СПОСОБ МОНТАЖА ПОДИНЫ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 1997 года по МПК C25C3/08 C25C3/06 

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия и криолито-глиноземных расплавов, в частности к совершенствованию способа монтажа катодного узла электролизера.

Известен способ монтажа подины алюминиевого электролизера, согласно которому после прогрева подины горячими газами до температуры 150 170^oC ведут набойку швов подовой массой в несколько приемов слоями по 5 6 см [1] пневматическими трамбовками с давлением сжатого воздуха не ниже 4 5 атм.

Недостатком способа является низкая стойкость углеродистых швов подины в результате термического и химического воздействия расплавленного алюминия и электролита в процессе обжига, пуска и эксплуатации электролизера.

Известен способ формирования настыли в ванне для электролитического получения алюминия, включающий осаждение слоя корунда на охлаждаемых циркулирующим теплоносителем поверхностях из электролита, содержащего окись алюминия, согласно которому в электролите поддерживают содержание окиси алюминия от 10 до 16 мас. и отводят 0,1 20 Вт/см² тепла в течение 0,3 100 ч. [2]
Известному способу присущи следующие недостатки:
1. Согласно способу для его реализации необходима организация режима теплоотвода с поверхности, на которой формируется защитный корундовый слой, с определенной скоростью, что технически крайне сложно реализовать, особенно в конструкции подины;
2. Реализация известного способа в подине алюминиевого электролизера может привести к образованию неконтролируемого слоя корундовых настылей "коржей" на рабочей поверхности подовых блоков, что приведет к электрической изоляции подины, возрастанию токовой нагрузки на межблочные швы и разрушению последних. В результате произойдет фильтрация жидкого алюминия в подину, растворение железа и ухудшение сортности катодного алюминия, снижение срока службы электролизера;
3. Поддержание содержания окиси алюминия в промышленном электролите от 10 до 16 мас. достаточно сложно, требует дополнительных энергетических затрат и контроля.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ монтажа подины электролизера, согласно которому нижний и верхний слои межблочных швов набивают углеродистой массой, а средний слой, составляющий одну треть высоты блока, заполняют порошком шихты, составленной из компонентов электролита, причем перед засыпкой среднего слоя производят термическую обработку нижнего слоя [2]
Верхний углеродистый слой межблочного шва подвержен термическим и химическим воздействиям расплава и разрушается в процессе эксплуатации электролизера. При этом создаются условия проникновения жидкого алюминия в трещины углеродистого слоя шва и далее, через насыпной слой нерасплавившегося порошка шихты достигает нижнего углеродистого предварительно обожженного слоя. Повторный обжиг нижнего углеродистого слоя приводит к появлению микро- и макротрещин в его структуре. Увеличивая микротрещины этого слоя, жидкий металл фильтруется и достигает металлической конструкции подовой секции с последующим растворением железа с снижением сортности получаемого алюминия, срока службы электролизера.

Указанные недостатки не позволяют применять известный способ в промышленных алюминиевых электролизерах.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение сортности получаемого алюминия, повышение срока службы электролизера, снижение расхода электроэнергии.

Сущность изобретения заключается в том, что верхняя часть межблочного и/или периферийного шва, образующего в результате набивки подовой углеродистой массой с уровнем, расположенным ниже уровня подовых блоков, заполняют предварительно глиноземом и пропитывают расплавленным криолитом или электролитом.

Пропитка расплавленным криолитом слоя глинозема, находящегося в верхней полости межблочного шва под уровнем подовой массы, приводит к появлению эвтектического состава криолит-глинозем, появлению твердой коркообразной формы на поверхности глиноземного слоя при постепенном остывании расплава. Последующая заливка жидкого алюминия согласно известному способу обжига электролизера не приведет к "размыванию глинозема". Последующий обжиг электролизера позволит увеличить вероятность образования корунда ("коржа") в полости шва, а медленное возрастание температуры при обжиге и пуске улучшает структуру и плотность корунда. В результате упрочняется конструкция подины, возрастает ее стойкость к проникновению жидкого алюминия, устраняется вероятность подъема ("всплытия") подовых блоков, их отрыва от стальных стержней. Все это повышает сортность катодного алюминия, срок службы электролизера, снижается падение напряжения в подине и предотвращается возникновение неравномерности токовой нагрузки в электролизере.

Пропитка глиноземного слоя шва расплавленным электролитом дает аналогичный результат с той лишь разницей, что в этом случае нет необходимости, поддержания определенных значений температуры жидкого расплава.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез подины алюминиевого элекролизера (фрагмент).

Подину монтируют на подовых секциях, содержащих углеродистые подовые блок 1 с продольными пазами 2 для заделки в них стальных токоотводящих стержней 3, и межблочных швов, содержащих нижнюю углеродистую часть 4 из подовой массы с уровнем 5, расположенным ниже уровня поверхности 6 подовых блоков 1 (по прототипу [1]). Образующуюся полость межблочных швов наполняют глиноземсодержащим веществом 7 (также по прототипу 1). Затем производят пропитку верхней части межблочного шва, заполненного глиноземсодержащим веществом 7, расплавом криолита или электролитом. В результате образуется слой 8 твердого электролита пересыщенного глиноземом (по предлагаемому способу).

Пример 1 реализации способа. Проводили лабораторные испытания. Готовые две модели подины, состоящие каждая из двух углеродистых образцов подового блока в виде параллелепипеда, межблочный шов шириной 40 мм, между образцами выполняли согласно заявке N 94-004228 C 25 C 3/08 от 08.02.1994 г. где нижняя часть шва из углеродистой подовой массы, а верхняя из глинозема. В первую модель (опытную) заливали расплавленный криолит, разогретый до температуры 980^oC. Вторую модель шва (прототип) оставили без воздействия криолита. Затем обе модели подвергали воздействию струи жидкого алюминия, выдерживали до затвердевания алюминия на поверхности обеих моделей и подвергали обжигу без доступа воздуха. Производили подъем температуры до 970^oC и выдержку при этой температуре в течение 2-х суток. Результаты обследования моделей межблочного шва (опытного и прототипа) представлены в табл. 1.

Примечание к табл.1: в подине-прототипе проникновение жидкого алюминия на границе "глинозем боковая поверхность подового блока" составила 42 49 мм.

Как видно, пропитка жидким криолитом межблочного шва, содержащего в верхней части глинозем, создает условия образования тугоплавкого эвтектического соединения уже на стадии монтажа подины. Дальнейший обжиг при температурах электролиза создает в материале опытного шва условия образования корунда. Это приводит к упрочнению шва в 2 4 раза по сравнению с моделью-прототипом, что исключает проникновение жидкого алюминия внутрь, упрочняет конструкцию подины в целом.

Пример 2. Производят монтаж подин двух электролизеров типа C-8B на силу тока 156 кА. Первая подина опытная. Вторая прототип 1. В начале межблочные швы обоих подин выполняли в соответствии с прототипом 1: нижний слой шва на высоту "b", равную 0,5 высоты подового блока набойкой из углеродистой подовой массы; верхний слой глинозема. Затем верхний глиноземный слой межблочного шва опытной первой подины пропитывают жидким электролитом, произвольно связанным в действующем электролизере. Пропитку ведут до момента, пока электролит не перестанет "уходить" через слой глинозема. Образовалась "шапочка" из застывшего электролита эвтектического состава. Затем оба электролизера подвергают обжигу с заливкой слоя жидкого алюминия на подину и подключением к току серии по известному способу с последующим пуском на электролиз.

Осредненные результаты измеренных параметров подин, их обследование в процессе обжига и послепускового периода представлены в табл. 2.

Примечание к табл.2:
1. * закладывали хромель-алюминиевые термопары в межблочные швы шести подовых блоков центральной части подин на границе верхней глиноземной и нижней углеродистой частей межблочного шва на обоих электролизерах.

2. Наблюдали обратную полярность в двух катодных стержнях подины прототипа.

Как следует из полученных данных, токовая нагрузка в катодных стержнях опытной подины в 2, 3 раза ровнее на обжиге и в 5 раз ровнее после пуска электролизера по сравнению с прототипом 1. Это указывает на влияние прочности межблочных швов опытной подины, что исключает "шевеление" подовых секций и нарушение электрического контакта в их конструкции, "утечку" тока по межблочным швам в продольном направлении электролизера (поперек подовых блоков и швов). На это же указывает более низкое падение напряжения в опытной подине в период обжига по сравнению с прототипом, более низкая температура межблочных швов опытной подины, что в свою очередь подтверждает меньшую степень приближения жидкого алюминия к термопарам в швах опытных.

В послепусковой период в опытной подине происходит естественное снижение падения напряжения в 2,5 раза, в то время как на электролизере-прототипе произошло возрастание на 29 мВ. Можно предложить, что некоторое изменение геометрии подины прототипа "шевеление" указывает на снижение прочности конструкции подины, когда еще не произошло образование тугоплавких осадков тяжелых металлов. В опытной же подине произошло образование корунда в верхней части межблочного шва в период монтажа, и далее обжига, пуска, упрочнения конструкции подины и дальнейшее выравнивание токовой нагрузки в катодных стержнях, что привело к снижению падения напряжения в подине в целом. В результате наблюдений отмечено также снижение периода пускового режима (выхода электролизера на стабилизацию рабочего напряжения) опытного электролизера на двое суток по сравнению с прототипом, что указывает на более устойчивый технологический ход. На это же указывает более низкое рабочее напряжение опытного электролизера 4,35 В против 4,40 В у прототипа и снижение времени выхода электролизера на сорт алюминия марки А7 на семь суток по сравнению с прототипом на 30%
Можно предположить, что отсутствие изменения геометрии и лучшие технические параметры опытной подины позволят увеличить срок службы электролизера и сортность катодного алюминия с подиной, выполненной по предлагаемому способу, независимо от способа обжига электролизера на металле или на электролите. Пропитка верхней глиноземной части межблочного шва расплавом криолита в сущности не отличается от пропитки расплавом электролита. Однако для этого требуется операции подготовки расплавленного криолита.

Таким образом, предлагаемый способ монтажа подины позволяет снизить расход электроэнергии, улучшить сортность получаемого алюминия и повысить срок службы электролизера, расширить возможности технологов в части применения тех или иных способов обжига и пуска электролизера.

Использование: изобретение относится к области электролитического получения алюминия из криолито-глиноземных расплавов, в частности, к совершенствованию способа монтажа катодного узла электролизера. Сущность: верхнюю часть межблочного или периферийного шва, заполненную предварительно глиноземом, пропитывают расплавленным криолитом или электролитом. 1 ил.,2 табл.

Способ монтажа подины алюминиевого электролизера, включающий укладку углеродистых подовых секций, набивку межблочных швов углеродистой подовой массой с уровнем, расположенным ниже уровня рабочей поверхности подового блока, и заполнение образующейся верхней полости шва, отличающийся тем, что верхнюю часть межблочного и/или периферийного шва подины заполняют глиноземом и расплавом криолита или электролитом.