СПОСОБ МОНТАЖА КАТОДНОЙ СЕКЦИИ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2002 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим разложением криолит-глиноземных расплавов и может быть использовано при монтаже катодных устройств алюминиевого электролизера.

Общеизвестна технология монтажа катодных секций алюминиевого электролизера, включающая установку катодного (стального) токоподводящего стержня в паз углеродистого блока и заливку его чугуном с целью создания прочного механического и электрического контакта между токоподводящим стержнем и электропроводящим углеродистым блоком. (Производство алюминия. Справочник металлурга по цветным металлам. М.: Металлургия, 1971 г., с.243-244 [1]). Недостатком данной технологии являются термические напряжения в углеродистом блоке при заливке стержня (блюмса) чугуном, последующее механическое разрушение блоков, приводящее к нарушению технологии и снижению службы электролизера.

Существуют различные способы устранения этих недостатков.

1. Заливка чугуном в две стадии: сначала заполняют чугуном часть зазора на высоту 0,25-0,50 расстояния между стержнем и дном паза блока и охлаждают секцию (блок-стержень) до 150-200^oC, а затем заполняют оставшуюся часть зазора чугуном с температурой, на 100-250^oC превышающей температуру первоначальной заливки (А.с. СССР N 1446196, C 25 C 3/06, 1989 г., [2]).

2. Создание предварительных механических напряжений для компенсации термических напряжений в катодных блоках в процессе заливки чугуном стержней (Франция, заявка N 26064283, С 25 С 3/08, [3]).

3. Заливка в паз блок - токоподводящий стержень либо частично (а.с. СССР N 1406217, С 25 С 3/08, 1989 г., [4]), либо полностью (а.с. СССР N 836226, 3/08, 1981 г., [5]) алюминием, либо его сплавом.

4. Выполнение катодного металлического стержня переменного сечения по длине паза углеродистого блока и заполнение остальной части паза блока подовой массой (а.с. СССР N 665023, С 25 С 3/08, 1979, [6]).

Все известные решения обладают существенными недостатками.

1. Не обеспечивают в полной мере снятие (компенсацию) термических напряжений в углеродистом блоке при его монтаже и термообработке (обжиг-пуск-эксплуатация).

2. Не обеспечивают достаточного электрического контакта в системе стержень-блок в процессе обжига, пуска и эксплуатации, что приводит к снижению сортности металла, различным технологическим нарушениям и, в конечном итоге, к снижению срока службы электролизера.

3. Повышают трудозатраты и энергозатраты при монтаже катодной секции.

Известен катод электролизера для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, в котором катодный стержень установлен в пазу блока на слой электропроводного материала и закреплен в блоке посредством углеродистой пасты (патент Франции N 1349702, С 25 С 3/08, 1983 г., [7]).

Недостатки известного решения.

Состав любой углеродистой (углеродсодержащей) пасты требует для повышения адгезии и механических характеристик соединения металлический стержень - углеродистый блок введения добавок, которые, в конечном случае, либо снижают электропроводность контакта, либо снижают показатели соединения, либо снижают защитные свойства контакта перед агрессивным воздействием расплава фтористых солей (что возможно на обжиге и пуске) или жидкого алюминия (алюминиевого сплава) в процессе эксплуатации электролизера.

Известен способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающий установку в паз углеродного блока токоподводящего металлического стержня на слой электропроводного материала и закрепление его в пазу посредством углеродистой пасты, в котором в качестве электропроводного материала используют слой графитового порошка, зазор между боковой стеной паза и поверхностью стержня заполняют углеродистой пастой на высоту 0,6-0,9 высоты стержня, а верхнюю часть паза заполняют углеродсодержащей пастой, причем в качестве углеродистой пасты используют пасту, содержащую, мас.%:
Кокс - 20 - 30
Графит - 20 - 30
Пек - 15 - 25
Кремнефтористый натрий - 3 - 8
Жидкое натриевое стекло - Остальное
в качестве углеродсодержащей пасты используют пасту, содержащую, мас.%:
Кокс - 30 - 40
Пек - 15 - 25
Кремнефтористый натрий - 3 - 8
Жидкое натриевое стекло - Остальное
(патент РФ N 2090659, С 25 С 3/08, 1997 г., [8]).

По технической сущности и по наличию сходных существенных признаков данное решение выбрано в качестве прототипа.

Известное решение обеспечивает более высокий, по сравнению с известными решениями, электрический контакт и обеспечивает защиту металлических стержней от расплава металла, проникающего в подину в случае разрушения угольной футеровки, упрощает монтаж катодных секций и устраняет разрушения блоков за счет устранения чугунной заливки.

Вместе с тем, механическая прочность соединения стержня с угольным блоком недостаточна и при транспортировке монтаже подины защитный слой может быть разрушен, что приведет к проникновению расплава, разрушению углеродистого слоя и к проникновению расплава к металлическому стержню.

Вышеуказанное может привести к нарушению технологии, снижению технико-экономических показателей, возникновению аварийных ситуаций.

Задачей изобретения является снижение затрат на монтаж катодной секции и повышение технико-экономических показателей электролизера.

Техническим результатом предложенного способа является обеспечение высокоэлектропроводного надежного электрического контакта блок-токоподводящий стержень, механическая прочность крепления этого токоподводящего узла и надежная защита от проникновения расплава алюминия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающем установку в паз углеродного блока токоподводящего металлического стержня на слой углеродсодержащего электропроводного материала и заполнение зазора между боковой стенкой паза и поверхностью стержня углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту 0,6-0,9 высоты стержня, углеродсодержащим электропроводным материалом заполняют зазор между боковой стенкой паза и поверхностью стержня на часть длины паза, а оставшуюся часть паза по высоте и незаполненные углеродсодержащим электропроводным материалом части паза вместе с токоподводящими стержнями со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют огнеупорным газонепроницаемым бетоном, например, на длину, равную 0,1-0,2 длины паза, а в качестве углеродсодержащего электропроводного материала используют половую массу.

В отличие от прототипа в предлагаемом решении углеродсодержащим электропроводным материалом заполняют зазор между боковой стенкой паза и поверхностью стержня на часть длины паза, а оставшуюся часть паза по высоте и незаполненные углеродсодержащим электропроводным материалом части паза вместе с токоподводящими стержнями со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют огнеупорным газонепроницаемым бетоном, например, на длину, равную 0,1-0,2 длины паза, а в качестве углеродсодержащего электропроводного материала может быть использована подовая масса.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Основной причиной выхода электролизера из строя, сокращение срока службы и наработки низкосортного металла является нарушение целостности подины, проникновение расплава жидкого металла к токоподводящим стержням.

Вышеуказанные нарушения являются следствием:
1) механического нарушения угольного блока при его монтаже;
2) термомеханических разрушений вследствие некачественного электрического контакта стержень - угольный блок;
3) недостаточно эффективной защиты токоподводящего стержня от воздействия расплава металла.

Предлагаемое решение направлено на получение качественного электрического контакта стержень - угольный блок, защиту токоподводящего стержня от воздействия расплава металла при прочном механическом закреплении токоподводящего стержня в пазу угольного блока.

Токоподводящий стержень укладывают в паз угольного блока на слой электропроводного материала, например подовой массы, зазор между стержнем и боковыми стенками паза углеродистого блока заполняется этой же массой на высоту 0,6-0,9 высоты стержня и на длину 0,8-0,9 длины паза. Поскольку материалы блока и массы однородны и электропроводны, масса обладает хорошими адгезионными свойствами, то соединение стержень-блок обладает высокой электропроводностью и достаточной прочностью. Оставшаяся часть паза по высоте (глубине) и незаполненные массой части паза вместе с токоподводящими стержнем со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют на длину 0,1-0,2 длины паза огнеупорным газонепроницаемым бетоном. Таким образом, во-первых, повышается механическая прочность закрепления токоподводящего металлического стержня в пазу углеродистого блока, во-вторых, образуется надежная защита стержня от контакта с жидким металлом, в случае его проникновения через швы или трещины в подовых блоках, в-третьих, электромеханический контакт стержень-блок находится в бетонном "саркофаге". С одной стороны, это его надежная защита, с другой - повышение механической прочности всего соединения.

Кроме того, в процессе термообработки (обжиг, пуск, рабочий режим) газы коксования массы не выделяются, а остаются в "саркофаге", претерпевая структурные изменения, что повышает как прочность механического контакта, так и его электропроводность.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом, с другими известными решениями в данной области выявил следующее.

Известны способы монтажа катодных секций алюминиевого электролизера, включающие заливку установленного в паз углеродистого блока токоподводящего стержня чугуном (1,2). Известна технология, включающая создание предварительных механических напряжений для компенсации термических напряжений в катодных блоках в процессе заливки чугуном токоподводящих стержней (3). Известна заливка токоподводящего стержня, установленного в паз углеродистого блока, алюминием или его сплавом частично или полностью (4,5).

Известно выполнение токоподводящего металлического стержня с переменным сечением по длине паза углеродистого блока и заполнение остальной части паза углеродистого блока подовой массой (6).

Известно катодное устройство алюминиевого электролизера, в котором катодный стержень установлен в пазу углеродистого блока на слой электропроводного материала и закреплен в блоке посредством углеродистой пасты (7).

Известен способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающий установку в паз углеродного блока токоподводящего металлического стержня на слой графитового порошка, заполнение паза на высоту 0,6-0,9 высоты стержня углеродистой пастой, содержащей, мас.%:
Кокс - 20 - 30
Графит - 20 - 30
Пек - 15 - 25
Кремнефтористый натрий - 3 - 8
Жидкое натриевое стекло - Остальное
и закрепление верхней части паза углеродсодержащей пастой следующего состава, мас.%:
Кокс - 30 - 40
Пек - 15 - 25
Kpeмнефтористый натрий - 3 - 8
Жидкое натриевое стекло - Остальное (8)
В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено решений характеризующихся аналогичными сходными признаками.

Способ реализуется следующим образом.

1. Комплект подовых блоков укладывают в одну линию на металлические опоры пазом вверх.

2. Поверхность пазов продувают сжатым воздухом.

3. На длину паза 0,8 его длины заполняют подовой массой, установив предварительно со стороны потая и катодных спусков упоры для предотвращения выдавливания массы.

4. Уплотняют засыпанную массу.

5. Устанавливают в пазы металлические токоподводящие стержни по шаблону так, чтобы длина выступающих концов была одинакова у всех секций. Расстояние между боковыми поверхностями стержней и стенками паза должно быть одинаковым с обеих сторон.

6. Заполняют ограниченное упорами пространство паза на высоту стержня подовой массой и уплотняют ее.

7. Заливают огнеупорный газонепроницаемый бетон в оставшееся пространство паза, предварительно установив упоры со стороны катодных спусков и убрав упоры со стороны потая.

8. Производят сушку подовой секции при 200-250^oC до полного затвердевания бетона.

Предлагаемая технология обеспечивает прочный и надежный электромеханический контакт токоподводящий стержень - углеродистый блок, надежную защиту токоподводящего стержня от контакта с жидким металлом, снижает затраты на монтаж катодных секций, что, в конечном итоге, приводит к повышению срока службы электролизера и к улучшению технико-экономических показателей процесса электролиза.

Изобретение относится к производству алюминия электрическим разложением криолит-глиноземных расплавов и может быть использовано при монтаже катодного устройства алюминиевого электролизера. Для снижения затрат на монтаже катодной секции, обеспечения надежного электромеханического контакта электропроводящий стержень - углеродный блок, обеспечения надежной защиты стержня от контакта с жидким металлом, повышения срока службы электролизера способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера предусматривает установку в паз углеродного блока токоподводящего металлического стержня на слой углеродсодержащего электропроводного материала и заполнение зазора между боковой стенкой паза и поверхностью стержня углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту 0,6-0,9 высоты стержня. При этом углеродсодержащим электропроводным материалом заполняют зазор между боковой стенкой паза и поверхностью стержня на часть длины паза, а оставшуюся часть паза по высоте и незаполненные углеродсодержащим электропроводным материалом части паза вместе с токоподводящими стержнями со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют огнеупорным газопроницаемым бетоном. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающий установку в паз углеродного блока токоподводящего металлического стержня на слой углеродсодержащего электропроводного материала и заполнение зазора между боковой стенкой паза и поверхностью стержня углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту 0,6-0,9 высоты стержня, отличающийся тем, что углеродсодержащим электропроводным материалом заполняют зазор между боковой стенкой паза и поверхностью стержня на часть длины паза, а оставшуюся часть паза по высоте и незаполненные углеродсодержащим электропроводным материалом части паза вместе с токоподводящими стержнями со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют огнеупорным газонепроницаемым бетоном. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что части паза с металлическим стержнем со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют бетоном на длину, равную 0,1-0,2 длины паза. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего электропроводного материала используют подовую массу.