RU2285754C1 - Cathode section of the aluminum electrolyzer - Google Patents

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy; equipment for production of aluminum by electrolysis of the fused salts.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to production of aluminum by electrolysis of fused salts, in particular, to the design of the cathode section of the aluminum electrolyzer and is aimed at the upgrade of the design of the aluminum electrolyzer the hearth section, which represents the combination of the carbon unit and the current conducting cathode rod. In the lower part of the steel current conducting cathode rod under the projection of the anode body there is the pit of the rectangular cross section, in which the copper bush is placed. The pit height is no less than one third of the height of the current conducting cathode rod. Fixation of the copper bush in the pit is made from the side of the internal end of the cathode rod and in the lower part of the cathode rod by the welded steel plates. The technical result of the invention is provision of the more uniform distribution of the electric current flow on the hearth unit to decrease the speed of the cathode wear and to increase the MHD-stability of the electrolyzer especially at usage of the hearth blocks with the great contents of blacklead.

EFFECT: the invention ensures the more uniform distribution of the electric current flow on the hearth unit to decrease the speed of the cathode wear and to increase the MHD-stability of the electrolyzer especially at usage of the hearth blocks with the great contents of blacklead.

3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к устройству катодной секции алюминиевого электролизера.The invention relates to the metallurgy of aluminum by electrolysis of molten salts, in particular to a device for the cathode section of an aluminum electrolyzer.

Известна катодная секция алюминиевого электролизера, содержащая углеродистый блок с пазом, в котором с помощью чугунной заливки закреплен стальной токоподводящий стержень квадратного или прямоугольного сечения (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М., "Металлургия", 1971, стр.194).A known cathode section of an aluminum electrolyzer containing a carbon block with a groove in which, using cast iron, is fixed to a steel current-supplying rod of a square or rectangular cross section (Metallurgy Handbook for Non-ferrous Metals. Aluminum Production. M., Metallurgy, 1971, p.194).

Недостатком известной конструкции катодной секции является большая неоднородность вертикального тока по поверхности подины, которая обусловлена относительно низкой удельной электропроводностью материала катодного стержня. Генерируемые при этом большие горизонтальные составляющие тока в слое расплавленного металла неблагоприятно влияют на МГД-устойчивость электролизера. Эффект неоднородности вертикального тока особенно сильно проявляется при использовании подовых блоков с повышенной электропроводностью (с большим содержанием графита). Использование альтернативных материалов с большей электропроводностью для изготовления катодных стержней (медь, серебро) ограничено их высокой стоимостью и низкой температурой плавления.A disadvantage of the known design of the cathode section is the large heterogeneity of the vertical current along the surface of the hearth, which is due to the relatively low electrical conductivity of the material of the cathode rod. The large horizontal components of the current generated in the molten metal layer that are generated adversely affect the MHD stability of the cell. The effect of the heterogeneity of the vertical current is especially pronounced when using bogie blocks with increased electrical conductivity (with a high content of graphite). The use of alternative materials with greater electrical conductivity for the manufacture of cathode rods (copper, silver) is limited by their high cost and low melting point.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является катодная секция, включающая углеродистый блок с пазом, с заключенным в нем токоподводящим коллекторным стержнем с размещенным в его полости медным вкладышем. Внешний конец коллекторного стержня соединен с электрической шиной. Полость и медный вкладыш в коллекторном стержне могут иметь многоугольный или круглый профиль в поперечном сечении (Патент Российской Федерации №2239007, кл. С 25 С 3/16, 2004).The closest to the claimed device in technical essence and the achieved result is the cathode section, which includes a carbon block with a groove, with a current-conducting collector rod enclosed in it with a copper insert placed in its cavity. The outer end of the collector rod is connected to the busbar. The cavity and the copper insert in the collector rod may have a polygonal or round profile in cross section (Patent of the Russian Federation No. 2239007, CL 25 C 3/16, 2004).

Недостатком указанного технического решения является то, что оно не обеспечивает существенного выравнивания горизонтального тока. При использовании вкладыша с многоугольным или круглым профилем рабочая поверхность медного вкладыша для съема тока относительно невелика. Кроме того, возникают технологические трудности при изготовлении полости для вкладыша.The disadvantage of this technical solution is that it does not provide significant equalization of horizontal current. When using a liner with a polygonal or round profile, the working surface of the copper liner for current collection is relatively small. In addition, there are technological difficulties in the manufacture of the cavity for the liner.

Задачей изобретения является повышение срока службы электролизера, стабильности работы и упрощение технологии сборки катодной секции.The objective of the invention is to increase the service life of the cell, stability and simplification of the Assembly technology of the cathode section.

Технический результат заключается в уменьшении падения напряжения в подовой секции за счет выравнивания вертикального электрического тока на поверхности подины.The technical result consists in reducing the voltage drop in the hearth section by aligning the vertical electric current on the surface of the hearth.

Для решения поставленной задачи в катодной секции алюминиевого электролизера, включающей углеродистый блок с пазом с закрепленным в нем токоподводящим стержнем с внутренней полостью многоугольного сечения, в которую помещен медный вкладыш многоугольного сечения согласно предлагаемому изобретению, медный вкладыш и внутренняя полость в токоподводящем стержне выполнены прямоугольного сечения, при этом полость выполнена под проекцией анодного массива и имеет высоту не менее трети высоты токоподводящего стержня, а медный вкладыш закреплен с зазором со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня.To solve this problem, in the cathode section of an aluminum electrolyzer, including a carbon block with a groove with a current-supplying rod fixed to it with an internal cavity of a polygonal section, in which a copper insert of a polygonal section according to the invention is placed, the copper insert and the internal cavity in the current-supplying rod are made of rectangular section, the cavity is made under the projection of the anode array and has a height of at least a third of the height of the current-supplying rod, and the copper insert is closed linen with a clearance from the inner end and the bottom current supply bar.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates that the solution meets the criteria of "novelty" and "significant differences".

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.The invention is illustrated graphic material.

На фигуре 1 изображена катодная секция алюминиевого электролизера с токоподводящими стержнями предлагаемой конструкции, продольное сечение.The figure 1 shows the cathode section of an aluminum electrolyzer with current-carrying rods of the proposed design, a longitudinal section.

На фигуре 2 - поперечное сечение катодной секции.Figure 2 is a cross section of the cathode section.

На фигуре 3 - типичное линейное распределение вертикального тока по поверхности подового блока, полученное на основе математического моделирования.Figure 3 is a typical linear distribution of the vertical current over the surface of the hearth block, obtained on the basis of mathematical modeling.

В подовом блоке 1 выполнен продольный паз, в котором закреплен токоподводящий стержень 2. Часть паза 3 подового блока 1 выполнена незаполненной токоподводящим стержнем 2 со стороны внутреннего торца подового блока (потай). Токоподводящий стержень 2 в верхней части закреплен с помощью чугунной заливки, углеродным клеем или уплотненной углеродистой пастой (массой) 4. В нижней части токоподводящего стержня 2 под проекцией анодного массива выполнена полость прямоугольного сечения, в котором помещен медный вкладыш 5 прямоугольного сечения. Высота полости составляет не менее трети высоты токоподводящего катодного стержня 2. Закрепление медного вкладыша в полости проводится со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня приваренными стальными пластинами 6. Для компенсации термических расширений при нагревании до рабочей температуры имеется полость 7 между вкладышем 5 и катодным токоподводящим стержнем 2.A longitudinal groove is made in the hearth block 1, in which the current-supplying rod 2 is fixed. Part of the groove 3 of the hearth block 1 is made unfilled by the current-supplying rod 2 from the side of the inner end of the hearth block (flush). The current-supplying rod 2 in the upper part is fixed using cast iron, carbon glue or sealed with carbon paste (mass) 4. In the lower part of the current-supplying rod 2, a rectangular section cavity is made under the projection of the anode array, in which a copper insert 5 of rectangular section is placed. The height of the cavity is at least a third of the height of the current-supplying cathode rod 2. The copper insert is fixed in the cavity from the side of the inner end and in the lower part of the current-supplying rod by welded steel plates 6. To compensate for thermal expansions when heated to operating temperature, there is a cavity 7 between the insert 5 and the cathode current-carrying rod 2.

Общая компоновка катодной секции алюминиевого электролизера связана с глобальным преобразованием вертикального тока, входящего со стороны расплавленного металла, в горизонтальный ток по катодным токоподводящим стержням. Это приводит к существенной неравномерности вертикального тока на поверхности подины, особенно при использовании подовых блоков с повышенным содержанием графита (материалов подовых блоков с большей электропроводностью).The general layout of the cathode section of an aluminum electrolyzer is related to the global conversion of the vertical current entering from the side of the molten metal into horizontal current along the cathode current-supplying rods. This leads to a significant non-uniformity of the vertical current on the surface of the hearth, especially when using hearth blocks with a high content of graphite (materials of hearth blocks with higher electrical conductivity).

Типичное линейное распределение вертикального тока по поверхности подового блока, полученное на основе математического моделирования, приведено при общем съеме тока на подовую секцию 6 кА. В центре ванны электролизера вертикальный ток минимален и увеличивается при приближении к настыли. Зона большого вертикального тока связывается с более высоким износом подины. Увеличение электропроводности катодного токоподводящего стержня при замене материала со стали на медь приводит к существенному выравниванию вертикального тока. Таким образом обеспечивается повышение срока службы и стабильности работы электролизера, уменьшение падения напряжения в подовой секции. Относительно небольшая добавка меди в виде вкладыша приводит к заметному улучшению распределения вертикального тока. Использование вставки цилиндрического сечения неэффективно из-за относительно небольшой поверхности для съема тока.A typical linear distribution of the vertical current over the surface of the hearth block, obtained on the basis of mathematical modeling, is given for a total current removal to the hearth section of 6 kA. In the center of the electrolyzer bath, the vertical current is minimal and increases when approaching the nastily. The large vertical current zone is associated with higher wear of the hearth. An increase in the electrical conductivity of the cathode current-conducting rod when replacing the material from steel to copper leads to a significant equalization of the vertical current. This ensures an increase in the service life and stability of the electrolyzer, reducing the voltage drop in the hearth section. The relatively small addition of copper in the form of a liner leads to a noticeable improvement in the distribution of vertical current. The use of a cylindrical insert is inefficient due to the relatively small surface for current collection.

В зависимости от технологических условий медный вкладыш позволяет снизить падение напряжения в подовой секции на 10-30 мВ.Depending on the technological conditions, the copper insert reduces the voltage drop in the hearth section by 10-30 mV.

Claims (1)

Катодная секция алюминиевого электролизера, включающая углеродистый блок с пазом с закрепленным в нем токоподводящим стержнем с внутренней полостью многоугольного сечения, в которую помещен медный вкладыш многоугольного сечения, отличающаяся тем, что медный вкладыш и внутренняя полость в токоподводящем стержне выполнены прямоугольного сечения, при этом полость выполнена под проекцией анодного массива и имеет высоту не менее трети высоты токоподводящего стержня, а медный вкладыш закреплен с зазором со стороны внутреннего конца и в нижней части токоподводящего стержня.The cathode section of an aluminum electrolyzer, including a carbon block with a groove with a current-supplying rod fixed to it with an internal cavity of a polygonal section, into which a copper insert of a polygonal section is placed, characterized in that the copper insert and the internal cavity in the current-supplying rod are made of rectangular cross-section, while the cavity is made under the projection of the anode array and has a height of not less than a third of the height of the current-supplying rod, and the copper insert is fixed with a gap on the side of the inner end and in neither bottom of the current supply rod.

Images