КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к конструкции алюминиевого электролизера.

Задачи повышения срока службы электролизера и повышения технико-экономических показателей процесса электролизера решаются различными путями. Важными моментами являются оптимальное распределение тепловых потоков, токораспределение, гидродинамические характеристики расплавов, формирование оптимального рабочего пространства.

Известно выполнение в катодном устройстве порогов [1, 2] с целью повышения качества металла за счет уменьшения и стабилизации конвективных потоков расплавов и повышения срока службы электролизера за счет предотвращения разрушения футеровки.

Недостатком известных решений в том, что требуются значительные дополнительные затраты на изготовление и монтаж порогов.

Известен способ электролитического получения алюминия, в котором электролиз осуществляют наращиванием бортов ванны электролизера слоем застывшего электролита с поддержанием уровня расплава в ванне на 6-18% выше глубины шахты электролизера [3].

В известном решении подъем уровня расплава при подъеме анода обеспечивает уменьшение глубины погружения анода в шахту электролизера, улучшает гидродинамику расплава, снижает тепловую и энергетическую нагрузку на анод. При этом в результате уменьшения температуры электролита создаются условия, обеспечивающие образование и сохранение настылей по периферии катода, снижающих утечку тока через бортовую футеровку, предотвращающих ее разрушение.

Недостатки известного решения:
1) требуются значительные изменения технологических параметров электролизера для вывода ванны на предлагаемый режим и его поддержание;
2) не решается в полной мере задача защиты торцевой футеровки ванны;
3) велика вероятность прорыва расплава из электролизера при технологических обработках ванны.

Известен электролизер для получения алюминия, днище и борта которого, с целью стабилизации и дифференциального регулирования температурного режима электролизера и его узлов, снабжены коробчатыми герметичными секциями с двойными стенками, в которых установлены тепловые экраны, к которым подведены воздушные магистрали с воздухораспределительными клапанами [4].

По известному решению возможно дифференциальное регулирование температурного режима электролизера и толщины гарнисажа бортовой футеровки, но требуются конструктивные изменения, значительные затраты на изготовление и обслуживание системы, что в конечном итоге повышает себестоимость продукции, усложняется технологическое обслуживание электролизера.

Наиболее близким к предлагаемому является катодное устройство алюминиевого электролизера, снабженное металлическими плитами, установленными между теплоизоляционными и огнеупорными слоями футеровки поперечных стенок кожуха, причем слой огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха выполнен большей высоты, чем продольных стенок, а металлическая плита выполнена переменного сечения и высота ее больше высоты слоя огнеупорной футеровки [5].

По технической сущности, наличию сходных существенных признаков с предлагаемым известное решение выбрано в качестве прототипа.

Дифференцированный теплоотвод обеспечивается выполнением слоя огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха большей высоты, чем продольных, установкой металлических плит различного сечения выше уровня огнеупорного слоя футеровки.

Увеличение теплопотерь от поперечных стенок позволяет вынести необходимое количество тепла от бортовых (поперечных) стенок и создать бортовые настыли на этих внутренних стенках, защищающие их от коррозии и от утечки тока.

Однако известное решение имеет и недостатки. Значительна материалоемкость катодного устройства (металлические плиты толщиной 10-20 мм выше слоя огнеупорной футеровки), большая высота огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха, чем продольных, усложнение монтажа катодного устройства, возможность локального перегрева плиты, термические напряжения и, как следствие, разрушение гарнисажа и бортовой футеровки.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы электролизера предотвращением разрушения торцевой бортовой футеровки и подины за счет перераспределения тепловых потоков.

Поставленная задача решается тем, что в катодном устройстве электролизера для производства алюминия, включающем металлический кожух, выполненный в виде короба с продольными и поперечными стенками и днищем, футерованный огнеупорными и теплоизоляционными слоями, футеровка поперечных сторон снабжена дополнительной теплоизоляцией, которая выполнена в виде искусственной настыли между теплоизоляционными плитами поперечных стенок и днища, между огнеупорным и теплоизоляционным слоями днища расположен слой из теплопроводящего материала, например углеграфитовых плит, а настыль выполнена из холоднонабивной подовой массы.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Основные причины выхода электролизеров из строя: а) разрушение торцевой футеровки ванны, разъедание катодного кожуха и прорыв металла и электролита; б) разрушение подины электролизера за счет неравномерных термических (механических) напряжений, проникновение расплава, разъедание токоподводящих стержней.

Суть вышеуказанных причин заключается в неравномерности гидродинамических и тепловых потоков, воздействующих на различные участки футеровки.

С первой причиной борьба ведется двумя способами: увеличение теплоотвода с целью "переохлаждения" и корректировка (уменьшение) и стабилизация гидродинамических потоков.

Что касается подины, то это - конструкции блоков, способы монтажа и обжига.

В предлагаемом решении обе проблемы решаются комплексно. Создание настыли обеспечивает, с одной стороны, защиту торцевой футеровки ванны от разрушения, с другой стороны - направление теплового потока на подину, в ее периферийные, менее нагретые части. Теплопроводящий слой обеспечивает на днище равномерное распределение теплового потока по всей подине, как от торцов, так и из-под анодного пространства.

Таким образом, предлагаемое решение повышает срок службы электролизера как за счет предотвращения разрушения торцевой футеровки и преждевременного отключения электролизера на капитальный ремонт, так и за счет повышения стойкости подины за счет более равномерного распределения теплового потока по всему объему подины.

Предлагаемое решение в отличие от известных решает проблемы комплексно и без значительных капитальных затрат.

В отличие от прототипа в предлагаемом решении регулирование тепловых потоков в катодном устройстве осуществляется созданием настыли и установкой в днище слоя теплопроводящего материала, что более эффективно, чем пластины, т. к. не требует значительных материальных и трудовых затрат. Таким образом, предлагаемое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение предлагаемого решения с прототипом и другими известными решениями в данной области выявило следующее:
- известны решения по регулированию тепловых потоков и по повышению срока службы электролизера путем выполнения порогов [1, 2];
- известен способ электролитического получения алюминия с наращиванием бортов ванны (гарнисажа) слоем застывшего электролита [3];
- известен электролизер для получения алюминия, который для дифференциального регулирования температурного режима снабжен коробчатыми герметичными секциями с двойными стенками, в которых установлены тепловые экраны и к которым проведены воздушные магистрали с воздухораспределительными клапанами [4];
- известно катодное устройство электролизера, снабженное металлическими плитами переменного сечения, установленными между теплоизоляционным и огнеупорным слоями футеровки, высотой больше высоты слоя огнеупорной футеровки.

Сравнительный анализ с прототипом и другими известными решениями в данной области не выявил решений, характеризующихся идентичными либо эквивалентными признаками с предлагаемым, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Промышленное опробование предлагаемого решения показало, что ванны, смонтированные как указано, не выходят из строя в течение 36-40 месяцев. Промышленная применимость решения не вызывает сомнений у производственников.

Технология монтажа катодного устройства по предлагаемому изобретению не требует значительных капитальных и трудовых затрат, не требует дополнительных трудозатрат по обслуживанию.

Источники информации
1. А.с. СССР N 631560, C 25 C 7/00, 1978 г.

2. А.с. СССР N 1286641, C 25 C 7/00, 1987 г.

3. А.с. СССР N 1186703, C 25 C 3/06, 1985 г.

4. А.с. СССР N 605865, C 25 C 3/08, 1978 г.

5. А.с. СССР N 456851, C 22 d 3/02, 1975 г.

Катодное устройство содержит металлический кожух, выполненный в виде короба с продольными и поперечными стенками и днищем. Днище и стенки футерованы огнеупорными и теплоизоляционными слоями. Поперечные стенки содержат дополнительный слой изоляции в виде искусственной настыли из холоднонабивной подовой массы, расположенный между теплоизоляционными плитами поперечных стенок и днища. Между огнеупорным и теплоизоляционным слоями днища расположен слой теплопроводящего материала, выполненный из графитизированных плит. При этом повышается срок службы электролизера за счет предотвращения разрушения футеровки и перераспределения тепловых потоков. 2 з.п.ф-лы.

1. Катодное устройство электролизера для производства алюминия, включающее металлический кожух, выполненный в виде короба с продольными и поперечными стенками и днищем, футерованный огнеупорными и теплоизоляционными слоями, футеровка поперечных сторон которого снабжена дополнительной теплоизоляцией, отличающееся тем, что дополнительная теплоизоляция выполнена в виде искусственной настыли между теплоизоляционными плитами поперечных стенок и днища, а между огнеупорным и теплоизоляционным слоями днища расположен слой из теплопроводящего материала. 2. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что искусственная настыль выполнена из холоднонабивной подовой массы. 3. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что слой теплопроводящего материала днища выполнен из графитизированных плит.