UA118349C2 - Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space - Google Patents
Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space Download PDFInfo
- Publication number
- UA118349C2 UA118349C2 UAA201511662A UAA201511662A UA118349C2 UA 118349 C2 UA118349 C2 UA 118349C2 UA A201511662 A UAA201511662 A UA A201511662A UA A201511662 A UAA201511662 A UA A201511662A UA 118349 C2 UA118349 C2 UA 118349C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- cathode
- groove
- steel
- cathode block
- intermediate space
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 6
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims 4
- 241000124033 Salix Species 0.000 claims 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 claims 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 description 2
- RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N anthracen-1-ylmethanolate Chemical compound C1=CC=C2C=C3C(C[O-])=CC=CC3=CC2=C1 RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003830 anthracite Substances 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012198 metal-impregnated graphite material Substances 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 2,2,3,3,3-pentafluoropropanal Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)C=O IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
- Tires In General (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
Description
Цей винахід стосується катодного блока для алюмінієвого електролізера, його використання, а також катода, що його містить.This invention relates to a cathode block for an aluminum electrolyzer, its use, and a cathode containing it.
Електролізери використовують, наприклад, для електролітичного отримання алюмінію, яке в промисловому масштабі звичайно здійснюють відповідно до процесу Хола-Еру. Під час процесуElectrolyzers are used, for example, for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out on an industrial scale according to the Hall-Eru process. During the process
Хола-Еру розплавлену суміш оксиду алюмінію й кріоліту піддають електролізу. Кріоліт Маз(АїІЕв при цьому використовують для зниження температури плавлення, що становить 2045 "С для чистого оксиду алюмінію, до приблизно 950 "С для суміші, яка містить кріоліт, оксид алюмінію й додаткові речовини, такі як фторид алюмінію й фторид кальцію.Hola-Eru, a molten mixture of aluminum oxide and cryolite is subjected to electrolysis. Cryolite Maz(AiIEv) is used to lower the melting point, which is 2045 "C for pure aluminum oxide, to approximately 950 "C for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additional substances, such as aluminum fluoride and calcium fluoride.
Електролізер, який використовують у цьому процесі, містить катодне дно, що складається з множини суміжних катодних блоків (наприклад, до 28), що утворюють катод. Проміжні простори між катодними блоками при цьому зазвичай заповнюють вуглецевою набивною подовою масою для ізоляції катода від розплавлених компонентів електролізера й для компенсації механічних напружень, що виникають під час експлуатації електролізера. Катодні блоки зазвичай виготовлені з вуглецевого матеріалу, такого як графіт, щоб витримувати температурні й хімічні умови, що переважають під час експлуатації електролізера. Нижні сторони катодних блоків зазвичай мають пази, у кожному з яких розташовані одна або дві шини, через які розряджається струм, що подається через аноди. При цьому проміжні простори між шинами й стінками окремих катодних блоків, що обмежують пази, часто заповнюють чавуном таким чином, що покриття шин чавуном, створене в такий спосіб, з'єднує шини з катодними блоками електрично й механічно.The electrolyzer used in this process contains a cathode bottom consisting of a plurality of contiguous cathode blocks (eg, up to 28) forming a cathode. In this case, the intermediate spaces between the cathode blocks are usually filled with a carbon filling material to insulate the cathode from the molten components of the electrolyzer and to compensate for the mechanical stresses that occur during the operation of the electrolyzer. Cathode blocks are usually made of a carbon material such as graphite to withstand the temperature and chemical conditions prevailing during electrolyser operation. The lower sides of the cathode blocks usually have grooves, in each of which there are one or two buses, through which the current supplied through the anodes is discharged. At the same time, the intermediate spaces between the tires and the walls of individual cathode blocks, which limit the grooves, are often filled with cast iron in such a way that the coating of tires with cast iron, created in this way, connects the tires to the cathode blocks electrically and mechanically.
Приблизно на 3-5 см вище шару рідкого алюмінію на верхній стороні катода, який зазвичай має товщину від 15 до 50 см, розміщено анод, зокрема утворений з окремих анодних блоків.Approximately 3-5 cm above the layer of liquid aluminum on the upper side of the cathode, which usually has a thickness of 15 to 50 cm, an anode is placed, in particular, formed from separate anode blocks.
Електроліт, іншими словами, розплавлену масу, що містить оксид алюмінію й кріоліт, розташовано між анодом і поверхнею алюмінію. У процесі електролізу, який здійснюється приблизно за 1000 "С, алюміній, утворений у такий спосіб, є густішим, ніж електроліт, і тому осаджується під шаром електроліту, іншими словами, утворюється проміжний шар між верхньою стороною катода й шаром електроліту. Під час електролізу оксид алюмінію, розчинений у розплавленій масі, під дією електричного струму розпадається на алюміній і кисень. З електрохімічного погляду шар рідкого алюмінію фактично є катодом, оскільки іони алюмінію відновлюються на його поверхні до елементарного алюмінію. Проте надалі термінElectrolyte, in other words, a molten mass containing aluminum oxide and cryolite, is located between the anode and the aluminum surface. In the process of electrolysis, which is carried out at about 1000 "C, the aluminum formed in this way is denser than the electrolyte and is therefore deposited under the electrolyte layer, in other words, an intermediate layer is formed between the upper side of the cathode and the electrolyte layer. During electrolysis, the oxide aluminum, dissolved in the molten mass, is decomposed into aluminum and oxygen under the action of an electric current. From an electrochemical point of view, the layer of liquid aluminum is actually a cathode, since the aluminum ions are reduced on its surface to elemental aluminum. However, hereafter the term
Зо "катод" буде стосуватися не катода з електрохімічного погляду (іншими словами, не шару рідкого алюмінію), а компонента, що складається, наприклад, з одного або більше катодних блоків і утворює дно електролізера.The "cathode" will not refer to a cathode from an electrochemical point of view (in other words, not a layer of liquid aluminum), but to a component consisting, for example, of one or more cathode blocks and forming the bottom of an electrolyzer.
Основним недоліком катодних конструкцій, що використовуються в процесі Хола-Еру, є їхня порівняно низька зносостійкість, яка проявляється у видаленні матеріалу з поверхонь катодного блока під час електролізу. При цьому, через неоднорідний розподіл струму всередині катодних блоків матеріал із поверхонь катодних блоків видаляється вздовж довжини катодних блоків не рівномірно, а більше на кінцях катодних блоків, у результаті чого після продовження електролізу протягом певного періоду часу поверхні катодних блоків набувають Уу-подібного профілю.The main disadvantage of the cathode structures used in the Hall-Heru process is their relatively low wear resistance, which is manifested in the removal of material from the surfaces of the cathode block during electrolysis. At the same time, due to the non-homogeneous distribution of the current inside the cathode blocks, the material is removed from the surfaces of the cathode blocks not uniformly along the length of the cathode blocks, but rather at the ends of the cathode blocks, as a result of which after the electrolysis continues for a certain period of time, the surfaces of the cathode blocks acquire a Uu-like profile.
Через нерівномірне видалення матеріалу з поверхонь катодних блоків експлуатаційний ресурс катодних блоків обмежений місцями з найбільшим видаленням матеріалу.Due to the uneven removal of material from the surfaces of the cathode blocks, the operating life of the cathode blocks is limited to the places with the greatest removal of material.
З метою вирішення цієї проблеми у МО 2007/118510 А? запропоновано катодний блок із пазом, призначеним для розміщення однієї або більше шин, який відносно довжини катодного блока має більшу глибину в центрі, ніж на кінцях катодного блока. У процесі експлуатації електролізера це призводить до по суті однорідного вертикального розподілу струму по довжині катодного блока, у результаті чого підвищене зношування на кінцях катодного блока зменшується і, таким чином, термін служби катода подовжується. При цьому шина(-и) покрита(- її чавуном у звичайний спосіб, причому це покриття здійснюють шляхом заливання рідкого чавуну в проміжний простір між пазом і шиною(-ами). Однак у катодного блока цього типу є недоліки. Під час заливання рідкого чавуну в проміжний простір між пазом і шиною(-ами) і після цього, під час експлуатації електролізера, що містить катодний блок, і після цього, під час вимкнення й наступного повторного пуску електролізера і після цього катодний блок піддається впливу порівняно великих змін температури, що призводить до розширення або стиснення чавуну й шини(шин) відносно катодного блока. Цей ефект розширення або стиснення може бути посилений температурними градієнтами, які виникають. Необхідно розуміти, що подальше використання фрази "велика(-ї) зміна(-и) температури" означає, що присутній або присутні один або обидва зазначені ефекти, іншими словами, розширення/стиснення або температурний градієнт. Оскільки чавун і матеріал шини(шин) мають вищий коефіцієнт теплового розширення, ніж матеріал катодного блока, під час підвищення температури чавун і шина(шини) розширюються відносно катодного блока, тоді як зниження температури призводить до їхнього бо стиснення відносно катодного блока. Це призводить до погіршення електричного контакту між шиною, чавуном і катодним блоком, особливо у випадку звичайних пазів із прямокутним поперечним перерізом, а це, у свою чергу, призводить до підвищення електричного опору конструкції і, таким чином, до недостатньої енергоефективності електролітичного процесу. Крім цього, перед заливанням рідкого чавуну в проміжний простір між пазом і шиною(-ами), зазначена(-ї) шина(-и) може(-уть) рухатися не тільки по вертикалі, а й по горизонталі таким чином, що вони можуть безконтрольно переміщатися в пазі під час заливання рідкого чавуну, а потім під час охолодження й затвердіння чавуну. Це також може призвести до нерівномірного електричного контакту між шиною, чавуном і катодним блоком. Це також призводить до підвищення електричного опору конструкції і, таким чином, до недостатньої енергоефективності процесу електролізу. Замість чавуну можна також використовувати набивну подову масу. Як набивну подову масу можна використовувати набивні подові маси на основі антрациту, графіту або будь-яку їхню суміш. Переважно використовують набивну подову масу на основі графіту.In order to solve this problem in MO 2007/118510 A? provided a cathode block with a groove designed to accommodate one or more busbars which, relative to the length of the cathode block, has a greater depth in the center than at the ends of the cathode block. In the process of operation of the electrolyzer, this leads to an essentially uniform vertical distribution of current along the length of the cathode block, as a result of which increased wear at the ends of the cathode block is reduced and, thus, the life of the cathode is extended. At the same time, the tire(s) is covered with cast iron in the usual way, and this coating is carried out by pouring liquid iron into the intermediate space between the groove and the tire(s). However, the cathode block of this type has disadvantages. When pouring liquid iron into the interspace between the groove and the busbar(s) and thereafter, during operation of the electrolyzer containing the cathode unit, and thereafter, during shutdown and subsequent re-start of the electrolyzer and thereafter, the cathode unit is exposed to relatively large temperature changes, which causes the cast iron and busbar(s) to expand or contract relative to the cathode block. This expansion or compression effect may be exacerbated by the temperature gradients that occur. It should be understood that further use of the phrase "large temperature change(s)" means , that one or both of these effects, in other words, expansion/compression or temperature gradient, is present or present.Because cast iron and the tire material(s) have a higher thermal coefficient o expansion than the material of the cathode block, when the temperature rises, the cast iron and tire(s) expand relative to the cathode block, while a decrease in temperature leads to their compression relative to the cathode block. This leads to a deterioration of the electrical contact between the busbar, the cast iron and the cathode block, especially in the case of conventional grooves with a rectangular cross-section, and this, in turn, leads to an increase in the electrical resistance of the structure and, thus, to insufficient energy efficiency of the electrolytic process. In addition, before pouring the molten iron into the space between the groove and the tire(s), said tire(s) can move not only vertically but also horizontally in such a way that they can to move uncontrollably in the groove during the pouring of liquid iron and then during the cooling and solidification of the iron. It can also result in uneven electrical contact between the bus, cast iron, and cathode block. This also leads to an increase in the electrical resistance of the structure and, thus, to insufficient energy efficiency of the electrolysis process. Instead of cast iron, you can also use compacted floor mass. Anthracite-based, graphite-based or any of their mixtures can be used as a filling material. Predominantly, graphite-based compacted soil mass is used.
Необхідно розуміти, що коли надалі згадується чавун, його можна замінити набивною подовою масою, навіть якщо це кожного разу не зазначено явно.It should be understood that when cast iron is mentioned in the future, it can be replaced with a filling material, even if this is not explicitly stated in each case.
Таким чином, завданням цього винаходу є створення катодного блока, який, зокрема, підходить для використання в алюмінієвому електролізері, у якому досягається по суті однорідний вертикальний розподіл струму вздовж довжини катодного блока під час експлуатації електролізера, і який також навіть за великих змін температури має низький питомий електричний опір і, зокрема, протягом тривалого періоду електролізу постійно низький питомий електричний опір і низький перехідний опір між шиною й катодним блоком, і який у випадку великих змін температури є стійким до механічного пошкодження, такого як розтріскування.Thus, the task of the present invention is to create a cathode block which, in particular, is suitable for use in an aluminum electrolyzer, in which an essentially uniform vertical distribution of current is achieved along the length of the cathode block during the operation of the electrolyzer, and which also, even with large temperature changes, has a low specific electrical resistance and, in particular, during a long period of electrolysis, a continuously low specific electrical resistance and a low transient resistance between the bus and the cathode block, and which, in case of large temperature changes, is resistant to mechanical damage such as cracking.
Згідно з цим винаходом це завдання вирішується за допомогою катодного блока для алюмінієвого електролізера на основі вуглецю й/або графіту, причому цей катодний блок має щонайменше один паз, що проходить у поздовжньому напрямку катодного блока, причому щонайменше один із цього щонайменше одного паза має змінну глибину, якщо дивитися вздовж довжини катодного блока, і щонайменше в одному пазі розташована щонайменше одна шина, причому проміжний простір між цією щонайменше однією шиною й стінкою, що обмежує цей щонайменше один паз зі змінною глибиною, щонайменше частково заповнений сталлю. У межах цього винаходу замість сталі також можна використовувати інший відповідний метал, такий як, наприклад, інші метали, такі як мідь або срібло, сплави, композиційні матеріали зі згаданих вище матеріалів, такі як, наприклад, сталеві тіла з мідним осердям, композиційні матеріали, такі як, наприклад, просочені металом графітові або вуглецеві матеріали або електропровідні маси. Як метал у вказаних просочених металом графітових або вуглецевих матеріалах можна використовувати будь-який метал із температурою плавлення, вищою ніж температура експлуатації електролізера, яка становить приблизно 1000. Мідь із температурою плавлення 1080 "С являє собою метал, якому надається перевага. Частка металу в композиційному матеріалі може становити 40-90 95 за масою. Вуглець у композиційному матеріалі може являти собою антрацит, і графітовий композиційний матеріал може містити як графіт графітизований або графітовий вуглець. Надалі термін "сталь" буде вживатися в цьому значенні відносно всіх цих матеріалів.According to the present invention, this task is solved with a cathode block for an aluminum electrolyzer based on carbon and/or graphite, and this cathode block has at least one groove running in the longitudinal direction of the cathode block, and at least one of this at least one groove has a variable depth , as viewed along the length of the cathode block, and at least one busbar is located in at least one groove, the space between the at least one busbar and a wall delimiting the at least one variable depth groove being at least partially filled with steel. Within the scope of the present invention, instead of steel, another suitable metal can also be used, such as, for example, other metals such as copper or silver, alloys, composite materials from the above-mentioned materials, such as, for example, steel bodies with a copper core, composite materials, such as, for example, metal-impregnated graphite or carbon materials or conductive masses. Any metal with a melting point higher than the operating temperature of the electrolyzer, which is about 1000, can be used as the metal in the specified metal-impregnated graphite or carbon materials. Copper, with a melting point of 1080 "C, is a preferred metal. The proportion of metal in the composite material may be 40-90 95 by weight. The carbon in the composite material may be anthracite, and the graphite composite material may contain either graphitized graphite or graphitic carbon. Hereinafter, the term "steel" will be used in this sense to refer to all of these materials.
Відповідно до винаходу було виявлено, що завдяки щонайменше частковому заповненню проміжного простору, який (через встановлення брускоподібної шини в паз катодного блока, де вказаний паз має змінну глибину, якщо дивитися вздовж довжини катодного блока) утворюється між шиною й стінкою, що обмежує щонайменше один паз зі змінною глибиною, катодна конструкція створюється в простий і економічний спосіб зі сталі, яка, через паз зі змінною глибиною вздовж довжини катодної конструкції, відрізняється по суті однорідним вертикальним розподілом струму і водночас має, незважаючи на шину зі змінною глибиною, постійно низький електричний опір і низький перехідний опір між шиною й катодним блоком, і яка у випадку великих змін температури залишається стійкою до механічного пошкодження, такого як розтріскування. У катодних конструкціях, відомих у цій галузі, додатковий об'єм проміжного простору, що виникає у випадку використання традиційної брускоподібної шини через глибину паза, яка змінюється вздовж довжини катодного блока, повністю або частково заповнюють чавуном. Однак більша кількість чавуну означає вище теплове навантаження під час заливання чавуну, і це призводить до підвищення теплових напружень, через які в катодному блоці можуть утворюватися тріщини, зокрема такі що в деяких випадках не утворюються до стадії проведення електролізу, що може призвести до погіршення експлуатаційних характеристик або навіть передчасного виходу з ладу всього електролізера. Крім того, такий об'ємний шар чавуну призводить до недостатнього електричного контакту між шиною й катодним блоком через проміжний чавун, оскільки чавунний шар з часу його затвердіння й до початку експлуатації бо електролізера піддається чистому стисненню, оскільки температура експлуатації електролізераIn accordance with the invention, it has been found that by at least partially filling the interspace which (by fitting a bar-shaped busbar in the groove of the cathode block, said groove having a variable depth when viewed along the length of the cathode block) is formed between the busbar and a wall delimiting at least one groove with variable depth, the cathode structure is created in a simple and economical way from steel, which, due to the groove with variable depth along the length of the cathode structure, is characterized by an essentially uniform vertical distribution of current and at the same time has, despite the bus with variable depth, a constantly low electrical resistance and low transition resistance between the bus and the cathode block, and which remains resistant to mechanical damage such as cracking in case of large temperature changes. In cathode designs known in the art, the additional volume of the intermediate space that occurs in the case of using a traditional bar-shaped bus due to the depth of the groove, which varies along the length of the cathode block, is completely or partially filled with cast iron. However, a larger amount of cast iron means a higher heat load during cast iron casting, and this leads to increased thermal stresses, due to which cracks can form in the cathode block, in particular cracks that in some cases do not form before the electrolysis stage, which can lead to a deterioration in performance or even premature failure of the entire electrolyzer. In addition, such a volume layer of cast iron leads to insufficient electrical contact between the bus and the cathode block through the intermediate cast iron, since the cast iron layer from the time of its solidification and before the start of operation of the electrolyzer is subjected to pure compression, since the operating temperature of the electrolyzer
(850-950 "С) значно нижча, ніж температура затвердіння чавуну (приблизно 1150 "С). Треба визнати, що в М/О 2007/118510 А? вже було запропоновано подолання цих недоліків шляхом щонайменше часткового заповнення проміжного простору сталевими пластинами або навіть шляхом використання шини, геометрія якої відповідає формі паза. Однак ці рішення пов'язані зі збільшенням витрат, які стосуються технології процесу. Крім того, зокрема, виготовлення шин із геометрією, що відповідає формі паза, є дорогим. У випадку заповнення проміжного простору відповідно до цього винаходу сталлю, іншими словами, матеріалом, з якого виготовляють традиційні шини, цей матеріал поводиться як шина у випадку змін температури й, зокрема, під час різких змін температури, таким чином відбувається надійне запобігання стисненню й, відповідно, погіршенню електричного контакту в проміжному просторі. Проміжний простір можна заповнювати одним або більше матеріалами-заповнювачами зі сталі, які можуть виготовлятися окремо шляхом лиття, вальцювання, розмелювання або інших придатних способів формування.(850-950 "C) is much lower than the solidification temperature of cast iron (approximately 1150 "C). It must be admitted that in M/O 2007/118510 A? it has already been proposed to overcome these disadvantages by at least partially filling the interspace with steel plates or even by using a tire whose geometry corresponds to the shape of the groove. However, these solutions are associated with increased costs related to process technology. In addition, in particular, manufacturing tires with geometry that matches the groove shape is expensive. In the case of filling the intermediate space in accordance with the present invention with steel, in other words, the material from which traditional tires are made, this material behaves like a tire in the event of temperature changes and, in particular, during sudden temperature changes, thus reliably preventing compression and, accordingly , deterioration of electrical contact in the intermediate space. The interstitial space may be filled with one or more steel filler materials, which may be manufactured separately by casting, rolling, grinding, or other suitable forming methods.
Це означає, що рішення відповідно до цього винаходу можна реалізувати в особливо простий, швидкий і економний спосіб.This means that the solution according to the present invention can be implemented in a particularly simple, fast and economical way.
Відповідно до переважного варіанта втілення цього винаходу, щонайменше 50 95 проміжного простору заповнюють сталлю, переважно щонайменше 75 95, особливо переважно щонайменше 90 95, більш переважно щонайменше 95 95, ще більш переважно 98 95 і найбільш переважно 100 9.According to the preferred embodiment of the present invention, at least 50 95 of the intermediate space is filled with steel, preferably at least 75 95, especially preferably at least 90 95, more preferably at least 95 95, even more preferably 98 95 and most preferably 100 9.
Для розвитку ідеї цього винаходу пропонується, щоб сталь, якою щонайменше частково заповнюють проміжний простір, переважно була такою ж, як та, з якої складається щонайменше одна шина. У цьому випадку коефіцієнти теплового розширення цих двох матеріалів є однаковими, таким чином механічні напруження між шиною й сталлю, якою щонайменше частково заповнено проміжний простір, надійно зводяться до мінімуму під час нагрівання для встановлення температури експлуатації електролізера.For the development of the idea of the present invention, it is proposed that the steel with which the intermediate space is at least partially filled should preferably be the same as the one from which at least one tire is made. In this case, the coefficients of thermal expansion of these two materials are the same, so the mechanical stresses between the tire and the steel, which at least partially fills the interspace, are reliably minimized during heating to establish the operating temperature of the electrolyzer.
У цьому винаході як матеріал для шин і формованих тіл, що заповнюють проміжний простір, переважно використовують сталь із дуже високою електропровідністю. Ця сталь відрізняється, наприклад, низьким вмістом вуглецю « 0,1 95, вмістом кремнію « 0,1 95 ії вмістом фосфору « 0,05 9о.In the present invention, steel with very high electrical conductivity is preferably used as the material for the tires and molded bodies filling the intermediate space. This steel differs, for example, in its low carbon content of 0.195%, silicon content of 0.195%, and phosphorus content of 0.059%.
Відповідно до варіанта втілення цього винаходу, якому надається особлива перевага,According to an embodiment of the present invention, which is given a special advantage,
Зо щонайменше 50 96 проміжного простору заповнюють сталлю, переважно щонайменше 75 95, особливо переважно щонайменше 90 95, ще більш переважно щонайменше 95 95, найбільш переважно 98 95, і вводять чавун між сталлю й стінкою, що обмежує щонайменше один паз зі змінною глибиною. Чавун утворює добре механічне з'єднання між сталлю, якою щонайменше частково заповнено проміжний простір, і щонайменше однією шиною з одного боку, і з катодним блоком катодної конструкції - з іншого, причому завдяки сталі, якою щонайменше на 50 95 і переважно щонайменше на 90 95 заповнено проміжний простір, потрібні порівняно невеликі кількості чавуну, щоб щонайменше до максимально можливого ступеня подолати описані раніше недоліки, що стосуються заповнення проміжного простору повністю чавуном.Of at least 50 96 of the intermediate space is filled with steel, preferably at least 75 95, especially preferably at least 90 95, even more preferably at least 95 95, most preferably 98 95, and cast iron is introduced between the steel and the wall, delimiting at least one groove with variable depth. Cast iron forms a good mechanical connection between the steel, with which the intermediate space is at least partially filled, and at least one bus on one side, and with the cathode block of the cathode structure - on the other, thanks to the steel, which is at least 50 95 and preferably at least 90 95 interstitial space is filled, relatively small quantities of cast iron are required to overcome, at least to the greatest extent possible, the previously described disadvantages of filling the interstitial space entirely with cast iron.
Відповідно до додаткового варіанта втілення цього винаходу, щонайменше 50 95 проміжного простору заповнюють сталлю, переважно щонайменше 7595 і особливо переважно щонайменше 90 95, причому одну або більше сталевих пластин або куль розміщують між шиною й стінкою, що обмежує щонайменше один паз зі змінною глибиною.According to an additional variant of the embodiment of the present invention, at least 50 95 of the intermediate space is filled with steel, preferably at least 7595 and especially preferably at least 90 95, and one or more steel plates or balls are placed between the tire and the wall, which limits at least one groove with variable depth.
Для досягнення особливо рівномірного вертикального розподілу густини струму на поверхні катодного блока під час електролітичного процесу, для розвитку ідеї винаходу пропонується, щоб щонайменше один із цього щонайменше одного паза або переважно всі пази зі змінною глибиною мав(мали) на своїх поздовжніх кінцях меншу глибину, ніж у центрі(-ах). Таким чином, рівномірний розподіл електричного струму, що подається під час проведення електролізу, досягається вздовж усієї довжини катодного блока, у результаті чого можна уникнути надмірно високої густини електричного струму на поздовжніх кінцях катодного блока і, таким чином, запобігти передчасному зношуванню на кінцях катодного блока. Такий рівномірний розподіл густини струму вздовж довжини катодного блока дозволяє уникати переміщень у розплаві алюмінію, спричинених взаємодією електромагнітних полів у процесі електролізу, завдяки чому стає можливим розташувати анод на меншій висоті над поверхнею розплаву алюмінію. Це знижує електричний опір між анодом і розплавом алюмінію й підвищує енергоефективність здійснюваного електролізу розплавлених солей.In order to achieve a particularly uniform vertical distribution of the current density on the surface of the cathode block during the electrolytic process, for the development of the idea of the invention, it is proposed that at least one of this at least one groove or preferably all grooves with variable depth have (have) at their longitudinal ends a depth less than in the center(s). Thus, a uniform distribution of the electric current supplied during electrolysis is achieved along the entire length of the cathode block, as a result of which it is possible to avoid an excessively high density of electric current at the longitudinal ends of the cathode block and thus prevent premature wear at the ends of the cathode block. Such a uniform distribution of current density along the length of the cathode block avoids movements in the aluminum melt caused by the interaction of electromagnetic fields during the electrolysis process, which makes it possible to place the anode at a lower height above the surface of the aluminum melt. This reduces the electrical resistance between the anode and the aluminum melt and increases the energy efficiency of the electrolysis of molten salts.
Переважно кожен з щонайменше одного паза має поперечний переріз, який є щонайменше по суті прямокутним, переважно є прямокутним.Preferably, each of the at least one groove has a cross-section that is at least substantially rectangular, preferably rectangular.
Однаковою мірою бажано, щоб щонайменше одна шина була щонайменше по суті кубоподібною або брускоподібною, переважно кубоподібною або брускоподібною. 60 Відповідно до варіанта втілення цього винаходу, якому надається перевага, таким чином можна отримати катодний блок відповідно до цього винаходу, і особливу перевагу надає отримання катодного блока з щонайменше одним пазом зі змінною глибиною, якщо дивитися вздовж довжини катодного блока, у якому щонайменше одну переважно брускоподібну шину вставлено в щонайменше один паз, і проміжний простір між щонайменше однією шиною й стінкою, що обмежує цей щонайменше один паз зі змінною глибиною, щонайменше частково заповнений одним або більше формованими тілами зі сталі.It is equally desirable that at least one tire is at least substantially cube-shaped or bar-shaped, preferably cube-shaped or bar-shaped. 60 According to a preferred embodiment of the present invention, a cathode block according to the present invention can thus be obtained, and it is particularly preferred to obtain a cathode block with at least one groove of variable depth, as viewed along the length of the cathode block, wherein at least one preferably the bar-shaped busbar is inserted into the at least one groove, and the interspace between the at least one busbar and the wall delimiting the at least one variable-depth groove is at least partially filled with one or more molded bodies of steel.
У цьому варіанті втілення із зазначених вище причин особливу перевагу надає заповнення лише частини проміжного простору одним або більше формованими тілами зі сталі, наприклад, щонайменше на 50 95, переважно щонайменше на 75 95 і особливо переважно щонайменше на 90 95, і розміщення між ними й стінкою катодного блока, що обмежує щонайменше один паз зі змінною глибиною, розплавленого чавуну, і надавання розплавленому чавуну можливості затвердіти.In this variant of the embodiment, for the reasons indicated above, it is particularly advantageous to fill only a part of the intermediate space with one or more shaped bodies made of steel, for example, at least 50 95, preferably at least 75 95 and especially preferably at least 90 95, and placing between them and the wall a cathode block delimiting at least one groove of variable depth, the molten iron, and allowing the molten iron to solidify.
Додатковим предметом цього винаходу є катодна конструкція, яка містить щонайменше один описаний вище катодний блок.An additional subject of the present invention is a cathode structure that contains at least one cathode block described above.
Нарешті, цей винахід стосується використання описаної вище катодної конструкції для проведення електролізу розплавлених солей з отриманням металу, переважно з отриманням алюмінію.Finally, this invention relates to the use of the cathode structure described above for the electrolysis of molten salts to obtain metal, preferably aluminum.
Далі цей винахід буде описано виключно шляхом прикладу з використанням переважного варіанта втілення і з посиланням на доданий рисунок.In the following, this invention will be described solely by way of example using the preferred embodiment and with reference to the attached drawing.
У цьому документі: на Фіг. 1 показано поздовжній переріз катодної конструкції згідно з варіантом втілення цього винаходу.In this document: in Fig. 1 shows a longitudinal section of the cathode structure according to an embodiment of the present invention.
На Фіг. 1 показано поздовжній переріз перевернутої катодної конструкції 12" згідно з варіантом втілення цього винаходу. Катодна конструкція 12" містить катодний блок 20, на дні якого знаходиться паз 26, глибина якого змінюється вздовж довжини паза 26, а саме: таким чином, що паз 26 має меншу глибину на його подовжньому кінці, ніж у центрі. Різниця між глибиною паза на поздовжніх кінцях паза 26 і в центрі (відносно поздовжнього напрямку катодного блока) паза 26 у цьому ілюстративному варіанті втілення становить приблизно 5 см.In Fig. 1 shows a longitudinal section of an inverted cathode structure 12" according to an embodiment of the present invention. The cathode structure 12" contains a cathode block 20, at the bottom of which there is a groove 26, the depth of which varies along the length of the groove 26, namely: in such a way that the groove 26 has less depth at its longitudinal end than in the center. The difference between the depth of the groove at the longitudinal ends of the groove 26 and in the center (relative to the longitudinal direction of the cathode block) of the groove 26 in this illustrative embodiment is approximately 5 cm.
При цьому глибина паза 26 на двох поздовжніх кінцях паза 26 становить приблизно 16 см, тодіAt the same time, the depth of the groove 26 at the two longitudinal ends of the groove 26 is approximately 16 cm, then
Зо як з іншого боку глибина паза 26 у центрі (відносно поздовжнього напрямку катодного блока) паза 26 становить приблизно 21 см. Ширина 44 кожного паза 26 є по суті постійною вздовж усієї довжини паза й дорівнює приблизно 15 см, тоді як з іншого боку ширина 46 катодних блоків 20 у кожному випадку дорівнює приблизно 42 см. Брускоподібна шина 28 із прямокутним поздовжнім перерізом розташована в пазі 26, причому між шиною 28 і дном 34 паза є проміжний простір 56, який збільшується в напрямку центра паза 26. Відповідно до цього винаходу цей проміжний простір 56 щонайменше частково, а у випадку, показаному на Фіг. 1, -- повністю, заповнений сталлю, а саме: такою ж сталлю, як та, з якої виготовлено шину 28.On the other hand, the depth of the groove 26 in the center (relative to the longitudinal direction of the cathode block) of the groove 26 is approximately 21 cm. The width 44 of each groove 26 is substantially constant along the entire length of the groove and is approximately 15 cm, while on the other hand the width 46 of the cathode blocks 20 in each case is approximately 42 cm. A bar-like bus 28 with a rectangular longitudinal section is located in the groove 26, and between the bus 28 and the bottom 34 of the groove there is an intermediate space 56, which increases in the direction of the center of the groove 26. According to the present invention, this intermediate space space 56 at least partially, and in the case shown in Fig. 1, -- completely filled with steel, namely: the same steel as that from which tire 28 is made.
Список посилальних позицій 12,12 катодна конструкція 20 катодний блок 26 паз 28 шина 34 нижня стінка 56 проміжний простірList of reference items 12,12 cathode structure 20 cathode block 26 groove 28 tire 34 lower wall 56 intermediate space
Claims (8)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013207738.6A DE102013207738A1 (en) | 2013-04-26 | 2013-04-26 | Cathode block with a groove of varying depth and filled gap |
| PCT/EP2014/058554 WO2014174108A1 (en) | 2013-04-26 | 2014-04-28 | Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA118349C2 true UA118349C2 (en) | 2019-01-10 |
Family
ID=50624578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA201511662A UA118349C2 (en) | 2013-04-26 | 2014-04-28 | Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2989234A1 (en) |
| JP (1) | JP6612737B2 (en) |
| CN (1) | CN105247110A (en) |
| CA (1) | CA2910088C (en) |
| DE (1) | DE102013207738A1 (en) |
| RU (1) | RU2642815C2 (en) |
| UA (1) | UA118349C2 (en) |
| WO (1) | WO2014174108A1 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA3031708C (en) | 2016-07-26 | 2022-08-23 | Cobex Gmbh | Cathode assembly for the production of aluminum |
| GB2595460A (en) * | 2020-05-26 | 2021-12-01 | Dubai Aluminium Pjsc | Cathode assembly with metallic collector bar systems for electrolytic cell suitable for the Hall-Héroult process |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2318244A1 (en) * | 1975-07-17 | 1977-02-11 | Savoie Electrodes Refactaires | PROCESS FOR JOINING METAL BARS WITH CARBON BLOCKS |
| JPS55141587A (en) * | 1979-04-24 | 1980-11-05 | Nikkei Giken:Kk | Jointing method of current-collecting bar to cathode carbon block of aluminum electrolysis furnace |
| GB8331769D0 (en) * | 1983-11-29 | 1984-01-04 | Alcan Int Ltd | Aluminium reduction cells |
| RU2060303C1 (en) * | 1994-02-05 | 1996-05-20 | Акционерное общество открытого типа "Братский алюминиевый завод" | Hearth section of aluminum electrolyzer |
| DE69532052T2 (en) * | 1994-09-08 | 2004-08-19 | Moltech Invent S.A. | Horizontal cathode surface drained with recessed grooves for aluminum electrical extraction |
| JP3806653B2 (en) * | 2002-02-06 | 2006-08-09 | 株式会社神戸製鋼所 | Steel for electrical parts excellent in cold forgeability and electrical conductivity, electrical parts excellent in electrical conductivity, and manufacturing method thereof |
| RU2303654C2 (en) * | 2005-10-07 | 2007-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" | Mounting method for cathode section |
| EP1845174B1 (en) * | 2006-04-13 | 2011-03-02 | SGL Carbon SE | Cathodes for aluminium electrolysis cell with non-planar slot design |
| DE102010039638B4 (en) * | 2010-08-23 | 2015-11-19 | Sgl Carbon Se | Cathode, apparatus for aluminum extraction and use of the cathode in aluminum production |
| BRPI1004950A2 (en) * | 2010-09-03 | 2012-07-03 | Incotep Ind E Com De Tubos Especiais De Precisao Ltda | low carbon steel composition for electric conduction purposes in electrolytically reduced reduction tanks |
| DE102010041082A1 (en) * | 2010-09-20 | 2012-03-22 | Sgl Carbon Se | Cathode for electrolysis cells |
| DE102011004011A1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-08-16 | Sgl Carbon Se | Cathode assembly having a surface profiled cathode block with a graphite foil-lined groove of variable depth |
-
2013
- 2013-04-26 DE DE102013207738.6A patent/DE102013207738A1/en not_active Withdrawn
-
2014
- 2014-04-28 RU RU2015150377A patent/RU2642815C2/en active
- 2014-04-28 UA UAA201511662A patent/UA118349C2/en unknown
- 2014-04-28 JP JP2016509497A patent/JP6612737B2/en active Active
- 2014-04-28 CN CN201480023606.5A patent/CN105247110A/en active Pending
- 2014-04-28 WO PCT/EP2014/058554 patent/WO2014174108A1/en active Application Filing
- 2014-04-28 CA CA2910088A patent/CA2910088C/en active Active
- 2014-04-28 EP EP14720118.0A patent/EP2989234A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2642815C2 (en) | 2018-01-26 |
| DE102013207738A1 (en) | 2014-10-30 |
| JP2016520720A (en) | 2016-07-14 |
| WO2014174108A1 (en) | 2014-10-30 |
| JP6612737B2 (en) | 2019-11-27 |
| RU2015150377A (en) | 2017-06-02 |
| CN105247110A (en) | 2016-01-13 |
| CA2910088A1 (en) | 2014-10-30 |
| CA2910088C (en) | 2018-01-23 |
| EP2989234A1 (en) | 2016-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2364663C2 (en) | Cathodic element for equipping electrolyser, intended for aluminium processing | |
| AU2007323164B2 (en) | Electrolysis cell for the production of aluminium comprising means to reduce the voltage drop | |
| WO2011148347A1 (en) | Hall-heroult cell cathode design | |
| WO2012003649A1 (en) | Aluminum electrolytic cell having cathode carbon block with columnar protrusions embedded on its upper surface | |
| CN102449202B (en) | The application in the electrolysis bath producing aluminum of cathode bottom, the production method of cathode bottom and this cathode bottom | |
| AU2012215568A1 (en) | Cathode assembly and cathode block having a groove with a guide recess | |
| UA118349C2 (en) | Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space | |
| RU2533066C2 (en) | Cathode pack for aluminium electrolytic cell and method of its production | |
| RU2727441C1 (en) | Cathode block with slot of special geometrical shape | |
| CN105543894B (en) | The anode carbon block structure that a kind of pre-calcining electrolytic cell non-residual electrode generates | |
| UA117481C2 (en) | Cathode block having a slot with varying depth and a securing system | |
| RU2666806C2 (en) | Method of manufacturing cathode block for electrolytic cell for aluminum production | |
| CN102995058B (en) | Method for paving roasting medium in aluminum electrolysis cell and method for roasting lining | |
| CN207121641U (en) | A kind of aluminum electrolyzing cell used combined cathode carbon block | |
| US10920329B2 (en) | Anode assembly for aluminum electrolysis cells and method for manufacturing anode assemblies | |
| RU2771724C2 (en) | Cathode block with variable depth groove and attachment system | |
| CA2826328A1 (en) | Cathode arrangement having a surface-profiled cathode block with a groove of variable depth | |
| CN103556182A (en) | Bottom trough refractory material composite structure of aluminium cell cathode carbon block and manufacturing method thereof | |
| CN203700544U (en) | Trough type refractory material composite structure at bottom of cathode carbon block for aluminum cell | |
| CN207121642U (en) | A kind of cathode carbon pieces with crucible function | |
| AU2019407845A1 (en) | Anode assembly and associated manufacturing method |