Устройство для подвода электрического тока Советский патент 1978 года по МПК C25C3/16 

Изобретение относится к области цветной металлургии и направлено на совершенствование подвода тока к электролизерам.

Известно устройство для подвода электрического тока, например, к электролизеру для получения алюминия, включающее цилиндрический токоподводящий стержень, защитный кожух, патрубок для подачи и вывода инертного газа 1.

Это устройство малоэффективно при применении его в электролизере для получения алюминия из хлорида алюминия, поскольку агрессивная среда воздействует на стержень, корродирует его и выводит из строя.

Целью изобретения является повышение эффективности защиты стержня от коррозии.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве защитный кожух выполнен в виде непроницаемой к текучим средам электропроводной втулки, насаженной на боковую поверхность стержня, а стержень выполнен металлическим с канавками на наружной поверхности и сквозным отверстием внутри для прохода газа.

Материалом для втулки может служить графит, покрытый пиролитическим графитом.

Графитовая втулка, расположенная вокруг токоподводящего стержня, непроницаема для

расплавленной среды, находящейся в электролизере, полностью изолирует стержень, не допуская проникновения в него компонентов электролита и газообразного хлора.

На фиг. 1 изображено предложенное

устройство для подвода тока, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.

Стенка электролитической ванны 1 - это может быть верх, боковая сторона или любая другая периметрическая часть - представляет собой относительно толстый слой из изоляционного огнеупорного материала и внешний металлический кожух 2, обычно заземленный. Стенки электролитической ванны такой конструкции хорошо выдерживают сильно коррозионную среду, имеющую место, например, при электролитическом получении металлического алюминия из хлористого алюминия, растворенного в ванне вместе с хлоридами щелочных металлов. Компоненты расплава и выделяющийся при электролизе хлор обладают высокой коррозионной и проникающей способностью по отношению к металлам, особенно при повышенных температурах.

В тело электрода 3 введен удлиненный токоподводящий стержень 4, выполненный металлическим; стержень пересекает стенку ванны и одним концом проходит в отверстие 5 в той 3 части электрода, которая примыкает к стенке ванны, другой его конец расположен вне ванны и служит для внешнего электросоединения. Стержень размещен в защитном кожухе, выполненном в виде непроницаемой к текучим средам электропроводной втулки 6, имеющей размеры, достаточные для того, чтобы входить в отверстие, а другим концом - пересекать стенку ванны. Наиболее приемлемой является втулка, выполненная из графита и покрытая пиролитическим графитом. Пиролитический графит - это форма углерода, полученная при термическом разложении углекислого газа. Атомы углерода осаждаются в данном случае на внешнюю поверхность графитовой втулки в виде слоев, ориентированных параллельно этой поверхности. Осажденные слои характеризуются высокой степенью ориентации кристаллов и чистоты углерода, что позволяет получить почти или полностью непроницаемое покрытие. Применение покрытия пиролитическим графитом является предпочтительным, однако не исключает использования и других непроницаемых электропроводных материалов, например графитовой втулки, поры которой заполнены каменноугольной смолой или другими смолами и материалами, которые после спекания оставляют в порах графита углеродистое вещество. Для обеспечения хорощего электрического контакта внутреннее поперечное сечение втулки 6 и внешнее сечение низкоомного токонесущего стержня 4 выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить плотную посадку втулки и стержня по всей длине. В нормальных рабочих условиях такая плотная посадка обеспечивает хорощий электрический контакт между стержнем и втулкой. Аналогично хорошая электропроводность между главным электродом 3 и проводящей втулкой 6 достигается напряженной посадкой между ними. Для обеспечения легкости вставления и удаления втулки 6 при таком типе посадки размеры втулки и отверстия 5 в электроде выбираются с таким расчетом, чтобы в.гулка имела конусообразную форму, т. е. поперечное сечение ее уменьщилось бы в направлении тела электрода. Желательно, чтобы электродная втулка 6 превыщала полную длину той части низкоомного стержня, которая расположена внутри главного электрода, и, как показано на фиг. 1, имела закрытый конец, полностью заключая в себя стержень 4. Однако втулка 5 может иметь открытый конец и меньшую длину, чем участок стержня, находящийся в главном электроде 3. Кроме того, желательно обеспечить некоторое пространство 7 между концом стержня и внутренней поверхностью закрытого конца втулки (фиг. 1). Главный электрод 3 удобно устанавливать таким образом, чтобы его плоскость примыкала к внутренней поверхности изолирующей стенки ванны 1, причем иногда на довольно значительном расстоянии по длине стенки. В таком случае с одним главным электродом 3 можно использовать большое число устройств для подвода тока описанного выше тиаа, что приводит к уменьшению сопротивления в результате сокращения пути электрического тока по глав58ному электроду при подводе тока к электроду, если он - анод, и отводе, если электрод - катод. Размеры изолирующей втулки 8 определяют диаметр отверстия в стенке ванны. Она концентрически окружает ту часть электропроводной втулки б, которая проходит через стенку ванны и имеет соответствующие ей размеры. Между двумя втулками показано вытянутое кольцевое пространство 9, которое несколько преувеличено для наглядности. Основной помехой для получения непроницаемого соединения двух втулок является сложность механизированного приготовления .материала изолирующей втулки (обычно используется кремний-оксинитрид или кварц), а также то, что электропроводная втулка имеет несколько больший коэффициент расширения, чем изолируюшая втулка. Кроме того, свободная посадка двух втулок облегчает сборку и разборку узла. Втулка 8 не только электрически изолирует проводящую электродную втулку 6 и токонесущий стержень 4 от нормально заземленного металлического кожуха 2, но и обеспечивает одновременно препятствие для коррозионных жидкостей в виде кольцевого пространства 9. В электролитических ваннах,в которых присутствует сильная коррозионная среда описанного здесь типа, газовые и жидкостные коррозийные компоненты стремятся проникнуть через пористую поверхность главного электрода 3, обращенную к стенке ванны и войти в контакт с внутренними проводниками, осуществляющими подвод и отвод электрического тока. Так, без обеспечения специальной защиты низкоомного металлического стержня 4 коррозионные компоненты проникли бы по поверхности между стенкой и телом электрода 3 и через поры самого электрода достигли бы металлического стержня. В соответствии с изобретением стержень полностью защищен от такой среды при помощи непроницаемой втулки 6. Такая втулка задерживает газ или компоненты ванны, проникающие в электрод 3 или проходящие между электродом и стенкой ванны 1, не давая им достичь стержня в каких-либо значительных количествах. Это приводит к значительному возрастанию срока службы стержня. Например, при использовании втулки, описанной в изобретении, проникновение коррозионных компонентов уменьщается в такой степени, что хорошее рабочее состояние стержня сохраняется в ечение значительного времени, возможно, в теение нескольких лет. Таким образом, срок лужбы.стержня будет совпадать или даже пре ыщать периоды работы электролитических анн, производящих алюминий, между их проерками и ремонтами. Однако защищенный стержень может потребовать некоторого текущего ремонта, в то время как электролитическая ванна выключается для этих целей. Коническая форма графитовой втулки, как описано выше, позволяет также целиком удалять устрой ство для подвода тока и заменить его до выключения ванны. В соответствии с изобретением вокруг коррозионно опасного стержня 4 можно создать оболочку из инертной жидкости или газа, которая не реагировала бы в какой-либо степени с

материалами стержня, главного электрода и электропроводной втулки 6. Давление в этой оболочке должно быть доетаточным для того, чтобы отталкивать коррозийные компоненты и, следовательно, не допускать их контакта с кабелем. Для этого может использоваться газообразный азот, который от отдельного источника 10 подается под давлением до внутренней полости стержня и собирается в пространстве 7.

Внешняя поверхность стержня покрыта множеством маленьких продольных канавок 11, которые тянутся почти от стенки ванны до конца стержня, что также поддерживает газообразную оболочку. Газ, находящийся внутри этих канавок, проникает между вйутренней поeepXHOCTfjio электропроводной втулки 6 и внешней поверхностью стержня 4, так как эти поверхности достаточно шероховаты для удержания тонкой газовой оболочки между ними даже после механической обработки, которая требуется для получения плотной посадки. Бороздки 11 (фиг. 2) сделаны достаточно малыми, чтобы не приводить к сушественному ухудшению электрического контакта между втулкой 6 и стержнем 4. Как уже уноминглось, обычно поверхности втулки п кабеля достаточно шероховаты, чтобы позволить газовой среде проникать между ними, но эту Н1ероховатость можно искусственно усилить для увеличения эффективности действия оболочки. Можно также использовать металлический стержень 4 с естественной или искусственной пористостью.

Поддержание требуемого давления в газовой оболочке создает положительный градиент давления, который снижает до минимума отток газа от соединения и его утечку через поры втулки 6 и главного электрода 3, так что утечка газа из системы минимальна или равна нулю. В данном случае втулка 6 длиннее стержня 4, имеет закрытый конец и полностью заключает в себя стержень. Однако даже при значительной внешней утечке газовой оболочки, что, например, может возникнуть при наличии отверстия или трещины в электродной втулке и/или главном электроде, поток газа через это отверстие, направленный от стержня 4, будет нрепятствовать проникновению через него коррозийных жидкостей, тем самым защищая металл стержня от их воздействия. Очевидно, что давление газовой оболочки должно немного превышать рабочее давление в электролитической ванне. Это позволяет использовать для создания газовой оболочки недорогой аппарат низкого давления, а также при.менять дешевую уплотняющую сборку на конце электродной втулки 6, проходящем через стенку ванны.

Описанная газовая оболочка действует также в качестве индикатора или сигнализатора, предупреждающего об ухудшении условий внутри ванны и начинающемся повреждении электродов. Когда нормальная утечка инертной газовой оболочки минимальна, любое заметное возрастание потока газа или результируюи;ее снижение давления является легко обнаруженным сигналом; этим сигналом, напри.мер, является изменение показаний .манометра 12 и/или расходомера 13, которые связаны с газовой системой {фиг. 1), причем измерительные приборы дают непрерывную индикацию величины давления в системе и скорости утечки газовой оболочки.

Чтобы укрегп1ть устройство для подвода тока в стенке ванны и обеспечить эффективное уплотнение между втулками 6 и 8, а также между втулкой 6 и стержнем 4, используется съемное концентрическое уплотнение (фиг. 1), которое одновременно изол1 рует электродную втулку 6 и стержень 4 от проводящего кожуха 2. Уплотнение состоит из кольца 14 с флан0цем, расположенного вокр)г конца электродной втулки 6 и прикрепленного к металлическому кожуху 2 при НОМОП1И соответствующих крепежных элементов, например болтов, располо женных по периферии кольца и к)ецящих его к кожуху. Кольцо изолировано от корпуса и болSтов посредством изоляционных втулок 15, через которые болты проходят в кольце, изоляционной шайбы 16, расположенной между кольцом и корпусом, и изоляционных шайб 17, находящихся между кольцом и гол(И5ками 6o;iтов. Между кольцо.м 14 и прилегающей частью

0 втулки 6 помещен изоляционный уп/ютняющий материал 18, например асбестовые волокна, причем желательно также, чтобы этот материал уплотнял промежуток между изолирующей втулкой 8 п стенкой ванны 1 с кожухом 2.

Вокруг стержня 4, примыкая : у.ааленной от

5 кожуха 2 части кольца 14, расположена изоли-. руюидая шайба 19. Она крепится поверх уплотнения 18 при по.чоци жесткой пластины 20, которая, в свою очередь, укреплена болтамн, проходящими через эту пластину и кольцо 14 вбли0зи кожуха. Участок шайбы 19, распо,ложенный .между внутренним краем п.тастины 20 п стержнем 4, хорошо изолирует стержень от пластины, а также от кольца 14, одновременно укрепляя уплотняющий материал 18 на конце втулки 6 вокруг металлического стержня.

5

Такое концентрическое уплотнение препятствует утечке жидкостей или газов вокруг изолирующей втулки 8, а также просачиванию газовой оболочки через внешний Koticn. электродной вту.лки б. Кроме того, уплотнение не нарушает изоляцию между проводяпи-1.м кожухом

0

2и втулкой 6 со стержнем 4, которая обеспечивается изолирующей втулкой 8.

Иногда часть низкоомного стержня 4, проходящая через стенку ванны, имеет вторую внутреннюю по.лость или полости 21 (фиг. Ij

5 для протекания охлаждающей жидкости. В результате хорошей теплопроводности стержня тен.ло электролптп1еской ванны будет быстро передаваться по всему стержню, в том числе и в ту его часть, которая находится вблизи уплотнения. Охлаждающая жидкость, протека0ющая в полостях 2i, позволяет поддерживать почти неизменной температуру в соответствуюHicM участке стержня, что сводит к минимуму, если не устраняет совсем, расширения и сжатия стержня вблизи уплотнений. Таким образом,

5 уплотнения выполняют свои функции, не испытывая влияния температур1 ых перепадов внутри н снаружи ванны.

Коррозионные жидкости внутри ванны легко могут проникнуть меж.п,у rjia.BiibiN электродом

3и стенкой ванны и да.1ее п кольцевой нооме0жуток 9 между изолирующей втулкой В и электропроводной втулкой 6. Если этому не препятствовать, то коррозионная жидкость достигнет уплотнений, расположенных вокруг элементов устройства для подвода тока и примыкающих к проводящему кожуху 2 ванны,, там она будет скапливаться и частично замораживаться. Замерзщая коррозионная жидкость одновременно с испорченными уплотнениями создают условия для протекания тока между электродом и проводящим кожухом, что значительно снижает эффективность работы электрода в электролитической ванне или даже приводит к короткому замыканию. Описанное охлаждение стержня и результирующее снижение температуры в области изолирующей втулки 8 позволяет осуществить выборочное замораживание содержимого ванны, попавщего в кольцевой промежуток 9, до того, как оно проникнет в область кожуха ванны и уплотнений. Затвердевщее вещество зате.м служит препятствием для дальнейшего проникновения коррозионной жидкости и сохраняет высокое качество электрической изоляции между электродной втулкой 6 и кожухом 2, а также между стержнем и кожухом 2. Сквозное отверстие 22 внутри стержня служит для прохода инертного газа вдоль стержня 6 в пространство 7. Хотя ранее при описании изобретения упоминался только один слой, или оболочка инертного газа вокруг стержня 4, можно с успехом применять два и более таких слоев, возникающих при использовании соответствующего числа непроницаемых электродных втулок б, концентрически расположенных вокруг стержня. В описываемых электродах и узле оболочка из химически инертного газа экономичны.м путем создается вокруг металлического или любого другого низкоомного стержня, соединенного с электродом, расположенным в коррозионной среде, причем металл дает малые падения напряжения на таких низкоомных соединениях. Предложенное устройство для подвода тока, особенно полезно при электрическом восстановлении алюминия из хлористого алюминия, растворенного в ванне с расплавленным хлоридом щелочного металла. Однако изобретение может быть полезным в других типах и конструкциях ванн, отличающихся от используемой при восстановлении алюминия из хлористого алюминия, как например, для электрически связанных графитовых подогревателей, расположенных в печи для получения хлористого алюминия из газообразного хлора, углерода и содержащего алюминий вещества. Формула изобретения 1.Устройство для подвода электрического тока, например, к электролизеру для получения алюминия, включающее цилиндрический токоподводящий стержень, защитный кожух, патрубки для подачи и вывода инертного газа, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности защиты стержня от коррозии, защитный кожух выполнен в виде непроницаемой к текучим средам электропроводной втулки, насаженной на стержень, а стержень выполнен металлическим с канавками по наружной поверхности и сквозным отверстием внутри вдоль него для прохода инертного газа. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что втулка выполнена из графита и покрыта пиролитическим графитом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Авторское свидетельство СССР № 267923, кл. С 22 d 3/02, 1969.

: tiiib: : kiii