UA124629C2 - Катодний вузол для виробництва алюмінію - Google Patents

Abstract

Даний винахід стосується нового катодного вузла і його застосування для виробництва алюмінію в електролізері.

Description

Даний винахід стосується нового катодного вузла і його застосування для одержання алюмінію в електролізері.

Електролізери використовуються, наприклад, для електролітичного одержання алюмінію, яке в промисловому масштабі звичайно здійснюють відповідно до процесу Холла-Еру. У процесі

Холла-Еру електролізу піддається розплавлена суміш оксиду алюмінію й кріоліту. При цьому кріоліт Маз(АїІЕв| використовується для зниження температури плавлення з 2045 "С для чистого оксиду алюмінію до приблизно 950 С для суміші, що містить кріоліт, оксид алюмінію й додаткові речовини, такі як фторид алюмінію й фторид кальцію.

Електролізер, використовуваний у цьому процесі, містить катодну подину, яка складається з множини, наприклад до 28, суміжних катодних блоків, що утворюють катод. При цьому проміжні простори між катодними блоками звичайно заповнюють вуглецевою набивною масою для герметизації катода від розплавлених компонентів електролізера й для компенсації механічних напружень, які виникають при запуску електролізера в експлуатацію. Катодні блоки звичайно виготовлені з вуглецевого матеріалу, такого як графіт, для витримування термічних і хімічних умов, що переважають при експлуатації електролізера. Нижні сторони катодних блоків звичайно оснащені пазами, у кожному з яких розміщені один або два струмовідвідні стрижні, по яких відводиться струм, що підводиться через аноди. При цьому проміжні простори між струмовідвідними стрижнями й обмежуючими пази стінками окремих катодних блоків часто заповнюють чавуном або набивною масою так, що створювана таким чином заливка струмовідвідних стрижнів чавуном забезпечує електричне й механічне з'єднання струмовідвідних стрижнів з катодними блоками. Приблизно в 3-5 см над шаром рідкого алюмінію, що знаходиться на верхній стороні катода, який звичайно має товщину 15-50 см, знаходиться анод, зокрема утворений з окремих анодних блоків. Між цим анодом і поверхнею алюмінію знаходиться електроліт або, інакше кажучи, розплав, що містить оксид алюмінію й кріоліт. Під час електролізу, який здійснюють при приблизно 1000 "С, алюміній, що утворився таким чином, будучи більш щільним, ніж електроліт, осідає під шаром електроліту або, інакше кажучи, у вигляді проміжного шару між верхньою стороною катода й шаром електроліту. При електролізі розчинений у розплаві оксид алюмінію розділяється на алюміній і кисень під дією електричного струму. З електрохімічної точки зору дійсним катодом є шар рідкого алюмінію,

Зо оскільки іони алюмінію відновлюються до елементарного алюмінію на його поверхні. Проте, у нижченаведеному описі термін "катод" буде стосуватися не катода з електрохімічної точки зору або, інакше кажучи, шару рідкого алюмінію, а компонента, який складається, наприклад, з одного або більше катодних блоків і утворює подину електролізера.

Якщо проміжні простори між струмовідвідними стрижнями й обмежуючими пази стінками окремих катодних блоків заповнюють чавуном, необхідний етап так званого заливання. Під час цього етапу заливання катодний блок попередньо нагрівають і в зазор між струмовідвідним стрижнем і обмежуючими пази стінками катодних блоків заливають розплавлений чавун і дають йому затвердіти при охолодженні, при цьому чавун піддається усадці. Під час запуску електролізера чавун розширюється, але він ніколи не досягає знову такої ж температури, як у розплавленого чавуну. Внаслідок різного теплового розширення контакт між чавуном і катодним блоком не є однаковим на всіх поверхнях у пазу. Отже, електричний контакт між струмовідвідним стрижнем, чавуном і катодним блоком є нерівномірним, що приводить до більш високого електричного опору й більшого падіння напруги на даній конструкції й, отже, до низької енергоефективності процесу електролізу. Крім того, етап заливання вимагає часу їі на нього припадає від 40 до 60 95 загальної вартості катодного вузла в електролізній установці, і цей етап може бути пов'язаний з проблемами зі здоров'ям і безпекою.

Якщо замість чавуну використовують вуглецеву набивну масу, проблеми зі здоров'ям і екологічні проблеми можуть виникати внаслідок того, що ці набивні маси звичайно містять поліароматичні вуглеводні. Однак використання вуглецевої набивної маси не вимагає етапу плавлення, необхідного при використанні чавуну.

В УМО 2016/079605 описаний катодний пристрій, у якому замість виконаного зі сталі струмовідвідного стрижня використовується струмовідвідний стрижень, виконаний з високоелектропровідного металу, подібного міді. Відповідний струмовідвідний стрижень може знаходитися в прямому контакті з катодним блоком, тобто не використовується ні чавун, ні вуглецева набивна маса, і цей стрижень розташований горизонтально в катодному блоці.

Виступаючі назовні частини цих струмовідвідних стрижнів приєднані до сталевого з'єднувального стрижня, що має більшу площу поперечного перерізу, ніж приєднуваний струмовідвідний стрижень, і цей сталевий з'єднувальний стрижень з'єднаний з зовнішнім джерелом струму. Сталевий з'єднувальний стрижень і струмовідвідний стрижень, виконаний з бо високоелектропровідного металу, частково перекривають один одний й скріплені разом,

наприклад, зварюванням, затискачами, або вони згвинчені разом по нарізці. Призначення цієї конструкції зі струмовідвідного стрижня й сталевого з'єднувального стрижня полягає в зменшенні падіння напруги й у забезпеченні теплового балансу електролізера.

В УМО 2016/079605 не вирішуються проблеми механічної стійкості й хімічного захисту, пов'язані з транспортуванням, маніпулюванням, монтажем, прогріванням і запуском електролізера й спучуванням катодів протягом терміну служби електролізера, що становить, як правило, 3-6 років.

Отже, задача даного винаходу полягає в тому, щоб запропонувати катодний вузол, у якому не задіюється чавун або вуглецева набивна маса (паста) і який може бути з'єднаний безпосередньо з зовнішнім ошинуванням, тобто який може бути безпосередньо (відразу) установлений в електролізері після його доставки. Крім того, цей катодний вузол повинен забезпечувати більш рівномірний розподіл струму в катодних блоках і зменшене падіння напруги.

Згідно з даним винаходом ця задача вирішується катодним вузлом для виробництва алюмінію, що містить щонайменше один катодний блок на основі вуглецю й/або графіту, щонайменше одну струмовідвідну систему з високоелектропровідного матеріалу з питомою електропровідністю більше, ніж у сталі, при цьому вивідні кінцеві частини згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи виступають назовні зі згаданого щонайменше одного катодного блока й/або, переважно або, знаходяться у межах згаданого щонайменше одного катодного блока, який відрізняються тим, що щонайменше одна частина, переважно всі частини, згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи має нахил вверх, якщо дивитися по довжині катодного блока.

У контексті даного винаходу струмовідвідну систему слід розуміти як систему, геометрія й місце розташування якої приводять до ефективної поверхні електричного контакту або до ряду точок електричного контакту зі згаданим щонайменше одним катодним блоком.

Крім того, у контексті даного винаходу термін "нахил вверх", якщо дивитися по довжині катодного блока, означає, що відповідна частина струмовідвідної системи або вся струмовідвідна система має незалежно одна від одної кут більше 0? відносно поздовжньої горизонтальної площини катодного блока, тобто можливо, що кожна відповідна частина

Зо струмовідвідної системи й/або різні струмовідвідні системи мають різні кути. Кут може становити від більше 02 до 90-, при цьому вибір кута, зокрема максимально можливого кута, залежить від довжини й висоти катодного блока. Переважно, вибирають кут між 12 і 127, більш переважно між 32 ї 102. У цьому контексті поздовжню площину слід розуміти як площину, яка проходить у напрямку поздовжньої осі катодного блока. Струмовідвідна система, у якій щонайменше одна частина має нахил вверх, може мати, наприклад, форму трапеції або напівеліпсоїда, якщо дивитися збоку. Якщо така струмовідвідна система має форму трапеції, то її дві сторони утворені двома частинами струмовідвідної системи, нахиленими вверх, починаючи від зовнішніх кінців катодних блоків, і верх трапеції являє собою частину струмовідвідної системи, що з'єднує дві нахилені частини, однак не є обов'язковим, щоб ця частина реально фізично з'єднувала ці дві нахилені частини. Нижню сторону катодного блока можна розглядати як основу трапеції.

Струмовідвідна система, у якій усі частини мають нахил вверх, може мати, наприклад, форму трикутника, при цьому сторони даного трикутника утворені двома частинами струмовідвідної системи, нахиленими вверх, починаючи від зовнішніх кінців катодного блока, і основа цього трикутника утворена нижньою стороною катодного блока.

Відповідно до винаходу було з'ясовано, що катодне падіння напруги на катодному пристрої може бути зменшене при використанні щонайменше однієї струмовідвідної системи, утвореної з високоелектропровідного матеріалу з питомою електропровідністю більше, ніж у сталі, у якій щонайменше одна частина, переважно всі частини, струмовідвідної системи має нахил вверх.

Внаслідок використання високоелектропровідного матеріалу з питомою електропровідністю більше, ніж у сталі, електричний контакт між катодним блоком на основі вуглецю й/або графіту й струмовідвідною системою поліпшується в максимальному ступені, або навіть уся поверхня цієї струмовідвідної системи знаходиться в щільному контакті з катодним блоком, що приводить до більш низького електричного опору. Таким чином, катодне падіння напруги зменшується. Крім того, розподіл вертикального струму по довжині катодного блока є більш рівномірним при виборі правильних положення й геометрії струмовідвідної системи. Використання струмовідвідної системи, яка щонайменше частково нахилена вверх, приводить до по суті рівномірного розподілу вертикального струму по довжині катодного блока, при цьому катодне падіння напруги додатково зменшується. Отже, за рахунок зменшення катодного падіння напруги підвищується енергоефективність електролізера. бо Крім того, при використанні вищевказаної струмовідвідної системи відсутня необхідність у чавуні або вуглецевій набивній масі для створення електричного контакту між звичайно використовуваними сталевими струмовідвідними стрижнями (блюмсами) і катодними блоками.

Знижуються витрати, оскільки не потрібен етап заливання, і можуть бути попереджені пов'язані з етапом заливання проблеми з безпекою й здоров'ям. Крім того, оскільки розміри цих струмовідвідних систем можуть бути значно менше в порівнянні зі звичайними сталевими стрижнями, витрати додатково знижуються, можливий більш тривалий термін експлуатації електролізера внаслідок більшої кількості катодного матеріалу між поверхнею катода й струмовідвідною системою, і робочий простір електролізера може бути збільшений при зменшенні висоти катода.

Згідно з переважним варіантом здійснення даного винаходу струмовідвідна система має щонайменше одну вставку з нерозгалуженою або розгалуженою конфігурацією, переважно нерозгалуженою конфігурацією.

Вставка з нерозгалуженою конфігурацією може переважно являти собою пруток, брусок або тонку пластину, причому ці вставки мають, наприклад, прямокутну або циліндричну форму в поперечному перерізі. Ці вставки звичайно є цільними. Однак у контексті винаходу цільна вставка може бути замінена двома напіввставками. При використанні трапецієподібної або трикутної форми струмовідвідної системи відповідна струмовідвідна система може бути виконана цільною (з однієї деталі) або вона може бути виконана з двох або трьох вставок, розміщених разом таким чином, щоб була одержана трикутна або трапецієподібна форма.

Застосування таких вставок, при наявності проміжку між ними, забезпечує можливість теплового розширення, зокрема теплового розширення в напрямку по довжині. Якщо відсутній допуск на теплове розширення, то вставки можуть вигинатися й деформуватися й у результаті створювати напруження, що діють на катодний блок і оточуючий матеріал. Залежно від конструкції катодного вузла також можливо, що щонайменше дві вставки розміщені паралельно рознесеними, також забезпечуючи можливість теплового розширення й термомеханічних напружень, що діють на катодний матеріал між ними. Слід розуміти, що геометрію вставок, зокрема їх поперечний переріз, і число вставок вибирають так, щоб мінімізувати кількість високоелектропровідного матеріалу й, отже, витрати, теплові втрати й контактний опір і забезпечити рівномірний розподіл струму, а отже, і стабільність електролізера.

Зо Вставка з розгалуженою конфігурацією може являти собою пруток, брусок або тонку пластину, що містять горизонтальну або нахилену частину, при цьому щонайменше одна вертикальна частина проходить вверх з інтервалами. Якщо використовується більше ніж одна вертикальна частина, кінцеві точки цих частин утворюють нахил, тобто висота цих вертикальних частин збільшується від зовнішніх кінців катодних блоків до їх центру. Кінцеві точки цих гілок утворюють ряд точок електричного контакту зі згаданим щонайменше одним катодним блоком.

Також можливо, що вставка має форму сітки. Перевага використання такої розгалуженої конфігурації полягає в тому, що потрібно менше високоелектропровідного матеріалу, оскільки він може бути використаний у мінімальній кількості й тільки в тих місцях, де він необхідний. У деяких ситуаціях розгалужена конфігурація може бути більш простою у виготовленні, наприклад, при закладанні сітки або мережної структури з провідників у катодному тілі під час формування або вставлянні їх в одну половину й наступному закриванні іншою половиною катодного тіла.

Згадана щонайменше одна вставка переважно закладена в паз і/або в наскрізний отвір катодного блока. Паз одержаний механообробкою відповідно до розмірів вставки, а наскрізний отвір може бути просвердлений в катодному блоці також відповідно до розмірів відповідної вставки. При наявності такого паза або наскрізного отвору забезпечується можливість теплового розширення вставки, оскільки вставка може розширюватися в межах простору, забезпечуваного або пазом, або наскрізним отвором.

Відповідно до іншого переважного варіанта здійснення даного винаходу високоелектропровідний матеріал вибраний з групи, що складається з металів, сплавів, метал- вуглецевих композитів, графенів, графітів і вуглецевих композитів.

У контексті даного винаходу слід розуміти, що метал-вуглецевий композит може являти собою композити з металевою матрицею (наприклад, частинки або волокна вуглецю або графіту в металевій матриці) або матеріали, одержані з порошків метал-вуглецевих композитів, або матеріали, одержані з порошків металу й вуглецю, виготовлені, наприклад, методами порошкової металургії, або композити, армовані зв'язаними металом вуглецевими волокнами або покритими металом вуглецевими волокнами, або просоченими металом вуглецевими волокнами, або металографітові композити.

Згідно з винаходом графіти можуть бути вибрані з природного, синтетичного, піролітичного 60 або розширеного графіту, і вуглецеві композити можуть бути вибрані з вуглеволокнистих/вуглецевих композитів або графіт/вуглецевих композитів.

Переважно, щоб високоелектропровідний матеріал являв собою метал або сплав, переважно мідь, срібло або мідний сплав, більш переважно мідь. Мідний сплав може бути сплавом зі сріблом або алюмінієм. Як мідь можуть бути використані наявні в продажу сорти в'язкої електролітичної міді (ЕІесігоїуйїс Тоцдп Ріїсп Соррег, ЕТР), безкисневої міді й СиАдо,1Р.

Переважно, щоб ці високоелектропровідні матеріали мали температуру плавлення, що перевищує температуру катодного блока під час експлуатації електролізера, яка, як правило, становить від 850 до 950 2.

Згідно з ще одним переважним варіантом здійснення даного винаходу є або прямий контакт між згаданим щонайменше одним катодним блоком і згаданою щонайменше однією струмовідвідною системою, або щонайменше один шар електропровідного матеріалу між згаданим щонайменше одним катодним блоком і згаданою щонайменше однією струмовідвідною системою.

Якщо є прямий контакт між катодним блоком і струмовідвідною системою, то електричний контакт виникає внаслідок ваги катодного блока й контрольованого теплового розширення й пластичності струмовідвідної системи. У випадку прямого контакту, коли немає проміжного провідного шару, такого як графіт або металева фольга, гарний електричний контакт (низький контактний опір) між катодом і струмовідвідною вставкою досягається за рахунок наявності точної посадки між вставкою й пазом або наскрізним отвором і забезпечення можливості теплового розширення через нагрівання до кінцевої температури електролізера. Вставка вибрана з матеріалів, які мають більший коефіцієнт теплового розширення, ніж катод. Різне теплове розширення забезпечує гарні прилягання й електричний контакт. Контактний опір на границі розділу катод/струмовідвід становить менше 10 мкОм:м?, переважно менше 5 мкОм.м3, а більш переважно менше 1 мкОм-м?", від кімнатної температури до температури експлуатації електролізера, як правило 850-950 "С усередині катода.

Струмовідвідна система може бути гладкою або шорсткою залежно від типу поверхні вуглецю. Гладка поверхня може бути переважною для графітованих катодних матеріалів, у той час як шорстка поверхня може краще бути придатною для аморфного катодного матеріалу.

Якщо шорстка поверхня забезпечує кращий контакт з вуглецем, ці шорсткі поверхні можуть бути

Зо одержані з використанням таких способів як піскоструминна обробка, обробка наждаком, дробоструминна обробка, шліфування, оксидування або травлення.

Для створення або поліпшення електричного контакту між катодним блоком і струмовідвідною системою у випадку, коли є зазор, який повинен бути перекритий, або недостатнє прилягання, також можливо, що між катодним блоком і струмовідвідною системою є щонайменше один шар електропровідних матеріалів, що слугує провідним інтерфейсом.

Переважно, такий електропровідний матеріал вибраний з групи, що складається з графітової плівки, переважно плівки терморозширеного графіту, фольги, тканини, сітки, піни або пасти з металу або сплаву, переважно міді або мідного сплаву, або провідного клею або їх будь-якої довільної суміші. Одна додаткова функція цих електропровідних матеріалів полягає в компенсації відмінності в тепловому розширенні високоелектропровідного матеріалу відносно вуглецевого матеріалу катодного блока. Якщо використовується більше одного шару електропровідного матеріалу, наприклад терморозширеного графіту, багатошарова структура може підвищити деякі необхідні властивості, такі як, наприклад, електропровідність.

У ще одному переважному варіанті здійснення даного винаходу вивідні кінцеві частини згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи, що виступають назовні й/або знаходяться у межах згаданого щонайменше одного катодного блока, з'єднані з зовнішнім ошинуванням провідним перехідником. У випадку, якщо вивідні кінцеві частини згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи виступають назовні, вони можуть з'єднуватися разом на цьому провідному перехіднику.

У контексті даного винаходу провідний перехідник може являти собою сталевий стрижень, біметалеву пластину, гнучку деталь, вуглецеву деталь, графітову деталь або їх будь-яку довільну комбінацію, таку як сталевий стрижень у комбінації з біметалевою пластиною. Основна функція цих провідних перехідників полягає в електричному з'єднанні струмовідвідної системи з зовнішнім ошинуванням таким чином, який дозволяє електролізному підприємству використовувати звичайні способи з'єднання шин, наприклад зварювання або затискач. Інші функції включають забезпечення механічної стійкості, забезпечення можливості переміщення через спучування катода або забезпечення балансу терморегулювання в електролізері, причому ці провідні перехідники зменшують тепловий потік.

Вищевказана вуглецева деталь може бути виконана з вуглецевих волокон, переважно 60 покритих або просочених металом вуглецевих волокон, а графітова деталь може бути виконана з графітових волокон або покритих або просочених металом графітових волокон. Ці деталі можуть бути використані самі по собі або ж вони поміщені у твердий металевий корпус або гнучку металеву трубу.

Якщо як провідний перехідник використовується сталевий стрижень, то цей сталевий стрижень може з'єднуватися з вивідними кінцевими частинами струмовідвідної системи ззовні й/"або усередині катодного блока. Поперечний переріз цього сталевого стрижня збільшений в порівнянні з вивідними кінцями струмовідвідної системи для зменшення падіння напруги й для гарантування теплового балансу в електролізері. Довжина сталевого стрижня й перекриття між сталлю й вивідними частинами струмовідводу не є фіксованими, а залежать від заданих катодного падіння напруги, розподілу густини струму й теплових втрат у конструкції електролізера й необхідного ступеня механічної стійкості. Між сталлю й катодом може бути розміщений електроізоляційний матеріал, наприклад вогнетривкий розчин або полотно/лист з керамічного волокна, для запобігання протіканню блукаючих струмів в обхід струмовідвідної системи, закладеної усередині катода. Ізоляційний матеріал також може заходити на деяку відстань далі в катод між струмовідвідною системою й катодом, якщо це потрібно для досягнення бажаного розподілу струму, але за рахунок деякого збільшення катодного падіння напруги.

Вивідниййі) кінець(ці) струмовідвідної системи може(уть) бути вставлений(і) у сталевий) стрижень(ні), тобто є часткове перекриття між сталевим стрижнем і струмовідвідною системою, або ці дві деталі можуть бути скріплені разом за допомогою зварювання, нанесення електропровідного клею, затискача або іншої механічної фіксації, або ж стик між вивідним(и) кінцем(ями) і сталевим(и) стрижнем(ями) замикається за рахунок теплового розширення. Також можливе комбінування даних методів скріплення будь-яким бажаним чином. Сталевий стрижень забезпечує механічну опору для струмовідвідної системи й приймає на себе деяке механічне напруження зі струмовідвідної системи, якщо катодний блок, у якому розміщена ця струмовідвідна система, спучується. Крім того, поліпшується механічне маніпулювання катодним вузлом, що містить такий сталевий стрижень, під час транспортування й монтажу.

Якщо провідний перехідник являє собою біметалеву пластину, то кожна її сторона переважно виконана з того ж матеріалу, що й той компонент, до якого вона повернута. Така

Зо біметалева пластина може бути приварена до вивідного(их) кінця(ів) струмовідвідної системи, що виступає(ють) назовні, і приєднана до зовнішньої ошиновки за допомогою затискача або зварювання. Повернута до струмовідвідної системі сторона біметалевої пластини виконана з того ж матеріалу, що й ця струмовідвідна система, наприклад з міді. Інша сторона біметалевої пластини, повернута до зовнішньої ошиновки, виконана з того ж матеріалу, що й з'єднувальна поверхня цієї ошиновки, наприклад з алюмінію, міді або сталі. Даний вибір матеріалу полегшує з'єднання або зі струмовідвідною системою, або з зовнішнім ошинуванням. Крім того, той же самий матеріал забезпечує легкість з'єднання, гарну зв'язність і аналогічну електропровідність, дозволяє уникнути корозії, що виникає через різний електрохімічний потенціал у різнорідних матеріалів у присутності будь-якого електроліту, наприклад вологи, і дозволяє уникнути взаємної дифузії різних матеріалів, яка змінила б локальний хімічний склад і мікроструктуру й, отже, фізичні властивості, такі як механічні й електричні характеристики.

Переважно, щоб у випадку, коли сталевий стрижень використовується як провідний перехідник, він сполучався з біметалевою пластиною, у випадку, коли з'єднувальна поверхня шини не є сталевою й з'єднання виконують, наприклад, зварюванням. Біметалеву пластину розміщують між сталевим стрижнем і зовнішнім ошинуванням. Повернута до сталевого стрижня сторона біметалевої пластини також виконана зі сталі. Внаслідок цієї комбінації з'єднання з шиною полегшується й залишається таким же, як при звичайному способі, прийнятому на електролізному підприємстві, коли це застосовне. Інші переваги згадані вище.

Розмір цих біметалевих пластин є щонайменше таким же, як і розмір поперечного перерізу сталевого стрижня, і може бути більше залежно від практики на електролізному підприємстві.

Також можливо, що провідний перехідник являє собою гнучку деталь, яка є в продажу.

Гнучка деталь виконана з матеріалу, вибраного з групи, що складається з вуглецю, графіту, міді, алюмінію, срібла і їх будь-якої довільної суміші або комбінації, переважно з міді або алюмінію, більш переважно з міді. Ця гнучка деталь переважно є обплетеною або ламінованою (багатошаровою). Внаслідок гнучкості цих деталей полегшується монтаж катодного вузла й протягом терміну служби електролізера забезпечується адаптація до переміщення катода, що викликається спучуванням катода або іншими силами.

До бічної сторони й/або нижньої сторони катодного блока, з яких виступають вивідні кінцеві частини, прикріплений кріпильний пристрій, переважно сталева плита. Цей кріпильний пристрій бо служить механічною опорою для перехідника й/або захисної оболонки, що оточує виступаючу частину струмовідвідної системи. Він переважно являє собою механічне кріплення. Гвинти, болти або штифти, переважно виготовлені з того ж металу, що й плита, можуть бути використані для механічного кріплення плити до катодного блока. Ця плита має щонайменше один отвір з розміром, який трохи більше, ніж розмір поперечного перерізу вивідних кінців струмовідвідної системи, що виступають назовні з катодного блока, або сталевого стрижня, що служить як провідний перехідник. Для попередження протікання струму між металевою плитою й катодним блоком між ними можна розмісти електричні ізолятори, такі як гнучкі вогнетривкі самоклейні листи, і для попередження протікання струму через пристрій механічного кріплення (гвинт, болт або штифт) до металевої плити між ними можна розмістити ізолюючі шайби.

У ще одному переважному варіанті здійснення винаходу щонайменше частину виступаючого(их) назовні вивідного(их) кінця(ів) струмовідвідної системи, переважно весь (всі), закрито захисною оболонкою. Ця оболонка виконана з металу, переважно зі сталі. Переважно, щоб захисна оболонка була прикріплена до катодного блока за допомогою металевої плити, переважно сталевої плити, як описано вище. Захисна оболонка забезпечує частково механічну стійкість катодного вузла за винаходом, зокрема при транспортуванні цього вузла й маніпулюванні ним і при його експлуатації, і ця захисна оболонка захищає від хімічних впливів, подібних впливу корозійно активних газів під час пуску й експлуатації електролізера, і контакту струмовідвідної системи з розплавленими алюмінієм або електролітом, якщо є витік у стику між катодними блоками або великому периферійному стику між кінцем катодного блока й бічною стінкою (бортом) електролізера.

У ще більш переважному варіанті здійснення винаходу проміжок між виступаючими назовні вивідними кінцями струмовідвідної системи й захисною оболонкою заповнений стисливим матеріалом, що має низьку питому електропровідність, яка аналогічна вогнетривким ізоляційним матеріалам і не більше, ніж у коксу або деревного вугілля, і низьку теплопровідність від 0,05 до 20 Вт/(м.К), переважно матеріалом, який являє собою електричний ізолятор й має низьку теплопровідність у діапазоні 5-10 Вт/(м.К). Це матеріал на основі керамічних матеріалів або вуглецю, більш переважно матеріал на основі керамічних матеріалів або аморфного вуглецю, ще більш переважно листи з керамічних волокон, вата з керамічних волокон, гранули, антрацит, кокс, вуглецева сажа, вуглецева повсть, найбільш переважно листи з керамічних

Зо волокон, вата з керамічних волокон або гранули. Такий наповнювач забезпечує можливість переміщення або деформування поміщеної в оболонку частини струмовідвідної системи як наслідок спучування катода або інших сил, і він сприяє тепловому, а також електричному регулюванню електролізера. У комбінації з конструкцією футерівки електролізера й провідним перехідником теплопровідність наповнювача впливає на тепловий потік і температуру на вивідних кінцях струмовідвідної системи й сприяє тепловому балансу електролізера.

Катодний вузол згідно з винаходом містить щонайменше один катодний блок на основі вуглецю й/або графіту. Переважно, склад катодного блока містить щонайменше 50 95 мас., більш переважно щонайменше 6095 мас., ще більш переважно щонайменше 8095 мас., особливо переважно щонайменше 90 95 мас. і найбільш переважно щонайменше 95 95 вуглецю й/або графіту.

Вуглець може являти собою аморфний вуглець, такий як антрацит, а графіт може являти собою природний графіт і/або синтетичний графіт. У контексті винаходу, якщо згаданий щонайменше один катодний блок являє собою шаруватий катодний блок, також можна змішати вуглець і/або графіт з тугоплавким твердим матеріалом, переважно ТіВ», і така суміш утворює верхній шар катодного блока, у той час як нижній шар катодного блока складається з вуглецю й/або графіту.

У ще одному переважному варіанті здійснення даного винаходу згаданий щонайменше один катодний блок катодного вузла містить щонайменше одну електрично активну частину й щонайменше одну електрично неактивну частину. У контексті винаходу електрично активна частина характеризується наявністю ліній струму, що протікає від поверхні катода до струмовідвідної системи, у той час як електрично неактивна частина характеризується відсутністю ліній струму. Електрично неактивна частина переважно розташована нижче струмовідвідної системи. Електрично активна частина переважно виконана з вуглецю й/або графіту, як визначено вище. Електрично неактивна частина переважно виконана з вуглецю або вогнетривкого матеріалу. Може бути використана будь-яка довільна комбінація матеріалів електрично активної частини й електрично неактивної частини. Функція електрично неактивної частини полягає в наданні механічної стійкості згаданій щонайменше одній струмовідвідній системі й в утворенні хімічно інертного бар'єра для захисту згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи від окиснення в газовому середовищі або корозії. Крім того, електрично 60 неактивна частина переважно виконана з матеріалу, який є більш дешевим, ніж матеріал, з якого виконана електрично активна частина, тобто витрати можуть бути зменшені. Приклади вогнетривкого матеріалу як електрично неактивної частини включають вогнетривкий розчин, литі вогнетриви, швидкотверднучі золь-гель вогнетривкі продукти й бетон. Литі або швидкотверднучі золь-гель вогнетривкі продукти придатні для заповнення великих або неправильної форми проміжків. Електроіїзоляційні частини в комбінації з геометрією й розташуванням струмовідвідної системи сприяють досягненню бажаного розподілу струму в електролізері.

Переважно, щоб кожна зі згаданої щонайменше однієї електрично активної частини й згаданої щонайменше однієї електрично неактивної частини мала змінну товщину, якщо дивитися по довжині катодного блока, більш переважно, щоб згадана щонайменше одна електрично неактивна частина мала меншу товщину на її зовнішньому кінці, ніж в її центрі, відповідному центру всього катода, а згадана щонайменше одна електрично активна частина мала більшу товщину на її зовнішніх кінцях, ніж у її центрі, який також є центром усього катода.

Згідно з винаходом також можливо, що згаданий щонайменше один катодний блок містить щонайменше дві електрично активні частини, які рознесені, і при цьому щонайменше одна електрично неактивна частина заповнює проміжок між згаданими щонайменше двома електрично активними частинами, причому електрично неактивний проміжок знаходиться в центрі всього катодного блока поблизу центрального каналу під пристроями подачі глинозему (живильниками). Ці електрично активні частини мають більшу товщину на або біля зовнішнього кінця катода, ніж на або біля центру катода. Переважно, кожна з цих електрично активних частин містить на своєму зовнішньому кінці частину, що являє собою електрично неактивну частину. При використанні більшої кількості електрично неактивного матеріалу й обмеженні електрично активної частини областю катода безпосередньо під анодами, можна додатково зменшити витрати. Дві електрично неактивні частини на зовнішніх кінцях електрично активних частин забезпечують кращий розподіл струму уздовж довжини катодного блока.

Крім того, даний винахід стосується застосування раніше описаного катодного вузла для здійснення електролізу сольових розплавів з одержанням алюмінію.

У звичайному електролізері, основаному на процесі Холла-Еру, є зазори між катодними блоками (називані малими стиками) і між катодними блоками й бортовими вогнетривами

Зо (називані периферійними або великими стиками). Ці зазори звичайно заповнюють набивною масою; великі зазори також можуть бути частково або повністю заповнені попередньо випаленими вуглецевими блоками, при цьому відповідна набита або вуглецева поверхня має нахил вверх від поверхні катода до борту. Бортові блоки, суміжні зі сталевим кожухом, виконані з карбіду кремнію, який є дорогим, або з вуглецю. Підкатодна футерівка, тобто футерівка під катодними блоками, також може бути виконана з керамічних матеріалів.

Переваги з точки зору екологічності, здоров'я й безпеки, що виникають при використанні даного винаходу в результаті усунення заливання чавуном або набивною масою, можуть бути додатково збільшені при установленні таких катодних вузлів в електролізері для виробництва алюмінію, у якому щонайменше один великий стик, переважно всі великі стики, заповнений не набивною масою, а швидкотверднучим золь-гель вогнетривким продуктом, який уже є в продажу або може бути модифікований для забезпечення його відповідності умовам роботи алюмінієвих електролізерів.

Набивна маса передбачає використання зв'язуючої смоли й інших вуглецевмісних зв'язуючих, які всі виділяють шкідливі поліароматичні вуглеводні (ПАВ) під час прогрівання/випалювання. Навіть так звані екологічно сприятливі зв'язуючі утворюють при коксуванні малі кількості ПАВ. Операцію набивання виконують вручну під час конструювання електролізера. Умови роботи звичайно неприємні, і є ергономічні проблеми, які необхідно враховувати. Заміна неорганічними продуктами усунула б ці фактори ризику й викиди ПАВ, приводячи до електролізера без набивної маси.

Неорганічний продукт, такий як швидкотверднучі золь-гель вогнетриви, переважний відносно більш традиційних литих продуктів, оскільки вони містять хімічно зв'язану воду, яка повинна виділятися повільно при регульованому режимі нагрівання, щоб уникнути розтріскування. Це обмеження стримує їх застосування на місці (іп-5йи) дуже малими кількостями або тонкими шарами. Уся вода повинна бути видалена під час прогрівання електролізера, задовго до введення розплавленого електроліту й металевого алюмінію, щоб уникнути катастрофічного вибуху розплавленого металу.

Золь-гель вогнетриви застосовуються в доменних печах, скловарних печах і печах для виплавляння алюмінію. Є склади, які є стійкими до впливу розплавленого металу й можуть застосовуватися навіть у печі для гарячої обробки. Колоїдна зв'язуюча система може бути бо відрегульована так, щоб вона відповідала температурам застосування й тривалостям швидкого твердіння. Оскільки в золь-гель вогнетривах вода зв'язана тільки фізично, вона може бути безпечно видалена при температурах нижче 100 оС, задовго до того, як електролізер з заміненою футерівкою буде запущений в електролізній серії.

В іншому переважному варіанті здійснення даного винаходу малі стики між вуглецевими катодними блоками можуть бути замінені золь-гель вогнетривом або тонкою графітовою плівкою (застосування тонкої графітової плівки описане в М/О 2010/142580 АТ). Функціональні вимоги до великого стику по периферії катодів відрізняються від таких до малих стиків. Крім ущільнення подини електролізера від витоку електроліту й металу великий стик повинен утримувати катодні блоки нерухомими й притиснутими один до одного під дією стиснення.

У ще одному переважному варіанті здійснення даного винаходу золь-гель вогнетрив у вигляді пульпи заміняє всі набиті великі стики й заміняє борт з дорогого 5іС більш дешевим бортом з вуглецю, який закритий покриттям, що захищає від окиснення, на верхній і зовнішній поверхнях і оснащений штучним гарнісажем на внутрішній поверхні, які всі утворені з одного і того ж типу пульпи золь-гель вогнетриву, але склад і властивості яких модифіковані для задоволення функціональних вимог до кожної частини електролізера для відновлення алюмінію. Оскільки золь-гель вогнетрив у великому(их) стику(ах) є електроізоляційним, вогнетривкі компоненти між катодами й стінкою сталевого кожуха можуть бути замінені вуглецевими блоками з низькою теплопровідністю.

Даний винахід також стосується алюмінієвого електролізера, який не містить ніякої набивної маси, так званого "безнабивного" електролізера. Такий безнабивний електролізер містить катодні вузли згідно з даним винаходом, покриті золь-гель вогнетривами вуглецеві борти, великі стики з золь-гель вогнетривами, малі стики з графітовою плівкою або золь-гель вогнетривами; у такому випадку всі стики, тобто всі малі й великі стики, не заповнені якою-небудь набивною масою. Переважно, у підкатодній футерівці й навколо струмовідвідних стрижнів використовуються керамічні вогнетриви. Такий електролізер усуває всі проблеми зі здоров'ям і безпекою й екологічні проблеми, пов'язані з набивною масою.

Золь-гель вогнетрив у вигляді пульпи піддається перекачуванню насосом і легко наноситься на місці під час конструювання електролізера (як наявний на ринку продукт може бути використаний Меїритр від компанії Мадпесо/Меїге! Іпс., Іллінойс/США). Його хімічні й фізичні

Зо властивості адаптують до функціональних вимог за рахунок підбору складу. Ключовим інгредієнтом є придатне колоїдне зв'язуюче, що передбачає виділення фізично зв'язаної води, яке забезпечує можливість швидкого сушіння при низьких температурах (100-200 С) без розтріскування. Уся вода буде виділятися під час першої частини прогрівання електролізера нижче 200 С до того, як буде доданий який-небудь розплавлений кріоліт або алюміній, так що не повинно виникати ніяких проблем вибуху пари або розплавленого металу. Реологічні властивості пульпи дозволяють їй текти й повністю заповнювати зазори, забезпечуючи гарне ущільнення у великому стику, малих стиках (якщо графітова плівка не використовується) і в зазорі між бортовим блоком і стінкою сталевого кожуха. Відомо, що вона розширюється під час нагрівання до температури експлуатації, а не піддається усадці, що також гарантує гарне ущільнення у великому стику й підтримання катодних блоків і графітової плівки під стискаючим впливом.

Хімічна стійкість залежить від вибору наповнювача пульпи так, щоб він відповідав середовищу експлуатації. Наприклад, золь-ель вогнетрив у великому стику повинен бути стійким до розплавленого алюмінію й буде, імовірно, таким же, як використовуваний у футерівках печей для виплавляння алюмінію, або аналогічним йому. На вуглецевому борті буде передбачений багатий карбідом кремнію (5іС) склад для захисту від окиснення киснем повітря.

Як штучний гарнісаж на внутрішній поверхні вуглецевого борту буде, імовірно, використаний багатий глиноземом склад для забезпечення достатньої стійкості до кріоліту й металевого алюмінію доти, поки не сформується природній гарнісаж.

Claims (15)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Катодний вузол для виробництва алюмінію, що містить щонайменше один катодний блок на основі вуглецю й/"або графіту, щонайменше одну струмовідвідну систему з високоелектропровідного матеріалу з питомою електропровідністю більше, ніж у сталі, при цьому вивідні кінцеві частини згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи виступають назовні зі згаданого щонайменше одного катодного блока й/або знаходяться у межах згаданого щонайменше одного катодного блока, який відрізняється тим, що щонайменше одна частина, переважно всі частини, згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи має/мають нахил 60 вверх, якщо дивитися по довжині катодного блока, і причому є або прямий контакт між згаданим щонайменше одним катодним блоком і згаданою щонайменше однією струмовідвідною системою, або щонайменше один шар електропровідного матеріалу, вибраного з групи, що складається з графітової плівки, переважно плівки терморозширеного графіту, фольги, тканини, сітки, піни або пасти з металу або сплаву, переважно міді або мідного сплаву, або провідного клею, або їхньої будь-якої довільної суміші, між згаданим щонайменше одним катодним блоком і згаданою щонайменше однією струмовідвідною системою.

2. Катодний вузол за п. 1, який відрізняється тим, що згадана щонайменше одна струмовідвідна система має щонайменше одну вставку з нерозгалуженою або розгалуженою конфігурацією.

3. Катодний вузол за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що високоелектропровідний матеріал вибраний з групи, що складається з металів, сплавів, метал-вуглецевих композитів, графенів, графітів і вуглецевих композитів.

4. Катодний вузол за п. 3, який відрізняється тим, що високоелектропровідний матеріал являє собою метал або сплав.

5. Катодний вузол за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що вивідні кінцеві частини згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи, які виступають назовні зі згаданого щонайменше одного катодного блока й/(або знаходяться у межах згаданого щонайменше одного катодного блока, з'єднані з зовнішнім ошинуванням провідним перехідником.

б. Катодний вузол за п. 5, який відрізняється тим, що провідний перехідник вибраний зі сталевого стрижня, біметалевої пластини, гнучкої деталі, вуглецевої деталі, графітової деталі або їхньої будь-якої довільної комбінації.

7. Катодний вузол за п. 6, який відрізняється тим, що кожна сторона біметалевої пластини виконана з того ж матеріалу, що й той компонент, до якого вона повернута.

8. Катодний вузол за п. 7, який відрізняється тим, що гнучка деталь виконана з матеріалу, вибраного з групи, що складається з вуглецю, графіту, міді, алюмінію, срібла та їхньої будь-якої довільної суміші або комбінації.

9. Катодний вузол за п. 1 або 5, який відрізняється тим, що, у випадку, якщо провідний перехідник являє собою біметалеву пластину або гнучку деталь або щонайменше частина вивідних кінцевих частин згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи виступає з катодного блока, то частина або частини, що виступає(ють) назовні, згаданої щонайменше однієї струмовідвідної системи й весь провідний перехідник або його частина закриті захисною оболонкою.

10. Катодний вузол за п. 9, який відрізняється тим, що проміжок між згаданою щонайменше однією струмовідвідною системою й захисною оболонкою заповнений стисливим матеріалом, що має низьку електропровідність і низьку теплопровідність.

11. Катодний вузол за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що до складу згаданого щонайменше одного катодного блока входить 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 щонайменше 95 95 вуглець і/або графіт.

12. Катодний вузол за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що згаданий щонайменше один катодний блок містить щонайменше одну електрично активну частину й щонайменше одну електрично неактивну частину.

13. Катодний вузол за п. 12, який відрізняється тим, що згадана щонайменше одна електрично активна частина виконана з вуглецю й/або графіту, а згадана щонайменше одна електрично неактивна частина виконана з вуглецю або вогнетривкого матеріалу, або їхньої будь-якої довільної комбінації.

14. Застосування катодного вузла згідно щонайменше з одним з пп. 1-13 для здійснення електролізу сольових розплавів з одержанням алюмінію.

15. Електролізер для виробництва алюмінію, що містить щонайменше один катодний вузол згідно щонайменше з одним з пп. 1-13, який відрізняється тим, що не містить ніякої набивної маси.