СПОСОБ ЗАЩИТЫ УГОЛЬНОЙ ФУТЕРОВКИ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2001 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролизом криолитно-глиноземных расплавов, и может быть использовано при вводе алюминиевого электролизера в эксплуатацию.

Известен способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера, включающий установку анода, введение в шахту в пространство между боковой футеровкой и анодом пускового сырья, заливку алюминия под анод, подключение электролизера в цепь тока серии, заливку электролита и пуск электролизера /патент РФ N 2106434, С 25 С 3/06, опубл. 10.03.1998/.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение стойкости угольной футеровки, производительности электролизера и срока его службы, улучшение сортности получаемого алюминия, снижение расхода электроэнергии и трудозатрат. Указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера, включающем отдачу пускового сырья в пространство борт - анод, заливку алюминия на подину, подключение электролизера в цепь тока серии, подачу электролита, регулирование рабочего напряжения и вывод электролизера на электролиз, отдачу пускового сырья осуществляют последовательно в количестве, мас.%:
глинозем - до 10
фтористый кальций - до 6
криолит - до 25
оборотный электролит - до 45
криолит - до 6
глинозем - остальное,
для заливки используют алюминий с содержанием железа 0,3-0,7 мас.% и кремния 0,26-1,0 мас.%, алюминий заливают на подину проекции анода, отдают катодные компоненты, содержащие металлы II- VIII групп, с образованием под действием электрического тока многокомпонентных твердых химических соединений с алюминием, имеющих диапазон температур плавления двойных систем 860-2790^oC и коэффициент изменения параметра кристаллической решетки [0 - (-0,0105)] ·10^-10м/% (ат) компонента в твердом растворе, до насыщения твердого раствора, подачу электролита осуществляют наплавлением или заливкой, при этом электролиз ведут без анодных эффектов не менее семи суток. В качестве катодных компонентов используют алюминийсодержащие тугоплавкие отходы производства и отдают их переплавкой или заливкой. Катодные компоненты дополнительно содержат бор, медь.

Отдача пускового сырья в пространство борт - анод перед заливкой алюминия позволяет исключить попадание материала сырья под анод и, тем самым, избежать неравномерности распределения тока на подине, что, в свою очередь, исключает возрастание напряжения и "вспышку" на время подключения электролизера в цепь тока серии, что может привести к дополнительному поступлению натрия в угольную подину.

Загруженное сырье в указанной последовательности защищает периферийный шов подины от расплавленного металла, электролита /сыпучий мелкодисперсный глинозем не смачивается жидким алюминием, а плавление компонентов пускового сырья идет на кромке анода, вне пределов периферийного шва/. При этом, после заливки металла и подключения тока, достигается наименьшее устойчивое напряжение на электролизере.

Предложенная последовательность и количество загруженного сырья способствуют максимальной теплоизоляции борта и периферийной части подины, что улучшает условия коксования подовой массы шва и сокращает период обжига.

Наконец, в процессе плавления пускового сырья жидкий электролит периферии насыщается компонентами, повышающими, как известно, температуру плавления образующейся защитной бортовой настыли, такими как кальций фтористый, глинозем. /Известно, что при содержании CaF₂ до 6% и глинозема более 16% температура плавления настыли превышает 1000^oC/.

Заливка жидкого алюминия на подину проекции анода исключает контакт алюминия с материалом периферийного шва, коксующегося со скоростью на ~ 30-35% меньше скорости коксования межблочных швов подины проекции анода. Это исключает металлизацию периферии подины, позволяет снизить требуемое количество заливаемого металла на ~ 25-30 мас.%, что, в свою очередь, сокращает период обжига и снижает вероятность фильтрации алюминия в подину.

Применение жидкого алюминия в сочетании с железом, кремнием и концентрациями дополнительных компонентов - металлов II-VIII групп с подачей их в расплав под действием электрического тока и подъема температур подины от температуры окружающей среды /в момент подключения в цепь тока серии/ и до температур установившегося электролиза приводит к опережающему образованию интерметаллических многокомпонентных фаз насыщенного твердого раствора, заполняющего пустоты, трещины, поры, щели в угольной футеровке до разряда и проникновения в подину натрия. Известно, что такие металлы, как Ca, Si, Ti, Zr, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Со, Ni образуют в алюминии насыщенные растворы с температурой плавления 860-2790^oC для двойных систем. Известно также, что температура плавления многокомпонентных фаз интерметаллов возрастает, а порог насыщаемости раствора компонентами понижается. Возрастает скорость образования кристаллических интерфаз. Предлагаемые металлы - компоненты твердого раствора, согласно справочным данным, вносят изменение в параметр кристаллической решетки в пределах [0 - (-0,0105)]·10^-10 м/%(ат) компонента в твердом растворе. Это означает, что происходит кристаллизация и достраивание кристаллической решетки с уменьшением объема, не вызывающим силы разрушения в угольной футеровке.

Под действием тока серии интерфазы образуются с большей скоростью и кристаллизуются при более низких температурах. При этом возрастает проникающая способность раствора.

Все это позволяет создать защитный антидиффузионный состав в подине с первых минут эксплуатации электролизера. Предотвращаются фильтрация чистого электролитического алюминия, получаемого в процессе электролиза, и металлизация подины натрием.

Эффект предотвращения металлизации подины натрием усиливают за счет ведения электролиза без анодных эффектов в течение не менее семи первых суток, что достигают, в свою очередь, отдачей глинозема как в пусковое сырье, так и в расплав электролита.

Отдача катодных компонентов в ванну переплавкой алюминийсодержащих отходов производства /подовых "козлов", лома, извлечений из катодной футеровки, некондиционных отливок/ позволяет снизить температуру расплава и, за счет разности плотностей, приблизить компоненты интерфаз к подине. Попутно происходит извлечение алюминия из отходов производства в товарную продукцию. Заливка жидких компонентов также достаточно эффективна, поскольку за один прием позволяет "закрыть" сплавом всю подину. Наконец, многокомпонентные фазы имеют более низкую теплопроводность, что очень важно для понижения и стабилизации энергетических параметров работы электролизера, формирования качественной бортовой настыли, снижения расхода электроэнергии и повышения устойчивости технологического хода. Повышается срок службы подины электролизера.

Использование дополнительных компонентов, таких как бор, медь ускоряет процесс образования интерметаллических фаз в подине и повышает их тугоплавкость, улучшает ингибирующее действие на углерод и электропроводность подины.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен поперечный разрез электролизера после заливки металла и подключения электролизера в цепь тока серии, фиг. 1, и в период перехода к наплавлению электролита /самопуск на электролиз/, фиг. 2; температуры в сечениях электролизера, ^oC. Устройство содержит угольную подину 1 с уголком 2 между анодом 3 и подиной, отделяющим проекцию анода 3 на подину от пространства борт - анод, куда загружают пусковое сырье в последовательности: глинозем 4, CaF₂ 5, криолит 6, оборотный электролит 7, криолит 6, глинозем 8, тем самым плотно закрывают подину 1 за пределами анода, борт 9 и периферийный шов 10 от контакта с залитым жидким металлом 11.

Таким образом, пусковое сырье совместно с уголком 2 надежно защищает бортовую футеровку 9, периферийный шов 10 от воздействия жидкого металла 11 и кислорода воздуха, является теплоизолятором (фиг.1).

При подключении электролизера в цепь тока серии происходит возрастание температур подины и анода. В процессе обжига, достижении температуры жидкого металла и подины, превышающей температуру плавления материала уголка 2, происходит расплавление последнего, и жидкий алюминий упирается в слой глинозема, не достигая периферийного шва 10 и бортового блока 9. В ходе дальнейшего обжига возрастает температура периферийной части подины 1 и начинается коксование подовой массы шва 10. К моменту появления расплава электролита (расплавления пускового сырья), то есть при достижении температуры на подине 900-930^oC коксование шва 10 закончено. При плавлении сырья алюминий также не может контактировать с швом, бортом, поскольку сырье, во-первых, оплавляется и не пропускает алюминий. Во-вторых, расплавленный, но еще "холодный" электролит 12 тяжелее жидкого металла и надежно закрывает периферийный шов подины (фиг.2).

Теплоизолирующий эффект пускового сырья проявляется в быстром, экономичном прогреве подины, изоляции периферийного шва, борта снаружи, и коксования "изнутри". В результате все это создает "горячий" ход обжига подины и "холодный" ход обжига/пуска" борта электролизера, что, в свою очередь, исключает термическую деформацию катодного кожуха при пуске на электролиз, поскольку скорость заполнения шахты расплавом электролита при самопуске в ~ 30 раз ниже скорости заполнения при заливке предварительно наплавленным электролитом. Тем самым, устраняются первоначальные причины подъема и разрушения подины.

Ограничивающий уголок 2 может быть выполнен из алюминия, его сплавов с тугоплавкими компонентами, такими как железо, кремний, марганец, медь, кальций, титан, хром, ванадий, или из стали. При этом возможно извлечение уголка из ванны после пуска электролизера на электролиз и повторное его использование.

Пример реализации способа
На трех промышленных электролизерах с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом типа С-8Б на силу тока 156 кА после капитального ремонта загружают пусковое сырье согласно предлагаемому способу, заливают жидкий металл и включают ток серии. Ведут обжиг до подплавления пускового сырья, пуск электролизеров на электролиз и эксплуатацию в течение шести месяцев.

Исходные данные, результаты испытаний трех опытных электролизеров и электролизера-свидетеля отражены в таблице 1 /см. примечания/.

Примечания. 1^* Металла требуется больше, поскольку при заливке часть его расположена за пределами анода.

^**2. В виде борной кислоты на межблочных швах.

3. Протеки металла /п. 2.8/ в "окна" катодных стержней имели место на 5-е сутки после пуска /электролизер-свидетель/.

4. По п. 2.9 таблицы анализ химсостава подовых "козлов" /электролизеры "А", "В"/, жидкого сплава /электролизер "С"/ содержание в алюминии компонентов - интерметаллов следующее (%): Fe-3,87, Si-0,67, Ti-0,012, V-0,007, Cr-0,004, Mo-0,006, Mn-0,013, Co-0,003, Ni-0.008. Вели переплавку "козлов" в количестве: электролизер "А" - 3,5 т за трое суток "через сутки после пуска/; электролизер "В" - 3,75 за трое суток /также через сутки после пуска на электролиз/. Заливку жидкого сплава /электролизер "С"/ - через сутки и двое суток по 2 т за каждый прием. После переплавки /заливки/ динамика содержания примесей в катодном алюминии следующая / см. таблица 2/.

5. Катодный металл не выливали в течение 8 суток.

Судя по динамике изменения содержания примесей в катодном алюминии /табл. 2/, насыщение интерметаллических фаз в угольной подине происходит, в основном, в первые 7-8 суток после пуска /электролизеры "В", "С"/; при большем содержании Fe, Si в исходном катодном металле насыщение происходит за более короткое время /электролизеры "В", "С"/. Присутствие в В, Cu катодном металле, во-первых, ускоряет процесс образования интерфаз. Во- вторых, возможно позднее образование TiB₂ на поверхности подины, что следует из динамики содержания Ti, В в катодном металле электролизера "C". Это - наиболее эффективное покрытие угольной футеровки, защищающее от проникновения натрия, алюминия.

Данные таблицы 2 указывают на необходимость отсутствия анодных эффектов не менее первых семи суток.

Как следует из данных таблицы 1, применение предложенной последовательности и количества отдачи пускового сырья предотвращает контакт периферийного шва подины с расплавом алюминия, температурную деформацию катодного кожуха.

Использование металлов II-VIII групп для образования, совместно с Fe, Si, интерфаз в угольной подине, позволяет предотвратить пропитку подины натрием. Отсутствие анодных эффектов усиливает защищенность угольной футеровки от натрия. Отдача компонентов в ванну переплавкой /заливкой/ тугоплавких отходов производства алюминия снижает стоимость выполнения зашиты, позволяет вовлечь в производство отходы.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить стойкость угольной футеровки, а следовательно, срок службы электролизера, примерно на 9-12 месяцев, производительность электролизера на 10-17 кг Al/сутки, улучшить сортность получаемого алюминия, снизить расход потребления электроэнергии за счет снижения рабочего напряжения /падения напряжения в подине/ на 0,05-0,07 В путем предотвращения металлизации подины натрием, электролитическим алюминием и ее последующего разрушения. При этом снижаются трудозатраты за счет вовлечения некондиционных сплавов алюминия в производство.

Способ позволяет создать защитный антидиффузионный состав в подине для предотвращения фильтрации алюминия и металлизации подины натрием, при этом повышается производительность электролизера и срок его службы, улучшается сортность получаемого алюминия, снижается расход электроэнергии и трудозатрат. Способ включает отдачу пускового сырья пространство борт - анод в последовательности и соотношениях, мас.%: глинозем до 10, кальций фтористый до 6, криолит до 25, оборотный электролит до 45, криолит до 6, глинозем - остальное, заливку алюминия на подину проекции анода. Кроме этого, отдают катодные компоненты, содержащие металлы II - VIII групп, с образованием под действием электрического тока многокомпонентных твердых химических соединений с алюминием, до насыщения твердого раствора. 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера, включающий отдачу пускового сырья в пространство "борт-анод", заливку алюминия на подину, подключение электролизера в цепь тока серии, подачу электролита, регулирование рабочего напряжения и вывод электролизера на электролиз, отличающийся тем, что отдачу пускового сырья осуществляют последовательно в количестве, мас.%:
Глинозем - До 10
Фтористый кальций - До 6
Криолит - До 25
Оборотный электролит - До 45
Криолит - До 6
Глинозем - Остальное
для заливки используют алюминий с содержанием железа 0,3 - 0,7 мас.% и кремния 0,26 - 1,0 мас.%, алюминий заливают на подину проекции анода, отдают катодные компоненты, содержащие металлы II - VIII групп, с образованием под действием электрического тока многокомпонентных твердых химических соединений с алюминием, имеющих диапазон температур плавления двойных систем 860 - 2790^oС и коэффициент изменения параметра кристаллической решетки [0 - (-0,0105)]·10^-10 м/% (ат) компонента в твердом растворе, до насыщения твердого раствора, подачу электролита осуществляют наплавлением или заливкой, при этом электролиз ведут без анодных эффектов не менее семи первых суток. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катодных компонентов используют алюминийсодержащие тугоплавкие отходы производства и отдают их в ванну переплавкой или заливкой. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катодные компоненты дополнительно содержат бор, медь.