PL201883B1 - Sposób wytwarzania bloków katodowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwa- rzania grafityzowanych bloków katodowych, obejmuj acy przeprowadzenie procesu grafity- zacji wzd lu znej naw eglonego bloku katodowe- go, którego przekrój poprzeczny na ko ncach jest wi ekszy ni z w srodku, oraz przynajmniej cz esciowe usuni ecie grafityzowanego materia lu na ko ncach bloku katodowego po procesie grafityzacji. Bloki katodowe wytworzone tym sposobem maj a zastosowanie w elektrolitycz- nym procesie wytwarzania aluminium. PL PL PL PL

Description

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), ale powoduje, że powierzchnia bloku katodowego zmienia się przybierając profil W-kształtny. Ze względu na jednostajne usuwanie materiału, czas użyteczności bloków katodowych jest ograniczony przez 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 zostać indywidualnie dopasowana 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 WO 00/46426 opisano 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 różnica w obróbce cieplnej może być osiągnięta na dwa sposoby: z jednej strony można ograniczać w sposób zróżnicowany straty ciepła w piecu grafityzacyjnym, lub też, w celu zwiększenia strat ciepła, można zastosować ujścia ciepła w sąsiedztwie stref końcowych. W przypadku grafityzacji poprzecznej, gęstość warstwy izolowanej termicznie zmienia się tak, że strata ciepła na długości katody staje się niejednorodna i w rezultacie uzyskuje się pożądane temperatury. W przypadku grafityzacji wzdłużnej, strata ciepła w sąsiedztwie końców może byś zwiększona poprzez zróżnicowaną konfigurację warstwy izolowanej termicznie lub poprzez, korzystnie grafitowe, elementy odprowadzające ciepło, 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 przewodząPL 201 883 B1 cych 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 przewodzeniu ciepła na zewnątrz daje w konsekwencji znaczne straty energii, co znacząco zwiększa koszty produkcji. Wyższe straty ciepła do ścianek pieca zwiększają ich obciążenie termiczne, co w konsekwencji podraża konstrukcję pieca lub skraca jego żywotność. Ostatecznie, niejednorodność w warstwie izolującej termicznie lub w warstwie przewodzącej nie jest zbyt praktyczna, ponieważ materiał warstwy musiałby być wprowadzany w wielu krokach i ponownie posortowany według jego przewodności cieplnej lub elektrycznej po zakończeniu cyklu w piecu i wyję ciu katod.

Celem wynalazku jest praktyczny sposób wytwarzania katod cechujących się zmienną rezystancją elektryczną wzdłuż długości katody.

Cel ten według wynalazku został osiągnięty poprzez zwiększenie w procesie grafityzacji temperatury w strefie środkowej w stosunku do stref końcowych poprzez wytwarzanie większego ciepła Joule'a w strefie środkowej.

Podczas badań prowadzących do powstania wynalazku, odkryto, że wprowadzenie ujścia ciepła polepsza specyficzne zużycie energii, a mianowicie ma przeciwny efekt na całkowite zużycie energii procesu. Korzystne jest jednak wytwarzanie katod posiadających wymagane właściwości, bez zwiększania zużycia energii. Ciepło Joule'a, które jest wytwarzane w elemencie, przez który przepływa prąd elektryczny, jest proporcjonalne do rezystancji elektrycznej tego elementu oraz do kwadratu natężenia prądu. W procesie grafityzacji wzdłużnej, prąd stały płynie przez katodę. Przy danej wartości natężenia prądu, w strefie o wyższej rezystancji wytwarza się zatem więcej ciepła.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania bloków katodowych, mających zastosowanie do elektrolitycznego wytwarzania aluminium, który według wynalazku obejmuje przeprowadzenie procesu grafityzacji wzdłużnej nawęglonego bloku katodowego, którego przekrój poprzeczny na końcach jest większy niż w środku, oraz przynajmniej częściowe usunięcie grafityzowanego materiału na końcach bloku katodowego po procesie grafityzacji.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia widok boczny bloku katodowego, który jest w środku zwężony, a fig. 2 przedstawia blok katodowy mający profil schodkowy.

Rysunek fig. 1 przedstawia blok katodowy 4, który jest elektrycznie nagrzewany w procesie grafityzacji wzdłużnej przy użyciu prądu stałego. Prąd jest poprowadzony ze źródła prądu przez przewody 1. Dla uproszczenia przedstawiono tylko widok boczny pojedynczego bloku, z pominięciem innych szczegółów. Blok katodowy 4 ma przekrój poprzeczny odpowiadający dwóm symetrycznym trapezoidom, przylegającymi do siebie krótszymi podstawami, przy czym do dłuższej podstawy każdego trapezoidu dołączony jest prostokąt. Odpowiadająca temu przekrojowi bryła trójwymiarowa może odpowiadać dwóm ściętym ostrosłupom o prostopadłościennych podstawach lub korzystniej dwóm ściętym stożkom połączonym powierzchniami ścięcia i mającymi podstawy w formie kołowych dysków. Drugi kształt może być uzyskany na przykład w procesie toczenia odkuwki o przekroju cylindrycznym.

Rysunek fig. 2 przedstawia blok katodowy o profilu schodkowym, którego przekroje poprzeczne przylegających do siebie elementów objętościowych 4¹ do 4⁶ (dyski kołowe lub prostopadłościany) zmniejszają się monotonicznie do środka. Prąd elektryczny wymagany do wytworzenia energii Joule'a dla procesu grafityzacji jest poprowadzony przez przewody 1.

Jeżeli materiał nawęglanych katod ma skład jednorodny, opór elektryczny jest odwrotnie proporcjonalny do powierzchni przekroju poprzecznego poszczególnych elementów objętościowych. Właściwy wybór liczby, długości oraz powierzchni przekrojów poprzecznych kolejnych elementów objętościowych pozwala na wytwarzanie energii Joule'a w danym elemencie objętościowym, a zatem na precyzyjne dobranie odpowiedniej temperatury procesu grafityzacji do wymaganego profilu zmienności przewodności elektrycznej w katodzie.

Grafityzowany materiał na końcach może zostać łatwo usunięty poprzez obróbkę skrawaniem, a zwł aszcza frezowanie, po wycią gnię ciu grafityzowanych katod z pieca i ich ochł odzeniu.

Według wynalazku, możliwe jest, aby blok nawęglanych elektrod miał kształt schodkowy jak przedstawiono na rysunku fig. 2. Blok katodowy składa się tu z co najmniej trzech stref, przy czym dwie strefy zewnętrzne mają korzystnie te same przekroje poprzeczne. Profil przewodności elektrycz4

PL 201 883 B1 nej po grafityzacji zmienia się istotnie wzdłuż profilu geometrycznego elementu, mając maksimum w środku. Korzystne jest jednak, aby przekroje poprzeczne nawęglanych elektrod zwiększały się w sposób cią g ł y od ś rodka do ich ko ń ców, dzię ki czemu przewodność elektryczna ma cią g ł y profil zmienności.

Szczególnie korzystne jest rozwiązanie, w którym przekrój poprzeczny na końcach bloku katodowego jest przynajmniej o 10% większy od przekroju w środku bloku.

Grafityzowane bloki katodowe mogą być wykorzystane do produkcji aluminium w procesie elektrolitycznej redukcji tlenków aluminium, w kąpieli w stopionych kriolicie, co pozwala na zwiększenie żywotności, w porównaniu do bloków katodowych posiadających budowę jednorodną.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania grafityzowanych bloków katodowych, mających zastosowanie do elektrolitycznego wytwarzania aluminium, znamienny tym, że obejmuje przeprowadzenie procesu grafityzacji wzdłużnej nawęglonego bloku katodowego, którego przekrój poprzeczny na końcach jest większy niż w środku, oraz przynajmniej częściowe usunięcie grafityzowanego materiału na końcach bloku katodowego po procesie grafityzacji.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przekrój poprzeczny nawęglanego bloku katodowego zwiększa się schodkowo, przynajmniej po jednym kroku po każdej stronie w kierunku końca bloku katodowego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przekrój poprzeczny nawęglanego bloku katodowego zwiększa się w sposób ciągły od środka do końców bloku katodowego.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przekrój poprzeczny na końcach bloku katodowego jest przynajmniej o 10% większy niż przekrój w środku bloku.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że grafityzowany materiał na końcach jest usuwany obróbką skrawaniem.