Przedmiotem wynalazku jest anoda weglowa, zwlaszcza dla wanien do produkcji aluminium na drodze termoelektrolizy.Wynalazekjest szczególnie dostosowany do wanien elektrolitycznych o anodach wypalanych, lecz moze byc takze stosowany do wanien elektrolitycznych o anodach ciaglych, zwanych anodami Sódeberga.Aluminium jest produkowane glównie na drodze elektrolizy tlenku glinu, rozpuszczonego w stopionym kriolicie. Urzadzenie elektrolityczne, które pozwala na przeprowadzenie tego procesu, sklada sie z weglowej katody, umieszczonej w skrzyni ze stali i izolowanej cieplnie ogniotrwalymi materialami izolacyjnymi, ponad która znajduje sie anoda, lub pewna ilosc anod weglowych zanurzonych w stopionym kriolicie, które sa stopniowo utleniane tlenem pochodzacym z rozkladu tlenku glinu.Przeplyw pradu nastepuje z góry do dolu. Dzieki wydzielanemu, zgodnie z prawem Joula, cieplu, kriolit jest utrzymywany w stanie cieklym, w temperaturze bliskiej jego temperatury krzepniecia. Stosowane zwykle temperatury pracy wanien zawieraja sie miedzy 930°C a 980°C.Wytwarzane aluminium jest wiec ciekle i osadza sie, dzieki sile ciezkosci, na katodzie, która jest szczelna. Wytworzone aluminium lub czesc wytworzonego aluminium jest zasysana do kadzi i przelewana do pieców odlewniczych, a anody sa wymieniane na nowe.Natezenia robocze tych elektrolizerów zawieraja sie obecnie miedzy 100000 a 300000 ampe- rów. Przewody laczace i doprowadzajace prad sa wiec dobierane sposród metali o duzej przewod¬ nosci elektrycznej, na przyklad czystej miedzi lub aluminium oraz ich stopów.Weglowe czesci elektrolizerów pracuja w temperaturach, które sa bliskie temperaturze cie¬ klego kriolitu. Polaczenie anody i katody z przewodami doprowadzajacymi prad musi byc realizo¬ wane za pomoca czesci posredniej, która jest odporna na te wysokie temperatury. Czesc ta zwykle jest wykonana ze stali. Stosowana konstrukcja zawiera szereg elementów: a/polaczenie miedzy przewodem a stala. Moze to byc zwykly styk dociskowy, styk ulepszony róznymi srodkami /przewodzacymi smarami, srodkami szlifujacymi, cynowaniem, zaciskami,2 143 780 itp./, bimetal lub element spojony z trzech warstw metalowych, wytwarzany przez walcowanie, laczenie wybuchowe, sprasowanie, laczenie sposobem ciernym, w ukladzie miedz-zelazo, alumi- nium-zelazo, aluminium-tytan-zelazo i podobne; b/czesc przewodzaca ze stali wchodzaca w czesc weglowa. Wystepuje ona w postaci okraglych pretów, plyt, pretów o przekroju kwadratowym, prostokatnym lub ksztaltowym; c/polaczenie miedzy czescia stalowa a czescia weglowa anody lub katody. Polaczenie to moze stanowic zamocowanie na zeliwo, wegiel, mase weglowa lub na sucho.Czesc stalowa i polaczenia znajduja sie w obszarze temperatur, które maleja w kierunku od czesci weglowej do przewodów miedzianych lub aluminiowych. Przenosza wiec one znaczny strumien cieplny, który odpowiada stratom energetycznym, niezbednym w procesie elektrolizy.Bardzo trudno jest zmniejszyc straty termiczne stosujac klasyczne sposoby izolowania ciepl¬ nego. Izolowanie cieplne czesci stalowej prowadzi do nadmiernego wzrostu jej temperatury. To doprowadza do nieodwracalnego uszkodzenia polaczenia miedzy przewodem a czescia stalowa, lub nawet uszkodzenia przewodu aluminiowego lub miedzianego. Istnieje niebezpieczenstwo, ze uszkodzenie tych elementów doprowadzi do przerwania ciaglosci elektrycznej, czyli do czescio¬ wego lub calkowitego wstrzymania elektrolizy.Mozna takze zmniejszyc przekrój tego stalowego odcinka przewodzacego, aby zmniejszyc strumien cieplny powstaly przez przewodzenie. Jednak na skutek zmniejszenia przekroju czesci stalowej, zwieksza sie spadek napiecia na rezystancji w stali, co podwaza cel zmniejszenia zuzycia energii przez elektrolizer. Poza tym zmniejszajac przekrój czesci stalowej, podwyzsza sie tempera¬ ture, a w zwiazku z tym równiez i straty cieplne powstale na skutek przewodzenia i promieniowania tej czesci elementu stalowego, która znajduje sie na wolnym powietrzu. Stad tez przewidywany zysk, zwiazany z przenoszeniem ciepla na skutek czystego przewodzenia, znacznie sie zmniejsza.Ponadto, uszkodzeniu ulega polaczenie miedzy stala a przewodem aluminiowym lub miedzianym, które jest kruche w wysokiej temperaturze. Przy zmniejszaniu przekroju czesci stalowej, wlasci¬ wosci polaczenia miedzy czescia stalowa a weglowa ulegaja pogorszeniu. Stad tez stata energii, powstala wskutek spadku napiecia na rezystancji styku w tym miejscu, zmniejsza przewidywany zysk.Wynikiem takiego postepowania jest uszkodzenie polaczenia miedzy stala a aluminium lub miedzia, bez znacznego zysku na zuzyciu energii.Dla rozwiazania tego zagadnienia nie mozna ograniczac sie do zastosowania rozwiazan zaproponowanych we francuskich opisach patentowych nr 2 088 263 /Alusuisse/ i nr 1 125 949 /Pechiney/, gdzie prety katodowe w wiekszej czesci sa zamkniete w blokach katodowych i oto¬ czone boczna okladzina. Natomiast prety anodowe stykaja sie z wolnym powietrzem na prawie calej swej dlugosci, z wyjatkiem czesci osadzonej w anodzie i czesci lezacej bezposrednio powyzej anody. Warunki równowagi termicznej sa wiec bardzo rózne.Polaczenie elektryczne stali z weglem, pracujace w temperaturach ponad 700°C, wywoluje na drodze przeplywu pradu szkodliwa, bardzo duza rezystancje, która sklada sie z rezystancji styku i rezystancji miejscowej w weglowej czesci anody.Mierzona w rzeczywistych warunkach polaczenia, osiaga ona wartosc 30 do 50% rezystancji calkowitej anody. Wykorzystuje sie rózne sposoby obnizenia rezystancji styku. Skutecznym sposobem jest zwiekszenie powierzchni styku, przez zwiekszenie liczby lub wielkosci gniazd wykonywanych w anodzie, aby zmiescic przewodzace czesci stalowe. Niestety, zwiekszajac liczbe i rozmiar stalowej czesci przewodzacej, strumien cieplny przenoszony przez te elementy na drodze przewodzenia, zwieksza sie proporcjonalnie do prze¬ kroju. Równowaga termiczna wanny elektrolitycznej zostaje wiec zaklócona i niezbedna jest kompensacja energetyczna. Bilans calkowity jest niekorzystny, zwiekszenie strat cieplnych prze¬ wyzsza zysk powstaly na skutek zmniejszenia rezystancji, uzyskany w polaczeniu anodowym.Zasadniczym jego celem jest zmniejszenie spadku napiecia na rezystancji w polaczeniu weglo¬ wej czesci anody, przy zmniejszeniu strat cieplnych w ukladzie anodowym tych wanien i zwieksze¬ niu trwalosci polaczen aluminium-stal.Rozwazajac wreszcie rozwiazanie znane z patentu polskiego nr. 124 869 dotyczace wynalazku pt. "anoda samospiekajaca z górnym doprowadzeniem pradu elektolizera do wytwarzania alumi¬ nium" nalezy najpierw zwrócic uwage na to, ze chodzi tu o anody wstepnie wyzarzone, które sa wsparte na trzpieniach umieszczonych na nosniku majacym polaczenie z biegunem dodatnim143 780 3 zródla pradu. Owe trzpienie maja na calej swojej dlugosci jednakowa srednice, a wiec jak we wszystkich klasycznych wannach z wszystkimi ich zaletami i wadami, które zostaly omówione wyzej.Celem wynalazku jest zmniejszenie rezystancji stykowej w polaczeniach anod weglowych wanien do elektrolitycznego wytwarzania aluminium, bez jednoczesnego zwiekszania strat ciepl¬ nych wanny elektrolitycznej poprzez elementy przewodzace ze stali, które wchodza w weglowa anode.Cel ten zostal osiagniety w rozwiazaniu wedlug wynalazku przez to, ze czesc górna przewodu stalowego ma na co najmniej 30% swej dlugosci przekrój poprzeczny co najwyzej równy 60% przekroju poprzecznego czesci dolnej.Korzystnie, przewód stalowy stanowi pret osadzony w wydrazeniu znajdujacym sie w górnej czesci anody i polaczonym z nia za posrednictwem pierscienia zeliwnego, a stalowa czesc przewo¬ dzaca stanowi sworzen o zwezonym koncu dolnym, wcisnietym w mase weglowa Sódeberga, tworzaca wymieniona anode.Anoda wedlug wynalazku korzystnie ma czesc górna stalowego przewodu o zmniejszonym przekroju poprzecznym w postaci ksztaltownika pelnego.Korzystnie tez, anoda wedlug wynalazku ma czesc górna stalowego przewodu o zmniejszonym przekroju poprzecznym w postaci ksztaltownika rurowego.Anoda wedlug wynalazku korzystnie stanowi wypalony w wysokiej temperaturze blok masy weglowej, który ma w swej czesci co najmniej jedno wydrazenie mocujace, przy czym dolna czesc przewodu stalowego osadzonego za pomoca pierscienia zeliwnego w wydrazeniu, ma wysokosc co najmniej równa glebokosci zamknietego wydrazenia.Przedmiot wynalazkujest przedstawiony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pret anodowy czesciowo przewezony wedlug wynalazku, w przekroju pionowym z jednoczesnym pokazaniem rozkladu temperatur; fig. 2-pret anodowy znany ze stanu techniki, w przekroju pionowym, z jednoczesnym pokazaniem rozkladu temperatur; fig. 3 do 5 - anody zwane wypalonymi, w róznych przykladach wykonania wedlug wynalazku, fig. 6 - osadzenie preta anodowego w anodach ciaglych, zwanych anodami Sódeberga, w dwóch przykladach wykonania, w przekroju pionowym, wedlug wynalazku.Na fig. 1 pokazana jest anoda wypalona 1 zawierajaca wydrazenie 2, w którym znajduje sie pret 3, najczesciej osadzony w pierscieniu zeliwnym 4. Przekrój preta 3 zostal zmniejszony w miejscu 5. Wiadomo, ze w wannach z anodami wypalonymi 1 okolo polowa strumienia cieplnego przechodzacego przez anody jest odprowadzana przez czesc stalowa. Sposób przenoszenia ciepla nastepuje glównie przez przewodzenie. Linia kreskowa XX' oznacza granice miedzy czescia dolna elementu przewodzacego, która jest osadzona w czesci weglowej, a czescia górna.W przypadku rozwiazania pokazanego na fig. 1, dotyczacego rozwiazania wedlug wynalazku, stwierdzono, ze czesciowe zmniejszenie przekroju czesci stalowej w jej czesci górnej pozwala na uzyskanie miejscowych duzych gradientów temperatury. Pozwala to na dokladne rozmieszczenie strefgoracych i chlodnych w czesci stalowej. W doswiadczeniu pokazanym na fig. 1 uzyskuje sie na dlugosci 10 cm spadek temperatury z 650°C do 320°C.Na figurze 2 pokazane sa temperatury ustalajace sie w tych samych warunkach w ukladzie anodowym, wedlug dotychczasowego stanu techniki, gdy pret 8 ma przekrój staly.Stwierdzonojednoczesnie, ze gestosc pradu mogla byc miejscowo zwiekszona bez wystepowa¬ nia efektu elementu topikowego. Bliskosc duzej masy stali o temperaturze stosunkowo niskiej, pow7oduje szybkie pochlanianie wydzielanego, zgodnie z prawem Joula, ciepla w przypadku zbytniego wzrostu natezenia pradu w precie 3.Z figury 1 wynika, ze przy zwiekszeniu temperatury czesci stalowej, zródlo strat cieplnych powstalych na drodze przewodzenia i promieniowaniajest umiejscowione wlasnie powyzej anody.Wystarczy wiec izolowac cieplnie te strefe za pomoca klasycznych izolatorów cieplnych, takich jak ' tlenek aluminium lub rozdrobniona kapiel elektrolityczna, lub ziarna masy weglowej, aby zmniej¬ szyc wieksza czesc strat cieplnych, które tu powstaja. Natomiast czesci srodkowe i górne preta oraz jego polaczenia 6, 7 z przewodami 9 moga swobodnie stykac sie z wolnym powietrzem, poniewaz posiadaja umiarkowana temperature, rzedu 300°C lub nizsza.4 143 780 Zwiekszenie spadku napiecia na rezystancji w czesci przewezonej 5 moze byc skompensowane, a nawet mozna uzyskac sumaryczny bilans dodatni, zwiekszajac przekrój czesci zimnej elementu stalowego, gdzie rezystancja elektryczna jest duza; wspólczynnik temperatury rezystancji zelaza wynosi 0,0147 w 500°C, co jest wartoscia wyjatkowo wysoka wsród metali i osiaga maksimum przy okolo 500°C.Ponadto styk miedzy czescia stalowa a weglowa zostaje polepszony przez zwiekszenie przekroju czesci dolnej 3 wykonanej ze stali, która wchodzi w czesc weglowa oraz przez zwiekszenie temperatury tej strefy i wywolanie dodatkowego rozszerzenia sie czesci metalowej, co przyczynia sie do poprawienia styku. Zysk na rezystancji stykowej w ten sposób osiagniety wynosi blisko 30% w stosunku do konstrukcji, wedlug dotychczasowego stanu techniki /fig.2/.Dobór wymiarów czesci przewezonych i nie przewezonych preta nie jest dowolny.Przekroje i dlugosci tych dwóch czesci powinny byc takie, by uzyskana calkowita opornosc cieplna byla równa lub korzystnie nieco wieksza od opornosci konstrukcji wedlug znanych rozwiazan. Wynika z tego wymóg, aby dlugosc czesci przewezonej 5 byla tym wieksza, im pole jej przekroju jest blizsze przekrojowi poczatkowemu preta 3. Wynika z tego takze zaleznosc miedzy dlugoscia czesci 5, polem przekroju czesci 5 i polem przekroju preta 3.Stwierdzono, ze wynalazek okazal sie szczególnie korzystny, jesli stosunek miedzy polem przekroju strefy 5 a polem przekroju strefy 3 byl równy lub mniejszy od 0,6. Dlugosc czesci przewezonej powinna byc co najmniej równa 35% dlugosci calkowitej górnej czesci preta.Pozwala to na zrównowazenie calkowitej rezystancji cieplnej, osiagajac zysk na rezystancji stykowej, o 30% lepszy od wartosci poczatkowej.Na figurze 3 do 5 przedstawiono anody w róznych przykladach wykonania.W przykladzie wykonania pokazanym na fig. 3 anoda 1 posiada cztery otwory mocujace 2.Kazdy pret sklada sie z czesci dolnej 10 o wysokosci 200 mm i srednicy 150 mm, osadzonej w pierscieniu zeliwnym 4 w anodzie 1, czesci górnej 11, która posiada na wysokosci 170 mm przekrój poprzeczny zmniejszony do 36% przekroju czesci dolnej /srednica 90 mm/.Cztery czesci górne 11 sa polaczone prostokatna belka poprzeczna 12 o duzym przekroju /l50x80 mm/. Belka poprzeczna 12 jest polaczona poprzez bimetal aluminium-zelazo 13 z pretem 14 wykonanym z aluminium, który zapewnia polaczenie elektryczne z szyna zbiorcza anodowa /anodic bus bar//nie pokazana/.Izolacje cieplna strefy goracej zapewnia tlenek glinu lub rozdrobniony material stanowiacy kapiel, którym pokryta jest strefa goraca az do poziomu, pokazanego w przyblizeniu linia przery¬ wana AA' /2 do 3 centymetrów powyzej polaczenia z czescia przewezona preta/.Wykorzystanie tej konstrukcji w prototypowej wannie na natezenie 280000 amperów pozwo¬ lilo stwierdzic, ze pokrycie preta o duzym przekroju kilkoma centymetrami tlenku glinu wystar¬ czylo do bardzo silnego izolowania cieplnego anod. Wykorzystywane natezenia pradu wynosily w tym przypadku: - belka poprzeczna 12 /strefa chlodna/: 15 A/cm2, - pret /strefa przewezona11/: 28 A/cm2, - /strefa goraca10/: 10 A/cm2.Uruchamiajac te wanne przy natezeniu 280000 A, posiadajaca poprzednio prety anodowe wedlug stanu techniki, o stalej srednicy równej 120 mm, a obecnie wyposazona w anody, wedlug wynalazku, uzyskano zysk 30 mV na spadku anodowym. Wyraza sie to obnizeniem zuzycia energii wanny o 100 kWh na tone, /360 KJ/kg/, przy czym napiecie robocze elektrolizera moze byc obnizone o 0,03 V, bez zmiany natezenia. Opornosc cieplna calkowita preta ijego przewezeniajest wyzsza o 50% od opornosci cieplnej preta o srednicy 120 mm. Pozwala to na dodatkowe izolowanie cieplne wanny umozliwiajace obnizenie mocy dostarczanej do wanny.W innym przykladzie wykonania anody wedlug wynalazku /fig. 4/ spilowano czesc górna preta w taki sposób, by zmniejszyc go do plaskiej plytki prostokatnej 16, której pole przekroju poprzecznego nie stanowi wiecej niz na przyklad 40% pola przekroju poczatkowego.W kolejnym przykladzie wykonania anody wedlug wynalazku /fig. 5/, czesc przewezona stanowi rura 15, która przy jednakowym natezeniu daje te korzysc, ze w przypadku nadmiernego przeciazenia lepiej rozprasza cieplo przez promieniowanie. Moze ona miec na przyklad zewnetrzna srednice 150 mm i wewnetrzna srednice 120 mm, na dlugosci 150 mm. Konstrukcje taka mozna143 780 5 wykonac przez spawanie elektryczne jej czesci, ale równiez przez odlewanie, poniewaz duza liczba elementów niezbednych do szeregu jednej lub kilku setek wanien elektrolitycznych, z których kazda zawiera kilka dziesiatek anod, pozwala latwo obnizyc koszty odlewów.Wreszcie, w przypadku anod Sódeberga /fig.6/, doprowadzanie pradujest dokonywane przez okragle prety stalowe zwane sworzniami 17, które sa osadzone bezposrednio w masie weglowej 18.Sworznie 17 wyciaga sie i ponownie osadza nieco wyzej, o wielkosc, o która anoda zuzywa sie przez spalanie, w taki sposób, by uniknac zetkniecia sie dolnego punktu sworznia 17 z elektrolitem. W taki sam sposób, jak w przypadku pretów anod wypalonych, mozna zmniejszyc srednice czesci górnej sworznia 17, która zwykle jest rzedu 100 do 150 mm. Zmniejsza sie srednice ponizej strefy styku sworznia 17 w szynie zbiorczej anodowej, a zwieksza sieja w czesci dolnej. Izolacje cieplna górnej czesci anody zapewniaja w tym przypadku ziarna masy weglowej 19, która okresowo dodaje sie celem odtwarzania anody, w miare jej zuzywania w czesci dolnej. Dla umozliwienia latwego wyciagania sworznia z masy, zalecana jest konstrukcja wykorzystujaca rure o tej samej srednicy zewnetrznej, co czesc dolna.Towykonanie wynalazku pozwala uzyskac korzysci rzedu 200 do 300 kWh na tone /720 do 1080 KJ/kg/ aluminium i znaczne podwyzszenie trwalosci elementów spajanych aluminium-stal, która jest co najmniej równa trwalosci samych elementów stalowych.Zastrzezenia patentowe 1. Anoda weglowa, zwlaszcza dla wanien do produkcji aluminium na drodze termoelektrolizy soli stopionych, wedlug procesu Hall-Heroult'a, której polaczenie z dodatnim doprowadzeniem pradu jest realizowane za pomoca co najmniej jednego stalowego przewodu, zawierajacego czesc dolna zamknieta w weglowej anodzie oraz czesc górna polaczona z dodatnim doprowadzeniem pradu, znamienna tym, ze czesc górna przewodu stalowego (5) ma na co najmniej 30% swej dlugosci, przekrój poprzeczny co najwyzej równy 60% przekroju poprzecznego czesci dolnej (3). 2. Anoda wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze przewód stalowy stanowi pret (3) osadzony w wydrazeniu (2) znajdujacym sie w górnej czesci anody (1) i jest polaczony z nia za posrednictwem pierscienia zeliwnego (4). 3. Anoda wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze stalowa czesc przewodzaca stanowi sworzen (17), o zwezonym koncu dolnym, wcisnietym w mase weglowa Sódeberga (18), tworzaca wymie¬ niona anode. 4. Anoda wedlug zastrz. 1 lub 2 lub 3, znamienna tym, ze ma czesc górna stalowego przewodu o zmniejszonym przekroju poprzecznym w postaci ksztaltownika pelnego (16). 5. Anoda wedlug zastrz. 3, znamienna tym, ze ma czesc górna stalowego przewodu o zmniej¬ szonym przekroju poprzecznym w postaci ksztaltownika rurowego (15). 6. Anoda wedlug zastrz. 2, znamienna tym, ze stanowi wypalony w wysokiej temperaturze blok masy weglowej, który ma w swej górnej czesci co najmniej jedno wydrazenie mocujace (2), przy czym dolna czesc (3) przewodu stalowego osadzonego za pomoca pierscienia zeliwnego (4) w wydrazeniu (2) ma wysokosc co najmniej równa glebokosci zamknietego wydrazenia (2).143 780 7-^9 FI6.1 H6,2143 780 frvsk*jfri143 780 FI6.6 Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 egz.Cena 220 zl PL PL PL PL