PL202934B1 - Sposób ciągłej grafityzacji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób ciągłej grafityzacji bloków katodowych mających niejednorodny rozkład przewodności elektrycznej wzdłuż ich długości, w którym przewodność na końcach bloków jest niższa od przewodności w środkowych obszarach bloków. Sposób według wynalazku jest w szczególnoś ci odpowiedni do grafityzowania bloków katodowych mających zastosowanie do elektrolitycznego wytwarzania aluminium.

W elektrolitycznym procesie wytwarzania aluminium metodą Hall-Heroul'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 niejednostajne 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.

PL 202 934 B1

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 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 zatem praktyczny sposób wytwarzania katod cechujących się zmienną rezystancją elektryczną wzdłuż długości katody.

Istotą wynalazku jest sposób ciągłej grafityzacji bloków katodowych mających niejednorodny rozkład przewodności elektrycznej wzdłuż ich długości, w którym przewodność na końcach bloków jest niższa od przewodności w środkowych obszarach bloków, który charakteryzuje się tym, że jest przeprowadzany w piecu tunelowym mającym urządzenie transportowe, śluzy cieplne przy wlocie i wylocie pieca a we wnętrzu pieca przynajmniej jedną sekcję grzewczą, której długość jest mniejsza od długości grafityzowanych bloków i której moc grzewcza zmienia się wraz z ruchem bloków w taki sposób, że grafityzowane bloki mają zróżnicowaną przewodność elektryczną wzdłuż ich długości, przy czym sekcja grzewcza zawiera urządzenie do bezpośredniego nagrzewania oporowego, w którym odległość pomiędzy przewodami zasilającymi jest mniejsza niż długość grafityzowanych bloków.

Moc elektryczna do bezpośredniego nagrzewania oporowego może zostać doprowadzona do poszczególnych bloków, przy czym korzystne jest, aby zaciski doprowadzające nie były przyłączone bezpośrednio do końców bloku ale aby moc była doprowadzana, na przykład za pośrednictwem tulei w strefach zewnętrznych.

Odległość między końcami bloków może wynosić do 10% ich długości. Możliwe jest jednak, aby moc elektryczna była doprowadzana do końców bloków lub do ich powierzchni końcowych. Dogodne jest aby za pomocą bezpośredniego nagrzewania oporowego doprowadzić taką ilość energii aby bloki osiągnęły temperaturę nie wyższą niż 2650°C, korzystnie do 2500°C, a najlepiej do 2200°C.

Według wynalazku możliwe jest także takie wprowadzenie mocy elektrycznej, wykorzystywanej do bezpośredniego nagrzewania oporowego, aby nagrzewała ona więcej niż jeden blok. Taki przykład realizacji sposobu według wynalazku odnosi się przede wszystkim do przypadków gdy moc elektryczna jest doprowadzana do poszczególnych bloków poprzez powierzchnie końcowe. Oczywiście mogą być także stosowane warunki doprowadzania energii przytoczone w poprzednim akapicie.

Dodatkowa energia konieczna do osiągnięcia temperatur wymaganych dla procesu grafityzacji może zostać dostarczona przez nagrzewanie indukcyjne lub poprzez nagrzewanie przez promieniowanie. Elementy grzewcze do tego celu powinny mieć korzystnie długość mniejszą od długości grafityzowanych bloków. Według wynalazku, długość elementu grzewczego jest równa wymiarowi wzdłuż długości bloku przeznaczonego do grafityzowania, która pracuje przy zasadniczo stałej wydajności energetycznej; w szczególności nie jest to fizyczna długość elementu grzewczego. Przykładowo, dodatkowe ciepło może być dostarczone dzięki zastosowaniu układów, złożonych z indukcyjnych elementów grzewczych mających efektywną długość nie większą niż 50% długości bloków przeznaczonych do grafityzacji. Natomiast korzystne jest aby wspomniana efektywna długość nie przekraczała 30% długości bloków, a zwłaszcza 20% ich długości. Zamiast indukcyjnych elementów grzewczych lub ich kombinacji, można wprowadzić elementy do nagrzewania przez promieniowanie, dzięki geometrii których można uzyskać takie same warunki jak w wyniku nagrzewania indukcyjnego.

Okres, w czasie którego dodatkowe elementy grzewcze są włączone oraz momenty, w których następuje ich włączanie i wyłączanie, dobiera się według wynalazku tak aby strefy środkowe (określone na podłużnym kierunku bloków) pobierały więcej energii i tym samym osiągnęły wyższą temperaturę, korzystnie o wartości co najmniej 2650°C, a nawet co najmniej 2700°C, a w szczególności temperaturę z zakresu od 2700 do 3000°C. Według wynalazku możliwe jest również niecałkowite wyłączanie

PL 202 934 B1 dodatkowych elementów grzejnych w czasie kiedy strefy końcowe bloków lub obszary im bliskie znajdują się w efektywnym obszarze działania tych elementów grzewczych. Wystarczy jedynie zredukować zużycie energii. W takim przypadku zużycie energii winno zostać zredukowane o co najmniej o 10% kiedy strefy ko ń cowe bloku wejdą w obszar dział ania dodatkowych elementów grzewczych.

Jeśli piec zawiera wiele sekcji grzewczych, korzystne jest możliwa była zmiana ich mocy w funkcji czasu, tak aby sekcja grzewcza, w której znajduje się środek grafityzowanego bloku pracowała przy mocy nominalnej, zaś sekcje grzewcze w których znajdują się końce lub segmenty bliskie końca grafityzowanego bloku pracowały przy mocy niższej o przynajmniej 5%.

Claims (6)

1. Sposób ciągłej grafityzacji bloków katodowych mających niejednorodny rozkład przewodności elektrycznej wzdłuż ich długości, w którym przewodność na końcach bloków jest niższa od przewodności w środkowych obszarach bloków, znamienny tym, że jest przeprowadzany w piecu tunelowym mającym urządzenie transportowe, śluzy cieplne przy wlocie i wylocie pieca a we wnętrzu pieca przynajmniej jedną sekcję grzewczą, której długość jest mniejsza od długości grafityzowanych bloków i której moc grzewcza zmienia się wraz z ruchem bloków w taki sposób, ż e grafityzowane bloki maj ą zróżnicowaną przewodność elektryczną wzdłuż ich długości, przy czym sekcja grzewcza zawiera urządzenie do bezpośredniego nagrzewania oporowego, w którym odległość pomiędzy przewodami zasilającymi jest mniejsza niż długość grafityzowanych bloków.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sekcja grzewcza zawiera dodatkowo urządzenie do nagrzewania indukcyjnego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sekcja grzewcza zawiera dodatkowo urządzenia do nagrzewania przez promieniowanie.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że moc strefy grzewczej jest zmniejszana o przynajmniej 10%, kiedy końce grafityzowanych bloków przechodzą przez strefę grzewczą.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że piec zawiera wiele stref grzewczych, których moc jest zmieniana w funkcji czasu, tak że przynajmniej strefa grzewcza, w której znajduje się środek grafityzowanego bloku pracuje przy mocy normalnej, zaś strefy grzewcze w których znajdują się końce lub segmenty bliskie końca grafityzowanego bloku pracują przy mocy niższej o przynajmniej 5 %.

6. Sposób według zastrz.1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że grafityzowane bloki są nawęglonymi blokami katodowymi do elektrolitycznej redukcji tlenku glinu.