RU2030045C1

RU2030045C1 - Liquid metal contact for current pick-off

Info

Publication number: RU2030045C1
Authority: RU
Inventors: С.П. Яценко; Б.Н. Смирнов; В.Н. Диев; М.П. Скачков; Н.А. Сабирзянов; Роберт Петтер
Original assignee: Яценко Сергей Павлович; Смирнов Борис Николаевич; Диев Валерий Николаевич; Сабирзянов Наиль Аделевич
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: liquid metal contact for current pick-off includes mobile and immobile parts separated with gap filled with metallic liquid. Metallic liquid is injected with component electrically negative with reference to basic components of liquid and free surface of metallic liquid is covered with layer of electrolyte presenting solution of mineral salt of injected component in mixture of water and high-molecular organic fluid. EFFECT: increased operational reliability. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в установках, в которых электрических ток передается с их неподвижных электродов на подвижные (вращающиеся), в частности для передачи сильных токов на вращающиеся катоды электролизеров, применяемых в производстве цветных металлов. The invention relates to electrical engineering and can be used in installations in which electric current is transmitted from their fixed electrodes to moving (rotating), in particular for transmitting strong currents to rotating cathodes of electrolyzers used in the production of non-ferrous metals.

Известен жидкометаллический токосъемник, в котором вращающийся электрод выполнен в виде вала и установлен с кольцевым зазором внутри неподвижного электрода, имеющего горизонтальный разъем. В данном зазоре содержится жидкий металл, герметизированный с торцов уплотнениями, сопряженными с неподвижным электродом эластичными манжетами. Уровень жидкого металла в токосъемнике ниже уровня разъема. Наличие уплотнений и эластичных манжет предотвращает разбрызгивание жидкого металла [1]. Known liquid metal current collector, in which the rotating electrode is made in the form of a shaft and is installed with an annular gap inside a fixed electrode having a horizontal connector. This gap contains liquid metal sealed at the ends with seals paired with elastic cuffs to the fixed electrode. The level of molten metal in the current collector is below the level of the connector. The presence of seals and elastic cuffs prevents splashing of liquid metal [1].

Основным недостатком этой конструкции является то, что она не обеспечивает защиту металла от воздействия окружающей среды. В результате происходят испарение металла, а также его окисление, загустевание, образование и выпадение твердого осадка. Нарушается электрический контакт за счет налипания окисной пленки на электроды, что приводит к снижению надежности устройства и увеличению потерь электроэнергии. The main disadvantage of this design is that it does not protect the metal from environmental influences. The result is the evaporation of the metal, as well as its oxidation, thickening, formation and precipitation of a solid precipitate. The electrical contact is broken due to the sticking of the oxide film on the electrodes, which leads to a decrease in the reliability of the device and an increase in energy losses.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является центробежный ртутный токосъемник, состоящий из внешнего вращающегося чашеобразного электрода (ротора), снабженного радиальными перегородками, и внутреннего неподвижного электрода (статора). В контактном зазоре между электродами помещают ртуть, свободная поверхность которой находится под слоем воды в полости ротора. Вода циркулирует по двум каналам, находящимся внутри статора и имеющим выход в полость ротора. The closest to this invention in terms of technical nature and the achieved result is a centrifugal mercury current collector, consisting of an external rotating cup-shaped electrode (rotor) equipped with radial baffles, and an internal fixed electrode (stator). Mercury is placed in the contact gap between the electrodes, the free surface of which is located under a layer of water in the rotor cavity. Water circulates through two channels located inside the stator and having access to the rotor cavity.

Вода в данном случае играет двойную роль. Во-первых, она является зазором для ртути, предотвращая ее испарение; во-вторых, охлаждает как саму ртуть, так и электроды [2] (прототип). Water in this case plays a dual role. Firstly, it is a gap for mercury, preventing its evaporation; secondly, it cools both the mercury itself and the electrodes [2] (prototype).

Такой токосъемник имеет следующие недостатки. Such a current collector has the following disadvantages.

Вода, вступая во взаимодействие с ртутью и электродами, снижает долговечность и надежность токосъемника, а испаряясь с поверхности вращающегося электрода (ротора), вызывает его усиленную коррозию и образование на нем окисной пленки. Это приводит к увеличению переходного сопротивления на границе ртуть-ротор и, соответственно, увеличению падения напряжения на контакте до 150-200 mV. При непрерывной работе в течение 300 ч колебания величины передаваемого тока достигают 10-15%. Кроме того, наличие воды исключает возможность использования других жидких металлов, кроме ртути, и ограничивает выбор материала электродов, в результате чего существенно сужается область применения токосъемника. Water, interacting with mercury and electrodes, reduces the durability and reliability of the current collector, and evaporating from the surface of a rotating electrode (rotor), causes its increased corrosion and the formation of an oxide film on it. This leads to an increase in the transition resistance at the mercury-rotor interface and, accordingly, to an increase in the voltage drop across the contact up to 150-200 mV. With continuous operation for 300 hours, the fluctuations in the magnitude of the transmitted current reach 10-15%. In addition, the presence of water excludes the possibility of using other liquid metals, except for mercury, and limits the choice of electrode material, as a result of which the scope of the current collector is significantly narrowed.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности контакта, получение стабильности токосъема и снижение расхода электроэнергии. The aim of the invention is to increase the reliability and durability of the contact, obtaining stability of the current collection and reducing energy consumption.

Цель достигается тем, что в жидкометаллическом контакте для токосъема, состоящем из подвижного (вращающегося) электрода (ротора) и неподвижного электрода (статора), причем оба электрода разделены зазором, заполненным металлической жидкостью с защитным покрытием свободной поверхности, в металлическую жидкость введен компонент, электроотрицательный по отношению к основным компонентам жидкости, а свободная поверхность металлической жидкости покрыта слоем электролита, представляющего собой раствор минеральной соли введенного компонента в смеси воды и высокомолекулярной органической жидкости, при этом в качестве металлической жидкости использована легкоплавкая эвтектика состава Ga-In-Sn, в качестве компонента, электроотрицательного по отношению к компонентам металлической жидкости, использован цинк или железо, а в качестве высокомолекулярной органической жидкости использован глицерин или этиленгликоль. The goal is achieved by the fact that in the liquid-metal contact for current collection, consisting of a movable (rotating) electrode (rotor) and a stationary electrode (stator), both electrodes are separated by a gap filled with a metal liquid with a protective coating of the free surface, a component that is electronegative is introduced into the metal liquid in relation to the main components of the liquid, and the free surface of the metal liquid is covered with a layer of electrolyte, which is a solution of the mineral salt of the introduced component and in a mixture of water and a high molecular weight organic liquid, in this case, a fusible eutectic of the composition Ga-In-Sn is used as a metal liquid, zinc or iron is used as a component electronegative with respect to the components of a metal liquid, and glycerin is used as a high molecular weight organic liquid or ethylene glycol.

На чертеже представлен жидкометаллический контакт для токосъема, продольный разрез. The drawing shows a liquid metal contact for current collection, a longitudinal section.

Жидкометаллический контакт для токосъема состоит из ротора 1, представляющего собой, например, медный или железный диск на валу 2, и статора 3, представляющего собой, например, полый полуцилиндр, изготовленный из железа, разделенных зазором 4, заполненным металлической жидкостью 5, представляющей собой легкоплавкую эвтектику Ga-In-Sn. В жидкость введен электроотрицательный по отношению к Gа, In и Sn компонент, например Zn или Fе, в количестве 0,01-1,0 мас.%. Свободная поверхность металлической жидкости покрыта слоем электролита 6, представляющего собой 1-20%-ный раствор, например, хлорида или сульфата Zn или Fе в смеси воды и органической жидкости, взятых в соотношении 1;1, например глицерина или этиленгликоля. The liquid metal contact for current collection consists of a rotor 1, which is, for example, a copper or iron disk on the shaft 2, and a stator 3, which is, for example, a hollow half-cylinder made of iron, separated by a gap 4, filled with a metal fluid 5, which is fusible Ga-In-Sn eutectic. An electronegative component with respect to Ga, In and Sn is introduced into the liquid, for example Zn or Fe, in an amount of 0.01-1.0 wt.%. The free surface of the metal liquid is covered with a layer of electrolyte 6, which is a 1-20% solution, for example, of Zn or Fe chloride or sulfate in a mixture of water and an organic liquid taken in a 1; 1 ratio, for example, glycerol or ethylene glycol.

Жидкометаллический контакт для токосъема работает следующим образом. The liquid metal contact for current collection works as follows.

Перед началом работы контакта в зазор 4 заливают металлическую жидкость 5, содержащую электроотрицательный компонент, затем заливают электролит 6, который тонким слоем покрывает свободную поверхность металлической жидкости. Before the contact starts, a metallic fluid 5 containing an electronegative component is poured into the gap 4, then an electrolyte 6 is poured, which covers the free surface of the metallic fluid with a thin layer.

При подаче тока на статор 3 образуется электрическая цепь: статор 3 - металлическая жидкость 5 - ротор 1. Ротор 1 вращается и таким образом происходит токосъем с неподвижного электрода на подвижный. В процессе работы металлическая жидкость постоянно закрыта слоем электролита 6, который предохраняет ее от воздействия окружающей среды. За счет хорошего смачивания электролит также обволакивает выходящую из зазора часть ротора 1, предохраняя ее от коррозии. Электроотрицательный компонент, например Zn, находящийся в металлической жидкости, при подаче напряжения начинает восстанавливаться на роторе 1, который служит катодом и тем самым обеспечивает его постоянную регенерацию, компенсируя процесс растворения ротора в Ga-In-Sn-эвтектике. Кроме того, электролит понижает переходное сопротивление между контактными элементами и тем самым снижает падение напряжения на токосъеме с 150-200 до 1-10 mV, что дает снижение расхода электроэнергии на 7-10 кВт. Жидкометаллический контакт обеспечивает не менее 300 ч безотказной работы со стабильностью токосъема. When current is applied to the stator 3, an electric circuit is formed: the stator 3 is a metal liquid 5 is the rotor 1. The rotor 1 rotates and thus the current is taken from the fixed electrode to the moving electrode. In the process, the metal fluid is constantly closed by a layer of electrolyte 6, which protects it from environmental influences. Due to good wetting, the electrolyte also envelops the part of the rotor 1 emerging from the gap, protecting it from corrosion. An electronegative component, for example Zn, located in a metal liquid, when voltage is applied starts to recover on the rotor 1, which serves as a cathode and thereby ensures its constant regeneration, compensating for the dissolution of the rotor in a Ga-In-Sn eutectic. In addition, the electrolyte lowers the transition resistance between the contact elements and thereby reduces the voltage drop at the current collector from 150-200 to 1-10 mV, which gives a reduction in power consumption by 7-10 kW. The liquid-metal contact provides at least 300 hours of trouble-free operation with current collection stability.

Повышение надежности и долговечности жидкометаллического контакта, получение стабильности токосъема и снижение расхода электроэнергии могут быть достигнуты только совокупностью заявленных существенных признаков. Так, испытания с ацетатом цинка в составе слоя защитного электролита дали отрицательный результат: диспергирование металлической жидкости и налипание окисных пленок на ротор. Использование в качестве органической составляющей электролита разного рода технических масел также ухудшает эксплуатационные характеристики устройства вследствие диспергирования электролита. Improving the reliability and durability of liquid-metal contact, obtaining current collector stability and reducing power consumption can be achieved only by a combination of the claimed essential features. So, tests with zinc acetate in the composition of the protective electrolyte layer gave a negative result: the dispersion of a metal liquid and the adhesion of oxide films to the rotor. The use of various kinds of technical oils as the organic component of the electrolyte also worsens the operational characteristics of the device due to the dispersion of the electrolyte.

Claims

1. LIQUID-METAL CONTACT FOR CURRENT SOCKET, consisting of a movable and fixed electrodes, both electrodes separated by a gap filled with a metal liquid with a protective coating of a free surface, characterized in that, in order to increase durability and reliability, to obtain stability of current collection and reduce energy consumption, in a metal liquid is introduced a component that is electronegative with respect to the components of the liquid, and the free surface of the metal liquid is covered with a layer of electrolyte, representing A solution of the mineral salt of the introduced component in a mixture of water and a high molecular weight organic liquid.

2. Contact for current collection according to claim 1, characterized in that a fusible eutectic of the composition Ga - In - Sn is used as a metal liquid.

3. The contact for current collection according to claim 1, characterized in that zinc or iron is used as a component electronegative with respect to the components of the metal liquid.

4. The contact for current collection according to claim 1, characterized in that glycerol or ethylene glycol is used as a high molecular weight organic liquid.