СПОСОБ МОНТАЖА КАТОДНОЙ СЕКЦИИ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2008 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия и может быть использовано при монтаже катодного устройства алюминиевого 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 стенкой 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, а в качестве углеродсодержащей пасты используют пасту, содержащую, мас.%: кокс - 30-40, пек - 15-25, кремнефтористый натрий - 3-8, жидкое натриевое стекло - остальное (патент РФ №2090659, С25С 3/08, 1997 г., [1]).

Недостатком такого способа монтажа катодной секции является то, что при использовании графитового порошка в качестве электропроводного материала, на слой которого устанавливают токоподводящий металлический стержень, невозможно сохранить начальную монтажную плотность и объем этого насыпного слоя, размещенного между дном паза и верхней гранью токоподводящего стержня. Такой слой не может служить надежным электрическим контактом, поскольку при переворачивании подовой секции после монтажа и далее при эксплуатации насыпной слой будет уплотняться или перераспределяться в замкнутом объеме, окисляться с последующим появлением зазоров в контактном слое. Это приводит к значительному ухудшению электрического контакта токоподводящего стержня и углеродного блока, повышению перепада напряжения, неравномерному токораспределению, а следовательно, к нарушениям технологического процесса, снижению срока службы и технико-экономических показателей электролизера. Кроме того, при заполнении зазора между боковой стенкой паза и поверхностью стержня углеродистой пастой на высоту, равную 0,6-0,9 высоты стержня, а в верхней части паза заполнение углеродсодержащей пастой, не обеспечивает необходимое качество электромеханического контакта, поскольку под воздействием температур происходит коксование компонентов паст, повышается пористость материалов, снижается площадь контакта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является 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, в котором 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, причем части паза с металлическим стержнем со стороны потая и со стороны катодных спусков заполняют бетоном на длину, равную 0,1-0,2 длины паза, а в качестве углеродсодержащего электропроводного материала используют подовую массу (патент РФ №2179201, С25С 3/08, 2002 г., [2]).

Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.

Известная технология обеспечивает электромеханический контакт блок - токоподводящий стержень в процессе монтажа, но в процессе обжига подины и в процессе эксплуатации контакт претерпевает существенные физико-химические изменения. В процессе коксования повышается пористость подовой массы, выделяются кислородсодержащие газы, окисляющие как поверхность стержня, так и дно и стенки паза углеродного блока, что ухудшает проводимость контактных поверхностей и качество контакта, повышает потери напряжения в подине. В результате снижаются технико-экономические показатели электролизера, сокращается срок его службы.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей работы электролизера и повышения срока его службы.

Техническим результатом является повышение качества электромеханического контакта углеродистый блок - токоподводящий стержень.

Технический результат достигается тем, в способе монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающем установку в паз углеродистого блока токоподводящего металлического стержня на слой электропроводного материала, заполнение зазора между боковыми стенками паза и поверхностью стержня углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту 0,6-0,9 высоты стержня и заполнение оставшейся части паза огнеупорным газонепроницаемым материалом, токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз на слой электропроводного жидкотекучего материала, затвердевающего в процессе монтажа, затем заполняют зазор между боковыми стенками паза и поверхностью стержня углеродсодержащей электроконтактной пластичной массой, а оставшуюся часть паза заполняют огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания.

При этом в качестве электропроводного жидкотекучего материала может быть использован, например, клей марки «BVM 51», в качестве электроконтактной пластичной массы может быть использована, например, подовая масса марки МХТ-К. В качестве огнеупорной газонепроницаемой пасты может быть использована паста следующего состава, мас.%: кокс - 30-40, пек - 15-25, кремнефтористый натрий - 3-8, натриевое жидкое стекло - остальное.

Кроме того, в паз углеродистого блока может быть установлен токоподводящий металлический стержень, выполненный в поперечном сечении в виде равнобедренной трапеции с отношением длины большего основания к меньшему, равным 1,02-1,2, большим основанием на слой электропроводного жидкотекучего материала или в паз углеродистого блока может быть установлен токоподводящий металлический стержень, выполненный в поперечном сечении в виде полукруга, плоским основанием на слой электропроводного жидкотекучего материала.

Техническая сущность предлагаемой технологии монтажа катодной секции подины электролизера для производства алюминия заключается в следующем.

В значительной мере технико-экономические показатели работы электролизера и срок его межремонтной эксплуатации зависят от качества подины катодного устройства, от физико-механических характеристик катодных секций, из которых монтируется подина. Эти характеристики зависят от используемых при монтаже секций материалов и от технологии монтажа. Основные требования, предъявляемые к катодным секциям - прочная фиксация токоподводящего стержня в пазу катодного блока и обеспечение надежного с высокой электропроводностью контакта катодный блок - токоподводящий стержень, сохранение целостности в процессе эксплуатации.

В предлагаемом решении для обеспечения надежного и качественного электрического контакта токоподводящий стержень устанавливают в паз на слой электропроводного жидкотекучего материала, например клея марки «BVM 51», что обеспечивает гарантированный контакт токоподводящий стержень - дно углеродистого блока. При естественном затвердевании клея образуется надежный электромеханический контакт токоподводящий стержень - электропроводный твердый материал - углеродистый блок. После затвердевания слоя электропроводного жидкотекучего материала на дне паза с размещенной в его верхней части контактной части токоподводящего стержня, обращенной к рабочей поверхности блока, зазор между стенками паза и поверхностью стержня заполняют электроконтактной пластичной массой на высоту, равную 0,6-0,9 высоты стержня, и уплотняют. В качестве электроконтакной пластичной массы может быть использована, например, подовая масса марки МХТ-К, производимая Челябинским электродным заводом. После уплотнения пластичной массы оставшуюся верхнюю часть паза с установленным и закрепленным в нем токоподводящим стержнем заполняют огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания естественной или принудительной сушкой. Таким образом, в процессе монтажа по предлагаемой технологии за счет затвердевшего жидкотекучего материала и затвердевшей огнеупорной газонепроницаемой пасты токоподводящий стержень жестко фиксируется в пазу углеродистого блока. Катодная секция готова к транспортировке и к установке в катодное устройство монтируемого электролизера.

После завершения монтажа электролизера, в процессе обжига, пуска и в начальный период эксплуатации происходит нагрев подовых секций подины. В результате такой термообработки происходят значительные физико-химические изменения пластичной массы. Процесс твердения пасты растянут во времени и проходит одновременно с температурным расширением токоподводящего стержня, что в значительной мере уменьшает давление стержня на боковые стенки паза и снижает вероятность разрушения подовых блоков в процессе их эксплуатации.

С другой стороны, термическое расширение стержня обеспечивает плотный электрический контакт его поверхности с массой и боковых стенок паза углеродистого блока с массой и, кроме того, качество контакта повышается за счет вторичного крекинга углеродсодержащих газов в объеме зазора, что обеспечивается плотным верхним слоем твердой газонепроницаемой огнеупорной пасты, содержащей, мас.%: кокс - 30-40, пек - 15-25, кремнефтористый натрий - 3-8, натриевое жидкое стекло - остальное. Паста может затвердевать естественной сушкой либо с использованием непродолжительного принудительного нагрева (60-70°С в течение 2-3 часов).

Кроме того, использование токоподводящего стержня, выполненного в поперечном сечении в виде равнобедренной трапеции (с радиусами закругления углов не более 8 мм) с отношением длины большего основания к меньшему, равным 1,02-1,2, и размещение его в пазу меньшим основанием в направлении, противоположном рабочей поверхности углеродистого блока, способствует более плотному прилеганию верхней контактной поверхности токоподводящего стержня к слою электропроводного жидкотекучего материала и, следовательно, хорошему электрическому контакту между ними, а увеличение площади такого контакта способствует повышению механической прочности закрепления стержня в пазу при затвердевании жидкотекучего материала. Аналогичные результаты достигаются при использовании токоподводящего стержня, выполненного в поперечном сечении в виде в полукруга и установленного в паз плоским основанием.

Таким образом, предлагаемая технология монтажа катодной секции алюминиевого электролизера не только обеспечивает качество и воспроизводимость надежного электромеханического контакта подовый блок - токоподводящий стержень, но и обеспечивает целостность подины в процессе эксплуатации электролизера, что повышает срок его службы и высокие технико-экономические показатели работы.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с ближайшим аналогом показывает следующее.

Предлагаемое техническое решение и ближайший аналог характеризуются общими признаками:

- токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз углеродистого блока на слой электропроводного материала;

- зазор между боковыми стенками паза и поверхностью стержня заполняют углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту, равную 0,6-0,9 высоты стержня;

- заполняют оставшуюся часть паза огнеупорным газонепроницаемым материалом.

Предлагаемое техническое решение отличается от ближайшего аналога следующими признаками:

- токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз на слой электропроводного жидкотекучего материала, затвердевающего в процессе монтажа (причем в качестве такого материала может быть использован клей марки «BVM 51», производимый в Польше (фирма «SGL»), или любой другой жидкотекучий электропроводный материал с аналогичными свойствами);

- зазор между стенками паза и поверхностью стержня заполняют электроконтактной пластичной массой (причем в качестве такого материала может быть использована подовая масса марки МХТ-К, производимая Челябинским электродным заводом, или любая другая электроконтактная пластичная паста масса с аналогичными свойствами);

- оставшуюся (верхнюю) часть паза заполняют огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания.

Кроме того, в паз углеродистого блока на слой электропроводного жидкотекучего материала могут быть установлены токоподводящие металлические стержни, выполненные в поперечном сечении, либо в виде равнобедренной трапеции с отношением длины большего основания к меньшему, равным 1,02-1,2 (установка в паз большим основанием), либо в виде полукруга (установка в паз плоским основанием).

Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется признаками, как общими с признаками ближайшего аналога, так и отличительными от него признаками, что и позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с известными решениями, выявленными в процессе патентного поиска по предмету разработки, показывает следующее.

1. Установка токоподводящего металлического стержня в паз углеродистого блока:

- известен способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, в котором токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз углеродного блока на слой графитового порошка [2];

- известны способы монтажа катодной секции алюминиевого электролизера [1, 2] и способ заделки катодного стержня в подовом блоке (патент РФ №2031190, С25С 3/08, 1995 г., [3], в которых токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз блока на слой подовой массы;

- известна катодная секция алюминиевого электролизера, в которой токоподводящий конический стержень, снабженный насечкой, устанавливают в сквозное коническое отверстие, выполненное в угольном блоке, причем, стержень закрепляют в коническом отверстии посредством электропроводного композиционного материала в виде высокотемпературного клея или угольной пасты (патент СССР №1790633, С25С 3/08, 1993 г., [4]. Реализация данного способа требует очень значительных затрат, технология монтажа сложная, и получение гарантированного электромеханического контакта высокого качества весьма проблематично.

В предлагаемом способе монтажа токоподводящий стержень устанавливают в паз углеродистого блока на слой электропроводного жидкотекучего материала, затвердевающего в процессе монтажа, что позволяет, во-первых, обеспечить надежный и качественный электрический контакт поверхности стержня, обращенной к рабочей поверхности секции, с дном углеродистого паза, во-вторых, при затвердевании в процессе монтажа жидкотекучего слоя стержень достаточно прочно закрепляется в пазу блока, в-третьих, предотвращаются термомеханические нагрузки на стенки паза блока в процессе эксплуатации электролизера, т.к. слой жидкотекучего электропроводного материала на дне паза выполнен необходимой и достаточной толщины для обеспечения надежного монтажного электромеханического контакта, а оставшуюся часть паза между стержнем и стенками паза заполняют пластичной массой, обеспечивающей компенсацию таких напряжений.

2. Заполнение оставшейся части зазора углеродистого блока:

- известно заполнение зазора между стенками паза блока и токоподводящим стержнем, а также потая, электропроводной пластичной массой [3];

- известна катодная секция алюминиевого электролизера, включающая углеродистый блок с пазом, с помещенным в нем металлическим стержнем, в которой катодный металлический стержень выполнен переменного сечения, при этом остальная часть паза в углеродистом блоке заполнена подовой массой (а.с. СССР №665023, С25С 3/08, 1979 г., [5]);

- известно заполнение зазора между стенками паза углеродистого блока и поверхностью токоподводящего металлического стержня на высоту 0,6-0,9 высоты стержня углеродистой пастой [1] или подовой массой [2];

- известна подина алюминиевого электролизера, состоящая из катодных секций, представляющих собой углеродистый блок со стальным стержнем, выступающим за пределы блока, которая выполнена из предварительно изготовленных углеродистых блоков с вмонтированными в них катодными стержнями, нижняя часть которых залита слоем жаропрочного и химически стойкого цемента высотой 200-300 мм (а.с. СССР №248239, 40с 3/02, 1969 г., [6]);

- известна катодная секция алюминиевого электролизера, включающая углеродистый блок с продольным пазом, в котором закреплен стальной токоподводящий стержень, на нижнюю грань которой нанесен защитный слой, выполненный из кремнезема, дополнительно покрытый слоем углеродистой массы, цемента или алюминия (а.с. СССР №823469, С25С 3/08, 1981 г., [7]);

- известно заполнение верхней части паза углеродистого блока углеродсодержащей пастой, содержащей, мас.%: кокс - 30-40, пек - 15-25, кремнефтористый натрий - 3-8, жидкое натриевое стекло - остальное [1];

- известно заполнение верхней части паза при монтаже огнеупорным газонепроницаемым бетоном [2].

В процессе сравнительного анализа предлагаемого с известными решениями в данной области техники не выявлено технических решений, которые характеризовались бы идентичной или эквивалентной совокупностью признаков с предлагаемым:

- токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз углеродистого блока на слой электропроводного жидкотекучего материала (обеспечение гарантированного контакта по всей погружаемой в материал поверхности стержня и контакта с дном паза блока), затвердевающего в процессе монтажа (обеспечение надежного монтажного электромеханического контакта блок-стержень);

- заполняют зазор между боковыми стенками паза с поверхностью стержня электроконтактной пластичной массой на высоту, равную 0,6-0,9 высоты стержня, для обеспечения, в процессе дальнейшей термообработки, компенсации температурных расширений стержня и надежного электрического контакта блок-стержень;

- заполняют оставшуюся часть зазора огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания для обеспечения механической монтажной прочности соединения блок-стержень, для повышения качества электрического контакта, образующегося в процессе термообработки после установки секции в катодное устройство электролизера за счет локализации газов коксования и вторичного крекинга в замкнутом объеме зазора, а также для защиты стержня от воздействия жидких расплавов при их проникновении в подину.

Дополнительные признаки, характеризующие предлагаемое техническое решение, также направлены на обеспечение высокого качества электромеханического контакта блок-стержень и на повышение срока службы катодных секций и катодного устройства электролизера в целом.

Таким образом, использование совокупности признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение, позволяет получать гарантированный высококачественный электромеханический контакт блок - токоподводящий стержень, обеспечивает надежную воспроизводимость контакта при массовом производстве при достаточно невысоких материальных, трудовых и энергетических затратах, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемая технология монтажа катодной секции алюминиевого электролизера реализуется следующим образом:

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

2. Поверхность пазов продувают сжатым воздухом.

3. Устанавливают упоры со стороны потая и со стороны катодных спусков.

4. Заливают на дно паза клей марки «BVM 51».

5. На слой клея устанавливают токоподводящий металлический стержень, выполненный в виде равнобедренной трапеции, большим основанием на жидкий слой.

6. После затвердевания клея зазор между стенками паза, поверхностью стержня и слоем застывшего клея заполняют подовой массой марки МХТ-К и уплотняют ее. Заполнение и уплотнение массы ведут до достижения высоты, равной 0,7 высоты токоподводящего стержня.

7. Оставшуюся часть зазора вровень с краями паза блока заполняют пастой следующего состава, мас.%: нефтекокс (- 1 мм) - 35, пек каменноугольный (- 1 мм) - 20, кремнефтористый натрий - 5, жидкое натриевое стекло - 40.

8. Производят сушку пасты при температуре 60-70°С до затвердевания. После завершения всех вышеперечисленных операций секции перевозятся на участок монтажа катодного устройства.

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

Предлагаемая технология монтажа секций опробована на одном из алюминиевых заводов РФ. Электролизеры, катодные устройства которых смонтированы из этих секций, характеризуются устойчивой технологией, нормальным состоянием подины, выдают металл высоких сортов.

Изобретение относится к способу монтажа катодного устройства алюминиевого электролизера. В способе монтажа катодной секции токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз углеродистого блока на слой электропроводного жидкотекучего материала, затвердевающего в процессе монтажа, затем на высоту, равную 0,6-0,9 высоты стержня, заполняют зазор между боковыми стенками паза и поверхностью стержня углеродсодержащей электроконтактной пластичной массой, а оставшуюся часть зазора заполняют огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания. Монтаж катодных секций по данной технологии позволяет обеспечить качество и воспроизводимость надежного электромеханического контакта подовый блок - токоподводящий стержень, обеспечить целостность катодных блоков и подины в целом в процессе эксплуатации, что повышает срок службы электролизера и достижение высоких технико-экономических показателей. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающий установку в паз углеродистого блока токоподводящего металлического стержня на слой электропроводного материала, заполнение зазора между боковыми стенками паза и поверхностью стержня углеродсодержащим электропроводным материалом на высоту 0,6-0,9 высоты стержня и заполнение оставшейся части паза огнеупорным газонепроницаемым материалом, отличающийся тем, что токоподводящий металлический стержень устанавливают в паз на слой электропроводного жидкотекучего материала, затвердевающего в процессе монтажа, затем заполняют зазор между боковыми стенками паза и поверхностью стержня углеродсодержащей электроконтактной пластичной массой, а оставшуюся часть паза заполняют огнеупорной газонепроницаемой пастой и доводят ее до затвердевания.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электропроводного жидкотекучего материала используют, например, клей марки «BVM 51».3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электроконтактной пластичной массы используют подовую массу марки МХТ-К.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве огнеупорной газонепроницаемой пасты используют пасту следующего состава, мас.%:

Кокс30-40Пек15-25Кремнефтористый натрий3-8Жидкое натриевое стеклоОстальное