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 обжига алюминиевого электролизера на коксовой крупке, согласно которому для сохранения тепла и повышения температуры подины шахту ванны закрывают сверху металлическими листами, поверх которых для утепления насыпают фторсоли. Силу тока поднимают постепенно, на четвертый или пятый день ее доводят до проектной [1. А.А. Костюков и др. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971 г., с.255] .

Расположение фторсолей пускового сырья вне проекции анода на подину и поверх листов укрытия исключает участие компонентов сырья в формировании защитных соединений на подине при обжиге, пуске электролизера. Кроме этого, обжиг на коксовой крупке /семечках/, как показывает практика испытаний электролизеров с самообжигающимися анодами на Братском алюминиевом заводе, приводит к неравномерной плотности тока на подине. В результате снижается срок службы электролизера, ухудшается сортность получаемого алюминия, перерасходуется сырье и увеличивается непроизводительное время работы электролизера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ защиты угольной футеровки алюминиевых электролизеров, включающий формирование слоя электрического сопротивления на подине проекции анода, отдачу пускового сырья в пространство "борт-анод" и включение тока серии [2. Авторское свидетельство СССР N 94407, С 25 С 3/06, заявлено 30.05.1950].

Техническим результатом предлагаемого изобретения 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 формирование слоя электрического сопротивления на подине проекции анода, отдачу пускового сырья в пространство "борт-анод" и включение тока серии, слой сопротивления формируют из шихты, содержащей борный ангидрид или борную кислоту, двуокись титана и кокс. После формирования слоя сопротивления на подину проекции анода могут заливать жидкий металл и включают электрический ток. Жидкий металл могут заливать на подину также после формирования слоя сопротивления и включения тока серии.

При наличии указанной шихты на угольной подине под действием электрического тока из окислов восстанавливаются углеродом кокса бор и титан, которые образуют на поверхности угольной футеровки соединение диборид титана TiB₂. Под действием постоянного тока и роста температур происходит диффузия получаемого вещества в поры, трещины, пустоты футеровки в процессе обжига, пуска электролизера. Таким образом, удается устранить дефекты в угольной подине и не допускать фильтрации электролитического алюминия в катодное устройство.

Заливка жидкого металла /сплава алюминия с тугоплавкими примесями/ после формирования слоя сопротивления улучшает электрический контакт "анод - катод", выравнивает плотность тока в цепи, что позволяет отключить шунты-реостаты, снизить расход электроэнергии и период непроизводительной работы электролизера. Кроме этого, тугоплавкие компоненты в соединении с алюминием дополнительно диффундируют в угольную подину под действием силы тока и, как известно, образуют тугоплавкие интерметаллические фазы, защищающие подину от фильтрации электролитического чистого алюминия.

Заливка жидкого алюминия /сплава/ после формирования сдоя сопротивления и включения тока серии создает приоритетные условия образования TiB₂, насыщения им футеровки, с последующим образованием интерметаллических фаз в подине, что предпочтительно для угольной продукции более высокого качества, и позволяет за более короткий срок вывести электролизер на высшие сорта алюминия.

Применение борной кислоты вместо борного ангидрида снижает себестоимость способа. При температурах процесса обжига происходят отгонка воды с образованием борного ангидрида и последующее его восстановление.

Примеры реализации способа.

Пример 1. На промышленном электролизере с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом типа C-8Б на силу тока 156 кА после капитального ремонта выполняют на подине проекции анода слой сопротивления толщиной 40 мм из шихты борной кислоты, двуокиси титана и кокса в пропорции /28, 32 и 40/ мас.% соответственно, что стехиометрически обеспечивает протекание реакций восстановления бора, титана до конца коксом шихты, без участия углерода подины. В пространство борт - анод загружают пусковое сырье в составе и очередности /мас. %/: глинозем 10; кальций фтористый 6; криолит 25; электролит оборотный 45; криолит Флотационный 6 и глинозем - остальное.

Включают ток с использованием шунтов-реостатов и ведут обжиг подины без заливки металла по известному способу [1].

Для сравнения, на аналогичном электролизере ведут обжиг на коксике по известному способу [1], без применения шихты. Пуск на электролиз обоих электролизеров осуществляют также по известному способу заливкой жидкого электролита с проплавлением сырья и удалением остатков кокса.

Исходные данные, технические параметры и технико-экономические показатели электролиза в течение 9 месяцев отражены в табл. 1.

Как следует из полученных результатов, неравномерность токовой нагрузки по анодным штырям опытного электролизера ~ в 3 раза меньше, чем электролизера-свидетеля. Это, как следствие, привело к более низкому напряжению на опытном электролизере в ходе подключения и обжига, более равномерной и высокой температуре подины в конце обжига, более низкой и равномерной температуре борта после пуска на электролиз /п. 2.1/. В результате величина продольно-вертикальных деформаций катодного кожуха ~ в 3 раза меньше на опытном электролизере /п. 2.2/.

Наличие более низкой температуры днища через 30 дней после пуска о опытного электролизера /на 40-45^oC ниже свидетеля/ указывает на предотвращение фильтрации электролитического алюминия в футеровку катода и разрушение последней. На это же указывает и более низкое падение напряжения в подине.

Как следствие, на опытном электролизере рабочее напряжение на ~ 0,1 В ниже, чем у свидетеля. При этом производительность опытного электролизера на 14 кг Al/сутки выше, содержание примесей в катодном металле меньше. Практическое отсутствие глиноземных осадков указывает на более стабильный ход опытного электролизера и подтверждается его большей производительностью. Следует ожидать увеличения срока службы подины на ~ 6-10 месяцев.

Пример 2. На аналогичном промышленном электролизере после выполнения слоя сопротивления, загрузки пускового сырья на подину проекции анода заливают жидкий алюминий с содержанием железа - 3,52%, кремния - 0,68%, включают ток серии без использования шунтов-реостатов и ведут обжиг по известному способу [1]. Пуск на электролиз ведут заливкой электролита, проплавляют сырье и удаляют непрореагировавший кокс.

Исходные данные, технические параметры и показатели электролиза в течение 9 месяцев отражены в табл. 2.

Судя по полученным данным, заливка жидкого металла на подину проекции анода с последующим подключением в цепь тока серии дополнительно снижает неравномерность распределения токовой нагрузки по штырям, повышает температуру обжига в подине в пространстве борт-анод, несколько снижает температуру борта после пуска, и как следствие, снижает величину деформаций днища катодного кожуха. Более низкие температуры днища после пуска, падение напряжения в подине указывают на уменьшение степени металлизации футеровки катода, приводят к экономии электроэнергии, увеличению производительности электролизера, на что также указывает почти полное отсутствие глиноземных осадков.

Дополнительное снижение содержания Fe/Si в катодном металле по сравнению с опытным-1 электролизером указывает на исключение фильтрации электролитического алюминия в угольную подину и растворение катодного стержня, что позволяет предположить образование защитных интерметаллических фаз в угольной подине, предотвращающих фильтрацию чистого алюминия, и приводит к увеличению срока службы электролизера дополнительно на 3-5 месяцев.

Пример 3. На аналогичном промышленном электролизере после выполнения слоя сопротивления, загрузки пускового сырья и включения электрического тока с использованием шунтов-реостатов, последовательного отключения реостатов и доведения силы тока до номинальной /серийной/ на подину проекции анода заливают жидкий сплав алюминия с содержанием примесей, %: Fe 4,77; Si 0,36; Mn 0,01; Cu 0,1. Пуск на электролиз также ведут заливкой жидкого электролита, проплавляют пусковое сырье и удаляют остатки кокса из ванны.

Исходные данные, технические параметры и показатели 9 месяцев эксплуатации опытного-3 электролизера отражены в табл. 3.

Результаты показывают, что заливка жидкого металла на подину проекции анода после подключения электролизера в цепь тока серии при наличии слоя электросопротивления из шихты кокса с окислами бора и титана приводит к дополнительному снижению неравномерности токовой нагрузки по анодным штырям.

Некоторое дополнительное снижение температуры днища и величины деформаций днища кожуха указывает на уменьшение металлизации подины и температурной деформации катодного кожуха. Тем самым снижается вероятность разрушения подины, на что указывает также и некоторое понижение падения напряжения в подине. Как следствие, ~ на 0,5 кг Al/сутки возрастает производительность электролизера. Улучшение сортности катодного металла указывает на вероятное образование интерфаз в подине, защищающих ее от фильтрации алюминия.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить стойкость угольной футеровки, производительность электролизера и срок его службы, улучшить сортность получаемого алюминия, снизить расход электроэнергии и трудозатрат на удаление глиноземных осадков.

Техническим результатом изобретения является повышение стойкости угольной футеровки, производительности электролизера и срока его службы, улучшение сортности получаемого алюминия, снижение расхода электроэнергии и трудозатрат. Для этого перед включением алюминиевого электролизера в цепь электрического тока на подине проекции анода формируют слой электрического сопротивления из шихты, содержащей борный ангидрид или борную кислоту, двуокись титана и кокс. После формирования слоя сопротивления на подину проекции анода заливают жидкий металл и включают электрический ток или металл заливают на подину после формирования слоя сопротивления и включения тока серии. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера, включающий формирование слоя электрического сопротивления на подине проекции анода, отдачу пускового сырья в пространство борт - анод, включение тока серии, отличающийся тем, что слой сопротивления формируют из шихты, содержащей борный ангидрид или борную кислоту, двуокись титана и кокс. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после формирования слоя сопротивления на подину проекции анода заливают жидкий металл. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после включения тока серии на подину проекции анода заливают жидкий металл.