RU2657682C2 - Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell - Google Patents
Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657682C2 RU2657682C2 RU2016129595A RU2016129595A RU2657682C2 RU 2657682 C2 RU2657682 C2 RU 2657682C2 RU 2016129595 A RU2016129595 A RU 2016129595A RU 2016129595 A RU2016129595 A RU 2016129595A RU 2657682 C2 RU2657682 C2 RU 2657682C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- cathode current
- insert
- rod
- liner
- Prior art date
Links
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 24
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 22
- 230000009467 reduction Effects 0.000 title abstract description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 34
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 11
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 42
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 42
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 206010044038 Tooth erosion Diseases 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 102220342298 rs777367316 Human genes 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно, к производству алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к устройству катодного токоподводящего стержня, используемого в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular, to the production of aluminum by electrolysis of molten salts, in particular to a device for a cathode current-conducting rod used in the construction of a cathode device of an aluminum electrolyzer.
Уровень техникиState of the art
Катодный токоподводящий стержень, обычно выполняемый из стали, закрепляется в пазу углеродсодержащего катодного блока с помощью электропроводного материала (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея). Углеродсодержащие катодные блоки с установленными катодными токоподводящими стержнями называются катодными секциями, которые устанавливаются в катодный кожух электролизера и образуют катодное устройство (катод) алюминиевого электролизера.The cathode current-conducting rod, usually made of steel, is fixed in the groove of the carbon-containing cathode block using an electrically conductive material (cast iron, carbon paste or carbon glue). Carbon-containing cathode blocks with installed cathode current-carrying rods are called cathode sections, which are installed in the cathode casing of the electrolyzer and form the cathode device (cathode) of the aluminum electrolyzer.
Назначение катодного токоподводящего стержня - съем электрического тока с катода, и передача его на внешнюю ошиновку, по которой он поступает в следующий электролизер. Ток передается с внешней ошиновки на пакеты алюминиевых шин (стояки) соединенных с анодной ошиновкой, затем через аноды, проходит через слои электролита и металла, затем поступает в катод алюминиевого электролизера.The purpose of the cathode current-supplying rod is to remove electric current from the cathode, and transfer it to the external busbar, through which it enters the next cell. Current is transferred from the external busbar to aluminum busbar stacks (risers) connected to the anode busbar, then through the anodes, passes through the layers of electrolyte and metal, and then enters the cathode of the aluminum electrolyzer.
Известна катодная секция алюминиевого электролизера, включающая катодный углеродистый блок с закрепленным в нем с помощью чугунной заливки катодным токоподводящим стержнем, который выполнен в виде двух элементов одинакового сечения жестко соединенных между собой, причем часть стержня находящаяся под анодом, выполнена из меди, а внешняя часть - из стали (патент SU 1260412 - С25С 3/08 А1, 30.09.1986).A known cathode section of an aluminum electrolyzer, including a cathode carbon block with a cathode current-supplying rod fixed in it using cast iron, which is made in the form of two elements of the same cross section rigidly interconnected, with the part of the rod under the anode made of copper, and the outer part from steel (patent SU 1260412 -
Одним из основных недостатков указанного технического решения является то, что медная часть катодного токоподводящего стержня не имеет сплошной защитной оболочки, препятствующей доступу воздуха и окислению меди при высоких температурах, кроме того, с ростом температуры у меди существенно снижается прочность. Все вышесказанное приводит к росту контактного сопротивления углеродистый блок - токоподводящий стержень и соответственно приведет к росту перепада напряжения в катоде электролизера.One of the main drawbacks of this technical solution is that the copper part of the cathode current-supplying rod does not have a continuous protective sheath that impedes air access and copper oxidation at high temperatures, in addition, with increasing temperature, copper strength significantly decreases. All of the above leads to an increase in the contact resistance of the carbon block - the current-conducting rod and, accordingly, will lead to an increase in the voltage drop in the cathode of the electrolyzer.
Другим недостатком изобретения является сложности, возникающие при создании соединения медная часть - стальная часть токоподводящего стержня с приемлемым уровнем перепада напряжения в нем. Так как проблемы связанные с различием коэффициентов термического расширения меди и стали, высокой окисляемостью и низкой прочностью меди при температурах близких к температуре электролиза и высокая температура области соединения меди и стали не позволяют получить хорошее соединение.Another disadvantage of the invention is the difficulty encountered in creating the connection of the copper part - the steel part of the current-supplying rod with an acceptable level of voltage drop in it. Since the problems associated with the difference in the thermal expansion coefficients of copper and steel, the high oxidizability and low strength of copper at temperatures close to the electrolysis temperature and the high temperature of the region of the connection of copper and steel do not allow to obtain a good connection.
Этими недостатками и объясняются относительно не высокие показатели, полученные при испытаниях предлагаемой катодной секции.These shortcomings explain the relatively low performance obtained by testing the proposed cathode section.
Блюмс и катодный блок используются в электролизере для производства алюминия. Блюмс установлен в паз катодного блока и заделан электропроводным заделывающим материалом типа литейного чугуна. Для повышения эффективной электропроводности к стальному блюмсу с помощью сварки взрывом приварена медная пластина, имеющая переменную по длине блюмса ширину. Сварка взрывом обеспечивает хороший электрический контакт меди и стали, а переменная ширина позволяет обеспечить заданный профиль эффективной электропроводности блюмса. Для предотвращения выгорания медная пластина защищена стальным листом, приваренным сверху к медной пластине и стальному блюмсу.Blooms and a cathode block are used in an electrolyzer for aluminum production. The blooms are installed in the groove of the cathode block and sealed with an electrically conductive sealing material such as cast iron. To increase the effective electrical conductivity, a copper plate having a variable width along the length of the bloom is welded to the steel bloom by explosion welding. Explosion welding provides good electrical contact between copper and steel, and a variable width allows you to provide a given profile of the effective conductivity of the bloom. To prevent burnout, the copper plate is protected by a steel sheet welded on top of the copper plate and steel bloom.
Алюминий получают при электролитическом восстановлении глинозема в криолитовом электролите. Это осуществляется в электролизере Холла-Эру, который обычно эксплуатируется при низких напряжениях и очень высоких значениях электрических токов. Большой электрический ток входит в электролизер через анодную структуру и затем проходит через криолитовый электролит, через слой расплавленного металлического алюминия, а затем входит в угольный катодный блок. Электрический ток выводится из электролизера катодными блюмсами, которые соединяются с внешними электрическими шинами.Aluminum is obtained by electrolytic reduction of alumina in a cryolite electrolyte. This is carried out in a Hall-Herou electrolyzer, which is usually operated at low voltages and very high values of electric currents. A large electric current enters the cell through the anode structure and then passes through a cryolite electrolyte, through a layer of molten metal aluminum, and then enters the carbon cathode block. Electric current is removed from the cell by cathode blooms, which are connected to external busbars.
Поток электрического тока через алюминиевый слой и угольный катодный блок течет по путям наименьшего сопротивления. Электрическое сопротивление в обычном катодном блюмсе пропорционально длине пути тока от точки, в которой электрический ток входит в катодный блюмс, до ближайшей внешней шины. Более низкое сопротивление на пути тока, который начинается в точках на катодном блюмсе, находящихся ближе к внешней шине, заставляет ток, идущий через слой расплава алюминия и угольные катодные блоки, отклоняться в этом направлении.The flow of electric current through the aluminum layer and the carbon cathode block flows along the paths of least resistance. The electrical resistance in a conventional cathode bloom is proportional to the length of the current path from the point at which electric current enters the cathode bloom to the nearest external bus. The lower resistance on the current path, which begins at the points on the cathode bloom closer to the outer bus, causes the current passing through the aluminum melt layer and the carbon cathode blocks to deviate in this direction.
В частности, основной причиной неудовлетворительных характеристик катодных блоков, содержащих графит, является сильно локализованная эрозия катодной поверхности, из-за которой блюмс подвергается воздействию металлического алюминия. Было установлено, что существует связь между быстрой степенью износа, местоположением области максимального износа и неоднородностью распределения катодного тока. Поэтому имеется постоянная потребность в разработке и обеспечении более равномерного распределения катодного тока для того, чтобы скорости локализованного износа катодных блоков были снижены, а срок службы электролизера увеличился.In particular, the main reason for the unsatisfactory characteristics of the cathode blocks containing graphite is the highly localized erosion of the cathode surface, due to which the blooms are exposed to aluminum metal. It was found that there is a relationship between the rapid degree of wear, the location of the area of maximum wear and the heterogeneity of the distribution of the cathode current. Therefore, there is a constant need to develop and ensure a more uniform distribution of the cathode current so that the localized wear rates of the cathode blocks are reduced and the life of the cell increases.
Известно, что удельная электропроводность стала очень мала по сравнению со слоем металлического алюминия, поэтому внешняя треть блюмса, ближайшая к борту электролизера, несет большую часть нагрузки, создавая, таким образом, очень неравномерное распределение катодного тока в пределах каждого катодного блока.It is known that the electrical conductivity has become very small compared to a layer of aluminum metal, therefore, the outer third of the blues, which is closest to the side of the cell, carries most of the load, thus creating a very uneven distribution of the cathode current within each cathode block.
Один из методов, который использовался, для достижения более однородного распределения катодного тока, состоял в увеличении удельной электропроводности блюмса. Это привело к снижению плотности локализованного тока и, как следствие, снижению степени износа. Один из методов, который, как было обнаружено, позволяет увеличить удельную электропроводность, заключался в использовании в блюмсе медных вставок, описанных в Патентах US 5 976 333, МПК С25С 3/16, опубл. 02.11.1999 г. и US 3551319, МПК С25С 3/16, опубл. 29.12.1970 г.One of the methods that was used to achieve a more uniform distribution of the cathode current was to increase the conductivity of the bloom. This led to a decrease in the density of the localized current and, as a consequence, a decrease in the degree of wear. One of the methods that was found to increase electrical conductivity was the use of copper inserts in bloom described in US Patents 5,976,333, IPC
Однако в обоих случаях электрическое соединение медного ядра со стальной оболочкой блюмса обеспечивалось за счет механического контакта. При высокой температуре за счет окисления сопротивление контакта медь-сталь увеличивается, что приводит к существенному снижению эффективной электропроводности.However, in both cases, the electrical connection of the copper core with the steel shell of the bloom was ensured by mechanical contact. At high temperatures, due to oxidation, the copper-steel contact resistance increases, which leads to a significant decrease in the effective electrical conductivity.
Хотя использование медного сердечника с большей удельной электропроводностью, безусловно, полезно для достижения более однородного распределения катодного тока, он служит только для снижения степени неоднородности распределения тока и все еще не в состоянии обеспечить сбалансированное распределение катодного тока по ширине катодного блока.Although the use of a copper core with higher electrical conductivity is certainly useful for achieving a more uniform distribution of the cathode current, it only serves to reduce the degree of heterogeneity of the current distribution and is still not able to provide a balanced distribution of the cathode current across the width of the cathode block.
Прерывистое электрическое соединение блюмса с катодным блоком, описанное в Патенте WO 2004/031452 А1, МПК С25С 3/16, опубл. 15.04.2004 г., приводит к более равномерному распределению тока по катодному блоку.Intermittent electrical connection of the bloom with the cathode block described in Patent WO 2004/031452 A1, IPC
Использование прерывистых порций заделки согласно данному изобретению эффективно для управления распределением катодного тока. Это, однако, может вызывать дополнительное падение потенциала в электролизере, приводя к увеличению эксплуатационных расходов.The use of intermittent termination portions according to this invention is effective for controlling the distribution of cathode current. This, however, can cause an additional drop in potential in the cell, leading to an increase in operating costs.
Эту проблему решили в патенте RU 2303654, МПК С25С 3/08, опубл. 27.07.2007 г., где медная вставка помогает преодолевать это падение потенциала, и этому также помогает увеличение полного поперечного сечения блюмса. Площадь поперечного сечения медной вставки - предпочтительно составляет 20% от площади поперечного сечения блюмса. Эта медная вставка в комбинации с увеличенной площадью поперечного сечения блюмса способна в значительной степени скомпенсировать дополнительное падение потенциала, вызванного путем ступенчатого уменьшения площади электрического контакта боковых поверхностей паза катодного блока и катодного стержня.This problem was solved in patent RU 2303654, IPC С25С 3/08, publ. 07/27/2007, where the copper insert helps to overcome this drop in potential, and this also helps to increase the total cross section of the bloom. The cross-sectional area of the copper insert is preferably 20% of the cross-sectional area of the bloom. This copper insert, in combination with an increased bloom cross-sectional area, can significantly compensate for the additional potential drop caused by a stepwise decrease in the electrical contact area of the side surfaces of the groove of the cathode block and the cathode rod.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является катодная секция алюминиевого электролизера по патенту RU 2285754, МПК С25С 3/08, опубл. 20.10.2006 г., в которой 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.Closest to the claimed invention in technical essence and the achieved result is the cathode section of an aluminum electrolyzer according to patent RU 2285754, IPC С25С 3/08, publ. October 20, 2006, in which the copper liner and the inner 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 at least a third of the height of the current-supplying rod, and the copper liner is fixed with a gap from the side of the inner end and into the lower part of the current supply rod.
К основным недостаткам прототипа относятся: необходимость высокоточной подгонки медного вкладыша и полости токоподводящего стержня для создания хорошего электрического контакта по всей длине катодного токоподводящего стержня; проблематично обеспечить равномерный (по длине) электрический контакт между медным вкладышем и полостью токоподводящего стержня, так как стержень по длине нагрет неравномерно (от 950 до 700°С) и соответственно термическое расширение вкладыша будет разное, что означает разное электрическое сопротивление токоподводящего стержня; незащищенность медного вкладыша от воздействия окислительной среды приведет к его быстрой деградации и снижению.The main disadvantages of the prototype include: the need for high-precision fit of the copper liner and the cavity of the current-supplying rod to create good electrical contact along the entire length of the cathode current-supplying rod; It is problematic to ensure uniform (in length) electrical contact between the copper insert and the cavity of the current-supplying rod, since the rod is heated unevenly along the length (from 950 to 700 ° C) and, accordingly, the thermal expansion of the liner will be different, which means different electrical resistance of the current-supplying rod; the insecurity of the copper liner from the effects of the oxidizing environment will lead to its rapid degradation and decrease.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей работы электролизера за счет повышения срока службы (путем уменьшения износа катодных блоков), стабильности работы электролизера и соответственно наработки металла (путем выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции) и снижения расхода электроэнергии на тонну произведенного алюминия (путем снижения падения напряжения в катодной секции).The objective of the invention is to increase the technical and economic performance of the electrolyzer by increasing the service life (by reducing the wear of the cathode blocks), the stability of the electrolyzer and, accordingly, the production of metal (by aligning horizontal currents along the length of the cathode section) and reducing energy consumption per ton of aluminum produced (by reducing the voltage drop in the cathode section).
Техническим результатом является снижение падения напряжения в катодной секции за счет увеличения проводимости токоподводящего стержня, с обеспечением приемлемого электрического контакта между вставкой и стальным катодным стержнем на протяжении всего срока службы электролизера, существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции.The technical result is to reduce the voltage drop in the cathode section by increasing the conductivity of the current-supplying rod, providing an acceptable electrical contact between the insert and the steel cathode rod throughout the life of the electrolyzer, substantially aligning the horizontal currents along the length of the cathode section.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в катодном токоподводящем стержне, используемом в конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера, включающем металлическую основу с внутренней полостью и вкладыш, выполненный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости с возможностью электрического контакта с металлической основой, катодный токопроводящий стержень выполнен из одной или двух и более жестко закрепленных между собой металлических основ, при этом вкладыш жестко соединен с металлической основой через соединительный слой и размещен на одной или нескольких боковых гранях металлической основы.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the cathode current-supplying rod used in the construction of the cathode device of an aluminum electrolyzer, including a metal base with an internal cavity and an insert made of a material with high electrical conductivity, installed in the internal cavity with the possibility of electrical contact with metal basis, the cathode conductive rod is made of one or two or more metal bases rigidly fixed to each other, while Adyshev fixedly connected to the metal substrate through a bonding layer and is arranged on one or several lateral faces of the metal substrate.
Вкладыш может быть выполнен из меди или сплава на медной основе. Целесообразно, чтобы площадь поперечного сечения вкладыша составляет от 8 до 30% поперечного сечения стержня. Также предпочтительно, чтобы наружная сторона вкладыша была закрыта стальной пластиной, которая жестко закреплена на поверхности металлической основы. Соединительный слой может быть выполнен путем сварки, например, взрывом. Соединение металлической основы с вкладышем из металла с высокой удельной электропроводностью могут осуществлять путем горячей прокатки (накатки) - разновидности обработки металлов давлением.The liner may be made of copper or an alloy based on copper. It is advisable that the cross-sectional area of the liner is from 8 to 30% of the cross section of the rod. It is also preferred that the outside of the liner be covered with a steel plate that is rigidly fixed to the surface of the metal base. The connecting layer can be made by welding, for example, by explosion. The connection of a metal base with a liner of metal with high electrical conductivity can be carried out by hot rolling (rolling) - a form of metal forming.
Соединительный слой образуется сам, в процессе сварки, и представляет собой переходный слой между поверхностными атомными слоями каждого из соединяемых материалов (основы и вкладыша) подвергшийся воздействию струи плазмы (в результате сварки). Плазма вызывает образование металлической связи, при которой металлы делятся между собой валентными электронами. Граница раздела металлов (соединительный слой) обычно резко выражена и имеет вид регулярных синусоидальных волн.The connecting layer is formed by itself during the welding process, and is a transition layer between the surface atomic layers of each of the joined materials (base and liner) exposed to a plasma jet (as a result of welding). Plasma causes the formation of a metal bond, in which metals are divided among themselves by valence electrons. The metal interface (connecting layer) is usually pronounced and has the appearance of regular sinusoidal waves.
В конструкции алюминиевых электролизеров применяются стержни разных форм поперечного сечения - квадратного, прямоугольного, круглого или овального. В нашем случае форма стержня может быть любой.In the design of aluminum electrolyzers, rods of various cross-sectional shapes are used - square, rectangular, round or oval. In our case, the shape of the rod can be any.
Стержень выполнен, как правило, из стали, как вариант замены может быть чугун. Вкладыш может быть выполнен из меди, сплава на основе меди, алюминия, сплава на основе алюминия.The rod is made, as a rule, of steel, as a replacement option can be cast iron. The liner may be made of copper, an alloy based on copper, aluminum, an alloy based on aluminum.
Указанная площадь поперечного сечения вкладыша от 8 до 30% поперечного сечения стержня позволяет регулировать эффективную удельную электропроводность катодного токоподводящего стержня.The indicated cross-sectional area of the liner from 8 to 30% of the cross section of the rod allows you to adjust the effective electrical conductivity of the cathode current-carrying rod.
Стальная пластина, которая жестко закреплена на поверхности металлической основы способствует защите вкладыша и соединительного слоя от окисления.A steel plate that is rigidly fixed to the surface of the metal base helps protect the liner and the connecting layer from oxidation.
Соединение металлической основы с вкладышем из металла с высокой удельной электропроводностью может осуществляться сваркой взрывом. Метод сварки на основе использования энергии взрыва (разновидности обработки металлов взрывом). Основанной на использовании кинетической энергии соударения движущейся части (вкладыша) с поверхностью неподвижной части (основы) затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения (соединительного слоя между ними).The connection of a metal base with a liner of metal with high electrical conductivity can be carried out by explosion welding. Welding method based on the use of explosion energy (a variety of metal processing by explosion). Based on the use of kinetic energy of the collision of the moving part (liner) with the surface of the fixed part (base), it is expended on the work of joint plastic deformation of the contacting layers of the metal, leading to the formation of a welded joint (connecting layer between them).
Предложенная конструкция катодного токоподводящего стержня позволяет обеспечить значительное снижение перепада напряжения в катодном токоподводящем стержне и существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции за счет наличия качественного соединительного слоя между металлической основы и вкладыша. Этот слой обеспечивает уверенный электрический контакт между металлической основой и вкладышем независимо от температурного градиента по длине катодного стержня.The proposed design of the cathode current-supplying rod allows to significantly reduce the voltage drop in the cathode current-supplying rod and significant alignment of horizontal currents along the length of the cathode section due to the presence of a high-quality connecting layer between the metal base and the liner. This layer provides reliable electrical contact between the metal base and the liner, regardless of the temperature gradient along the length of the cathode rod.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
на фиг. 1 изображена катодная секция алюминиевого электролизера;in FIG. 1 shows the cathode section of an aluminum electrolyzer;
на фиг. 2 (а. б) - катодный токоподводящий стержень в разобранном и собранном состоянии;in FIG. 2 (a. B) - cathode current-conducting rod in disassembled and assembled condition;
на фиг. 3 (а, б) изображен предлагаемый катодный токоподводящий стержень, собранный из двух металлических основ;in FIG. 3 (a, b) shows the proposed cathodic current-supplying rod, assembled from two metal bases;
на фиг. 4 (а, б) изображен предлагаемый катодный токоподводящий стержень со стальной пластиной закрывающей вкладыш с наружной стороны.in FIG. 4 (a, b) shows the proposed cathode current-supplying rod with a steel plate covering the liner from the outside.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Предлагаемый катодный токоподводящий стержень 1 предназначен для установки в углеродсодержащий катодный блок 2 выполненный с пазом 3 путем закрепления стержня 1 с помощью электропроводного материала 4 (чугуна, углеродистой пасты или углеродистого клея).The proposed cathode current-supplying
Катодный токоподводящий стержень 1, включающий металлическую основу 5, с внутренней полостью 6 выполненную путем механической обработки вкладыш 7 изготовленный из материала с высокой удельной электропроводностью, установленный во внутренней полости 6 и жестко соединенный с металлической основой 5 через соединительный слой 8, стальную пластину 9 установленную на наружной стороне вкладыша 7 и жестко закрепленную на поверхности металлической основы 5 путем электродуговой сварки по периметру пластины.A cathode current-supplying
Закрепление вкладыша 7 внутри полости 6 металлической основы 5 осуществляется с помощью сварки взрывом, вкладыш 7 из мягкого металла «метается» на поверхность металлической основы 5 в результате соударения возникает пластическая деформация, вызывающая местный нагрев поверхностных слоев металла метаемого вкладыша7 и основания металлической основы 5. В результате деформации и нагрева развиваются физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуется соединение - соединительный слой 8.The
Также, вкладыш 7 можно закрепить внутри полости 6 металлической основы 5 используя совместную горячую прокатку (накатку). В этом случае металлическая основа 5 и вкладыш 7 нагреваются и совместно прокатываются между валками, в результате припаивается вкладыш к металлической основе и появляется прочный соединительный слой 8.Also, the
В случае выполнения катодного токоподводящего стержня 1 составным, состоящим из двух металлических основ 5, они соединяются жестко друг с другом сторонами, на которой установлен вкладыш 7. Соединение двух металлических основ 5 осуществляется электродуговой сваркой по периметру.In the case of making the cathode current-supplying
В конструкции катодного токоподводящего стержня вкладыш с высокой удельной электропроводностью выполнен из меди или сплава на медной основе.In the design of the cathode current-conducting rod, the liner with high electrical conductivity is made of copper or an alloy based on copper.
В конструкции катодного токоподводящего стержня для более радикального выравнивания вертикального тока по поверхности катодной секции предлагается выполнить сечение вкладыша от 8 до 30% сечения стержня.In the design of the cathode current-supplying rod for more radical alignment of the vertical current on the surface of the cathode section, it is proposed to perform a section of the insert from 8 to 30% of the section of the rod.
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
Общая компоновка катодной секции алюминиевого электролизера связана с глобальным преобразованием вертикального тока, входящего со стороны расплавленного металла (сверху катодной секции), в горизонтальный ток по катодным токоподводящим стержням. Это приводит к неравномерности вертикального тока на поверхности подины, особенно при использовании катодных блоков с высоким содержанием графита (материалов с высокой электропроводностью), увеличенному перепаду напряжения в катодной секции, неравномерному износу катодного блока (так как в местах с высокой плотностью тока на поверхности происходит интенсивная эрозия материала катодного блока) и соответственно к снижению срока службы электролизера.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 (on top of the cathode section) into horizontal current along the cathode current-supplying rods. This leads to non-uniformity of the vertical current on the bottom surface, especially when using cathode blocks with a high content of graphite (materials with high electrical conductivity), an increased voltage drop in the cathode section, uneven wear of the cathode block (since in places with a high current density on the surface, intense erosion of the material of the cathode block) and, accordingly, to reduce the service life of the cell.
Катодный токоподводящий стержень с установленным в полости 6 вкладышем 7 позволяет значительно увеличить электропроводности катодного токоподводящего стержня 1, что в свою очередь приводит снижению падения напряжения в катодной секции, к существенное выравнивание горизонтальных токов по длине катодной секции, тем самым уменьшить неравномерность износа катодной секции и соответственно повысить срок службы и стабильность работы электролизера.The cathode current supply rod with an
Относительно небольшая добавка меди (от 8%) виде вкладыша приводит к заметному улучшению распределения тока. В зависимости от технологических условий вкладыш из меди позволяет снизить падение напряжения в катодной секции на 50-100 мВ.A relatively small addition of copper (from 8%) as a liner leads to a noticeable improvement in the current distribution. Depending on the technological conditions, the copper insert allows to reduce the voltage drop in the cathode section by 50-100 mV.
ПримерыExamples
Катодный токоподводящий стержень, произвольной длины, состоящий из стальной основы сечением 230×110 мм с полостью сечением 155×20 мм и медного вкладыша сечением 150×20 мм, который метается на стальную основу, затем, с наружной стороны вкладыша приваривается стальная пластина сечением 180×10 мм, которая защищает медный вкладыш от окисления кислородом воздуха и воздействия агрессивных паров электролита. Катодный токоподводящий стержень получается сечением 230×120 мм.Cathodic current-supplying rod, of arbitrary length, consisting of a steel base with a cross-section of 230 × 110 mm with a cavity with a cross-section of 155 × 20 mm and a copper insert with a section of 150 × 20 mm, which is thrown onto a steel base, then, from the outside of the insert, a steel plate with a section of 180 × 10 mm, which protects the copper liner from oxidation by atmospheric oxygen and exposure to aggressive electrolyte vapor. The cathode current-supplying rod is obtained with a cross section of 230 × 120 mm.
Катодный токоподводящий стержень, произвольной длины, состоящий из двух одинаковых стальных основ сечением 230×60 мм с полостью сечением 155×10 мм и медного вкладыша сечением 150×10 мм который метается на стальную основу. Затем, две основы (половинки) разворачиваются медным вкладышем друг другу и свариваются между собой. При этом получается катодный токоподводящий стержень сечением 230×120 мм который образует цельную стальную защитную оболочку с медным вкладышем внутри.A cathode current-supplying rod of arbitrary length, consisting of two identical steel substrates with a cross-section of 230 × 60 mm and a cavity with a cross-section of 155 × 10 mm and a copper insert with a cross-section of 150 × 10 mm which is thrown onto a steel base. Then, the two bases (halves) are deployed with a copper liner to each other and welded together. This results in a cathode current-supplying rod with a cross section of 230 × 120 mm which forms an integral steel protective sheath with a copper liner inside.
Это приводит к снижению падения напряжения в катодной секции на 50-80 мВ, к значительному выравниванию горизонтальных токов по длине катодной секции, так дельта между максимальным и минимальным значением плотности тока снижается на 50%. Срок службы при этом увеличивается на 6 мес.(подтверждено натурными испытаниями на электролизерах большой мощности >300 кА).This leads to a decrease in voltage drop in the cathode section by 50-80 mV, to a significant equalization of horizontal currents along the length of the cathode section, so the delta between the maximum and minimum values of current density decreases by 50%. At the same time, the service life is increased by 6 months (confirmed by field tests on electrolyzers of high power> 300 kA).
Приведенные выше варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной первым пунктом формулы.The above particular embodiments of the invention are not the only ones possible. Various modifications and improvements are allowed without departing from the scope of the invention defined by the first claim.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129595A RU2657682C2 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell |
| PCT/RU2017/000369 WO2018016989A1 (en) | 2016-07-19 | 2017-05-30 | Cathode current-conducting rod of an aluminum electrolysis cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129595A RU2657682C2 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016129595A RU2016129595A (en) | 2018-01-24 |
| RU2657682C2 true RU2657682C2 (en) | 2018-06-14 |
Family
ID=60996002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016129595A RU2657682C2 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657682C2 (en) |
| WO (1) | WO2018016989A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850407C2 (en) * | 2021-05-10 | 2025-11-11 | Новалюм С.А. | Electrolyser for aluminium production and cathode current collector |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115198313B (en) * | 2022-08-19 | 2025-08-05 | 东北大学设计研究院（有限公司） | Cathode conductive rod for aluminum electrolysis cell and method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5976333A (en) * | 1998-01-06 | 1999-11-02 | Pate; Ray H. | Collector bar |
| RU2285754C1 (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Cathode section of the aluminum electrolyzer |
| RU2348743C2 (en) * | 2007-03-15 | 2009-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" | Cathodic current-carrying rod of aluminium electrolyser |
| US7618519B2 (en) * | 2004-04-02 | 2009-11-17 | Aluminum Pechiney | Cathode element for use in an electrolytic cell intended for production of aluminum |
| RU2494174C2 (en) * | 2007-10-29 | 2013-09-27 | БиЭйчПи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД | Composite shunt rod |
-
2016
- 2016-07-19 RU RU2016129595A patent/RU2657682C2/en active
-
2017
- 2017-05-30 WO PCT/RU2017/000369 patent/WO2018016989A1/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5976333A (en) * | 1998-01-06 | 1999-11-02 | Pate; Ray H. | Collector bar |
| US7618519B2 (en) * | 2004-04-02 | 2009-11-17 | Aluminum Pechiney | Cathode element for use in an electrolytic cell intended for production of aluminum |
| RU2285754C1 (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Cathode section of the aluminum electrolyzer |
| RU2348743C2 (en) * | 2007-03-15 | 2009-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" | Cathodic current-carrying rod of aluminium electrolyser |
| RU2494174C2 (en) * | 2007-10-29 | 2013-09-27 | БиЭйчПи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД | Composite shunt rod |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850407C2 (en) * | 2021-05-10 | 2025-11-11 | Новалюм С.А. | Electrolyser for aluminium production and cathode current collector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016129595A (en) | 2018-01-24 |
| WO2018016989A1 (en) | 2018-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2449058C2 (en) | Electrolyser for aluminium production provided with voltage drop decreasing means | |
| RU2403324C2 (en) | Cathodes for aluminium electrolytic cells with groove of nonplanar configuration | |
| US11136682B2 (en) | Cathode current collector for a Hall-Heroult cell | |
| US6387237B1 (en) | Cathode collector bar with spacer for improved heat balance and method | |
| RU2239007C2 (en) | Cathode collector rod for enhancing thermal balance | |
| AU2008318268B2 (en) | Composite collector bar | |
| JPS60258490A (en) | Carbon anode equipped with round rod having partially narrowdiameter portion for use in aluminum manufacture electrolytic cell | |
| RU2178016C2 (en) | Electrolytic reduction cell for production of metal | |
| WO2004031452A1 (en) | Collector bar providing discontinuous electrical connection to cathode block | |
| CA3031717A1 (en) | Cathode current collector/connector for a hall-heroult cell | |
| NO20180882A1 (en) | Anode hanger, and method of production thereof | |
| RU2657682C2 (en) | Cathode current conducting rod of aluminum reduction cell | |
| RU2285754C1 (en) | Cathode section of the aluminum electrolyzer | |
| RU2348743C2 (en) | Cathodic current-carrying rod of aluminium electrolyser | |
| RU2303654C2 (en) | Mounting method for cathode section | |
| NO349098B1 (en) | An anode hanger | |
| CN120418480A (en) | Cathode current collector and connector assembly for an aluminium electrolysis cell, corresponding kit of parts and aluminium electrolysis cell | |
| EA044747B1 (en) | CATHODE ASSEMBLY FOR HALL-HERU ELECTROLYSER FOR ALUMINUM PRODUCTION AND METHOD OF ITS MANUFACTURE | |
| RU2630114C2 (en) | Electrolyser, in particular, for obtaining aluminium | |
| CN120380202A (en) | Cathode current collector and connector assembly for aluminium electrolysis cell, corresponding kit of parts and aluminium electrolysis apparatus or aluminium electrolysis cell | |
| CA3179900A1 (en) | Cathode assembly for a hall-heroult cell for aluminium production and method for making same |