×
10.06.2015
216.013.546b

Результат интеллектуальной деятельности: КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из криолит-глиноземных расплавов, и может быть использовано в конструкции токоотводов катодного устройства. В алюминиевом электролизере вертикальные металлические катодные токоотводы, проводящие электрический ток от расплава алюминия к катодной ошиновке, выполнены таким образом, что их верхняя часть представляет собой расплавленный алюминий, а нижняя - твердый. Токоотводы размещены в каналах, выполненных в футеровке подины с расширением в средней части, шириной большей, чем на обеих частях токоотводов. Расширение в канале токоотвода может быть заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод. Токоотводы могут быть выполнены в виде трубы, а расширение в канале и пространство внутри трубы заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод. Обеспечивается повышение эффективности использования электрической энергии за счет отсутствия в катодном токоотводе контактных узлов с разнородными материалами, снижения токовых потерь и получения гарантированного эффективного токораспределения и эффективного токоотвода. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из криолит-глиноземных расплавов, и может быть использовано в конструкции токоотводов катодного устройства.

Катодное устройство электролизера для производства алюминия - важнейший электромеханический узел, определяющий, в основном, и срок службы электролизера и эффективность технологического процесса электролиза, в том числе и токораспределение в подине и токопередачу.

Существующие конструктивные исполнения электрического катодного узла и технологии его изготовления имеют существенные недостатки. Токовая нагрузка от прикатодного металла (жидкий алюминий) через углеродистую подину передается на механически закрепленные (электропроводные пасты, чугунная заливка) в углеродистых блоках токоотводящие стальные стержни - блюмсы, затем через контактный узел стальной блюмс - катодный алюминиевый спуск и далее на сборную алюминиевую катодную шину. При этом в электроконтактных узлах применяются различные материалы с различными электромеханическими свойствами, что приводит к перепадам напряжения в контактных узлах, локальным перегревам, к нарушениям целостности контактных узлов, нарушениям целостности подины, и как следствие ведет к нарушениям токораспределения в подине, к дестабилизации технологических параметров процесса.

Известен катод алюминиевого электролизера с токоотводами, выполненными в виде стержней, которые расположены в вертикальных трубах из материала, устойчивого к химическому воздействию расплавленного алюминия и криолита (например - из плотного графитового материала), и которые в свою очередь размещаются внутри стальных труб и разделены между собой теплоизолирующим слоем. Верхняя часть стержней-токоотводов находится в расплавленном состоянии и напрямую контактирует с металлом электролизера, а нижняя часть, находящаяся в твердом состоянии, соединена с токоотводящими шинами (патент США №3723287, C22d 3/02, 3/12, опубл. 27.03.1973).

Основными недостатками данной конструкции токоотводов является сложность изготовления, громоздкость и соответственно значительная стоимость катодного устройства.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является конструкция токоотводов электролизера для получения алюминия из смеси расплавленных солей и глинозема, включающего аноды и выполненные из алюминия и проходящие вертикально сквозь подовую футеровку катодные токоотводящие элементы, выполненные жидкими в верхней части в контакте с расплавом катодного алюминия и твердыми в нижней части в контакте с катодной шиной, в котором катодные токоотводящие элементы выполнены, по крайней мере, частично, в виде перевернутого усеченного конуса с отношением площади нижнего сечения к площади верхнего как 1:2 и установлены в количестве, равном или большем количества анодов, а подовая футеровка выполнена из огнеупорного неугольного материала и покрыта слоем материала, не взаимодействующего с алюминием (патент РФ №2281986, С25С 3/08, 2006).

По назначению, по технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве прототипа. Известное решение позволяет устранить перепады напряжения в контактных узлах катодного токоотвода устранением самих этих узлов, исключить горизонтальные токи в катоде, и, соответственно, уменьшить циркуляцию и волнообразования границы металла с электролитом, а это напрямую влияет на показатели выхода по току и расхода электроэнергии; уменьшить фильтрацию расплава через подину и по границам катодный токоотводящий элемент - футеровка, снизить внедрение в подину щелочных металлов и обеспечить благодаря этому увеличение срока службы электролизера.

Основной недостаток известного технического решения - то, что в процессе работы электролизера между внутренней поверхностью трубы и сердечником из алюминия появляется слой электролита, отжимающий алюминий. Электролит при температурах 600-650°С будет кристаллизоваться на стенках трубы и приводить к уменьшению сечения токоотводов. Вышесказанное приведет к ухудшению электрического контакта между его жидкой и твердой частями, росту перепада напряжения в катоде, локальному разогреву токоотводов, дестабилизации температурного состояния и к нарушениям технологического режима работы электролизера со снижением технико-экономических показателей процесса.

Кроме того, при выполнении токоотводящих элементов в виде перевернутого конуса с отношением площади верхнего сечения к нижнему, как 1:2 и в количестве, равном или большем количества анодов, площадь нижнего сечения определяется допустимой для алюминия плотностью тока 0,65 А/мм2. Что означает, что для условного электролизера на силу тока 120 кА с 16-ю анодами, при 16-ти токоотводящих элементах, размеры последних составят 0120 мм в нижней и 0170 мм в верхней частях соответственно. Предлагаемое решение с токоотводами имеет как преимущества в виде низкого перепада напряжения в катоде, так и серьезные недостатки в виде существенного теплосъема, осуществляемого токоотводящими элементами из алюминия, для восполнения которого необходимо будет увеличивать межэлектродный зазор. Тем самым, увеличивая расход электроэнергии, необходимой на производство тонны электролитического алюминия.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежного электрического контакта в токоотводе между его жидкой и твердой частями и обеспечение его стабильного состояния на протяжении всего срока эксплуатации электролизера. Другая задача настоящего изобретения состоит в стабилизации технологического режима и повышении технико-экономических показателей процесса электролиза.

Техническими результатами являются создание надежного электрического контакта в токоотводе между его жидкой и твердой частями, обеспечение его стабильного состояния на протяжении всего срока эксплуатации электролизера и стабилизация технологического режима и повышение технико-экономических показателей процесса.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алюминиевом электролизере, в котором вертикальные металлические катодные токоотводы, проводящие электрический ток от расплава алюминия к катодной ошиновке, выполнены таким образом, что их верхняя часть представляет собой расплавленный алюминий, а нижняя - твердый, и размещенных в каналах, выполненных в футеровке подины, согласно заявляемому изобретению, каналы токоотводов в средней части выполнены с расширением, шириной большей, чем на обеих частях токоотводов.

Изобретение дополняют частные отличительные признаки, способствующие решению поставленной задачи.

Согласно п.2 формулы изобретения - расширение в канале токоотвода заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод.

Согласно п.3 формулы изобретения - токоотводы выполнены в виде трубы, а расширение в канале и пространство внутри трубы заполнено композиционным материалом диборид титана - углерод.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На фиг.1 изображен катод алюминиевого электролизера с предлагаемыми токоотводами, показано с вырезом 1/4 части;

на фиг.2 показан подовый блок с каналами для токоотводов;

на фиг.3 представлен подовый блок в сборе с токоотводами, изображено с вырезом;

на фиг.4 изображен подовый блок в сборе с токоотводами выполненными по п.2. формулы изобретения.

на фиг.5 показан подовый блок в сборе с токоотводами выполненными по п.3. формулы изобретения.

Катодное устройство алюминиевого электролизера с инертными анодами включает стальной катодный кожух 1; подовые блоки 2 из высокоглиноземистого бетона (Al2O3 не менее 90%); установленные в каналах 3 подового блока 2 токоотводы из алюминия, с твердой 4 и с жидкой частями 5, токоведущий сборный коллектор 6 из алюминиевой пластины с выходящей наружу частью 7, межблочные швы 8 из высокоглиноземистого бетона, бортовые блоки 9, слоев огнеупорного изготовленного, например, из шамотного, высокоглиноземистого, магнезиального, периклазоуглеродистого кирпича и теплоизоляционных материалов 10, которые могут быть изготовлены, например, из шамота-легковеса, вермикулита, пенодиатомита, диатомита, силиката кальция, композиционного материала 11 на основе диборид титана - углерод для заполнения каналов 3 подового блока 2.

В подовых блоках 2 катодного устройства выполняются каналы 3 для токоотводов с твердой 4 и жидкой частями 5, равномерно распределенные по рабочей поверхности подового блока 2. Каналы 3 могут быть выполнены механической обработкой блоков или при формовании подовых блоков 2. Предварительно выполняют соединение твердых частей 4 токоотводов с токоведущим сборным коллектором 6, выполненным из алюминия. Соединение выполняется сваркой. Затем в подовый блок 2 устанавливают собранный в одно целое токоведущий сборный коллектор 6 с токоотводами и фиксируют там с помощью «прихватки» монтажных стержней к выступающим из подового блока токоотводам. После этого собранный подовый блок 2 монтируется в катод. Следует отметить, что дополнительные предварительные операции по изготовлению катодных токоотводящих каналов и токоотводов и затраты на них ничтожно малы по сравнению с получаемыми результатами при эксплуатации электролизера.

Работает электролизер следующим образом. Катод электролизера перед запуском нагревается до температур 850-900°С с помощью газообразных или жидкостных горелок или электрическими нагревателями. При этом верхняя часть токоотводов расплавляется и становится жидкой частью токоотвода 5 и заполняет собой расширение в канале 3 (образовавшуюся полость). Дальнейшему вытеканию алюминия из канала 3 препятствует теплоотвод, осуществляемый токоведущим сборным коллектором 6, который заставляет жидкий алюминий кристаллизоваться вокруг токоотвода и тем самым заполнить имеющиеся полости между каналами 3 и токоотводами.

После разогрева катода электролизера в ванну заливается жидкий алюминий для создания на подине слоя 120-150 мм, этот слой алюминия соединяется в одно целое с жидкой частью 5 токоотводов и образуется замкнутая электрическая цепь. Через образованную цепь эффективно происходит передача токовой нагрузки от анодов к катоду, с последующей подачей токовой нагрузки на следующий по ходу тока электролизер в корпусе электролиза. Эффективность передачи токовой нагрузки обусловлена использованием в качестве проводников жидкого и твердого алюминия, отсутствием в цепи электрических контактов разнородных металлов, отсутствием электрического сопротивления материала футеровки подины.

Выполнение канала 3 с расширением позволит значительно увеличить площадь контакта жидкой 5 и твердой частей 4 токоотвода и обеспечит его стабильный электрический контакт на протяжении всего срока эксплуатации электролизера.

Кроме того, расширение в канале 3 подового блока 2 может быть заполнено композиционным материалом 11 на основе диборид титана - углерод. Работает это решение следующим образом. Композиционный материал 11 хорошо смачивается жидким алюминием и препятствует проникновению электролита между жидкой 5 и твердой 4 частями токоотвода. При этом со временем сам композиционный материал 11, имеющий пористость порядка 30-40%, пропитывается алюминием с образованием внутренних пор, капилляров, каналов, полостей, заполненных металлом того состава, который выделяется на катоде. Применение данного решения позволяет снизить риски протеков алюминия в цоколь ванны при запуске, т.к. полость в канале подового блока изначально заполняется композиционным материалом, препятствующим проникновению алюминия.

Кроме того, токоотвод может быть выполнен в виде трубы, внутренняя полость которого может быть заполнена композиционным материалом 11, который в течение непродолжительного времени весь пропитается жидким алюминием.

Одним из преимуществ этого решения является снижение затрат на изготовление токоотводов, поскольку верхняя часть токоотвода так или иначе будет расплавлена, то вполне логично вместо цельного прутка алюминия использовать полую трубу из алюминия. Это позволит сэкономить порядка 25-30% при изготовлении токоотводов.

Таким образом, обеспечивается стабилизация электрических и технологических параметров электролизера, эффективное токораспределение, повышается надежность работы металлических катодных токоотводов (т.е. электрический контакт в токоотводе между его жидкой и твердой частями) и срока их эксплуатации, повышается срок службы электролизера, и, следовательно, повышаются технико-экономические показатели процесса.

Монтаж футеровки алюминиевого электролизера с инертными анодами осуществляется следующим образом.

Первоначально осуществляют сборку подовых блоков 2, для этого в сформованный подовый блок 2, снабженный каналами 3, помещаются предварительно соединенные токоведущий коллектор 6 с токоотводами 4 (вертикальными трубками), закрепляются там, после этого, подовый блок 2 перевозится к месту монтажа футеровки.

После сборки и установки стального катодного кожуха 1 его днище футеруется огнеупорными и теплоизоляционными материалами 11, после чего поверхность огнеупорного слоя покрывается слоем сыпучего материала, играющего роль выравнивающей подушки, на которую устанавливаются подовые блоки, с определенным шагом, чтобы между соседними блоками был зазор 30…50 мм, для создания межблочного шва 8. После этого производится кладка боковой футеровки так называемой "бровки", размещенной по периметру катодного кожуха между подовыми блоками и нижней частью стенок кожуха и состоящей из слоя теплоизоляционного материала, устанавливаемого вплотную к стенкам кожуха, и огнеупорного материала, устанавливаемого вплотную к теплоизоляционному материалу. Выступающие части токоведущих коллекторов обкладываются боковой футеровкой, обеспечивая при этом герметичность "бровки", одновременно не препятствуя термическому расширению алюминиевых коллекторов. Бровка является основанием для монтажа бортовой футеровки 9, установка бортовых блоков из неметаллических тугоплавких соединений производится в один ряд вдоль стенок катодного кожуха 1, с приклеиванием их к стенкам кожуха, и промазкой всех опорных и стыковочных поверхностей. В качестве клеящего или цементирующего состава могут быть использованы, например, торкретмасса, мертели или огнеупорный бетон, содержащий порошок карбида кремния.

Завершающей и ответственной операцией монтажа футеровки является заполнение межблочных швов 8 между подовыми блоками 2.

Использование предлагаемого технического решения позволит в значительной мере повысить эффективность использования электрической энергии за счет отсутствия в катодном токоотводе контактных узлов с разнородными материалами, за счет снижения токовых потерь, за счет получения гарантированного эффективного токораспределения и эффективного токоотвода.


КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
КОНСТРУКЦИЯ ТОКООТВОДОВ КАТОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 151-160 из 230.
04.10.2018
№218.016.8e53

Устройство для сбора и удаления газов в алюминиевом электролизере

Изобретение относится к устройству для сбора и удаления газов в алюминиевом электролизере с предварительно обожженными анодами. Устройство содержит систему газоходов, содержащую горизонтальный основной и дополнительный газоходы, выполненные с возможностью включения/отключения основного и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668617
Дата охранного документа: 02.10.2018
04.10.2018
№218.016.8f0b

Способ получения длинномерных цилиндрических стержней из материалов на основе ti-al-c

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению длинномерных цилиндрических стержней из материалов на основе Ti-Al-C. Может быть использовано для получения электродных материалов при электролизе цветных металлов. Способ включает предварительное перемешивание исходных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668638
Дата охранного документа: 02.10.2018
04.10.2018
№218.016.8f10

Способ вакуумной обработки алюминия и алюминиевых сплавов

Изобретение относится к рафинированию алюминия и его сплавов от водорода и других неметаллических включений. Способ включает вакуумную обработку алюминия и его сплавов в вакуум-транспортном ковше с крышкой во время охлаждения металла перед заливкой в миксер и выдержку жидкого металла в вакууме...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668640
Дата охранного документа: 02.10.2018
05.10.2018
№218.016.8f53

Газоочистной блок очистки электролизных газов с газоочистным модулем, содержащим фильтр рукавный и реактор

Группа изобретений относится к цветной металлургии и предназначена для очистки газов электролизного производства алюминия от фтористого водорода и других примесей. Газоочистной блок очистки электролизных газов, отходящих от корпусов производства алюминия, включая очистку газа от фтористого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668926
Дата охранного документа: 04.10.2018
16.10.2018
№218.016.92c3

Способ получения оксида скандия из скандийсодержащих концентратов

Изобретение относится к способу получения оксида скандия из скандийсодержащих концентратов. Способ включает растворение скандийсодержащего концентрата в минеральной кислоте, очистку скандиевого раствора от примесей, отделение осадка от скандиевого раствора, его обработку щелочным агентом,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669737
Дата охранного документа: 15.10.2018
19.10.2018
№218.016.9402

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения деформированных полуфабрикатов в виде профилей различного сечения. Способ получения деформированного полуфабриката из сплава на основе алюминия включает приготовление расплава на основе алюминия, содержащего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669957
Дата охранного документа: 17.10.2018
19.10.2018
№218.016.941a

Способ брикетирования углеродных восстановителей

Изобретение описывает способ брикетирования углеродных восстановителей, преимущественно буроугольного или каменного полукокса (кокса), включающий смешение связующих материалов с полукоксом (коксом), прессование и сушку брикетов, отличающийся тем, что в качестве связующих материалов используют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669940
Дата охранного документа: 17.10.2018
01.11.2018
№218.016.981e

Способ производства анодной массы для самообжигающегося анода алюминиевого электролизера

Изобретение относится к производству анодной массы для самообжигающегося анода алюминиевого электролизера. Способ включает смешение коксовой шихты с пеком-связующим с получением анодной массы и определение качества смешения анодной массы. Перед смешением коксовой шихты с пеком-связующим...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671023
Дата охранного документа: 29.10.2018
01.11.2018
№218.016.9914

Способ очистки технического кремния

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для очистки технического кремния, полученного восстановительной плавкой в руднотермических электрических печах. Способ включает продувку расплава кремния сжатым воздухом через пористую часть днища ковша в процессе выливки из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671357
Дата охранного документа: 30.10.2018
01.11.2018
№218.016.991d

Способ получения связующего пека с пониженным содержанием бенз(а)пирена

Изобретение относится к способу получения связующего для производства электродных материалов, применяющихся при производстве алюминия. Описан способ получения связующего пека с пониженным содержанием бенз(а)пирена, включающий термическую обработку посредством совместной дистилляции...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671354
Дата охранного документа: 30.10.2018
Показаны записи 151-156 из 156.
09.06.2019
№219.017.7cc2

Способ изготовления катода вертикального электролизера для производства алюминия

Изобретение относится к производству алюминия электролизом оксида алюминия в расплаве электролита. Для формования катода используют смесь, содержащую порошок диборида титана, углеродсодержащий наполнитель, углеродсодержащее связующее и борсодержащую добавку, в частности оксид бора или борную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002418888
Дата охранного документа: 20.05.2011
09.06.2019
№219.017.7de4

Способ электролитического производства алюминия

Изобретение относится к способу электролитического производства алюминия из глиноземсодержащего фторидного расплава. Способ осуществляют с использованием анодов, содержащих двухфазные металлические сплавы на основе меди и железа, в том числе легированные небольшими количествами никеля,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002455398
Дата охранного документа: 10.07.2012
24.08.2019
№219.017.c39f

Перфорированный металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава

Изобретение относится к перфорированному аноду для электролитического получения алюминия электролизом фторидных расплавов. Анод выполнен в виде перфорированной структуры, образованной продольными и поперечными анодными элементами, которые пересекаются друг с другом и ограничены боковыми...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002698162
Дата охранного документа: 22.08.2019
13.12.2019
№219.017.eceb

Литейный алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения фасонных отливок гравитационным литьем в кокиль, литьем под давлением, кристаллизацией под давлением, используемых в автомобилестроении, для корпусов электронных устройств, а также в качестве деталей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708729
Дата охранного документа: 11.12.2019
25.03.2020
№220.018.0f5a

Способ экспресс-определения криолитового отношения и концентрации фторида калия в электролите при получении алюминия

Изобретение относится к способу определения состава электролита, в частности криолитового отношения (КО) и концентрации фторида калия (KF) в электролите на основе термических измерений с целью управления процессом электролиза алюминия. Способ включает отбор и извлечение, по меньшей мере, трех...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002717442
Дата охранного документа: 23.03.2020
17.06.2023
№223.018.7e8d

Катодное устройство алюминиевого электролизера

Изобретение относится к металлургии алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к катодному устройству электролизера, и касается конструкции верхнего пояса продольных и торцевых стенок катодного кожуха. Катодное устройство электролизера для производства алюминия содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002770602
Дата охранного документа: 18.04.2022
+ добавить свой РИД