СПОСОБ ОБЖИГА ПОДИНЫ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2001 года по МПК C25C3/06 

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом и может быть использовано в технологии обжига подины алюминиевых электролизеров.

Известен способ обжига подины алюминиевого электролизера под слоем солей за счет тепла от сгорания топлива с заданной скоростью [А.с. СССР 723006, кл. C 25 C 3/06. Б.И. N 11, 1980]. Подсыпка солей осуществляется для увеличения стойкости подовых блоков. Согласно этому способу нагрев углеродистой футеровки ведут со скоростью 15-40^oC/ч в интервале температур 100 - 450^oC и со скоростью 30 - 60^oC/ч в интервале температур 450 - 700^oC.

Однако высокие скорости подъема температуры в интервале температур коксования 450 - 700^oC обуславливают интенсивное газовыделение из подовой углеродистой массы и, как следствие, способствуют образованию открытой пористости и ускорению проникновения в футеровку натрия, что приводит к шелушению поверхности угольных блоков.

Известен способ обжига катодного устройства током серии с различной скоростью прогрева центральной и периферийной части катода, изменяя сопротивление шунт-реостата [А.с. СССР 1145058, кл. C 25 C 3/06. Б.И. N 10, 1985]. Центральную часть футеровки катода нагревают в 4-5 раз быстрее, чем периферийную в первые сутки и медленнее в 1,5-1,6 раза во вторые - четвертые сутки. При этом создаются благоприятные условия для ненапряженного термического расширения подовых блоков и равномерное коксование межблочных швов.

Недостатком способа являются возможные локальные перегревы поверхности, вызывающие растрескивание блоков и подовых швов и длительность процесса обжига.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является способ обжига подины алюминиевого электролизера с подсыпкой по периферии слоя глинозема, позволяющего замедлить прогрев периферийных коксующихся швов [А.с. СССР 1406216, кл. C 25 C 3/06. Б.И. N 24, 1988] и тем самым обеспечить свободное недеформированное термическое расширение угольных блоков подины.

Однако этот способ вследствие низкой теплопроводности глинозема не обеспечивает прогрев периферийной части футеровки подины до высоких температур по завершению обжига центральной части подины. Непрогретость углеродистой футеровки под слоем глинозема и непрококсованность периферийных швов создают предпосылки для интенсивного натриевого расширения угольных блоков в процессе последующего электролиза алюминия, что снижает качество обжига и срок службы электролизера.

Задача изобретения заключается в разработке способа, позволяющего повысить качество обжига подины и соответственно срок службы электролизера за счет обеспечения безопасных градиентов температур по толщине углеродистой футеровки в начальном высокоскоростном периоде обжига и минимальных градиентов температур в конечном периоде обжига при заданной температуре поверхности.

Для решения поставленной задачи в способе обжига подины алюминиевого электролизера, включающем использование низкотеплопроводной подсыпки по периферии подины, нагрев углеродистой футеровки подины до заданной температуры и выдержку, для формирования подсыпки используют легкоплавкие гранулы, а обжиг поверхности углеродистой футеровки подины осуществляют при температуре, определяемой из выражения:

где t - температура поверхности углеродистой футеровки подины, ^oC;
τ - длительность обжига, ч.

Причем обжиг ведут с подсыпкой по периферии подины слоя низкотеплопроводных легкоплавких гранул, например алюминиевых, термообработанных закалкой в воде, толщиной 3,5-7 см обеспечивающих при нагреве градиент температуры на поверхности футеровки подины в направлении к ее периферии в пределах 1,7 - 2,6^oC/см и последующее его снижение до 0^oC/см в период выдержки при конечной температуре обжига.

Приведенная зависимость подъема температуры поверхности углеродистой футеровки от времени обжига соответствует средней скорости нагрева, в первые 12 часов равной V₁=45^oC/ч, и V₂=8,1^oC/ч - в последующие 32 часа. В третьем периоде обжига происходит выравнивание температуры в течение 4-х часов при достигнутой температуре поверхности 800^oC. Максимальное значение градиента температуры по толщине блока, равное 8,3^oC/см, имеет место в первом периоде нагрева в интервале 5 - 7 часов (табл. 1).

При скорости нагрева V₁=50^oC/ч; 55^oC/ч градиент температур или близок, или превышает опасное значение для прочности подины, равное в среднем 10,5^oC/см. При меньшей скорости нагрева V₁=33^oC/ч максимальный градиент температуры в первом периоде обжига снижается до 6,7^oC/см, но при этом одновременно увеличивается градиент температуры в третьем периоде обжига до 3,35^oC/см. Таким образом, с точки зрения наименьшего градиента температуры по толщине блока, достигаемого в конце обжига, и соответствующего ему градиенту температуры в первом периоде обжига, не достигающем опасных для разрушения значений, является третий режим обжига.

Подсыпка низкотеплопроводных легкоплавких гранул, например алюминиевых, по периферии подины замедляет прогрев межблочных и периферийных швов до температуры интенсивного коксования 550^oC и создает условия для их длительного пластичного состояния. При этом обеспечиваются благоприятные условия для бездеформационного термического расширения углеродистых блоков подины в направлении пластичных периферийных швов. По достижении поверхностью подсыпки температуры плавления гранулы постепенно расплавляются. Тепловое сопротивление расплавленной подсыпки ничтожно, поэтому с момента ее расплавления она не является теплоизолятором, но выравнивает температурное поле на поверхности подины, интенсифицируя прогрев периферии подины.

Использование в качестве подсыпки легкоплавких гранул, например алюминиевых, толщиной от 3,5 до 7 см дает близкие результаты по времени достижения температуры коксования под блоками подины электролизной ванны по средней температуре углеродистых блоков. Однако реализация способа с равномерной толщиной подсыпки менее 3,5 см технически затруднена, а с толщиной слоя более 7 см нежелательна из-за большого расхода материала подсыпки.

Заявляемые пределы изменения градиентов температур по поверхности подины 1,7 - 2,6^oC/см в зависимости от толщины слоя подсыпки гарантируют в реальных условиях сохранение пластичности периферийных швов, в течение 92-97% длительности второго периода обжига и обеспечивают возможность контроля и регулирования температурного поля на поверхности подины во время ее обжига.

В качестве легкоплавких гранул возможно также применение карбонатолитиевых, имеющих подобно алюминиевым гранулам в слое низкую теплопроводность и температуру плавления.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. После монтажа электролизера на подину по ее периферии насыпают 500 кг алюминиевых гранул крупностью 1-1,3 мм и насыпной плотностью 1500 кг/м³, термообработанных закалкой в воде, для формирования слоя толщиной 3,5 см, обеспечивающего перед их расплавлением градиент температуры на поверхности подины между ее продольной осью и боковой стенкой, равный 1,7^oC/cм. Затем осуществляют обжиг подины на дизельном топливе, повышая температуру всей поверхности подины, свободной от подсыпки по приведенной временной зависимости в течение 48 часов.

В примерах 2 и 3 обжиг ведут аналогично примеру 1 при следующих параметрах.

Пример 2. На подину по ее периферии насыпают 750 кг алюминиевых гранул для формирования слоя толщиной 5 см, обеспечивающего перед их расплавлением градиент температуры на поверхности подины, равный 2,2^oC/см.

Пример 3. На подину по ее периферии насыпают 1250 кг алюминиевых гранул для формирования слоя толщиной 7 см, обеспечивающего перед их расплавлением градиент температуры на поверхности подины, равный 2,6^oC/см.

В примерах 4 и 5 обжиг ведут аналогично примерам 1-3 за пределами указанных параметров.

Пример 4. Толщина слоя подсыпки по периферии подины 0 см, обеспечивающего градиент температуры на поверхности подины, равный 0^oC/см.

Пример 5. На подину по ее периферии насыпают 1750 кг алюминиевых гранул для формирования слоя толщиной 10 см, обеспечивающего перед их расплавлением градиент температуры на поверхности подины, равный 3,4^oC/см.

Пример 6. Осуществляют обжиг подин электролизеров по известному способу-прототипу с подсыпкой по периферии слоя глинозема различной толщины (0; 3,5; 5,0; 7,0; 10 см).

Все эксперименты проведены на основе математического моделирования.

Параметры обжига и результаты численных экспериментов приведены в табл. 2.

Из данных табл. 2 следует, что заявляемый способ обжига подины электролизера позволяет прогреть периферийные швы и периферийную часть блоков до средних по их толщине температур ниже, чем в центральной части подины всего лишь на 12-24^oC. При этом их пластическое состояние, соответствующее температурам 400 - 550^oC, смещается во времени в сравнении со швами нетеплоизолированной футеровки на 7-10 часов, благодаря чему периферийные швы поглощают высокотемпературное расширение углеродистых блоков.

Вследствие низкой теплопроводности глинозема средние по высоте блока температуры ниже, чем при использовании алюминиевых гранул, в 1,6-3,4 раза.

Натриевое расширение футеровки подины по заявляемому способу при применении для подсыпки алюминиевых гранул в 2,4 - 3,4 раза меньше, чем при использовании глинозема. Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить качество обжига подины и срок службы электролизера.

Изобретение относится к производству алюминия электролизом и может быть использовано в технологии обжига подин алюминиевых электролизеров. Температуру нагрева поверхности углеродистой футеровки подины определяют из выражения

где t - температура поверхности углеродистой футеровки подины, °С; τ - длительность обжига, ч. Обжиг ведут с подсыпкой по периферии подины слоя низкотемпературных легкоплавких алюминиевых гранул толщиной 3,5-7 см с обеспечением градиента температуры на поверхности футеровки подины в направлении к ее периферии в пределах 1,7-2,6°С/см и последующее его снижение до 0°С/см в период выдержки при конечной температуре обжига. Способ уменьшает деформацию угольных блоков, проникновение натрия в футеровку и увеличивает срок службы электролизера. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ обжига подины алюминиевого электролизера, включающий использование низкотеплопроводной подсыпки по периферии подины, нагрев углеродистой футеровки подины до заданной температуры и выдержку, отличающийся тем, что в качестве подсыпки используют легкоплавкие гранулы, а обжиг поверхности углеродистой футеровки подины осуществляют при температуре, определяемой из выражения

где t - температура поверхности углеродистой футеровки подины, ^oC;
τ - длительность обжига, ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легкоплавких гранул используют термообработанные закалкой в воде алюминиевые гранулы, подсыпаемые толщиной 3,5 - 7 см, обеспечивающие при нагреве градиент температуры на поверхности футеровки подины в направлении к ее периферии в пределах 1,7 - 2,6^oC/см и последующее его снижение до 0^oC/см в период выдержки при конечной температуре обжига.