БОКОВАЯ ИЗОЛЯЦИОННАЯ ФУТЕРОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2019 года по МПК C25C3/08 

Настоящее изобретение относится к электролизеру для производства алюминия электролизом.

Обычно алюминий производят на алюминиевых заводах электролизом при помощи способа Холла-Эру. Для этого предусмотрен электролизер, содержащий кожух и внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Электролизер содержит также катодные блоки, расположенные на днище кожуха, через которые проходят токоотводящие стержни, предназначенные для отвода тока электролиза и его подачи в следующий электролизер. Электролизер также содержит по меньшей мере один анодный блок, подвешенный на анододержателе, таком как штанга или поперечная балка, при этом анодный блок частично погружен в электролитическую ванну над катодными блоками. Под электролитической ванной образуется слой жидкого алюминия, покрывающий катодные блоки по мере протекания реакции. Ток проходит от анододержателя к катоду через анодный блок, электролитическую ванну с температурой около 970°С, в которой растворен глинозем, и слой металла. Чтобы ограничить коррозию стенок кожуха из-за химического состава электролитической ванны и ее температуры, известно использование блоков внутренней обшивки (кладки) из углеродистого материала, которые укладывают на внутреннюю футеровку кожуха. Однако, несмотря на присутствие этих блоков внутренней обшивки и внутренней футеровки, остаются большие потери тепла через стенки кожуха, что отрицательно сказывается на общем энергетическом КПД, на сроке службы электролизера и на нормальном ходе процесса электролиза.

Одной из задач настоящего изобретения является устранение этого недостатка. Для этого изобретение предлагает электролизер, предназначенный для содержания электролитической ванны, причем электролизер содержит кожух, имеющий боковые стенки и боковую изоляционную футеровку, покрывающую боковые стенки, при этом боковая изоляционная футеровка содержит:

теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала,

распорные элементы из огнеупорного материала, имеющие по меньшей мере одну боковую сторону, при этом теплоизоляционные элементы и распорные элементы наложены чередующимся образом на по меньшей мере одну боковую стенку кожуха, и

блоки внутренней обшивки, предназначенные для защиты кожуха, теплоизоляционных элементов и распорных элементов от электролитической ванны, при этом расстояние между двумя соседними распорными элементами подобрано таким образом, чтобы каждый блок внутренней обшивки упирался в боковую сторону по меньшей мере двух распорных элементов.

В этой конфигурации стенка кожуха частично покрыта теплоизоляционными элементами, которые могут быть выполнены из сжимаемого материала, значительно ограничивают тепловые потери и защищают стенку кожуха от сильных тепловых воздействий электролитической ванны и жидкого алюминия. Кроме того, огнеупорные распорные элементы, установленные между теплоизоляционными элементами из сжимаемого материала, позволяют ограничить или избежать уплотнения теплоизоляционных элементов во время изготовления и работы электролизера, но не образуют при этом нежелательного теплопроводящего моста в сторону стенки кожуха. Теплоизоляционные элементы не подвергаются нежелательному сжатию между боковой стенкой кожуха и блоками внутренней обшивки, поэтому они не сплющиваются и сохраняют свою теплоизоляционную способность. Ставшее возможным использование теплоизоляционных элементов из сжимаемого материала позволяет ограничить затраты на исходные материалы и эксплуатационные расходы при более высоком и легко корректируемом тепловом балансе.

Под теплоизоляционным элементом из сжимаемого материала следует понимать любой элемент, который мог бы сплющиваться блоками внутренней обшивки и, следовательно, терять свои свойства в отсутствие распорных элементов. Теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала могут иметь вентилируемую структуру, в частности, на основе волокон.

Предпочтительно, каждый распорный элемент имеет толщину, равную или превышающую толщину теплоизоляционных элементов.

Предпочтительно, боковая изоляционная футеровка дополнительно содержит защитные элементы из огнеупорного материала, расположенные между теплоизоляционными элементами и блоками внутренней обшивки. Эти защитные элементы предохраняют расположенные за ними теплоизоляционные элементы от возможного пропитывания электролитической ванной через блоки внутренней обшивки, что позволяет усилить теплоизоляционную защиту во времени.

Согласно одному исполнению, защитные элементы расположены в пространстве между двумя соседними распорными элементами. В этой конфигурации защитные элементы не покрывают распорные элементы, а покрывают только теплоизоляционные элементы.

Предпочтительно, каждый распорный элемент имеет толщину, по существу идентичную суммарной толщине защитного элемента и теплоизоляционного элемента, так что теплоизоляционные элементы не подвергаются сжатию. Такое расположение позволяет сохранить стойкость и теплоизоляционную способность теплоизоляционных элементов из сжимаемого материала в течение всего срока службы электролизера.

Теплоизоляционные элементы имеют более высокий коэффициент теплоизоляции, чем распорные элементы и защитные элементы. Это позволяет использовать теплоизоляционные элементы меньшей толщины. Их присутствие лишь незначительно влияет на остаточный объем внутри кожуха при эффективной теплоизоляции. Таким образом, эти элементы позволяют уменьшить тепловые потери на уровне боковых стенок кожуха, не прибегая к уменьшению размеров катодных блоков, присутствующих в кожухе, и, следовательно, не снижая эффективности процесса электролиза.

Предпочтительно, длина каждого теплоизоляционного элемента, измеренная вдоль продольной оси соответствующей стенки кожуха, превышает длину каждого распорного элемента. Это исполнение позволяет оптимизировать теплоизоляцию кожуха и ограничить тепловые мосты.

Как правило, длина каждого теплоизоляционного элемента, измеренная вдоль продольной оси соответствующей стенки кожуха, по меньшей мере в четыре раза больше, чем длина каждого распорного элемента.

Предпочтительно, боковая изоляционная футеровка дополнительно содержит плиты наружной обшивки, предпочтительно из карбида кремния (SiC), прилегающие к упомянутой по меньшей мере одной боковой стенке кожуха и расположенные сверху над распорными элементами, теплоизоляционными элементами и, в случае их наличия, защитными элементами. Эти плиты защищают от коррозии теплоизоляционные элементы сверху и кожух. Кроме того, они способствуют локальному и контролируемому отведению потока тепла на уровне выбранной поверхности.

Предпочтительно, каждая плита наружной обшивки имеет толщину, по существу идентичную толщине каждого распорного элемента. Таким образом, боковые кромки теплоизоляционных элементов и, в случае их наличия, защитных элементов закрыты и защищены по вертикали от коррозийной среды электролизера.

Предпочтительно, плиты наружной обшивки выполнены моноблочно с блоками внутренней обшивки.

Согласно одному возможному варианту, сжимаемый материал теплоизоляционного элемента является волокнистым материалом, таким как материал из стекловолокон, углеродных волокон, асбестовых волокон или пеньковых волокон. Он может быть также микропористым суперизолятором или может быть материалом на основе перлита, диатомита или силиката кальция.

Предпочтительно, сжимаемый материал теплоизоляционных элементов имеет теплопроводность ниже 0,5 Вт/м∙K (измерение по методу ASTM С201 при температуре окружающей среды).

Предпочтительно, теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала окружены слоем материала, стойкого к коррозии под действием паров электролита. Действительно, сильно коррозионноактивные пары электролита могут просачиваться и распространяться в течение срока службы электролизера по боковым стенкам кожуха и ухудшать сжимаемый материал теплоизоляционного элемента. Закрывание сжимаемого материала слоем материала, стойкого к коррозии под действием паров электролита (или пароизоляционного), позволяет предохранять его и расширить ассортимент материалов, используемых для изготовления теплоизоляционного элемента.

Слой материала, стойкого к коррозии под действием паров электролита, предпочтительно образован алюминиевой фольгой.

Предпочтительно, распорные элементы проявляют сопротивление сжатию, превышающее 10 МПа.

Предпочтительно, распорные элементы имеют меньшую теплопроводность, чем теплопроводность блоков внутренней обшивки и, в случае их наличия, плит наружной обшивки.

Таким образом, распорные элементы не образуют нежелательные теплопроводные мосты в направлении стенки кожуха между теплоизоляционными элементами.

Согласно одному возможному варианту, распорные элементы имеют теплопроводность ниже 2 Вт/м∙K (измерение по методу ASTM С201 при температуре окружающей среды).

Предпочтительно, распорные элементы образованы огнеупорными, например алюмосиликатными, кирпичами или пластинами слюды, которые обладают хорошим сопротивлением сжатию и низкой теплопроводностью.

Как правило, защитные элементы выполнены из одинакового или однотипного материала, что и распорные элементы.

Предпочтительно, блоки внутренней обшивки выполнены из материала на основе углерода, а в частности на основе SiC, и обеспечивают достижение кожухом высокой долговечности, несмотря на сильно коррозионные условия электролиза.

Другие признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания варианта его выполнения, представленного в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи. Фигуры не обязательно выдерживают масштаб всех показанных элементов, чтобы улучшить их понимание. Для упрощения в дальнейшем тексте описания идентичные, аналогичные или эквивалентные элементы различных вариантов выполнения имеют одинаковые цифровые обозначения.

Фиг. 1 показывает частичный схематичный вид изнутри электролизера согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 2 показывает другой частичный схематичный вид изнутри электролизера согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 3 показывает еще один частичный схематичный вид изнутри электролизера согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 4 показывает частичный вид в разрезе изнутри электролизера согласно варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 3.

Как показано на фиг. 1, электролизер 100 содержит кожух 200 и боковую изоляционную футеровку, содержащую теплоизоляционные элементы 1 и распорные элементы 2, наложенные с чередованием на боковую стенку 3 кожуха 200. Эти теплоизоляционные элементы 1 закрыты защитными элементами 4 (фиг. 2), которые, в свою очередь, закрыты блоками 5 внутренней обшивки, упирающимися в распорные элементы 2 (фиг. 3). К боковой стенке 3 кожуха 200 также прилагают плиты 6 наружной обшивки, расположенные сверху над распорными элементами 2, теплоизоляционными элементами 1 и защитными элементами 4 (фиг. 3).

Теплоизоляционные элементы 1 защищены от сжатия между боковой стенкой 200 и блоками 5 внутренней обшивки за счет установки распорных элементов 2, поэтому они могут быть выполнены из сжимаемого теплоизоляционного материала. Сжимаемый теплоизоляционный материал может быть, например, волокнистым материалом, состоящим из стекловолокон, углеродных волокон, асбестовых волокон или пеньковых волокон. Сжимаемый теплоизоляционный материал может быть также, например, микропористым суперизолятором или материалом на основе перлита, диатомита или силиката кальция.

Теплоизоляционные элементы 1 из сжимаемого материала имеют высокий коэффициент теплоизоляции, поэтому небольшой толщины этого сжимаемого материала достаточно для обеспечения хорошей теплоизоляции той стенки кожуха, которую они покрывают.

Распорные элементы 2 содержат огнеупорный материал, такой как алюмосиликатный огнеупорный кирпич или пластины слюды. Распорные элементы должны предохранять теплоизоляционные элементы от сплющивания и предпочтительно способствуют теплоизоляции. Эти распорные элементы 2, как и защитные элементы 4, в целом имеют более низкие свойства теплоизоляции, чем теплоизоляционные элементы 1, но все же они остаются хорошими изоляторами. Они имеют теплопроводность ниже 2 Вт/м∙K. При этом длину каждого теплоизоляционного элемента 1, измеренную вдоль продольной оси стенки 3 кожуха 200 (ось х, фиг. 1), выбирают таким образом, чтобы она превышала длину каждого распорного элемента 2. Как правило, для получения оптимального уменьшения теплопотерь на уровне стенок 3 кожуха 200 применяют соотношение длин один к четырем, а предпочтительно один к пяти.

Кроме того, толщина каждого распорного элемента 2 равна или превышает толщину теплоизоляционного элемента 1. Кроме того, расстояние между двумя соседними распорными элементами 2 меньше длины блока 5 внутренней обшивки вдоль продольной оси х стенки 3 кожуха 200, так что блок 5 внутренней обшивки может упираться в по меньшей мере два распорных элемента 2. Таким образом, каждый блок 5 внутренней обшивки опирается на по меньшей мере два распорных элемента 2. Последние имеют сопротивление сжатию, превышающее 10 МПа, поэтому они являются достаточно жесткими и не сжимаются, что не позволяет блокам 5 внутренней обшивки уплотнять теплоизоляционные элементы 1 из сжимаемого материала, что могло бы привести к ухудшению их теплоизоляционных свойств.

Блок 5 внутренней обшивки выполнен из материала на основе углерода. Он вносит своей вклад в защиту стенки 3 кожуха 200 и теплоизоляционных элементов 1 от коррозии под действием жидкого алюминия и/или электролитической ванны с очень высокими температурами. Он полностью закрывает теплоизоляционные элементы 1, распорные элементы 2 и по меньшей мере часть элементов 6 наружной обшивки.

Как показано на фиг. 2, защитные элементы 4 можно вставлять между теплоизоляционными элементами 1 и блоками 5 внутренней обшивки в пространство между двумя соседними распорными элементами 2. Действительно, каждый распорный элемент имеет толщину, по существу идентичную суммарной толщине защитного элемента 4 и теплоизоляционного элемента 1. Эти защитные элементы 4, выполненные из огнеупорного материала, позволяют предохранить изоляцию во времени и дополнять теплоизоляцию, обеспечиваемую теплоизоляционными элементами 1. Защитные элементы 4 могут иметь такой же состав, что и распорные элементы 2.

Как показано на фиг. 3, плиты 6 наружной обшивки из материала на основе карбида кремния (SiC) и толщиной, по существу идентичной толщине распорных элементов 2, закрывают верхнюю боковую кромку теплоизоляционных элементов 1, распорных элементов 2 и защитных элементов 4 между внутренней стенкой 3 кожуха 200 и блоками 5 внутренней обшивки. Это расположение позволяет предохранять эти различные элементы от коррозии и обеспечить в надлежащем месте надлежащий теплообмен между электролитической ванной, стенкой кожуха и наружной атмосферой для создания криолитовой настыли, защищающей блоки 5 внутренней обшивки.

Согласно одному возможному, но не показанному варианту, все боковые стенки 3 кожуха покрыты теплоизоляционными элементами 1, распорными элементами 2, защитными элементами 4, блоками 5 внутренней обшивки и плитами 6 наружной обшивки. Таким образом, кожух 200 имеет оптимальный термический профиль.

На фиг. 4 представлен частичный вид в разрезе электролизера, показывающий кожух 200, теплоизоляционные элементы 1, наложенные непосредственно на стенку 3 кожуха 200 и смежные с защитными элементами 4, защищенные блоками 5 внутренней обшивки и плитами 6 наружной обшивки.

Таким образом, настоящим изобретением предложен электролизер, снабженный боковой изоляционной футеровкой, позволяющей эффективно уменьшать тепловые потери благодаря оптимальной и компактной изоляции.

Разумеется, изобретение не ограничивается вариантами выполнения, представленными выше в качестве примеров, и охватывает все технические эквиваленты и варианты описанных средств, а также их комбинации.

Изобретение относится к электролизеру для производства алюминия, содержащему кожух с боковыми стенками и боковую изоляционную футеровку, покрывающую боковые стенки и содержащую: теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала, распорные элементы из огнеупорного материала, имеющие по меньшей мере одну боковую сторону, при этом теплоизоляционные элементы и распорные элементы наложены чередующимся образом на по меньшей мере одну боковую стенку кожуха, и блоки внутренней обшивки, расположенные таким образом, чтобы каждый блок внутренней обшивки упирался в боковую сторону по меньшей мере двух распорных элементов. Боковая изоляционная футеровка дополнительно содержит защитные элементы из огнеупорного материала или плиты наружной обшивки. Обеспечивается повышение КПД и срока службы электролизера. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электролизер для производства алюминия электролизом, предназначенный для содержания ванны электролита и содержащий кожух, имеющий боковые стенки и боковую изоляционную футеровку, покрывающую боковые стенки и содержащую теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала, распорные элементы из огнеупорного материала, имеющие по меньшей мере одну боковую сторону, и блоки внутренней обшивки, предназначенные для защиты кожуха, теплоизоляционных элементов и распорных элементов от ванны электролита, отличающийся тем, что теплоизоляционные элементы и распорные элементы с чередованием наложены на по меньшей мере одну боковую стенку кожуха, причем теплоизоляционные элементы имеют более высокий коэффициент теплоизоляции, чем распорные элементы, при этом расстояние между двумя соседними распорными элементами подобрано таким образом, чтобы каждый блок внутренней обшивки упирался в боковую сторону по меньшей мере двух распорных элементов.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что каждый распорный элемент имеет толщину, равную или превышающую толщину теплоизоляционных элементов.

3. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что боковая изоляционная футеровка снабжена защитными элементами из огнеупорного материала, имеющими более низкий коэффициент теплоизоляции, чем теплоизоляционные элементы, и расположенными между теплоизоляционными элементами и блоками внутренней обшивки.

4. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что защитные элементы расположены в пространстве между двумя соседними распорными элементами.

5. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что каждый распорный элемент имеет толщину, равную суммарной толщине теплоизоляционного элемента и защитного элемента, для исключения возможности сжатия теплоизоляционных элементов.

6. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что длина каждого теплоизоляционного элемента, измеренная вдоль продольной оси соответствующей стенки кожуха, превышает длину каждого распорного элемента.

7. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что длина каждого теплоизоляционного элемента, измеренная вдоль продольной оси соответствующей стенки кожуха, по меньшей мере в четыре раза больше, чем длина каждого распорного элемента.

8. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что боковая изоляционная футеровка снабжена плитами наружной обшивки, прилегающими к упомянутой по меньшей мере одной боковой стенке кожуха и расположенными сверху над распорными элементами и теплоизоляционными элементами.

9. Электролизер по п. 8, отличающийся тем, что плиты наружной обшивки выполнены из карбида кремния.

10. Электролизер по п. 8, отличающийся тем, что каждая плита наружной обшивки имеет толщину, равную толщине каждого распорного элемента.

11 Электролизер по п. 8, отличающийся тем, что плиты наружной обшивки выполнены заодно целое с блоками внутренней обшивки.

12. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сжимаемый материал теплоизоляционных элементов является волокнистым материалом, таким как материал из стекловолокон, углеродных волокон, асбестовых волокон или пеньковых волокон типа микропористого суперизолятора, или материалом на основе перлита, диатомита или силиката кальция.

13. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сопротивление сжатию распорных элементов превышает 10 МПа.

14. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что распорные элементы имеют меньшую теплопроводность, чем теплопроводность блоков внутренней обшивки и, в случае их наличия, плит наружной обшивки.

15. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что распорные элементы имеют теплопроводность ниже 2 Вт/м∙K.

16. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что распорные элементы выполнены из алюмосиликатных огнеупорных кирпичей или пластин слюды.

17. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сжимаемый материал теплоизоляционных элементов (1) имеет теплопроводность ниже 0,5 Вт/м∙K.

18. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что теплоизоляционные элементы из сжимаемого материала окружены слоем материала, стойкого к коррозии под действием паров электролита.

19. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что блоки внутренней обшивки выполнены на основе углерода.