania wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1, który przedstawia boczny widok bloku katodowego.

Dla jasnego zobrazowania, rysunek fig. 1 przedstawia tylko jeden blok katodowy 4, który jest nagrzewany ciepłem Joule'a generowanym wskutek przepływu prądu stałego w obwodzie 1 w procesie grafityzacji wzdłużnej. Dzięki zastosowaniu źródła prądu przemiennego i przewodom doprowadzającym 2 we wnętrzu cewki 3 powstaje przemienne pole magnetyczne, które indukuje przemienne siły elektromotoryczne w środkowym obszarze bloku katodowego 4. Wyidukowane siły elektromotoryczne generują z kolei przepływ prądu elektrycznego nagrzewającego środkową strefę bloku, przy czym wartość tego prądu determinuje rezystancja materiału bloku.

Długość strefy, która jest nagrzewana indukcyjnie wynosi korzystnie od 25 do 90%, a szczególnie korzystnie od 35 do 80%, całkowitej długości bloku katodowego.

Korzystne jest również, aby nagrzewanie indukcyjne dostarczało od co najmniej 10% do 100% całkowitej energii cieplnej dla danego bloku katodowego. Ciepło generowane w wyniku nagrzewania indukcyjnego w środkowej strefie bloku jest o co najmniej 10% większe niż ciepło generowane w zewnętrznych końcach bloku katodowego.

Możliwe i korzystne jest, aby nagrzewanie indukcyjne miało miejsce tylko podczas przebiegu procesu grafityzacji. Bezpośrednie nagrzewanie w procesie grafityzacji wzdłużnej może być dzięki temu dokonane przy mniejszym zużyciu mocy a tym samym taniej, przy czym dodatkowo częstotliwość prądów indukcyjnych może być niższa co również obniża koszty. Częstotliwość prądów indukcyjnych jest funkcją wymiarów danego bloku katodowego, rezystancji materiału bloku oraz jego przewodności magnetycznej. Nagrzewanie indukcyjne najkorzystniej jest uruchomić po upływie 20% całkowitego czasu nagrzewania.

PL 201 671 B1

W wannach elektrolitycznych, w których zastosowano opisane powyż ej katody, gę stość prą du wykazuje znacząco mniejsze odchylenia od średniej wzdłuż długości katod; w korzystnych przypadkach odchylenia te są nie większe niż 20%, korzystnie wynoszą poniżej 10% a w szczególności poniżej 5%.

Grafityzowane bloki katodowe otrzymane w wyniku procesu stanowiącego przedmiot wynalazku wykazują większe wyrównanie odporności na korozję wzdłuż swej długości, co znacznie zwiększa ich żywotność w porównaniu z blokami wytworzonymi w sposób konwencjonalny, mającymi jednorodny rozkład przewodności elektrycznej. Cecha ta jest zauważalna podczas wytwarzania aluminium w procesie elektrolitycznej redukcji tlenków aluminium w kąpieli w stopionym kriolicie.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania bloków katodowych, mających zastosowanie do elektrolitycznego wytwarzania aluminium, znamienny tym, że obejmuje przeprowadzenie wzdłużnej grafityzacji nawęglonych bloków katodowych oraz wykonanie grafityzacji przynajmniej częściowo poprzez nagrzewanie indukcyjne bloku katodowego, przy czym strefa nagrzewania indukcyjnego, mająca długość od 25 do 90% całkowitej długości bloku katodowego, znajduje się w środku długości bloku katodowego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że długość strefy nagrzewania indukcyjnego rozciąga się na długości od 35 do 80% całkowitej długości bloku katodowego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nagrzewanie indukcyjne dostarcza od co najmniej 10 aż do 100% całkowitej mocy grzewczej dla danego bloku katodowego.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nagrzewanie indukcyjne dostarcza niejednorodnego rozkładu energii cieplnej wzdłuż długości bloku katodowego, przy czym ciepło generowane w ś rodku bloku katodowego jest przynajmniej o 10% wię ksze niż ciepło na zewnę trznych koń cach strefy nagrzewania indukcyjnego.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nagrzewanie indukcyjne ma miejsce tylko podczas przebiegu procesu grafityzacji.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nagrzewanie indukcyjne jest uruchamiane dopiero po upływie 20% całkowitego czasu nagrzewania.