ПОДИНА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 1996 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к области электролиза алюминия, в частности, к устройствам подин электролизеров. Известно устройство подины электролизера, содержащее углеродистые блоки с пазами и межблочные соединения, выполненные с использованием углеграфитовых элементов, введенных между углеродистыми блоками и заполненных углеродистой массой [1]
Недостатком известного устройства является то, что при выходе на рабочие температуры, большая часть межблочного соединения, выполненного из углеродистой массы (набивки), получает перемещение (выдавливание) вдоль стенок углеродистых блоков и тем самым теряется первоначальное сцепление, улучшаемое в начале процесса набивки швов за счет промазывания боковых поверхностей блоков активирующей смесью. Поэтому при возникновении, например, микроколебаний подины образуются трещины, в которые протекает расплавленный алюминий, причем введенные между углеродистыми блоками углеграфитовые элементы не препятствуют такому протеканию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является подина электролизера, включающая углеродистые блоки и межблочные швы, которые выполнены из двух составляющих нижнего из подовой массы и верхнего - защитного, обладающего адгезией к ним [2] Описанное устройство частично защищает от утечки алюминия через трещины в межблочных швах.

К недостаткам известного устройства следует отнести экранирование подины защитным слоем, а также неравномерность токораспределения в подине (до 16%). Кроме того, наличие защитного шва в области верхнего угла углеродистого блока будет способствовать появлению в нем микротрещин, как в концентраторе механических и тепловых напряжений, а перпендикулярность боковых стенок основаниям углеродистого блока позволяет проникать по этим микротрещинам расплавленному металлу, что, в итоге, ухудшает качество выплавляемого металла и уменьшает срок службы в целом.

Указанные недостатки устраняются в предложенном изобретении за счет того, что боковые стенки углеродистых блоков выполнены со скосами (относительно оснований), плавнопереходящими в пазы, например, цилиндрические, в которые помещены повторяющие их конфигурацию уплотнители, выполненные, например, в виде труб. Трубы при этом снабжаются термокомпенсационными пазами, например, в виде винтовой канавки.

Суть изобретения сводится к тому, что в боковых стенках углеродистых блоков выполняются пазы, например, цилиндрические, с таким расчетом, чтобы при монтаже углеродистых блоков и сохранения необходимого для набивки швов подовой массой зазоров между ними, можно было с минимальным технологическим зазором поместить трубу, а боковые стенки соседних стыкуемых углеродистых блоков, расположенные выше горизонтального диаметра трубы выполняют плавно переходящими от стенок паза на уровне диаметра трубы к сечению минимального зазора между блоками, образуя клиновую плоскую "крышу" над трубой, причем вершина такой крыши не доходит до верхнего основания блоков на величину, примерно равную зазору между блоками и определяемую технологическими параметрами, исключающими сколы стыкуемых оснований. В этом случае набиваемая в пространство зазора между блоками подовая масса заполняет его и принимает форму клина, острым концом направленного вверх, а более широким концом опирающегося на уплотнитель трубу.

В результате такой набивки швов труба, предварительно, перед установкой промазанная, как и ее посадочное место, углеродистой пастой, плотно контактирует со стенками соседних углеродистых блоков и набивкой шва. При дальнейшем обжиге швов выводе подины на рабочие режимы (температурные) углеродистая подовая масса расширяется, что приводит к увеличению давления внутри шва и выдавливанию массы в щели между трубой и стенками углеродистых блоков, а также, главное к образованию плотного клина углеродистой массы плотносцепленного с боковыми плоскостями углеродистых блоков. Так как спекание массы начинается сверху, т. е. в узком конце шва, то происходит эффект "закупоренной бутылки" вначале процесса сцепляется узкая полоса углеродистой массы, причем из-за наличия обратного конуса ее трудно выдавить из зазора, а далее спекается основная масса и при этом ее расширение уплотняет те места, которые недостаточно уплотнены трамбовками. Газы при этом фильтруются свободно через углеродистые блоки. Происходит процесс аналогичный заполнению фигурных форм пенопластом при нагревании.

В свою очередь труба, расширяясь, способствует сохранению давления в зазоре до полного отвердевания углеродистой подовой массы швов, после чего давление в швах постепенно падает, но прочное сцепление набивки швов с углеродистыми блоками остается.

Преимущество по сравнению с прототипом и аналогом, предлагаемого изобретения заключается в том, что плоско-параллельные швы между соседними углеродистыми блоками при обжиге выдавливаются из них, так как расстояние между швами ≈40 мм меньше глубины шва, а потому, из-за большой вязкости набивочной углеродистой подовой массы, основная концентрация напряжений приходится на границу подовой массы и стенки углеродистого блока, где собственно и происходит в дальнейшем трещинообразование. В нашем же случае выдавливания не происходит, так как запекаемой массе, жидкости явно ненъютоновской, для выхода из зазора между блоками наружу, необходимо преодолеть не только сцепление с углеродистыми блоками, но и сопротивление пробки с обратным конусом, которая образуется в начале спекания, а также то, что из-за уменьшения зазора в верхней части (по сравнению с прототипом) увеличивается сопротивление выдавливанию углеродистой подовой массы. Кроме уплотнения углеродистой подовой массы из-за ее расширения, она подвергается уплотнению из-за расширения в сечении трубы, что в сумме способствует исключению трещин в швах. Преимуществом является и использование уплотнителя металлической трубы для дополнительного подвода катодного напряжения дополнительно подводимому к блюмсам (токоподводам), что улучшает работу электролизера в целом.

Следует особо остановиться на том, что рассчитанная на тепловые напряжения тонкостенная труба не создает сверхрасчетных усилий, расталкивающих углеродистые блоки из-за малого объема металла, а для подстраховки и избежания неприятностей продольных деформаций, уплотнители из труб снабжаются термокомпенсационными пазами, например, в виде винтовой канавки. Такие пазы могут быть как сквозными, так и глухими (непрорезными). В последнем случае оставляемый тонкий слой металла при тепловых деформациях будет просто смят.

Сквозные пазы (или неполнопрорезные) выполняются шириной 2 мм, поэтому углеродистая подовая набивка, из-за большой вязкости, не будет продавливаться через них, а случайно попавшие частицы при выходе на рабочие температуры подины будут разрушены и выдавлены из зазора паза при смыкании последних при расширении.

Кроме перечисленных преимуществ, предлагаемое изобретение дает возможность контроля плотности швов во время работы электролизера путем помещения в трубу и перемещения по ней термометра, фиксирующего, в случае протекания алюминия, увеличение температуры, а также возможности искусственного охлаждения этого места с целью замораживания конвекционных перемещений расплава алюминия в щелях.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструктивная схема подины электролизера в разрезе. Подина электролизера включает катодные блоки 1 и 2, размещенные на угольной подушке, 3 (кожух электролизера и кирпичные кладки внутри него не показаны), межблочный уплотнительный шов 4, стальной уплотнитель трубу 5, помещенную в пазах 5 и 6, переходящих в скосы 7 и 8. Предполагается, что углеродистые блоки 1 и 2 выполнены на всю ширину подины, что облегчает пояснение сути изобретения и само по себе является прогрессивным. При этом, пазы 5 и 6 выполнены по всей длине блоков 1 и 2, а скосы 7 и 8 не доходят до края блоков 1 и 2 на техническую длину порядка 50-100мм, корректируемую пристеночной, нерабочей зоной подины.

Уплотнение межблочного пространства осуществляется следующим образом. Пазы 5 и 6 и скосы 7 и 8 на боковых поверхностях углеродистых блоков 1 и 2 и трубу 5 по наружной поверхности промазывают углеродистой пастой и вставляют в пазы 5 и 6, плотно сдвигая до технологического зазора блоки 1 и 2. При этом гарантированный зазор в верхней части шва между блоками составит 40 мм. После этого начинают заполнение межблочного пространства сверху подовой массой, образующей при трамбовке плотный шов 4. При запекании швов и выводе на рабочие режимы подины швов 4 спекается вначале сверху, тем самым предотвращая выдавливания углеродистой массы шва и уплотняя его сцепление со стенками скосов 7 и 8 и пазов 5 и 6. Следует подчеркнуть, что пазы 5 и 6, при рабочем сближении углеродистых блоков 1 и 2, образуют поверхность, сопряженную с уплотнителем, т.е. охватывающую профиль уплотнителя с запланированным зазором, в частности с трубой 5. В трубу 5 можно ввести термометр или устройство локального охлаждения места с повышенной температурой для предотвращения контакта расплава алюминия со сталью трубы.

В известных устройствах рабочие поверхности блоков (верхние, на которых располагается расплав) имеют большую температуру и при спекании швов и при работе, поэтому в верхних частях блоков происходит большее уменьшение толщины швов, чем в нижних, что приводит к образованию "клина" с более широкой частью снизу и, естественно, выдавливанию запекаемой сверху подовой массы шва преимущественно вниз по расходящимся плоскостям "клина", что ведет к существенному уменьшению сцепления между набивочной массой шва и стенками блоков. В предлагаемом устройстве широкая сторона "клина" заперта трубой 5, а потому выдавливание годовой массы происходит в сторону узкой части "клина" вверх, причем запекание подовой массы происходит при прижатии ее к стенкам блоков 1 и 2.

Таким образом, наличие скосов на боковых поверхностях смежностыкуемых углеродистых блоков, в сочетании с расположенной в нижней части стыка уплотнителя (трубы), образующих клиновой шов уплотнительной подовой углеродистой массы, позволяет частично "запереть" последнюю в клиновом пространстве и за счет ее естественного расширения получить качественно уплотненные швы, что существенно уменьшает вероятность образования трещин в стыках блоков. Наличие же термокомпенсационных пазов способствует этому еще в большей степени за счет исключения подвижки трубы 3 вдоль шва при тепловых деформациях.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1477786, кл. С 25 С 3/08, 1989, Бюл. N 17.

2. Авторское свидетельство СССР N 1258878, кл& С 25 С 3/08 1987 г. Бюл. N 35.

Изобретение относится к области электролиза алюминия. По сравнению с известными устройствами предложенная подина имеет более прочные межблочные швы, что устраняет в них сквозное трещинообразование. Новым является конфигурация пазов межблочных соединений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Подина электролизера, содержащая углеродистые блоки с пазами и межблочные швы, отличающаяся тем, что боковые стенки углеродистых блоков выполнены со скосами, плавно переходящими в пазы, например цилиндрические, в которые помещены сопрягаемые с ними уплотнители, выполненные, например, в виде стальных труб. 2. Подина по п. 1, отличающаяся тем, что в уплотнителях выполнены термокомпенсаторы, например, в виде винтовой канавки вдоль трубы.