RU2005815C1 - Электролизер для получения алюминия - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к конструкции электролизеров для получения алюминия. Электролизер содержит катод, над катодом находится непрерывный анод, состоящий из угольных блоков, склеенных либо каким-то иным способом соединенных друг с другом. При замене угля, израсходованного во время процесса электролизера, к аноду добавляют новые угольные блоки. Анод разделен на секции в виде легкоразъемных держателей или кассет, расположенных тесно друг с другом рядом вдоль электролизера. У верхнего края каждой из кассет предусмотрены выступы, рассчитанные на отсоединение от несущих стенок или конструкций на длинных сторонах электролизера. 8 з. п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к электролизерам, предназначенным для получения алюминия и содержащим катод и анод непрерывного типа, состоящий из угольных блоков, склеенных либо механически скрепленных друг с другом, к такому аноду прикрепляются новые блоки на замену материала, израсходованного во время электролиза.

В настоящее время алюминий получают в электролизерах, действующих на двух различных принципах, это электролизеры с самоспекающимися анодами, также называемыми анодами Седерберга и электролизеры с предварительно спеченными анодами, которые приходится заменять на новые из-за их расходования во время электролизного процесса.

Достоинством электролизеров с предварительно спеченными анодами является меньшее падение напряжения в сравнении с анодами Седерберга. Объяснение этого явления в основном связано с тем, что удельное электрическое сопротивление у предварительно спеченных анодов меньше, чем сопротивление коксовой массы в анодах Седерберга. Затем падение напряжения между токоподводами и углеродным материалом меньше также у предварительно спеченных анодов, поскольку токоподводы для предварительно спеченных анодов соединяются с угольными блоками заранее и потому их можно прочно подсоединить склеиванием, привинчиванием или схожим способом, тогда как токоподводы для анодов Седерберга устанавливают на нужное место в углеродистой анодной массе во время электролитического процесса таким образом, что по достижении нижнего положения их можно вытолкнуть вверх для повторной установки (то-есть получается сравнительно слабое соединение).

С другой стороны у предварительно спеченных анодов прерывистого типа имеется ряд своих недостатков. Поскольку их необходимо заменять на новые до того, как они будут полностью израсходованы, то потери на анодные остатки составляют, примерно 15-25% от общего расхода анодов. Затем действия по замене и при эксплуатации являются сложными, что находит отражение в довольно-таки значительных затратах.

Из-за перечисленных недостатков типовых электролизеров фирмы-производители алюминия ведут научно-исследовательские работы по созданию электролизеров с предварительно спеченными анодами непрерывного типа, упомянутыми выше. В патенте Норвегии 0 N 98126 раскрыт электролизер для получения алюминия, где используется непрерывный предварительно спеченный анод, состоящий из угольных блоков, скрепленных друг с другом посредством склеивания. За исключением того, что анод состоит из склеенных угольных блоков, само техническое решение по указанному патенту основано на принципе Седерберга, поскольку анод размещается вертикально подвижным образом внутри стальной оболочки, а электрический ток подводится по контактным болтам, предусмотренным в отверстиях с верхней стороны анода. При скреплении с анодом новых угольных блоков приходится извлекать болты, что непрактично и требует много времени, что приводит к большим эксплуатационным затратам. Поэтому такое решение не нашло практического применения.

Также известен электролизер для получения алюминия, где внутри остальных оболочек находятся два электрода, размещенные бок о бок. Электроды состоят из угольных блоков, к которым по мере их использования можно добавлять новые блоки. Передвижение анодов производится домкратами, предусмотренными сверху стальных оболочек. Для подвода электрического тока к электродам и для создания трения, необходимого для удержания электродов, на нижних концах стальных оболочек предусмотрены прижимные устройства в виде весовых рычагов, каждый из которых действует по созданию скользящего контакта под действием пружины с отдельным винтовым регулировочным средством.

У этого технического решения имеется недостаток, связанный с тем, что прижимные устройства, состоящие из сложных механических конструкций, содержащих винты и подвижные части, размещаются над электролитической ванной на небольшом расстоянии от нее и потому быстро приходят в негодность из-за воздействия тепла и вредных газов от электролитической ванны. Другой недостаток в том, что прижимные устройства имеют большие размеры, в результате уменьшается эффективная площадь анода и затрудняется доступ к электролитической ванне, необходимый, например, при отводе металла, разбивании корки и т. д.

Так как используются лишь два электрода с большими угольными анодами, то действия с ними затруднены, а эксплуатация электролизера оказывается сложной. Затем из-за больших размеров угольных блоков между токоподводами имеются сравнительно большие расстояния, что приводит к неэффективному поступлению тока и неравномерному токовому распределению на аноде.

Вследствие перечисленных недостатков техническое решение это также не нашло практического применения.

Цель изобретения состоит в создании электролизера для получения алюминия, действующего на принципе непрерывного анода и не обладающего перечисленными выше недостатками, то-есть такого электролизера, который:
обладает конструктивной простотой и потому недорог в изготовлении, и в то же время
надежен и несложен в эксплуатации.

В соответствии с данным изобретением эта цель достигается в электролизере упомянутого в начале типа, отличающегося тем, что анод разделен на секции в виде легкосъемных кассет или держателей, помещенных плотно друг к другу бок о бок в продольном ряду, и у верхних концов кассет предусмотрены выступы, приспособленные к отделению от несущих стенок или конструкций по длинной стороне электролизера согласно с действующим п. 1
В зависимых пунктах оговариваются предпочтительные варианты реализации изобретения.

На фиг. 1 изображен вид сбоку с частичным разрезом электролизера по данному изобретению; на фиг. 2 - тот же электролизер в поперечном сечении; на фиг. 3 - вид в перспективе в более крупном масштабе анодной кассеты с зажимным устройством по данному изобретению; на фиг. 4 - горизонтальное сечение анодной кассеты на фиг. 9 в зоне зажимного устройства; на фиг. 5 - вид в горизонтальном сечении зажимного устройства; на фиг. 6 - другой вариант реализации, предназначенный для регулирования контактного усилия для зажимного устройства; на фиг. 7 - еще один вариант реализации; на фиг. 8 - вид в поперечном сечении электролизера с вариантом питающей и несущей конструкции; на фиг. 9 - схематичное изображение предпочтительного способа прикрепления угольного блока к аноду с конструкцией по фиг. 8.

На фиг. 1 и 2 позиционные обозначения 1 и 2 относятся к катоду и аноду электролизера соответственно. Конструкция катода 1 может быть типовой и состоять из стального кожуха 3, огнеупорной облицовки 4, внутреннего угольного слоя 5 с катодными штангами 6 и катодными коллекторами (не показаны). Анод выполнен из секций в виде легкосменных кассе 7, обеспечивающих непрерывную подачу сегментов или блоков 8. Между кассетами 8 размещаются дополнительные кассеты 9, содержащие оборудование для подачи присадочных материалов типа окиси алюминия к электролитической ванне. У кассет 7, 9 имеются выступы 10 и с помощью этих выступов кассеты устанавливаются на вертикально подвижных штангах 11. Кассеты помещаются тесно друг к другу с тем, чтобы обеспечить закрывание электролизера сверху. Основным достоинством рассмотренной выше конструкции анодов является возможность легкой замены кассет на новые при необходимости.

Как было сказано выше, кассеты установлены на подвижных штангах 11. На штангах предусмотрены гидравлические или механические домкраты 12, позволяющие опускать, поднимать, либо наклонять анод (кассеты), например, в связи с проблемами анодного эффекта. Домкраты 13 размещаются на стойках 14, покоящихся на катодной конструкции или на фундаменте электролизера, таким образом вся анодная конструкция опирается на эти стойки.

По коротким сторонам и торцам электролизера предусмотрена поворачиваемая внутрь или наружу либо легкосъемная крышка. Крышка имеет форму пластин 15 и представляет герметичное уплотнение для электролизера, когда пластины находятся в закрытом положении и обеспечивает легкий доступ к нему, когда пластины находятся в открытом положении.

Так как кассеты герметизируют электролизер сверху, а его концы и стороны закрыты пластинами 15, то пространство над электролизером полностью замуровано. Поэтому газы, выделяющиеся при электролизе отводятся по отводному каналу 16.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации данного изобретения в кассетах имеются охлаждающие трубопроводы для понижения температуры стенок кассеты, а также зажимные устройства 17, предназначенные для удержания блоков 8. Сразу под кассетами у их концов предусмотрены газовые каналы или трубы для охлаждающей среды, идущие к источнику газа, соответственно обратной газовой магистрали (не показана).

Сами кассеты 7 целиком или частично выполняются из электропроводного материала и электрически соединяются с анодными шинами посредством жестких 18 и гибких 19 соединительных элементов. Как можно видеть из фиг. 3 кассета состоит из верхней части 20 с двумя направляющими 21 для анодных угольных блоков 8. Скрепление угольных блоков 8 друг с другом осуществляется за счет клея или схожего способа, по мере того, как блоки расходуются снизу, их можно "наращивать" сверху, приклеивая новый угольный блок. Для уменьшения потерь тепла в кассетах сверху угольных блоков можно предусмотреть блоки 22 из изоляционного материала для каждой направляющей 21. Наиболее предпочтительно применение изоляционных блоков в случае, когда кассеты снабжены охлаждающим оборудованием. Однако следует подчеркнуть, что электролизеры по данному изобретению можно использовать и без охлаждающего оборудования.

Опускание анодного блока по направляющим 21 выполняется индивидуально с помощью съемных домкратов 23, управляемых от блока управления, не показанного на рисунке. Возможно применение как механических, так и гидравлических домкратов, более полное их описание не дается.

На нижнем участке направляющих 21 находится держатель в виде зажимного устройства 17, скрепленного с верхним участком направляющих посредством соединительных стоек 24, см. также фиг. 4, где показан горизонтальный разрез кассетной направляющей 21 в области зажимных устройств. Держатель предназначен на удержание за счет силы трения всего "штабеля" анодных блоков, а также на пропускание электрического тока к угольному аноду. За счет применения рассмотренной далее конструкции держателя предусматривается техническое решение, обеспечивающее кратчайший путь для тока между электрическими контактами зажимного устройства и электрической ванной, устойчивый к действию коррозионной среды от электролитической ванны при меньшей ширине конструкции (то-есть нет необходимости в дополнительном месте). Последнее преимущество имеет особое значение из-за малых расстояний между кассетами.

Зажимные устройства соединяются друг с другом по периметру кассет посредством поперечных стяжек 25 и сжимаются относительно углов и канавок 26 за счет укорочения эффективной длины стяжек 25. Канавки 26 в виде ласточкина хвоста применены по той причине, что используемые угольные блоки с прямоугольным сечением с большими сторонами, из-за чего возникает необходимость в создании дополнительных токовых контактов для получения более хорошего распределения токов в аноде. Из соображений укорочения пути тока может оказаться более предпочтительным применение блоков с квадратным поперечным сечением, тогда необходимо применять зажимные устройства лишь по углам анодов. Стяжки 25 сконструированы таким образом, что могут работать на изгиб. Подтягивая или отпуская стяжки 27, можно регулировать расстояние между зажимными устройствами, причем с уменьшением расстояния увеличивается давление на аноды. В нормальных рабочих условиях достаточно удерживать стяжки в натянутом состоянии с помощью выставленной пружины (не показана).

Предварительную выставку пружины можно сделать такой, что можно допустить незначительные расхождения в размерах анода без изменения прижимного усилия за пределы требуемого допуска.

Прижимное усилие и давление между зажимным устройством и анодом следует выбирать в зависимости от технических условий работы.

Конструкция зажимного устройства показана на рис. 7. Оно состоит из несущей детали 28, токоподводящей детали 29, износостойкого слоя 30 и внешней изоляции 31.

При условии охлаждения зажимного устройства и конструктивных элементов, соединенных с этим устройством, можно применять более дешевые материалы и получать улучшенные результаты в виде повышенного контактного давления и уменьшенного электрического сопротивления между зажимным устройством и анодом.

На фиг. 5 изображены каналы или проходы 32 для циркуляции охлаждающей среды через зажимные устройства. Аналогичные каналы также предусматриваются в стойках 24 для их охлаждения.

В рассмотренном выше примере контактное усилие между зажимным устройством и угольным анодом регулировалось за счет подтягивания стяжек 27. На фиг. 6 представлен другой пример реализации, где регулирование зажимного устройства осуществляется перемещением стоек 24 вверх и вниз друг относительно друга. Еще один пример показан на фиг. 7, где зажимные устройства стягиваются относительно угольного анода посредством клиновой конструкции, здесь снаружи стоек 24 предусмотрена рама 33, которую можно поднимать или опускать и у которой в нижних угловых участках предусмотрены наклонные направляющие 34, находящиеся на комплементарных направляющих на зажимном устройстве 17.

На фиг. 8 показан вид в поперечном сечении электролизера с анодной кассетой 7 с иначе сконструированными приспособлениями для удержания и подачи. В этом примере также показана кассета с двумя направляющими для анодных блоков 8. Вместо рассмотренных выше зажимных устройств у каждого из анодных блоков 8 предусмотрены два вертикальных канала 35, в каждом из каналов имеется ходовой винт 36 с резьбой 37 на нижнем конце. У верхних концов винтов 36 имеются подшипники и они могут вращаться с помощью шестереночно-приводных устройств (не показаны). Анодный блок 8 удерживается на месте с помощью ходовых винтов у нарезных концов и может подниматься или опускаться за счет поворота винтов. Подача электрического тока производится целиком, либо частично, через винты или направляющие обшивки 38.

На фиг. 9 схематично показан предпочтительный способ добавления новых угольных блоков сверху анода по мере того, как он постепенно расходуется. Как видно из рис. , каждый из угольных блоков состоит из двух половинок 39, в каждой из которых предусмотрены две параллельные полукруглые канавки 40.

Половинки 39 следует поместить сверху "штабеля" из угольных блоков 8 (направляющие кассеты не показаны), тогда полукруглые канавки образуют после склеивания "каналы" 35. Позиционное обозначение 41 указывает на клеевые слои между угольными блоками 8. Клей также можно применять между половинками (позиция 42).

Направляющие 21 предупреждают разделение половинок после склеивания, когда клей еще не затвердел (сразу после того, как обе половинки установлены сверху штабеля), при этом зазор между направляющей 21 и блоков 21 должен быть достаточным, чтобы угольный блок мог проскальзывать вниз под действием собственного веса, у нижних концов направляющих рядом с нарезкой 37 на ходовых винтах зазор следует уменьшить. В другом варианте реализации зазор (допуски) должны быть настолько узкими, чтобы весь электрический ток, либо часть его, поступила в угольному блоку в этой области.

В отношении добавления новых угольных блоков к аноду следует заметить, что изобретение не ограничивается рассмотренным примером реализации с использованием двух половинок. Блок можно изготавливать в виде одной детали со сквозными отверстиями, тогда блоки нанизываются на ходовые винты сверху. Затем необязательно применение именно двух каналов и двух ходовых винтов, их число может быть больше или меньше и соответственно равным друг другу. Либо можно предусмотреть канавки по углам и разместить ходовые винты между анодным блоком и стенками углами анодной направляющей. На рисунках и в описании изображены и описаны примеры с использованием угольных блоков прямоугольной или квадратной формы. Разумеется, данное изобретение не ограничивается только такими формами, они могут варьироваться в пределах притязаний формулы изобретения. Угольные блоки могут иметь круглое или иное сечение. Также число направляющих в кассетах не обязательно должно равняться двум, их может быть больше, и угольные блоки могут относиться как к предварительно спеченному типу, так и к неспеченному. (56) Патент Норвегии N 73535, кл. С 25 С 3/06, 1987.

Claims (9)

1. ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ, содержащий катод и расположенный выше катода непрерывный анод из угольных блоков, соединенных друг с другом в штабель, разделенный на секции в виде кассет, размещенных в ряд вдоль электролизера и выполненных в виде кожуха, охватывающего угольные блоки, устройства для удержания угольных блоков с контактными приспособлениями для передачи тока к угольным блокам, домкраты для перемещения анодов и угольных блоков в анодах, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, электролизер снабжен штангами, установленными вдоль каждой длинной стороны электролизера с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, каждая кассета имеет опорную раму с выступами для опирания на штанги, закрепленную на верхней части кожуха.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными домкратами, размещенными на верхних торцах подвижных штанг для подъема, опускания и наклона анода.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что устройство для удержания угольных блоков и передачи тока к угольным блокам выполнено в виде направляющих из двух вертикальных уголкового профиля стоек, закрепленных на нижних торцах кожуха, и зажимных приспособлений, закрепленных на нижней части стоек.

4. Электролизер по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что каждая кассета выполнена с одним устройством для удержания угольных блоков.

5. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что зажимные приспособления размещены по углам угольных блоков и соединены между собой поперечными стяжками, соединенными с вертикальными стойками направляющей, установленными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости.

6. Электролизер по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что устройство для удержания угольных блоков выполнено с регулировочной рамой, установленной с возможностью перемещения в вертикальной плоскости параллельно вертикальным стойкам направляющей и выполненной с клиновыми укосинами, размещенными по углам рамы с возможностью контакта с вертикальными стойками направляющей.

7. Электролизер по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в угольных блоках выполнен не менее чем один канал, в каждом из которых размещен ходовой винт, на нижней части которого выполнена коническая резьба, а на верхней части установлены подшипник и привод вращения ходового винта.

8. Электролизер по п. 7, отличающийся тем, что угольные блоки выполнены из половин, в каждой из которых выполнены вертикальные полукруглые канавки для образования сквозного канала при соединении блоков в штабель.

9. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что направляющая выполнена в виде кожуха круглой формы.

Images