192227. lajstromszámú szabadalom • Kisfeszültségesésű katódtömb, valamint katód Hall-Heroult eljárás szerinti alumínium elektrolizáló kemencéhez
1 192 227 2 A találmány tárgya kis feszültségesésű, modul felépítésű katódtömb alumínium elektrolizáló kemencéhez, amelyben a Hall-Heroult eljárás szerint a timföld'elektrolizise során a timföld megolvasztott mükriolitban van feloldva. A találmány tárgya továbbá az ilyen jellegű modul katódtömbökből összeállított és alumínium elektrolizáló kemencében alkalmazható katód. A Hall-Heroult eljárást alkalmazó elektrolizáló kemence katódja több, egymással összeszerelt széntartalmú tömbből áll, melyekben hossztengelyükkel párhuzamosan egy vagy néha két csatorna van kialakítva, amelybe négyzet, négyszög vagy kör keresztmetszetű acélrudak vannak beépítve, általában öntöttvassal beöntve, és az egyes elektrolizáló kemencék acélrudainak kivezetése sorosan kapcsolódik a rákövetkező elektrolizáló kemence egyik elektromos kivezetéséhez. Az egyes tömbök általában széntartalmú pasztával vannak összeerősítve, mint amilyen a döngölőmassza vagy a széntörmelékes paszta, amelyek igen rossz áramvezetők és melyek szükségszerű vastagsága több centiméter. Lényeges, hogy az egyes katódtömböket összekötő paszta nem eresztheti át az olvadt alumíniumot, amely az elektrolízis során a széntartalmú katódtömbökön válik le. Ezért az elektrolízis során az elektromos áram átfolyik az olvadt alumínium rétegen, a katódtömb szén tartalmú rétegén, az acélrudakat a szénkatódban rögzítő anyagon és az acélrudakon és az acélrudak gyűjtőkivezetésén át a következő elektrolizáló kádhoz folyik. Az említett anyagok minden egyes kombinációja úgynevezett érintkezési túlfeszültséget eredményez, amely a szerelési feltételektől és az érintkező felületek nagyságától függ. Ez különösen igaz a katódtömb széntartalmú része, valamint az acélrudat a katódtömbbé rögzítő anyag közötti érintkezésre, amelyet ezután a leírásban rögzítési érintkezésként nevezünk. A teljes feszültségesés a fentiek alapján három fő összetevőre bontható :- a szén katódtömbben fellépő feszültségesésre,- a rögzítési érintkezés helyén fellépő feszültségesésre, és- az acélrúdon fellépő feszültségesésre. A feszültségesés redukálása érdekében ismert az a megoldás, hogy a széntartalmú katódtömböket kis villamos ellenállásúra képezik ki. A technika jelenlegi szintjén elektrolizáló kemencékben alkalmazott katódtömböket gyártó cégek leggyakrabban olyan katódtömböket ajánlanak, amelyeket „félgrafit” tömbnek neveznek, amely olyan széntartalmú pasztából készül, amelyben az antracid szemcséket grafitszemcsével helyettesítették, valamint olyan „félgrafitizált” tömböket ajánlanak, amely közönséges széntartalmú pasztából készül, de növelt hőmérsékleten, 2000 °C felett pörkölik, s így a tömb belsejének jelentős része grafitossá válik. Ez lényegesen megnöveli a katódtömb villamos vezetőképességét. Ugyanakkor az ilyen típusú katódtömbökre előnytelenül hat, hogy az olvadt alumínium felső rétegében az elektromos áram erőssége nem egyenletes, torz, ami az olvadt alumíniumban folyó áram hajlásvonalaitól függ, és így megnő az olvadt alumínium másik rétegének mágneses turbulenciája, amely károsan befolyásolja az elektrolizáló berendezés hidrodinamikus stabilitását. A fenti hiányosság kiküszöbölése érdekében lehetőség van arra^ hogy az elektrolizáló kemencében úgynevezett „szendvics tömböket” alkalmazzunk, amelyben a katódtömb egy része például antracit szemcséket tartalmazó széntartalmú pasztából, míg más része „félgrafitból” vagy „félgrafitos” széntartalmú pasztából készül, amelynek villamos vezetőképessége lényegesen nagyobb. A katód aktív felületének megnövelése érdekében olyan megoldás is ismertté vált, melynek értelmében az egyes katódtömböket nem döngölőmassza vagy viszonylag rossz villamos vezetőképességű széntörmeléket tartalmazó paszta segítségével erősítik öszsze, hanem az egyes tömböket grafit és hőre keményedé műgyanta alapú, villamosán vezető ragasztó segítségével összeragasztják. Ez a megoldás négyszeresen előnyös, mivel megnöveli a teljes villamos érintkező felületet, elősegíti két szomszédos katódtömb közötti villamos kapcsolatot, redukálja a kátránykibocsátást, amely a széntartalmú kötő-töltőanyagból válik ki üzem közben, és nem utolsósorban javítja a katódszerelvény áthatolhatatlanságát az olvadt alumíniummal és az elektrolittel szemben. A teljes feszültségesés redukálása érdekében ismert az a megoldás is, melynek értelmében a széntartalmú katódtömbökben elrendezett acélrudak keresztmetszetét növelik, legalább abban a tartományban, ahol az acélrudak be vannak ágyazva a katódtömbbé, míg azokon a részeken, ahol a rudak keresztülnyúlnak az elektrolizáló kemence oldalsó hőszigetelésén, az acélrudak keresztmetszete nem változik, vagy esetenként csökken a káros hőelvezetés csökkentése érdekében. Természetesen az ilyen jellegű megoldást szükségszerűen határolja a szén katódtömb mérete, hiszen a katódtömb acél rudat vagy rudakat tartalmazó hornyait határoló részének megfelelő mechanikai szilárdsággal kell rendelkeznie, hogy ellenálljon az üzem közben fellépő mechanikai igénybevételeknek, mint amilyet a katódtömb, az acélrudak és azok rögzítésének hőtágulása jelent, amikor az elektrolizáló kemence üzemelni kezd. A katódtömbökben kialakított hornyok általában kör vagy szögletes keresztmetszetűek. További ismert és az üzem közben fellépő feszültségesés redukálását célzó megoldás értelmében az egyes széntartalmú katódtömbökben nem egy, hanem két keskenyebb horony van kialakítva, amelynek az az előnye, hogy az acélrudak, illetve rögzítésük nagyobb felületen érintkeznek a katódtömbbel anélkül, hogy az törékenyebbé válna, amikor az elektrolizáló kemence üzemelni kezd, és a fellépő hőtágulások mechanikai feszültségeket keltenek. Ennél a megoldásnál is szükség van természetesen arra, hogy a katódtömb széle és az ahhoz legközelebbi horony között minimális, mechanikai okokból szükséges sáv maradjon, ami ugyancsak korlátozza az acélrudak lehetséges legnagyobb keresztmetszetét. A felhasznált szerkezettől, valamint a katódtömb és az acélrudak alakjától és méreteitől függetlenül a katód minden esetben úgy alakul ki, hogy 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
