АНОДНЫЙ ШТЫРЬ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С ВЕРХНИМ ПОДВОДОМ ТОКА Российский патент 1997 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока, в частности к конструкции токоподводящего штыря.

Одним из наиболее близких по технической сущности и достигаемому эффекту является известное анодное устройство алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, согласно которому токоподводящие штыри снабжены в верхней части герметичными внутренними полостями с развитой поверхностью, частично заполненными жидким теплоносителем, причем нижняя часть герметичной полости расположена в неспеченной части анода, а верхняя выше уровня нижнего торца оребрения. Развитая поверхность герметичной полости может быть выполнена из металла, коэффициент теплопроводности которого выше, чем у материала штыря [1]
Выполнение развитой поверхности внутренней полости штыря из материала, коэффициент теплопроводности которого выше, чем у стального штыря например, из алюминия, согласно изобретению, позволяет увеличить теплопроводность устройства из зоны неспеченной части анода в атмосферу. При этом, снижается температура верхней, неспеченной части анода, следовательно улучшаются условия коксования, качество анода; использование жидкого теплоносителя повышает эффект теплопередачи. Однако, изготовление штыря известной конструкции технически сложно, резко возрастает стоимость изделия. Кроме этого, использование жидкого теплоносителя может привести (при значительном возрастании температуры анода за счет нестабильного технологического хода электролизера) к возрастанию давления паров жидкости до критических значений, коррозии внутренней поверхности штыря, насадки, выбросу перегретых паров.

Другим, наиболее близким по технической сущности является известный анодный штырь алюминиевого электролизера с верхним подводом тока, в котором токоподводящая алюминиевая штанга в нижнем своем торце снабжена кольцом, надетым на коническую часть стального стержня [2]
Алюминиевое кольцо, надетое на стальной стержень штыря, не обеспечивает надежный электрический контакт "штырь-штанга". Это приводит к возрастанию падения напряжения, перерасходу электроэнергии. В масштабе электролизера такое возрастание напряжения может привести к оплавлению алюминиевых штанг, колец. Кроме этого, известная конструкция не обеспечивает эффективный теплоотвод из неспеченной части анода из-за малой площади контакта "штырь-штанга" и качества этого контакта, что снижает качество скоксованной части анода и производительность электролизера, возрастает расход электроэнергии и анодной массы, выход угольной пены. Вследствие указанных недостатков известные технические решения не находят применения в промышленных масштабах.

Цель изобретения увеличение производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии, анодной массы и выделения вредных веществ, выхода угольной пены.

Цель достигается тем, что цилиндрическая часть анодного токоподводящего штыря алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, состоящего из стального цилиндрическо-конического стрежня и токоподводящей алюминиевой штанги, снабжена снаружи алюминиевым цилиндром, контактирующим с поверхностью стержня. Диаметр цилиндрической части штыря могут уменьшать на величину толщины алюминиевого цилиндра, причем отношение внутреннего и наружного диаметров цилиндра составляет не менее 0,6 1. Алюминиевый цилиндр может быть также выполнен с переменной толщиной стенки, которая может уменьшаться в направлении протекания электрического тока. Алюминиевый цилиндр может состоять из двух частей. Алюминиевый цилиндр или часть цилиндра могут быть выполнены совместно с алюминиевой токоподводящей штангой, причем контакт "алюминиевый цилиндр стальной стержень" может быть выполнен на диффузионном уровне, например сваркой взрывом.

Цилиндрическая часть штыря контактирует в своей нижней части с неспеченной частью анода, а верхней частью с атмосферой. Наличие алюминиевого цилиндра снаружи цилиндрической части штыря обеспечивает отвод тепла из неспеченной части анода в атмосферу. Это приводит к снижению температуры ближних к штырю, наиболее перегретых слоев расплава анодной массы. Причем, чем ниже расположен штырь относительно анода, следовательно чем большую токовую нагрузку этот штырь принимает и чем больше тепла выделяется вокруг штыря, тем большей частью погружается алюминиевый цилиндр в расплав анодной массы. При этом возрастает отношение высоты погруженной части алюминиевого цилиндра к его непогруженной части. Это повышает эффективность отвода избыточного тепла, выделяющегося на поверхности цилиндрической части штыря при протекании тока. Другими словами, эффективность теплоотвода предлагаемого устройства из неспеченной части анода непосредственно вокруг штыря пропорциональна токовой нагрузке в штыре. Это приводит к снижению величины изменения температурного поля неспеченной части анода при изменении расстояния "штырь подошва анода" в процессе эксплуатации электролизера, что, в свою очередь, улучшает условия коксования анода, его качество; снижается выделение вредных газообразных углеводородов с поверхности анода. Улучшение качества анода, в свою очередь, снижает расход электроэнергии и анодной массы, выход угольной пены, возрастает производительность электролизера.

Уменьшение диаметра цилиндрической части штыря на толщину алюминиевого цилиндра позволяет, во-первых, предотвратить "задиры" неспеченной части анода при извлечении штыря, когда ведут технологию "сухой" анодной массы. Во-вторых относительно увеличение диаметра штыря в его нижней части локализует выделяющееся Джоулево тепло в зоне, близкой к изотерме конуса спекания. Это снижает долю тепла, отданного спеченной частью анода в его неспеченную часть, что снижает теплопотери, расход электроэнергии, перегрев неспеченной части анода. Уменьшение диаметра штыря в верхней части также увеличивает эффект теплопередачи в зону с большей массой металла, т.е. в верхнюю часть стального стержня.

Величина внутреннего диаметра алюминиевого цилиндра, составляющая 0,6 его наружного диаметра, обусловлена необходимостью предотвращения скручивания штыря при его извлечении из анода, а также необходимостью снижения трудозатрат на его изготовление.

Выполнение алюминиевого цилиндра с переменной толщиной стенки позволяет увеличить отвода тепла из неспеченной части анода при одновременном снижении трудозатрат на изготовление штыря, а именно, уменьшение толщины стенки алюминиевого цилиндра в направлении протекания электрического тока (в направлении "атмосфера анод") увеличивает эффект теплопроводности в направлении "анод атмосфера".

Выполнение алюминиевого цилиндра из двух частей упрощает технологию изготовления штыря. Выполнение цилиндра или части цилиндра (полуцилиндра) совместно с алюминиевой токоподводящей штангой, а контакта "алюминиевый цилиндр стальной стержень" сваркой взрывом повышает эффект теплоотвода за счет улучшения контакта и участия токоподводящей штанги в рассеивании тепла. При этом снижается падение напряжение на цилиндрической части штыря за счет лучшего контакта "штанга штырь".

На фиг. 1 изображены фрагменты цилиндрическо-конической части предлагаемого устройства; на фиг. 2 рабочее положение штыря в самообжигающемся аноде.

Устройство состоит из стального токоподводящего цилиндрическо-конического стержня 1, имеющего в верхней части захватную головку 2 и токоподводяшую алюминиевую штангу 3. На поверхности цилиндрической части стержня 1 выполнена выточка 4, которую заполняют алюминием 5 (фиг.1, б-г), или выточку не выполняют, а алюминиевый цилиндр помещают снаружи, увеличивая таким образом общий диаметр цилиндрической части штыря (фиг.1, а). Алюминиевый цилиндр может быть выполнен с переменным сечением (фиг. 1, в) или совместно с токоподводящей штангой (фиг.1, г).

Пример 1.

Комплект цилиндрическо-конических токоподводящих сталеалюминиевых штырей, имеющих диаметр D цилиндрической части 138 мм, снабжают алюминиевым цилиндром в цилиндрической части, как показано на фиг.1,а. Толщина алюминиевого цилиндра 15 мм. Таким образом, наружный диаметр цилиндрической части штыря, снабженный алюминиевым цилиндром, составляет D' 168 мм, и соотношение D/D' 0,82:1. Штыри устанавливают в анод промышленного электролизера Ц-8Б на силу тока 156 кА с жидкой анодной массой и ведут электролиз.

Осредненные технико-экономические показатели электролиза в течение шести месяцев опытного электролизера и электролизера-свидетеля, снабженного штырями без алюминиевых цилиндров и полостей (базовое устройство), применяемых на отечественных и зарубежных алюминиевых заводах, отражены в табл. 1.

Как видно, на опытном электролизере получено снижение температуры неспеченной части анода в среднем от 11 до 20^oC в различных точках относительно токоподводящих штырей по сравнению с аналогичными точками на электролизере-свидетеле. Это приводит к некоторому выравниванию изотерм жидкой анодной массы (ЖАМ) в горизонтальной плоскости и к общему снижению тепловой нагрузки анода. В результате, снижаются газовыделения с поверхности анода, улучшается его качество. При этом снижается выход угольной пены на 8 кг/т.

Улучшение качества анода снижает падение напряжения на 19-20 мВ, что снижает расход электроэнергии. В конечном счете, технологический ход электролизера более стабилен, возрастает его производительность.

Пример 2. Токоподводящие штыри выточку в цилиндрической части штыря толщиной 25 мм и алюминиевый цилиндр, выполненный заливкой в кокиль, с толщиной стенки, равной толщине выточки, как показано на фиг. 1б. Таким образом, соотношение d/D 0,63: 1 /фиг. 1, б/. Штыри устанавливают в анод электролизера С-8Б на силу тока 156 кА с "сухой" анодной массой по технологии, разработанной на Братском алюминиевом заводе.

Результаты 6 месяцев эксплуатации опытного электролизера в сравнении с электролизером-свидетелем С-8Б, снабженным известными сталеалюминиевыми штырями (базовый вариант) и также "сухую" массу, указаны в табл. 2.

Судя по полученным результатам, выполнение стального стержня с выточкой в цилиндрической части, заполненной алюминиевым цилиндром, повышает эффект теплоотвода из неспеченной части анода, температура которой в аналогичных точках снижается на 28 72^oC по сравнению с анодом-свидетелем. Наибольший эффект теплоотдачи проявляется непосредственно на границе "штырь-анод" верхнего слоя анода. В результате, снижается доля газовыделений с поверхности анода, улучшается его качество и снижается количество вредных выбросов за счет снижения потерь летучих углеводородов. Как следствие, имеет место некоторое снижение падения напряжения в аноде, снабженном штырями предлагаемой конструкции на 25-30 мВ. Улучшение качества анода (в первую очередь "вторичного", образующегося в результате коксования подштыревых "пробок" при перестановке штырей) приводит к снижению выхода угольной пены на 14 кг /тА1, расхода анодной массы на 8,5 каг/тAl. В конечном итоге, за счет улучшения и стабильности технологического хода опытного электролизера возрастает его производительность на 11 кг алюминия в сутки по сравнению с электролизером-свидетелем.

Изобретение относится к конструкции токоподводящего штыря электролизера с самообжигающимся анодом с верхним подводом тока. Сущность изобретения: цилиндрическая часть стального стержня цилиндрическо-конического сталеалюминиевого токоподводящего штыря имеет снаружи алюминиевый цилиндр, плотно контактирующий с поверхностью стрежня. При этом диаметр цилиндрической части стального стержня может быть уменьшен на толщину алюминиевого цилиндра, причем отношение внутреннего и наружного диаметров алюминиевого цилиндра не менее 0,6 : 1,0. Цилиндр может быть выполнен с переменной толщиной стенки, уменьшающейся в направлении протекания электрического тока, и состоять из двух частей, причем часть цилиндра или весь цилиндр могут быть выполнены заодно с алюминиевой токоподводящей штангой, а контакт "алюминиевый цилиндр - стальной стержень" выполнен на диффузионном уровне, например, сваркой взрывом. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Анодный штырь алюминиевого электролизера с верхним подводом тока, состоящий из стального цилиндрическо-конического стержня с захватной головкой в верхней части и токоподводящей алюминиевой штанги, отличающийся тем, что на цилиндрической части стального стержня размещен снаружи алюминиевый цилиндр, плотно контактирующий с поверхностью стержня. 2. Штырь по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрической части стального стержня уменьшен на толщину алюминиевого цилиндра, причем соотношение внутреннего и наружного диаметров алюминиевого цилиндра составляет не менее 0,6 1,0. 3. Штырь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что алюминиевый цилиндр выполнен с переменной толщиной стенки. 4. Штырь по пп.1 3, отличающийся тем, что толщина стенки алюминиевого цилиндра выполнена уменьшающейся в направлении протекания электрического тока. 5. Штырь по пп.1 4, отличающийся тем, что алюминиевый цилиндр состоит из двух частей, причем цилиндр или часть цилиндра выполнены совместно с алюминиевой токоподводящей штангой. 6. Штырь по пп.1 5, отличающийся тем, что контакт алюминиевый цилиндр - стальной стержень выполнен на диффузионном уровне, например, сваркой взрывом.