КАТОДНЫЙ КОЖУХ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 1996 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия электролизом.

В настоящее время в электролизерах для получения алюминия применяются катодные устройства с кожухами самых различных типов и конструкций, внутри которых размещается футеровка, образующая электролизную ванну. Срок службы катодных устройств (промежуток времени между двумя капитальными ремонтами) колеблется в пределах 4-5 лет.

При капитальном ремонте катодного устройства производится выбойка отработанной футеровки, ремонт катодного кожуха и монтаж новой футеровки. Из этих операций самой трудоемкой и неблагополучной с точки зрения условий труда является операция по выбойке и извлечению футеровки из кожуха из-за сильной запыленности рабочей зоны.

Для упрощения операции по выбойке футеровки и снижения трудозатрат при капитальном ремонте катодов с кожухами контрфорсного типа цельносварной конструкции в настоящее время на алюминиевых заводах применяют технологию с вырезанием одной из боковых стенок с последующей ее приваркой на прежнее место после восстановительного ремонта. Самым значительным недостатком такой технологии является снижение срока службы кожуха после ремонта до 3-3,5 лет вследствие разрезки несущих элементов кожуха (поясов жесткости стенок).

Особенно большие трудности связаны с выбойкой футеровки при использовании цельносварных катодных кожухов шпангоутного типа, где технология с вырезанием стенок неприменима из-за специфики конструкции таких кожухов. Единственным решением вопроса в этом случае является выбойка футеровки из кожуха с поворотом его на 60-90^о при помощи специального кантователя с автономным электро- или гидроприводом. Сложность заключается в том, что масса катода современного электролизера составляет 200 т и более (для сверхмощных электролизеров) и создание кантователей для таких катодов связано с целым рядом трудностей технического характера. Таким образом, при использовании всех существующих типов кожухов сохраняется проблема удаления отработанных футеровки при капитальном ремонте катодов.

Известно катодное устройство алюминиевого электролизера (а.с. N 1650783) с дополнительными наклонными боковыми стенками, соединенными с днищем кожуха и верхней частью стенок, а между основной и дополнительной стенками установлены косынки, соединенные с основной и дополнительной стенками и днищем.

Дополнительные стенки установлены под углом 15-35^о к основным стенкам.

Предложенная конструкция катодного устройства ставит своей целью повышение срока службы катода, выхода по току и снижение металлоемкости кожуха, т. е. цель создания катодного кожуха продиктована в основном технико-экономическими показателями работы электролизеров, но при этом никак не затрагиваются вопросы производства капитального ремонта катодных устройств и, в частности, выбойки и удаления отработанной футеровки.

Более того, представленный кожух, являясь цельносварным по конструкции, приближен к кожухам шпангоутного типа, в которых исключается технология ремонта с вырезанием стенок, как принято в контрфорсных кожухах. Следовательно, выбойка возможна или с применением кантователя или простая выбойка при горизонтально расположенном кожухе, что еще более усложняет производство работ. Наклонные боковые стенки могли бы способствовать облегчению выбойки, но для этого необходимо перевернуть катод днищем вверх, т.е. на 180^о, что трудно осуществимо даже при наличии соответствующих кантователей при массах катодов более 200 т.

В связи с тем, что выбойка футеровки производится в условиях цеха капитального ремонта (ЦКР), то условия труда персонала при этом не улучшаются.

Известно катодное устройство алюминиевого электролизера (а. с. N 1295786), в котором боковые стенки кожуха с железобетонным днищем выполнены с расширением кверху под углом 24-25^о. Целью создания конструкции является увеличение срока службы, снижение металлоемкости и трудозатрат на демонтаж футеровки.

При демонтаже катодного устройства с кожуха срезается фланцевый лист с кронштейнами. Затем кожух переворачивается на 180^о и импульсивным воздействием на железобетонное днище отработанная футеровка удаляется.

Основным недостатком в данной конструкции, как и в предыдущей, является необходимость переворота кожуха на 180^о для удаления футеровки, следовательно, необходимо иметь для этого спецоборудование, т.е. кантователи, которые в настоящее время в промышленности отсутствуют.

Другим недостатком, как и в предыдущем случае, является то, что условия труда персонала в ЦКР, где только и производится выбойка футеровки, не улучшаются, так как сохраняется сама операция "выбойка футеровки" в условиях цеха капитального ремонта.

Данная конструкция кожухов (рамного типа) с железобетонным днищем применяется в электролизерах небольшой мощности (до 130 кА) и в современных электролизерах не применяется.

Известен кожух катодный алюминиевого электролизера (а.с. N 1625054), принятый за прототип, который снабжен шпангоутами по торцевым сторонам, горизонтальные участки которых расположены в одной плоскости с аналогичными участками боковых шпангоутов. При этом шпангоуты жестко соединены в верхней части с рамой, а в нижней части между собой с образованием пространственного силового каркаса, внутри которого установлена обшивка стенок и днища, жестко соединенная с рамой.

Таким образом, в данной конструкции имеются следующие самостоятельные элементы: пространственный силовой каркас с верхней рамой; обшивка стенок и днища из листового материала с элементами жесткости (как единая сварная конструкция).

Обшивка стенок и днища установлена внутрь силового пространственного каркаса.

Оба элемента жесткости соединены между собой в верхней части (в области рамы каркаса и верха обшивки стенок).

Целью изобретения является увеличение срока службы и снижение металлоемкости, но в материалах заявки не упоминается сопутствующий эффект, позволяющий снизить трудозатраты и улучшить условия труда персонала при удалении футеровки при капитальном ремонте. Этот эффект обуславливается тем, что обшивка стенок и днища установлена в пространственном силовом каркасе как самостоятельный элемент конструкции, жестко соединенный с каркасом (рамой каркаса) только в верхней части, например, сваркой прерывистым швом. Это позволяет легко извлечь обшивку вместе с футеровкой из каркаса, если предварительно удалить сваркой шов при ремонте.

В действительности это затрудняется тем, что под воздействием распирающих нагрузок от футеровки, направленных в сторону каркаса, по линии сопряжения каркас обшивка возникают столь значительные силы трения, что при вертикальных стенках извлечь обшивку с футеровкой из каркаса без специальных приспособлений практически невозможно.

Поэтому необходимо применять такую специальную траверсу для подъема обшивки с футеровкой, которая бы при подъеме стягивала боковые стенки обшивки в сторону оси кожуха, отделяя ее от каркаса, что и позволило бы вынуть обшивку с футеровкой из каркаса без выбойки футеровки в цехе капремонта.

Создание такой траверсы сопряжено с рядом технических трудностей.

Цель изобретения увеличение срока службы катодного кожуха, снижение трудозатрат и улучшение условий труда при капитальном ремонте катодных устройств электролизеров.

Сущность изобретения состоит в том, что сопрягаемые поверхности силового каркаса и обшивки стенок выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения сопрягаемых элементов конструкции.

При сопряжении стальных необработанных поверхностей каркаса и обшивки этот угол составляет примерно α= 11^о и определяется из тангенса угла трения при tg α 0,2.

Этот угол наклона сопрягаемых поверхностей каркаса и обшивки позволяет легко вынуть обшивку вместе с футеровкой из каркаса при капитальном ремонте с помощью применяющейся на заводе траверсы, так как силы трения по линии сопряжения элементов конструкции, возникающие от распирающих нагрузок в футеровке, не вызывают взаимозаклинивания элементов конструкции, как это имеет место при вертикальных сопрягаемых поверхностях.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции кожуха позволяет исключить вообще операцию по выбойке футеровки из кожуха в условиях цеха капитального ремонта, так как извлеченная из каркаса обшивка с футеровкой выводятся сразу на участок складирования отвалов, находящийся за пределами завода на открытом воздухе, где может применяться любая техника для разрушения и извлечения футеровки из обшивки стенок и днища (металлический кожух из листовой стали).

Металлический кожух может быть разового применения и сразу уходить в металлолом или может возвращаться в ЦКРЭ для ремонта и повторного применения по усмотрению завода и исходя из экономической целесообразности того или иного решения.

На фиг.1 показана схема кожуха в варианте с наклонными стенками каркаса и обшивки; на фиг.2 то же, поперечный разрез кожуха в варианте с вертикальными стенками обшивки.

Предлагаемая конструкция катодного кожуха (фиг. 1) состоит из пространственного силового каркаса 1, образованного верхней рамой 2, торцовыми и боковыми шпангоутами 3 и продольными опорными элементами 4. Внутренние поверхности каркаса образуют его сопрягаемую поверхность 5. Внутрь каркаса установлены обшивки стенок и днища, образующие вместе металлический кожух 6 с сопрягаемой поверхностью 7.

В конструкции кожуха (фиг. 2) металлический кожух 6 с вертикальными стенками в зоне угольной подины и бортовой футеровки дополнительно снабжен, например, ребрами 8, образующими наклонную сопрягаемую поверхность 5 металлического кожуха.

При сборке катодного кожуха перед футеровкой необходимо металлический кожух 6 установить внутрь силового каркаса 1 и жестко закрепить их между собой по периметру от вертикального перемещения металлического кожуха относительно каркаса в процессе эксплуатации. Закрепление может производиться или с помощью болтов в 8-10 точках по периметру, или сваркой в этих же точках.

В собранном виде происходит совмещение по периметру сопрягаемых поверхностей каркаса и металлического кожуха, а появившиеся из-за неточностей изготовления зазоры в сопряжениях ликвидируются с помощью прокладок из листовой стали. После этого производится монтаж футеровки. При капитальном ремонте необходимо удалить крепления между каркасом и металлическим кожухом (сварные швы срезать), с помощью траверсы для транспортировки катодных устройств вытащить металлический кожух вместе с футеровкой из каркаса, погрузить в таком виде на транспорт и вывезти на участок складирования отвалов. Может применяться также вариант удаления футеровки из металлического кожуха с вырезанием одной из боковых стенок с последующей ее приваркой непосредственно в ЦКРЭ по технологии капитального ремонта катодных устройств с кожухами контрфорсного типа.

В данном случае вырезание стенок в металлическом кожухе никак не отражается на сроке службы катодного кожуха в целом, так как металлический кожух выполняет только роль обшивки для размещения футеровки и не является силовым элементом кожуха.

Угол наклона сопрягаемых поверхностей (в данном случае 11^о) выбирают из того условия, чтобы исключить явление самозаклинивания между сопрягаемыми элементами конструкции, в противном случае невозможно будет вытащить металлический кожух с футеровкой из каркаса. Угол наклона этих поверхностей зависит от материалов сопрягаемых элементов, также как тангенс угла трения меняется в зависимости от сочетания материалов трущихся (сопрягаемых) поверхностей. Этот угол может быть принят и более 11^о (для скольжения сталь по стали), но тогда возрастает и вертикальная составляющая нагрузки, возникающей при разложении сил от воздействия футеровки на наклонные стенки в процессе эксплуатации. Вертикальная составляющая будет стремиться "вытолкнуть" металлический кожух с футеровкой вверх. Следовательно, равновесие наступает тогда, когда величина вертикальной составляющей будет равна суммарной подвижной массе, т. е. кожуха металлического, футеровки с пропиткой, металла и электролита, находящихся в ванне в процессе эксплуатации. Этот предельный угол наклона по расчетам составляет примерно 26^о. Практически принимать угол наклона более 18-20^о нецелесообразно из тех соображений, что в расчетах предельного угла принимаются некоторые усредненные условия, которые могут меняться и в худшую сторону при эксплуатации. Из этих же соображений необходимо жестко закреплять между собой по периметру каркас с металлическим кожухом, хотя при работе кожуха в благоприятных условиях это крепление может быть излишним и выполнять роль подстраховки.

Увеличение угла наклона выше указанных значений также возможно, но уже из технологических соображений. При этом взаимное закрепление двух сопрягаемых элементов по всему периметру становится обязательным требованием со значительно большим количеством точек крепления.

Внедрение данного изобретения позволит повысить срок службы катодного кожуха, снизить трудозатраты при выполнении капитального ремонта катодных устройств и улучшить условия труда в цехе капитального ремонта за счет вывоза металлического кожуха с футеровкой за пределы ЦКРЭ.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к получению алюминия электролизом в криолитглиноземных расплавах. Сущность: в кожухе сопрягаемые поверхности каркаса и обшивки выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов сопрягаемых элементов конструкций. 2 ил.

КАТОДНЫЙ КОЖУХ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, включающий пространственный силовой каркас, сопрягаемый с обшивкой стенок, отличающийся тем, что поверхности сопрягаемых элементов выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов указанных элементов конструкций.