UA124537C2 - Катодний струмовідвід/з'єднувач для електролізера холла-еру - Google Patents

Description

Галузь винаходу

Винахід стосується виробництва алюмінію з використанням процесу Холла-Еру, зокрема оптимізації катодних струмовідвідних/з'єднувальних стрижнів, призначених для приєднання електролізера до зовнішньої шини.

Передумови винаходу

Алюміній виробляють за допомогою процесу Холла-Еру, електролізом глинозему, розчиненого в електролітах на основі кріоліту, при температурі до 10002С. До складу типового електролізера Холла-Еру входить сталевий кожух, ізолююча футерівка з вогнетривких матеріалів і вуглецевий катод, що утримує рідкий метал. Катод складений з деякого числа катодних блоків, у нижні частини яких закладені струмовідвідні стрижні для відведення струму, що протікає через електролізер.

У ряді патентних публікацій пропонувалися різні підходи для мінімізації падіння напруги між рідким металом і кінцем струмовідвідних стрижнів. В УМО 2008/062318 пропонується використання високопровідного матеріалу на доповнення до існуючого сталевого струмовідвідного стрижня і дається посилання на УМО 02/42525, ММО 01/63014, УМО 01/27353,

УМО 2004/031452 і УМО 2005/098093, у яких розкриті рішення, що передбачають використання мідних вставок усередині сталевих струмовідвідних стрижнів. У патенті США 4795540 запропоноване розділення катода, а також струмовідвідних стрижнів на секції. В УМО 2001/27353 і МО 2001/063014 усередині струмовідвідних стрижнів використані високопровідні матеріали. В

ОЗ 2006/0151333 передбачене застосування різних електричних провідностей у струмовідвідних стрижнях. В УМО 2007/118510 запропоноване збільшення перерізу струмовідвідного стрижня при переміщенні до центру електролізера для зміни розподілу струму на поверхні катода. В 05 5976333 і 6231745 представлене використання мідної вставки усередині сталевого струмовідвідного стрижня. В ЕР 2 133 446 А1 описані конструкції катодних блоків з модифікацією геометрії поверхні катода для стабілізації хвиль на поверхні шару металу і, отже, мінімізації МПВ (міжполюсної відстані - відстані між анодом і катодом).

В УМО 2011/148347 описаний вуглецевий катод електролізера для виробництва алюмінію, який містить високоелектропровідні вставки, поміщені в оболонки усередині вуглецевого катода.

Ці вставки змінюють провідність основної частини катода, але не беруть участь у

Зо струмозніманні і відведенні струму струмовідвідними стрижнями.

Питома електропровідність розплавленого кріоліту дуже низька, як правило 220 Ом'м", і

МПВ не може бути значно зменшена внаслідок утворення магнітогідродинамічних нестабільностей, що приводять до хвиль на поверхні розділу метал-ванна (метал-кріолітовий електроліт). Наявність хвиль призводить до втрати виходу по струму в процесі і не дозволяє зменшити енергоспоживання до значень нижче критичного. У цілому в алюмінієвій промисловості густина струму така, що падіння напруги на МПВ становить мінімум 0,3 В/см.

Оскільки МПВ становить 3-5 см, падіння напруги на МПВ, як правило, становить від 1,0 до 1,5 В.

Магнітне поле усередині рідкого металу є результатом струмів, що протікають у зовнішній ошиновці, і внутрішніх струмів. Локальна густина внутрішніх струмів усередині рідкого металу визначається головним чином геометрією катода і його локальною електричною провідністю.

Магнітне поле і густина струму обумовлюють створення поля сил Лоренца, яке саме генерує контур поверхні металу, поле швидкостей металу, і визначає базове середовище для магнітогідродинамічної стійкості електролізера. Стійкість електролізера може бути виражена у вигляді здатності до зменшення МІВ без генерування нестійких хвиль на поверхні шару металу. Ступінь стійкості залежить від густини струму і індукційних магнітних полів, а також від форми ванни рідкого металу. Форма цієї ванни залежить від поверхні катода і форми гарнісажу.

Рішення по попередньому рівню техніки враховують деякою мірою магнітогідродинамічний стан, необхідний для забезпечення гарної стійкості електролізера (низької МПВ), але рішення з використанням мідних вставок є дуже дорогими і часто вимагають складних процесів механообробки.

В ' УМО 2016/079605, зміст якої включений в даний документ по посиланню, описаний високоелектропровідний з'єднувальний стрижень, який містить центральну частину, розташовану під центральною частиною вуглецевого катода, яка звичайно розташована безпосередньо в пазу або наскрізному отворі катода або передбачає використання О-подібного профілю як опори, причому ця центральна частина високоелектропровідного з'єднувального стрижня має щонайменше свою верхню зовнішню поверхню в безпосередньому електричному контакті з вуглецевим катодом або в контакті з вуглецевим катодом через електропровідний інтерфейс, утворений електропровідним клеєм і/або електропровідною гнучкою фольгою або листом, нанесеним (накладеним) на поверхню високоелектропровідного з'єднувального бо стрижня. Високоелектропровідний з'єднувальний стрижень вибраний з міді, алюмінію, срібла і їх сплавів, переважно з міді або мідного сплаву, і містить одну або дві зовнішні частини, розташовані прилеглими до і з однієї або обох сторонах від центральної частини, і вивідну(і) кінцеву() частину або частини, що проходить(ять) назовні від згаданої(их) зовнішньої(х) частини (частин). Ця(ї) вивідна() кінцева() частина(и) високоелектропровідного струмовідвідного стрижня електрично послідовно з'єднанайї) зі сталевим провідним стрижнем з більшою площею поперечного перерізу, ніж у високоелектропровідного з'єднувального стрижня, при цьому згаданий(і) сталевий(і) провідний(ї) стрижень(ні) виступає(ють) назовні для з'єднання з зовнішньою шиною джерела струму.

У цій відомій конструкції вивідні кінцеві частини високоелектропровідного металевого стрижня переважно електрично з'єднані послідовно зі сталевим провідним стрижнем, що утворює перехідний стик, при цьому високоелектропровідний металевий стрижень і сталевий провідний стрижень частково перекриваються один з одним і скріплені разом зварюванням, електропровідним клеєм і/або за допомогою прикладання механічного тиску, наприклад за допомогою затискача для забезпечення посадки з натягом, або стику, скріпленого за рахунок теплового розширення. В альтернативному варіанті скріплені кінцеві частини згвинчені разом по нарізці. Сталеві стрижні, що утворюють перехідний стик, виступають назовні для з'єднання з зовнішньою ошиновкою електролізера, при цьому виступаючі назовні кінцеві секції сталевих стрижнів мають збільшений поперечний переріз для зменшення падіння напруги і забезпечення теплового балансу електролізера.

Відома конструкція з утворюючими перехідний стик сталевими стрижнями є частково задовільною в тому, що вона дає адекватні теплові втрати з негативним наслідком у вигляді невеликої перенапруги. Однак контакт міді і сталі ускладнений і приводить до збільшених виробничих витрат, у той час як ці контакти міді і сталі схильні до руйнування з перебігом часу, що приводить до поганого контакту.

Суть винаходу

Основна і перша задача винаходу полягає в спрощенні струмовідвідної системи за рахунок використання мідного стрижня (або мідних стрижнів) у вигляді цільного елемента, що іде зсередини вуглецевого катода прямо назовні електролізера, де він приєднаний у тому місці, де раніше був приєднаний сталевий стрижень.

Слід розуміти, що згідно з винаходом термін "вуглецевий катод" означає всі типи катодів на основі антрациту і/або графіту, і/або коксу, незалежно від того, чи є ці катоди випаленими або графітованими.

Інша задача полягає в реалізації зменшення теплового потоку в мідному стрижні за рахунок зменшення його перерізу з використанням різних методів.

Ще одна задача полягає в додатковому спрощенні з'єднання з використанням мідного гнучкого спуску від кінця мідного стрижня для з'єднання безпосередньо з основною шиною.

Ще одна задача винаходу полягає в забезпеченні того, щоб мідні стрижні могли виходити з електролізера без якого-небудь проміжного сталевого елемента і могли бути з'єднані прямо з гнучкими спусками або з шинами. Для того, щоб добитися бажаної температури в точці з'єднання (від 150 до 250 С), бажаного падіння напруги від рідкого металу до точки з'єднання (від 100 до 300 мВ) і бажаного теплового потоку (від 500 до 1500 Вт), зменшення поперечного перерізу мідних стрижнів може бути реалізоване до точки з'єднання, переважно ззовні електролізера.

Таким чином, винахід дозволяє вигідно обійтися без раніше використовуваних сталевих з'єднувальних стрижнів, з меншими витратами, за рахунок забезпечення з'єднань, які є надійними протягом тривалого періоду, зменшення теплового потоку і з негативним наслідком у вигляді більш низької перенапруги.

Як роз'яснення слід зазначити, що електричний струм тече від вуглецевого катода в мідний стрижень, який сам повинен бути з'єднаний з зовнішньою основною ошиновкою, виготовленою з алюмінію, для підведення струму до наступного електролізера.

Задача полягає в тому, щоб мінімізувати падіння напруги, що означає забезпечення найменшого технічно можливого електричного опору. Це має на увазі великий переріз самого струмовідвідного стрижня. Мідь від катода до зовнішньої шини може функціонувати належним чином при відповідному перерізі внаслідок її високої питомої електропровідності.

Кількість тепла, що відводиться з катода в простір ззовні електролізера, повинна бути якомога меншою, оскільки згідно з першим законом термодинаміки генероване тепло дорівнює тепловим втратам у режимі, що встановився. Інакше кажучи, якщо переріз занадто великий, то занадто велика кількість тепла буде виходити з електролізера, і внаслідок низької напруги кріоліт буде застигати на поверхні катода, що неприйнятно. Крім того, неможливо з'єднати бо мідний стрижень з високою температурою на основній алюмінієвій шині.

Раніше вважалося, що ці обмеження обумовлюють необхідність наявності сталевого елемента у вигляді стрижня між мідними стрижнями усередині електролізера і зовнішніми деталями електролізера. Зараз вважається, що можна використовувати тільки метал з високою питомою електропровідністю, такий як мідь, для з'єднання ззовні електролізера, якщо є рішення з охолодженням кінця мідного стрижня і якщо існує можливість регулювання кількості тепла, яка повинна задовольняти вимоги до електролізера.

Одне рішення охолодження кінця мідного струмовідвідного стрижня полягає у використанні мідного або алюмінієвого гнучкого спуску. Інше рішення охолодження кінця мідного струмовідвідного стрижня полягає в регулюванні його перерізу. Ще одне рішення охолодження кінця мідного струмовідвідного стрижня полягає в установленні великого алюмінієвого блока. Ці і інші рішення передбачені даним винаходом окремо або в комбінації.

Винахід стосується катодного струмовідвідного і з'єднувального вузла, зібраного у вуглецевому катоді електролізера Холла-Еру для виробництва алюмінію, що містить щонайменше один стрижень з високоелектропровідного металу, який розташований під вуглецевим катодом. Високоелектропровідний метал має питому електропровідність більше, ніж у сталі, і переважно виконаний з міді або мідного сплаву. Згаданий або кожний високоелектропровідний струмовідвідний стрижень містить одну або дві вивідну(ії) кінцеву) частину або частини, що проходить(ять) назовні аж до внутрішньої сторони або зовнішньої сторони зовнішнього кожуха електролізера, на якому кожна зі згаданої(их) вивідної(их) кінцевої(их) частини (частин) згаданого або кожного високоелектропровідного струмовідвідного стрижня електрично з'єднана послідовно з провідним елементом, що забезпечує з'єднання з зовнішньою шиною.

Згідно з основним аспектом винаходу провідний елемент, який забезпечує електричне з'єднання струмовідвідного стрижня з зовнішньою шиною, містить гнучку з'єднувальну смугу з того ж або іншого високоелектропровідного металу, що і з'єднувальний стрижень.

Високоелектропровідний метал вибраний з міді, алюмінію, срібла і їх сплавів, переважно міді або мідного сплаву.

Таким чином, можна задати правильну поверхню мідного гнучкого спуску для забезпечення природного конвекційного охолодження. Переріз визначає падіння напруги і теплопровідність

Зо (тепло, що відводиться з електролізера), поверхня гнучкого спуску визначає втрати тепла в гнучкому спуску, які необхідні для зниження температури до досягнення основного провідника, який переважно залишається при 100-120 26.

Гнучка з'єднувальна смуга, як правило, являє собою гнучку смугу з міді або мідного сплаву, що має на її кінцях з'єднувальні елементи з міді з кільцями або гаками для безпосереднього або опосередкованого з'єднання з вивідною частиною струмовідвідного стрижня і з зовнішньою шиною. Коли такий гнучкий з'єднувач приєднаний між струмовідвідним стрижнем і шиною, він, як правило, провисає або згинається в його середній частині.

Вивіднайї) частина(и) струмовідвідних стрижнів переважно містить(ять) поблизу згаданого з'єднувача зону зі зменшеною площею поперечного перерізу, причому ця площа поперечного перерізу згаданої зони вивідної частини менше площі поперечного перерізу іншої частини згаданої(их) вивідної(их) частини (частин).

Зона зі зменшеною площею поперечного перерізу, як правило, містить щонайменше один отвір або заглиблення або частину зі зменшеною товщиною у вивідній кінцевій частині струмовідвідного стрижня.

Таким чином, високопровідні (мідні) стрижні можуть виходити назовні з електролізера без яких-небудь проміжних сталевих пластини або стрижня і можуть бути з'єднані напряму з гнучкими провідниками або з зовнішніми шинами. Зона зі зменшеним поперечним перерізом передбачена до точки з'єднання і переважно ззовні електролізера. Ця зона зі зменшеним поперечним перерізом зменшує переріз в області з'єднання для мінімізації теплових втрат таким чином, щоб зрівноважувати тепло, що виділяється в катоді. Таким чином, це забезпечує бажану температуру від 150 до 250 2С у точці з'єднання, бажане падіння напруги від 100 до 300 мВ від рідкого металу до точки з'єднання і бажаний тепловий потік від 500 до 1500 Вт.

У деяких варіантах здійснення з'єднувач містить провідний блок з того ж або іншого високоелектропровідного металу, що і струмовідвідний стрижень, причому цей провідний блок з'єднаний з вивідною кінцевою частиною струмовідвідного(их) стрижня(ів) так, що він виступає зверху і знизу і/або збоку з будь-якої сторони згаданої вивідної кінцевої частини.

У конкретному варіанті здійснення струмовідвідний стрижень містить два рознесені відгалуження, з'єднані на зовнішньому кінці поперечкою, при цьому провідний блок з'єднаний ззовні з поперечкою, і при цьому кожне з двох рознесених відгалужень містить поряд з місцем бо з'єднання з поперечкою згадану зону зі зменшеною площею поперечного перерізу, причому площа поперечного перерізу кожного відгалуження менше площі поперечного перерізу іншої частини згаданих відгалужень.

У цьому випадку провідний блок може бути з'єднаний з гнучкою з'єднувальною смугою, яка виконана з множини смуг або обплетень, або рельєфних профілів з високопровідного металу.

Згаданий провідний блок може бути виконаний з алюмінію, міді або їх сплавів, у той час як гнучка з'єднувальна смуга переважно виконана з міді або мідного сплаву.

У переважних варіантах здійснення провідний блок прикріплений до вивідної секції струмовідвідного(их) стрижня(ів) так, що він виступає зверху і/або знизу і/або збоку з будь-якої сторони згаданої вивідної секції.

Переважно, також передбачена біметалева пластина між повернутими одна до одної поверхнями провідного блока і струмовідвідного стрижня. Одна сторона біметалевої пластини, що знаходиться в контакті зі струмовідвідним стрижнем, переважно виконана з того ж металу, що і струмовідвідний стрижень, наприклад з міді. Інша сторона біметалевої пластини, що знаходиться в контакті з провідним блоком, переважно виконана з того ж металу, що і провідний блок, наприклад з алюмінію. Ця біметалева пластина може займати тільки простір між даними повернутими одна до одної поверхнями або вона може проходити частково або повністю над вільною поверхнею провідного блока.

У деяких варіантах здійснення вивідна(ї) частина(и) струмовідвідних стрижнів містить(ять) зовнішню захисну оболонку, переважно зі сталі, що проходить аж до згаданого з'єднувача. Ця захисна оболонка, як правило, буде закінчуватися, не доходячи до згаданої зони зі зменшеним поперечним перерізом, якщо вона передбачена, або не доходячи до згаданої поперечки, якщо вона передбачена. Проміжок між струмовідвідним стрижнем і захисною оболонкою необов'язково заповнений матеріалом з низкою питомою електропровідністю, наприклад матеріалом на основі кераміки або аморфного вуглецю, переважно керамічними матеріалами.

Цей аморфний вуглець може бути коксом або антрацитом. Керамічний матеріал може являти собою листи з керамічних волокон, вату з керамічних волокон або гранули.

У всіх варіантах здійснення до складу щонайменше одного катода входить вуглець з часткою щонайменше 5095 мас., переважно з часткою щонайменше 6095 мас., більш переважно з часткою щонайменше 80 95 мас., ще більш переважно з часткою щонайменше

Зо 90 95 мас., а найбільш переважно з часткою щонайменше 95 95 мас. вуглецю.

В іншому варіанті здійснення верхня частина катода, як правило його верхня поверхня, може містити щонайменше одну тугоплавку тверду сполуку металу, таку як ТіВг», а нижня частина катода виконана з вуглецю і/або графіту, наприклад аморфного вуглецю, зокрема, що містить антрацит.

Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол згідно з винаходом може включати всі ознаки, описані в УМО 2016/079605. Наприклад, мідний струмовідвід буде звичайно знаходитися в безпосередньому контакті з вуглецевим блоком катода. Зокрема, цей новий винахід може включати, наприклад, наступні ознаки з УЛО 2016/079605.

Поверхня верхньої частини і, необов'язково, бічних сторін з високоелектропровідного металу може бути шорсткою або може бути оснащена заглибленнями, такими як канавки, або виступами, такими як ребра, для поліпшення контакту з вуглецевим катодом.

Коли між високоелектропровідним металом і вуглецевим катодом є провідний інтерфейс, такий провідний інтерфейс може бути вибраний з металевої тканини, сітки або піни, переважно з міді, мідного сплаву, нікелю або нікелевого сплаву, або графітової плівки або полотна, або провідного шару клею або їх комбінації. Переважно, провідний інтерфейс містить електропровідний клей на вуглецевій основі, одержуваний змішуванням твердого вуглецевмісного компонента з рідким компонентом двокомпонентного клею, що отверджується.

Залежно від конструкції електролізера бічні сторони і, необов'язково, нижня сторона стрижня з високоелектропровідного металу можуть безпосередньо або опосередковано контактувати з набивною масою або вогнетривкою цеглою, що знаходиться у контакті з вуглецевим катодом.

Стрижень з високоелектропровідного металу може бути виконаний механообробкою з щонайменше одним пазом або оснащений іншим проміжком, причому цей паз або проміжок розташований так, щоб компенсувати теплове розширення стрижня в катоді за рахунок забезпечення можливості розширення високоелектропровідного металу усередину в проміжок, забезпечуваний пазом(ами).

Вуглець катода може електрично контактувати з відкритою верхньою зовнішньою поверхнею високоелектропровідного металу в результаті дії ваги катода на високоелектропровідний метал і за рахунок контрольованого теплового розширення 60 високоелектропровідного металу.

Зовнішня(і) частина(и) високоелектропровідного з'єднувального стрижня, як правило, проходить(ять) під або через електропровідну частину подини електролізера, причому в цьому випадку дані зовнішні частини високоелектропровідного з'єднувального стрижня електрично ізольовані від електропровідної частини подини електролізера, зокрема від бічних частин вуглецевого катода або від набивної маси. Деякі секції стрижня з високоелектропровідного металу традиційно ізолюють від електропровідної частини подини електролізера за допомогою поміщення їх в ізолятор, зокрема поміщення їх в один або більше листів з ізоляційного матеріалу, такого як глинозем, обгорнених навколо згаданої(их) зовнішньої(їх) частини (частин), або в шар електроіїзоляційного клею або цементу або будь-якого ізоляційного матеріалу, здатного витримувати температури аж до 1200 2б.

Стрижень із високоелектропровідного металу в центральній секції катодного струмовідводу може утримуватися в О-подібному профілі, виконаному з матеріалу, який зберігає свою міцність при температурах у катоді електролізера Холла-Еру. Такий О-подібний профіль може мати основу під згаданим стрижнем, на яку спирається цей стрижень, необов'язково, щонайменше одне виступаюче вверх ("стояче") ребро і бічні секції, які проходять з бічних сторін і розташовані на відстані від бічних сторін або контактують з бічними сторонами високопровідного стрижня.

Згаданий високопровідний стрижень має щонайменше верхню частину і, необов'язково, також бічні частини, що залишаються вільними від О-подібного профілю для забезпечення можливості контакту високоелектропровідного металу з вуглецевим катодом безпосередньо або за допомогою провідного інтерфейсу. Відкрита верхня частина, переважно також і бічні сторони з високоелектропровідного металу входять у контакт з вуглецевим катодом безпосередньо або за допомогою провідного інтерфейсу. О-подібний профіль, як правило, виконаний з металу, такого як сталь, або з бетону або кераміки.

Застосування катодних струмовідвідних стрижнів згідно з М/О 2016/079605 забезпечує збільшення провідності вуглецевого катода, дозволяючи збільшити корисну висоту катодного блока на величину від 10 до 30 95 залежно від вихідної конструкції катода і конструкції верхнього контактного профілю з високопровідного металу нового струмовідвідного стрижня. При збільшенні висоти катодного блока може бути відповідно збільшений корисний термін служби катода і, отже, електролізера.

Застосування катодних струмовідвідних стрижнів згідно з УМО 2016/079605 також приводить до оптимізованого розподілу струму в рідкому металі і/або усередині вуглецевого катода, що забезпечує можливість роботи електролізера при більш низькій електричній напрузі. Більш низька електрична напруга є результатом або меншої міжелектродної відстані (МПВ), і/або меншого падіння напруги усередині вуглецевого катода від рідкого металу до кінця струмовідвідного стрижня.

Контролю теплового розширення відносно вуглецевого катода можна добитися за рахунок вирізання механообробкою одного або більше пазів у високопровідному стрижні або за рахунок використанні двох або більше рознесених стрижнів.

Короткий опис креслень

Винахід буде додатково описаний як приклад з посиланням на супровідні креслення, на яких: фіг ЛА - схематичний розріз електролізера Холла-Еру, обладнаного конструкцією зі струмовідвідними і з'єднувальними стрижнями за рівнем техніки; фіг. 18 - схематичний вигляд електролізера Холла-Еру, обладнаного конструкцією зі струмовідвідними і з'єднувальними стрижнями згідно з винаходом; фіг. 2 - схематичний вигляд у перспективі, що показує з'єднання мідного струмовідвідного стрижня з зовнішньою шиною; фіг. З - схематичний вигляд, що показує одну можливість виконання зони зі зменшеним поперечними перерізом у струмовідвідному стрижні; фіг. 4 ілюструє зменшення температури на кінці струмовідвідного стрижня; фіг. 5 показує зігнені стрижні зі зменшеним перерізом і областю з'єднання; фіг. 6 показує приклади отворів з різними формами для зменшення поперечного перерізу струмовідвідного стрижня; фіг. 7 ілюструє інший спосіб зменшення поперечного перерізу струмовідвідного стрижня; фіг. 8 показує два приклади гнучких мідних смуг; фі. ЗА і 9В ілюструють випробувальну установку для порівняння ефектів від струмовідвідного стрижня без зони зі зменшеним поперечними перерізом з ефектами від струмовідвідного стрижня з зоною зі зменшеним поперечним перерізом.

Докладний опис бо Фіг. ТА схематично показує електролізер 1 Холла-Еру для виробництва алюмінію згідно з

УМО 2016/079605, що містить вуглецеву катодну подину 4 електролізера, ванну 2 рідкого катодного алюмінію на вуглецевій катодній подині 4 електролізера, розплавлений електроліт З на основі фториду, тобто кріоліту, що містить розчинений глинозем, поверх ванни 2 алюмінію, і множину анодів 5, підвішених в електроліті 3. Також показані кришка 6 електролізера, катодні струмовідвідні стрижні 7 згідно з винаходом, які заходять у вуглецеву подину 4 електролізера ззовні електролізної ванни 8, і штанги 9 для підвішування анодів. Як можна бачити, струмовідвідний стрижень 7 розділений на зони. Зона 10 електрично ізольована, а зона 11 складається з шарів. Розплавлений електроліт З утримується в кірці 12 застиглого електроліту.

Суттєвим аспектом в МО 2016/079605 було те, що сталеві стрижні 18 зі збільшеною площею поперечного перерізу були з'єднані електрично послідовно з кінцями струмовідвідних стрижнів 7 і виступають назовні електролізера 1 для з'єднання з зовнішніми джерелами струму. Зона 10 струмовідвідного стрижня електрично ізольована, наприклад, за допомогою обгортання листом з глинозему або поміщення в оболонку з електроізоляційного клею або цементу.

Фіг. 18 схематично показує електролізер, Холла-Еру, обладнаний конструкцією зі струмовідвідними і з'єднувальними стрижнями згідно з винаходом. При цьому мідний струмовідвідний стрижень 7 з'єднаний прямо з основною шиною 40 через проміжний алюмінієвий блок 20 і гнучкий мідний з'єднувач 30.

Фіг. 2 являє собою виконаний у збільшеному масштабі вигляд у перспективі, що показує приклад з'єднання мідного струмовідвідного стрижня 7 з зовнішньою шиною 40. Як показано, у цьому прикладі струмовідвідний стрижень 7 містить два паралельні рознесені відгалуження, з'єднані на зовнішньому кінці поперечкою. Ззовні з поперечкою з'єднаний алюмінієвий провідний блок 20, який ширше і набагато вище, ніж рознесені відгалуження 7. Кожне з двох рознесених відгалужень містить поряд з місцем з'єднання з поперечкою зону 15, у якій площа поперечного перерізу кожного відгалуження менше площі поперечного перерізу іншої частини згаданих відгалужень, у даному прикладі - за рахунок наявності круглих отворів у протилежних відгалуженнях, суміжних з областю з'єднання.

Алюмінієвий провідний блок 20 є масивним у порівнянні з струмовідвідними стрижнями 7 і прикріплений до поперечки струмовідвідного(их) стрижня(ів) так, що він виступає зверху і знизу вивідної секції струмовідвідних стрижнів 7 і збоку з будь-якої сторони. Як показано, виступаюча

Зо нижня частина провідного блока 20 зі сторони, протилежної струмовідвідним стрижням 7, з'єднана гнучким мідним з'єднувачем 30, з'єднаним на його іншому кінці з шиною 40, причому цей гнучкий з'єднувач 30 провисає посередині.

Провідний блок 20 при виготовленні його з алюмінію може, наприклад, як правило, мати розміри 220х120х50 мм, але можна обійтися і без цього блока 20 при використанні мідного гнучкого спуску.

Фіг. З являє собою схематичний вигляд, що показує одну можливість виконання зони 16 зі зменшеним поперечним перерізом у струмовідвідному стрижні а саме за допомогою зменшення товщини уздовж поперечки і поряд з поперечкою.

Фіг. 4 ілюструє зменшення температури на кінці струмовідвідного стрижня. Температура, як правило, близька до 950 "С усередині вуглецевого катода і знижується при виході з катода, досягаючи приблизно 200 С на границі розділу мідний стрижень/гнучкий спуск.

Фіг. 5 показує зігнуті стрижні 7 зі зменшеним перерізом в області 17 з'єднання. Зігнуті ділянки використовуються для пригвинчування болтами кінця мідного стрижня до мідного(их) гнучкого(их) спуску(ів) і/або до суцільного інтерфейсу 20.

Фіг. 6 показує приклади отворів з різними формами для зменшення поперечного перерізу струмовідвідного стрижня 7 у зоні 15. Фіг. ба показує круглий або, можливо, овальний отвір.

Фіг. 6р показує вузький отвір з прямокутною формою, скругленою на його краях. Фіг. бс показує квадратний отвір зі скругленими краями, а ба - ромбовидну форму зі скругленими краями.

Фіг. бе показує впорядковану сукупність з п'яти круглих отворів, згрупованих разом.

Фіг. 7 показує ще один спосіб зменшення поперечного перерізу струмовідвідного стрижня 7 за рахунок стиснення між двома роликами 22 для формування профільованої роликами зони 15 зі зменшеним поперечним перерізом.

Фіг. 8 показує два приклади гнучких мідних смуг 30 для з'єднання блока 20 з зовнішньою шиною 40. Кожна гнучка смуга 30 виконана з оснащеної заглибленнями або ребрами або обплетеної мідної смуги 32, що має на кожному з двох кінців суцільний мідний з'єднувач 34 для з'єднання з блоком 20 або шиною 40. З'єднувачі 34 мають центральний круглий отвір для виконання з'єднання так, що один кінець мідного стрижня 7 може бути пригвинчений болтами до одного кінця гнучкої смуги 30 або до нижньої сторони блока 20, а інший кінець гнучкої смуги 30 може бути притиснутий до основної шини 40. бо Для того, щоб реалізувати дуже низьку контактну напругу з перебігом часу, на контакті мідь-

алюміній (30/20) і на контакті мідь-мідь (30/40) може бути використана спеціальна електропровідна металева піна, така як ЕСОСОМТАСТ М,

Ці мідні гнучкі смуги 30 можуть бути переважно використані для заміни використовуваних на даний час алюмінієвих гнучких спусків. Переваги мідних гнучких спусків у порівнянні з алюмінієвими гнучкими спусками численні: - швидке виконання; - висока гнучкість, що полегшує процедуру; - менше падіння напруги; - легкість знаходження правильного перерізу; - відсутність механічної напруги на мідному стрижні.

Зниження зовнішньої напруги може бути значним.

Фі. ЗА і 9В ілюструють випробувальну установку для порівняння ефектів від струмовідвідного стрижня без зони зі зменшеним поперечними перерізом з ефектами від струмовідвідного стрижня з зоною зі зменшеним поперечним перерізом.

Як показано на фіг. 9А, струмовідвідний стрижень 7 без зони зі зменшеним поперечним перерізом з'єднаний з алюмінієвим блоком 20, який, у свою чергу, з'єднаний з зовнішньою шиною 40 гнучким мідним з'єднувачем 30. Фіг. 98 показує порівнянну установку за винятком того, що струмовідвідний стрижень 7 має зону 15 зі зменшеним поперечним перерізом, утворену саме протилежними парами канавок на протилежних сторонах двох відгалужень, що складають струмовідвідний стрижень 7. Ці дві установки випробовували при ідентичних умовах і вимірювали температуру стрижнів. Температура на кінці струмовідвідних стрижнів, тобто в місці розташування кінцевої поперечки, становила відповідно 241 "С для струмовідвідного стрижня без зони зі зменшеним поперечним перерізом і 218 "С для струмовідвідного стрижня з зоною зі зменшеним поперечним перерізом

Claims (13)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол, зібраний у вуглецевому катоді електролізера Холла-Еру для виробництва алюмінію, що містить щонайменше один Зо струмовідвідний стрижень із міді або мідного сплаву, який розташований під вуглецевим катодом і знаходиться в безпосередньому електричному контакті з вуглецевим катодом, при цьому згаданий або кожний струмовідвідний стрижень містить одну або дві вивідну(і) кінцеву) частину або частини, що проходить(ять) назовні аж до внутрішньої сторони або зовнішньої сторони зовнішнього кожуха електролізера до з'єднувача, на якому згаданаї(ї) вивідна(ї) кінцева(ї) частина(и) згаданого або кожного струмовідвідного стрижня електрично з'єднані кожна послідовно з провідним елементом, що забезпечує з'єднання з зовнішньою шиною, який відрізняється тим, що згаданий провідний елемент, який забезпечує електричне з'єднання струмовідвідного стрижня з зовнішньою шиною, містить гнучку з'єднувальну смугу, яка виконана з міді або мідного сплаву.

2. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 1, у якому гнучка з'єднувальна смуга являє собою гнучку смугу, що має на її кінцях з'єднувальні деталі з суцільної міді з кільцями або гаками для з'єднання безпосередньо або опосередковано з вивідною частиною струмовідвідного стрижня і із зовнішньою шиною.

3. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 1 або 2, у якому згаданай(ї) вивіднай(і) частина(и) струмовідвідних стрижнів містить(ять) поблизу згаданого провідного елемента зону зі зменшеною площею поперечного перерізу, при цьому площа поперечного перерізу згаданої зони вивідної частини є меншою, ніж площа поперечного перерізу іншої частини згаданої(их) вивідноїКих) частини(ин).

4. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 3, у якому зона зі зменшеною площею поперечного перерізу містить щонайменше один отвір або заглиблення або частину зі зменшеною товщиною у вивідній кінцевій частині струмовідвідного стрижня.

5. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за будь-яким з пп. 1-4, у якому згаданий з'єднувач містить провідний блок з того ж або іншого високоелектропровідного металу, що і струмовідвідний стрижень, і при цьому провідний блок приєднаний до вивідної кінцевої частини струмовідвідного(их) стрижня(ів) так, що він виступає зверху і знизу і/або збоку з будь-якої сторони згаданої вивідної кінцевої частини.

6. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 5, у якому струмовідвідний стрижень містить два рознесені відгалуження, з'єднані на зовнішньому кінці поперечкою, при цьому провідний блок з'єднаний ззовні з поперечкою, і при цьому кожне з двох рознесених відгалужень 60 містить поряд з місцем з'єднання з поперечкою згадану зону, при цьому площа поперечного перерізу кожного відгалуження є меншою, ніж площа поперечного перерізу іншої частини згаданих відгалужень.

7. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 5 або б, у якому провідний блок з'єднаний з гнучкою з'єднувальною смугою, яка виконана із множини смуг або обплетень, або рельєфних профілів з високопровідного металу, і при цьому провідний блок переважно виконаний з алюмінію, міді або їхніх сплавів, а гнучка з'єднувальна смуга виконана з міді або мідного сплаву.

8. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за будь-яким з пп. 5-7, який містить біметалеву пластину між повернутими одна до одної поверхнями провідного блока і струмовідвідного стрижня.

9. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за будь-яким з пп. 1-8, у якому згаданаїйї) вивідна(ї) частина(и) струмовідвідних стрижнів містить(ять) зовнішню захисну оболонку з металу, що проходить аж до згаданого провідного елемента.

10. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за п. 9, у якому проміжок між струмовідвідним стрижнем і захисною оболонкою заповнений стисливим матеріалом з низькою електропровідністю і низькою теплопровідністю.

11. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за будь-яким з пп. 1-10, у якому до складу щонайменше одного катода входить вуглець і/або графіт з часткою щонайменше 50 95 мас., переважно з часткою щонайменше 60 95 мас., більш переважно з часткою щонайменше 80 95 мас., ще більш переважно з часткою щонайменше 90 95 мас., а найбільш переважно з часткою щонайменше 95 95 мас. вуглецю.

12. Катодний струмовідвідний і з'єднувальний вузол за будь-яким з пп. 1-11, у якому верхня частина катода містить щонайменше одну тугоплавку тверду сполуку металу, таку як ТіВ», а нижня частина катода виконана з вуглецю.

13. Електролізер Холла-Еру для виробництва алюмінію, оснащений катодним струмовідвідним і з'єднувальним вузлом за будь-яким з пп. 1-12. 1 З о и і ща п пив в Еш а и | ши нн 12 дону нн Ки ее дик Фоненнеесноке й орто аз р ї їх КІ ї Я я и ШУ ни шо шани я НН: Її о ОВ пн Я ц я и й ШЕ / тя меннсеюернх вною ЗО НЄ ЗО КВ ОЗ ЕК ВО КК ЕК, КВ ВХ ВОЗ ВО КВК Не ау ЕФ і х х я 4 7 11 (10 18

Фіг. ТА

. Ох З. на Х ХО МК Сх ХХ ХХ з хх "ПО ХХ К: 0. Й ОХ ЗК о ВО Пе ОМ нн У Жах УВО М МОКЖК КК КК Кн НН М М КК М ЕК о, КОКО ОМ М М В КК сорок І А А У ХХ х ОКХ ОМ ОК ХХ КК В М М М М ПО НН же З ПОН М М я ж КК КК КЕН Ен АХ 4 ЩЕ МПК Х о я ХУ М В М ОХ З Й С Че

0. й і ВУ і. ППП и ШИК КК о Я. У и С "в ще ПО В В в В Ох й КЕ ай ОККО о о оо и о ок о ово вних Е К ЕХ ХВ пен ОПН КК ОК ж В КК КК ОХ ОККО КК ИЙ й З ЗХ Ж : М о хх о а СВ МО Бон ОХ Е СО оо ШО ОХ . ої Ох ння ОМ ММ ЗХ ХК ЧІ 20 30

Фіг. 1 і ве Кен і 2 | Котш ко ЕИ ВК, Кт КК ти Ж Кий ф И МИШИ ШИ и а В, ШИК ОПОВ ТИКИ МИТИ ТШЛПИЙСИ ТИ ТОК ЕК Коли и др ТИ КИ КДК ЕН КК пика Ж КТ і ОО дО сообв КК ВК Я зе М ринви ен НН к чан в МУ ЖК НЕ в ВО тв онов я а с В ОВО кн оно и в ни в М НМ В оон НН Про В НИ ШИ ЗО о я ВЕНИ ВО и НН Кв ШИТИ полон окас ав ВВ ОД Пн рон СО ОДН о ИН З ДН НЕ ШИН Ку у и Ав и ТОЙ М я а вв пока я 5 Й я Во В о НВ ВИНО В Но оо В В В В ПЕ М КК З НЯ ОКО Пл ПЕ в В В Мн НН В я ТТ ; ум М в Ащ я ПЕН ти е п о о в КВ и КК Не г й б он КК о ВК ОК і ОН в КК в ОВО в В ЗМ ; 5 5 Б МИ 4 ОО А НН В, КИТИ У МІМНММММ , з ОО МО В В вн Кс яв п ; ре шо

Фіг. 2 кее КОКО М . З І х і: х В сх х. Е х КК я совщЕе ОХ -. ХА ще ще з . Кох ЗК ЩЕ і Ох . ОБОВ 7 о 16 п КК КОВО

ЗУ . ее Х З ОКХ ЗХ

Фіг. З 95062 і: - 20 ни нення шк сннннннннни Ди

Фіг. 4 ОО ВОМ ОХ ПМК З М ПИ я -- ж ОК я ОК як ЗВО Ко ОО ПО о НО ОО І і МОН

Фіг. 5

СУ ск Щі І з, деко же св ши єї ва не 15 (а) (В) (с) (а) (є)

Фіг. 6 що «ще . .

о. й 7

Фіг. 7 й 5 й Шо Ше ше ШК о 5 є у» У в оЦДооЦ6Д6 ФДфЮ: (АК ож : Ї ши лужна - кох сни їх а ЕоОЗ веж За З що. г ся Хей б Ну:

Фіг. 5 ее еко й сов ООН У й Ж ж х о В : з ж МКУ с о : ОО ща . о» сені КІ)

о. й т с ООН "ЦК ку о

Фіг. ЗА я 40 ши ооо (й

ЧИН.

Фіг. 96