ТОКОПОДВОДЯЩАЯ ШИНА Российский патент 2010 года по МПК C25C3/16 C25C3/08 C25C3/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к токопроводящим шинам для анодов и катодов, которые используются при производстве алюминия с помощью электролиза оксида алюминия в электролитической ванне в электролизере.

Уровень техники

Производство первичного алюминия происходит с помощью электролиза оксида алюминия, растворенного в расплавленном галогениде в электролитической ванне, например электролитической ванне, содержащей криолит. При электролизе благодаря использованию подаваемого тока смеси, расщепленные в электролите на ионы, восстанавливаются на катоде и окисляются на аноде. Таким образом, на катоде можно получать алюминий, а на аноде - кислород. Процесс, используемый для производства алюминия, процесс Холла-Эру, был практически одновременно независимо разработан американцем Холлом и французом Эру более ста лет назад. Как в качестве анода, так и в качестве катода наиболее часто используется угольный электрод с одной или несколькими токопроводящими шинами, встроенными в уголь. Токопроводящие шины предназначены для подачи тока к электроду или его отвода от электрода, для отвода тепла из электролитической ванны и для обеспечения механической прочности и соединения. Токопроводящие шины подсоединены непосредственно к внешней цепи тока или соединены с ней через дополнительные средства.

В заявке WO 02/42525 проиллюстрированы различные варианты осуществления токопроводящих шин для анодов и катодов, также в этом документе имеются описания существенных признаков токопроводящих шин.

Несмотря на то, что исследования в указанной области ведутся много лет, сохраняется необходимость в улучшении электролизеров, включая токопроводящие шины. В частности, существует необходимость в токопроводящих шинах, обладающих способностью хорошего отвода тепла от электролитической ванны. Далее, было бы целесообразно иметь токопроводящие шины с уменьшенным падением напряжения, которое среди прочего связано с областью контакта с углем. Кроме того, было бы полезно, чтобы токопроводящим шинам, относящимся к анодам, не требовалась заливка в углубление в угле жидкого чугуна в зазор между подходящими отверстиями в теле электрода и вставленными ниппелями анода, что возможно тогда, когда отверстия в теле электрода имеют больший по сравнению с ниппелями диаметр. Соответственно, существует необходимость отказаться от использования выравнивания чугуном, используемого для крепления токопроводящих шин к углю, тем самым можно улучшить токопроводящие шины с точки зрения крепления к угольному электроду и снятия с него. Также существует необходимость в соединении встроенных частей или секций токопроводящих шин с другими частями токопроводящих шин, причем соединение должно быть простым, должна существовать возможность разъединения и при этом должен обеспечиваться хороший электрический, тепловой и механический контакт.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение удовлетворяет упомянутым выше требованием и предлагает новый тип токопроводящей шины для анода или катода, используемых при производстве алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне в электролизере. Указанная токопроводящая шина содержит один или несколько концов или секций, которые при эксплуатации должны выступать из тела электрода, и один или несколько концов или секций, которые при эксплуатации должны располагаться внутри тела электрода. Эта токопроводящая шина отличается тем, что содержит или оба, или один из следующих признаков:

концы или секции, которые при эксплуатации должны быть внутри тела электрода, выполнены в виде одного или нескольких по существу горизонтально расположенных конических элементов, наибольший диаметр поперечного сечения по горизонтали каждого из которых расположен внутри тела электрода, так что после перемещения указанных элементов по оси в одно или несколько приспособленных для этого конических отверстий, расположенных в теле электрода, указанные элементы будут вставлены в тело электрода и удержаны в нем;

указанные конические элементы, соединенные с телом электрода, изготовлены из стали или представляют собой медный сердечник, покрытый сталью, и снабжены одним или несколькими по существу горизонтально расположенными цилиндрическими или коническими пазами с наибольшим поперечным сечением по горизонтали, расположенным в указанных пазах, так что при вдвигании медных направляющих, которые имеют соответствующую форму и расположены на внешних частях указанной токопроводящей шины, указанные элементы и направляющие соединяются с возможностью разъединения.

Что касается по существу горизонтально ориентированного средства, расположенного по существу параллельно электролитической ванне или расположенного горизонтально с отклонением в несколько градусов, то наиболее предпочтительным вариантом является полностью горизонтальное расположение.

Под коническим элементом подразумевается удлиненное тело с увеличивающимися или уменьшающимися размерами поперечного сечения вдоль по существу части своей длины, более предпочтительно, вдоль всей длины. Также практикуются конические отверстия. Под цилиндрическим пазом или элементом подразумевается паз или элемент с одинаковым поперечным сечением вдоль существенной части длины, предпочтительно всей длины, за исключением возможного сужения или расширения на концах. Слово цилиндрический не обязательно означает круглое поперечное сечение, единственное требование состоит в том, чтобы поперечное сечение было одинаковым по всей длине. Таким образом, поперечное сечение может быть треугольным, четырех-, пятиугольным, круглым, эллиптическим, Т-образным или иметь любую другую форму, что также верно для конических элементов, при условии выполнения других отличительных признаков. Также важно сознавать, что цилиндрический элемент может быть расположен вертикально, так что часть цилиндрического элемента вдоль всей длины или вдоль части длины может выступать, например, из тела электрода.

Особенность заключается в том, что часть наибольшего поперечного сечения по горизонтали конического или цилиндрического элемента находится внутри соответственно тела электрода и паза, в случае их соединения препятствуют разделению соединенных тела электрода и конического или цилиндрического элементов при воздействии в вертикальном направлении, перпендикулярном продольной оси конического или цилиндрического элементов. Для соединения с телом электрода не требуется выравнивания чугуном, уплотняющей замазки, уплотняющей массы или клея, что способствует снижению затрат на материалы и на выполнение работ. Коническая форма гарантирует хороший тепловой, электрический и механический контакт даже при начальных стадиях износа конических элементов. При эксплуатации медная направляющая в пазу стального элемента будет отличаться хорошим электрическим, тепловым и механическим контактом, так как коэффициент теплового расширения у меди больше, чем у стали, так что для соединения при комнатной температуре имеющийся зазор, составляющий, например, 0,15-0,5 мм, будет заполнен при расширении меди. Таким образом, получается разъемное соединение с хорошим электрическим, тепловым и механическим контактом, которое способствует снижению затрат на выполнение работ и обеспечивает возможность простой смены частей токопроводящей шины.

Предпочтительно, чтобы форма поперечного сечения частей, которые должны высоким и узким прямоугольником, была выполнена так, чтобы наибольший размер по горизонтали круга, треугольника или четырехугольника, по меньшей мере, в четыре раза превосходил размер прямоугольника по горизонтали. Это приводит к простому и надежному креплению.

Предпочтительно, чтобы токопроводящая шина, соответствующая изобретению с точки зрения хорошего электрического, теплового и механического контакта, была выполнена так, чтобы различные материалы в продольном направлении токопроводящей шины были сварены посредством линейной сварки трением, поверхностной сварки трением, ротационной сварки трением, индукционной сварки, лазерной сварки или электронно-лучевой сварки.

Предпочтительно, чтобы токопроводящая шина, соответствующая изобретению, была изготовлена из чистого алюминия, сплава алюминия, меди или сплава меди, которые используются в качестве конструкционного материала в частях, наиболее удаленных от тела электрода, и частях, расположенных близко к телу электрода или в нем, причем для частей, расположенных внутри тела электрода или близко к нему, используется защитная стальная облицовка. Тем самым максимизируется теплопередача при одновременной минимизации электрического сопротивления, и электролизер может работать при больших силах тока.

Предпочтительно, чтобы токопроводящая шина, соответствующая изобретению, представляла собой или подвесной зажим анода, или катодную пластину. Предпочтительно, чтобы для увеличения срока эксплуатации поверхность токопроводящей шины, соответствующей изобретению, была обработана вольфрамом. Вариант осуществления токопроводящей шины с единственным отличительным признаком с медными направляющими может содержать обычные ниппели в качестве концов или секций, которые при эксплуатации расположены внутри тела электрода.

В настоящем изобретении также предложено тело электрода, отличающееся тем, что оно по существу состоит из угля и содержит подходящие пазы, предназначенные для крепления токопроводящих шин, соответствующих изобретению. Предпочтительно, чтобы конические отверстия в теле электрода были немного длиннее конических элементов, так что указанные конические элементы будут подходить к указанным коническим отверстиям даже после некоторого износа.

В настоящем изобретении предложен электрод, отличающийся тем, что он содержит токопроводящие шины, соответствующие настоящему изобретению и соединенные с телом электрода, который соответствует настоящему изобретению.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет проиллюстрировано чертежами, на которых:

Фиг.1а и 1b - вид, показывающий подвесной зажим анода, соответствующий настоящему изобретению.

Фиг.2 - вид, показывающий другой вариант осуществления подвесного зажима анода, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг.3 - вид, показывающий третий вариант осуществления подвесного зажима анода, соответствующего настоящему изобретению.

Подробное описание

Сначала рассмотрим фиг.1а и 1в, на которых показан подвесной зажим анода, соответствующий настоящему изобретению. На фиг.1а подвесной зажим анода изображен так, как его видит наблюдатель, смотрящий перпендикулярно коническому элементу 1, а на фиг.1в подвесной зажим анода изображен так, как его видит наблюдатель, смотрящий вдоль продольной оси конического элемента. Конический элемент соединен с телом 2 электрода следующим образом: конический элемент вдвинут в конический паз 3, форма которого соответствует форме конического элемента. Как ясно из фиг.1а, часть конического элемента с наибольшими размерами поперечного сечения по горизонтали расположена в теле электрода, так что в процессе эксплуатации после соединения конического элемента с телом электрода конический элемент прочно прикреплен к телу электрода и удерживается в нем. Верхняя сторона конического элемента крепится в более узком элементе с поперечным сечением, представляющим собой прямоугольник, размеры которого по горизонтали значительно меньше размеров конического элемента, так что, хотя паз в теле электрода открыт вверх вдоль всей длины конического элемента, этот конический элемент не может выскользнуть из тела электрода в процессе эксплуатации. В показанном варианте осуществления изобретения внутренний сердечник 4 из меди расположен в коническом элементе, прямоугольнике и расположенной выше соединительной балке. Снаружи медного сердечника расположена стальная облицовка 5. Верхняя часть подвесного зажима анода представляет собой алюминиевую часть 6, соединенную с медным сердечником с помощью сварки трением. В показанном варианте осуществления токопроводящей шины, представляющей собой подвесной зажим анода, широко используются медь и алюминий. Эти материалы предпочтительны с точки зрения теплопроводности и электропроводности. Подвесной зажим анода может быть полностью изготовлен из стали, но, не принимая во внимание тепло- и электропроводность, предпочтительно широко использовать медь и, при желании, алюминий. Для увеличения отвода тепла в дополнение к увеличению размеров различных частей подвесного зажима анода могут быть предусмотрены охлаждающие ребра.

Далее рассмотрим фиг.2, на которой показан другой вариант осуществления подвесного зажима анода, соответствующего изобретению, более конкретно, подвесного зажима анода, содержащего медную направляющую 7, вдвигающуюся в паз соответствующей формы, который выполнен в цилиндрическом стальном элементе 8, вставляемом в тело электрода. Медная направляющая и паз выполнены с такими допусками, что при комнатной температуре медная направляющая сравнительно легко вдвигается в паз стального элемента. При нагревании в процессе эксплуатации в электролизере медь расширяется больше, чем сталь, так что получается хорошее электрическое, тепловое и механическое соединение между медью и сталью.

Далее рассмотрим фиг.3, на которой показан еще один вариант осуществления подвесного зажима анода, соответствующего изобретению, более конкретно, стального ниппеля 9 с пазом, в который вдвигается медная направляющая 7. На медную направляющую 7 может быть надето несколько стальных ниппелей.

Что касается подвесных зажимов анодов, показанных на фиг.2 и 3, цилиндрический стальной элемент 8 и стальные ниппели могут быть изменены. Это касается конического элемента, полностью состоящего из стали или содержащего стальную облицовку вокруг медного сердечника, пазов для крепления медной направляющей, паза, выполненного или непосредственно в коническом элементе или выше, например в соединительной балке. Наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения (не показан) содержит как конический элемент, так и крепление к расположенной вверху части подвесного зажима анода, использующее медную направляющую, так как указанный вариант осуществления изобретения заключает в себе все достоинства изобретения.

Пример

Подвесной зажим анода, содержащий коническую часть, вставляемую в тело электрода, иллюстрирует некоторые достоинства изобретения. Длина цилиндрической части составляет 1,5 м и указанная часть состоит из болта, диаметр которого находится в пределах от 100 до 140 мм, болт расположен под небольшим высоким прямоугольником, причем вертикальная сторона прямоугольника общей длиной 100 мм встроена в тело электрода. Получающаяся область контакта с телом электрода примерно равна 726500 мм². Стандартный подвесной зажим анода с 4 ниппелями обычно имеет площадь контакта, составляющую 281000 мм². Таким образом, площадь контакта увеличена в 2,59 раза. Имея пригодную площадь поперечного сечения, выбирая материалы и форму концов или секций токопроводящей шины, которая при эксплуатации должна выступать из тела электрода, можно добиться очень хороших свойств, принимая во внимание требования, которым удовлетворяет настоящее изобретение.

Изобретение относится к токоподводящей шине электродов электролизеров для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне. Токопроводящая шина содержит концы или секции, один или несколько концов или секций, при эксплуатации выступающих из тела электрода, и один или несколько концов или секций, при эксплуатации располагающихся внутри тела электрода, выполненные в виде одного или нескольких по существу горизонтально расположенных конических элементов, наибольший диаметр поперечного сечения по горизонтали каждого из которых расположен внутри тела электрода, так что после перемещения указанных элементов по оси в одно или несколько приспособленных для этого конических отверстий, расположенных в теле электрода, указанные элементы вставлены в тело электрода и удержаны в нем, при этом указанные конические элементы, вставляемые в тело электрода, изготовлены из стали или представляют собой медный сердечник, покрытый сталью, и имеют один или несколько по существу горизонтально расположенных цилиндрических или конических пазов с наибольшим поперечным сечением по горизонтали указанных пазов сердечника, так что при вдвигании медных направляющих, соответственно образованных на внешних частях указанной токопроводящей шины, указанные элементы соединяются с направляющими с возможностью разъединения. Раскрыто также тело электрода. Обеспечивается упрощение соединения встроенных частей токоподводящих шин с другими их частями. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Токопроводящая шина для анода или катода электролизера для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне, содержащая один или несколько концов или секций, при эксплуатации выступающих из тела электрода, и один или несколько концов или секций, при эксплуатации располагающихся внутри тела электрода, отличающаяся тем, что концы или секции, при эксплуатации находящиеся внутри тела электрода, выполнены в виде одного или нескольких, по существу, горизонтально расположенных конических элементов, наибольший диаметр поперечного сечения по горизонтали каждого из которых расположен внутри тела электрода, так что после перемещения указанных элементов по оси в одно или несколько приспособленных для этого конических отверстий, расположенных в теле электрода, указанные элементы вставлены в тело электрода и удержаны в нем, при этом указанные конические элементы, вставляемые в тело электрода, изготовлены из стали или представляют собой медный сердечник, покрытый сталью, и имеют один или несколько, по существу, горизонтально расположенных цилиндрических или конических пазов с наибольшим поперечным сечением по горизонтали в указанных пазах сердечника, так что при вдвигании медных направляющих, соответстветственно образованных на внешних частях указанной токопроводящей шины, указанные элементы соединяются с направляющими с возможностью разъединения.

2. Токопроводящая шина по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение частей, которые должны быть внутри тела электрода под высоким и узким прямоугольником, имеет круглую, треугольную или четырехугольную форму так, что наибольший размер по горизонтали круга, треугольника или четырехугольника, по меньшей мере, в четыре раза превосходит размер прямоугольника по горизонтали.

3. Токопроводящая шина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является подвесным зажимом анода.

4. Токопроводящая шина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является катодной пластиной.

5. Токопроводящая шина по п.1, отличающаяся тем, что чистый алюминий, сплав алюминия, медь или сплав меди использованы в качестве конструкционного материала в частях, наиболее удаленных от тела электрода, и частях, расположенных близко к телу электрода или в нем, причем для частей, расположенных внутри тела электрода или близко к нему, используется защитная стальная облицовка.

6. Токопроводящая шина для анода или катода электролизера для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне, содержащая один или несколько концов или секций, при эксплуатации выступающих из тела электрода, и один или несколько концов или секций, при эксплуатации располагающихся внутри тела электрода, отличающаяся тем, что концы или секции, при эксплуатации находящиеся внутри тела электрода, выполнены в виде одного или нескольких, по существу, горизонтально расположенных конических элементов, наибольший диаметр поперечного сечения по горизонтали каждого из которых расположен внутри тела электрода, так что после перемещения указанных элементов по оси в одно или несколько приспособленных для этого конических отверстий, расположенных в теле электрода, указанные элементы будут вставлены в тело электрода и удержаны в нем.

7. Токопроводящая шина по п.6, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является подвесным зажимом анода.

8. Токопроводящая шина по п.6, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является катодной пластиной.

9. Токопроводящая шина по п.6, отличающаяся тем, что чистый алюминий, сплав алюминия, медь или сплав меди использованы в качестве конструкционного материала в частях, наиболее удаленных от тела электрода, и частях, расположенных близко к телу электрода или в нем, причем для частей, расположенных внутри тела электрода или близко к нему, используется защитная стальная облицовка.

10. Токопроводящая шина для анода или катода электролизера для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне, содержащая один или несколько концов или секций, при эксплуатации выступающих из тела электрода, и один или несколько концов или секций, при эксплуатации располагающихся внутри тела электрода, отличающаяся тем, что переход между сталью в частях токопроводящей шины, которые должны быть расположены в теле электрода или рядом с ним, и медью во внешних частях по отношению к телу электрода выполнен в виде одного или нескольких, по существу, горизонтально расположенных цилиндрических или конических пазов в стали с наибольшим по горизонтали поперечным сечением, расположенным в указанных пазах и, соответственно, в виде медных направляющих на внешних частях токопроводящей шины, так что при перемещении медных направляющих в стальные пазы указанные части соединяются с возможностью разъединения.

11. Токопроводящая шина по п.10, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является подвесным зажимом анода.

12. Токопроводящая шина по п.10, отличающаяся тем, что токопроводящая шина является катодной пластиной.

13. Токопроводящая шина по п.10, отличающаяся тем, что чистый алюминий, сплав алюминия, медь или сплав меди использованы в качестве конструкционного материала в частях, наиболее удаленных от тела электрода, и частях, расположенных близко к телу электрода или в нем, причем для частей, расположенных внутри тела электрода или близко к нему, используется защитная стальная облицовка.

14. Тело электрода, отличающееся тем, что оно, по существу, состоит из угля и имеет подходящие пазы, предназначенные для крепления токопроводящих шин по любому из пп.1-13.

15. Тело электрода по п.14, отличающееся тем, что конические пазы в теле электрода выполнены немного длиннее конических элементов, так что после небольшого износа указанные конические элементы подходят к указанным коническим пазам.

16. Электрод, отличающийся тем, что он содержит токопроводящие шины по любому из пп.1-13, которые соединены с телом электрода по п.14.