Катодное устройство алюминиевого электролизера Советский патент 1987 года по МПК C25C3/06 

ными блоками 6, служащими катодом. На нижней части 5 углеродистой футеровки находится слой материала 7 с низкой прочностью на сдвиг. Толщина этого слоя составляет 8 см. Между слоями 7 и 5 расположена невидимая подложка из углеродного войлока. На слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наклеена верхняя часть 8 углеродистой футеровки. Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9. Этим обеспечивается изоляция борта

Изобретение относится к металлургии алюминия и направлено на совершенствование конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера, I .

Цель изобретения - повьппение срока службы катодного устройства.

На фиг,1 изображено схематически вертикальное сечение стенки электролизера, вид сбоку; на фиг, 2 - вертикальный разрез через боковую область ячейки для электролиза расплава для получения алюминия; на фиг, 3 - частичный вертикальный разрез в области слоя с незначительной прочностью на сдвиг после первого растрескивания; на фиг, 4 - вырез по фиг, 3 после растрескивания; на фиг, 5 - вырез по фиг, 3 и 4 после образования сквозной трещины в слое с незначительной прочностью на сдвиг. Ячейка для электролиза расплава для получения алюминия содержит наружную стальную ванну 1, В последней заделаны нижняя изоляция 2 и боковая изоля1щя 3. На днище 4 ванны , 1 расположена нижняя изоляция 2, образующая фундамент, а на ней расположена нижняя часть 5 углеродистой футеровки с заделанными или залитыми в ней железными слитками 6, служащими катодом. На горизонтально ограниченной краевой зоне нижней части 5 углеродистой футеровки расположен слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг, толщина которого составляет приблизительно 8 см. Между слоем 7 и нижней частью 5 углеродистой фуванны от воздействия кислорода. Внутри стальной вая:ны 1 размещены хрустящие элементы 10. Они оказывают сопротивление расширению нижней части 5 углеродистой футеровки. Между боковой изоляцией 3 и верхней частью 8 углеродистой футеровки расположен слой 11, хорошо проводящий тепло. Срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера увеличивается благодаря повьшзеннойпрочности комби- , нированной футеровки. 7 з,п. ф-лы, 5 ил

теровки находится невидимая подпож- ка из углеродного войлока, которая наклеена на нижнкю часть 7 углеродистой футеровки.

На слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наклеена верхняя часть 8 углеродистой футеровки, которая выступает сбоку за границы нижней части, Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9, Этим обеспечивается изоляция борта ванны от воздействия кисло1)ода.

Внутри стальной ваины I размеще- ны на уровне верхней области дна углеродистой футеровки поджатые хрустящие элементы 10, опираюш еся на «ьшуклость стальной ванны 1,

Хрустящие элементы 10 оказывают

расширяющейся нижней части 5 углеродистой футеровки постоянное независимое от пути сопротивление.

Между боковой изоляцией 3 и верх- ней частью 8 углеродистой футеровки расположен очень хорошо проводящий теплослой, выполненный в виде приемной зоны 11, Последняя проходит в вертикальном н;злравлении вниз за границы слоя 7 с незначительной проч

нрстью на сдвиг и распространяется

частично вдоль нижней части 5 углеродистой футеровки.

На фиг,2 боковая часть стальной ванны 1 замещена эластичной стеной 35 12, Для этого можно использовать, например, ткани из углеродных волокон, комбинированные послойно в виде сзндвичструктуры с металлическими пленками. Размещенные вне эластнчной стены 12 поджатые хрустящие элементы 10 состоят (фиг.1) из пакетов вертикально расположенных пластически деформируемых труб, Неподвижная опора 13 подпирает хрустящие элементы 10, предотвращая их движение наружу. Между эластичной стеной 12 и боковой изоляцией 3 может быть расположен скользящий слой,

10

в СО и СО. Электролиз осуществляетi л

ся при температурах около 940-970 С.

На фиг. 3 показан блок 7 из вспененных углеродных волокон, обладаю- „

, «g время эксплуатации объем углещии незначительной прочностью на„ ,

родистои футеровки значительно увесдвиг, который наложен на углеродный„ ,у f f-v личивается. Это увеличение объема

войлок 14. Из-за различного расшире- ,г ,.

„ . 15 обусловлено проникновением компоненния нижней 5 и верхней 8 частей углеродистой футеровки слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг поддался первому растрескиванию. В трещины попал жидкий электролит 15, который частично затвердел.

Согласно фиг, 3 слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг растрестов электролита. Под такими компонентами подразумеваются, например, натрий или соли, из которых составлен расплав фторида, а также xи ичecкиe 20 соединения, полученные известными реакциями из расплава фторида.

Кроме того, известны в особенности два существенных влияющих фактоКроме того, известны в особенности два существенных влияющих фактокивается один раз, а согласно фиг.4 „ ра, которые управляют во время экс- много раз. После неоднократного раст-тс плуатации разбуханием катодного угля.

Приложенная плотность тока: чем

рескивания упомянутого слоя углеродный войлок 14 частично растворился, а затвердевающий электролит продвинулся вперед в направлении наружу.

На фиг.5 весь затвердевающий электролит проникнул через слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наружу и затвердел в приемной зоне 1 1 .

На фиг.3-5 показан эффект самоза- лечивания заданного места разрыва на электролизерах с различными размерами отдельных деталей: ванна, содержащая расплавленный электролит и вывьше плотность тока, личение объема.

тем больше уве30

35

Качество углерода: чем выше степень графитизации, тем меньше увеличение объема.

Разбухающая углеродистая футеровка нажимает на тепловую изоляцию и тем самым на стальную ванну. Вследствие этого стальная ванна может испы- тьшать необратимые доформации, которые нагружают на нее до пластического состояния стали и могут вызвать

еленньй жидкий алюминий, может раст- д ее растрескивание.

По мере старени тает склонность угл короблению, при кот трещины. Жидкий алю Af никнуть через эти т шить железные слитк дом, которые отводя постоянный ток. Раз ки ячейки может дос fQ пени, что жидкий ал из ячейки, В этом с дует в общем прежде из действия, послед ется дорогостоящий г.о, остановка ячейк изводственными поте

рескиваться только в одном месте - в области слоя 7 с незначительной прочностью на сдвиг. В этой области находится только расплавленный электролит, но металл в ней отсутст вует. Выходящий через трещины в слое 7 электролит затвердевает. Хотя он продвигается в возрастающей мере вперед в направлении наружу, однако, он всегда оказывает самозалечивающее действие, поскольку затвердевший материал предотвращает выход подтекающего материала.

Для получения алюминия путем электролиза расплава окиси алюминия последняя растворяется в расплаве фторида, состоящем большей частью из криолита. Выделяющийся на катоде алюминий собирается под расплавом

фторида на угольном дне ячейки, причем поверхность жидкого алюминия образует катод. Б электролит погружаются сверху аноды, состоящие в обще- принятых способах из аморфного угле- .рода. На угольных анодах образуется вследствие электролитического разложения окиси алюминия кислород, который соединяется с углеродом анодов

в СО и СО. Электролиз осуществляетi л

ся при температурах около 940-970 С.

„

тов электролита. Под такими компонентами подразумеваются, например, натрий или соли, из которых составлен расплав фторида, а также xи ичecкиe соединения, полученные известными реакциями из расплава фторида.

Кроме того, известны в особенности два существенных влияющих фактовьше плотность тока, личение объема.

тем больше уве

Качество углерода: чем выше степень графитизации, тем меньше увеличение объема.

Разбухающая углеродистая футеровка нажимает на тепловую изоляцию и тем самым на стальную ванну. Вследствие этого стальная ванна может испы- тьшать необратимые доформации, которые нагружают на нее до пластического состояния стали и могут вызвать

ее растрескивание.

По мере старения ячейки возрастает склонность углеродистого дна к короблению, при котором образуются трещины. Жидкий алюминий может про- никнуть через эти трещины и разрушить железные слитки, служащие катодом, которые отводят электрический постоянный ток. Разрушение футеровки ячейки может достигнуть такой сте- пени, что жидкий алюминий вытекает из ячейки, В этом случае ячейку следует в общем преждевременно вывести из действия, последствием чего является дорогостоящий ремонт. Кроме то- г.о, остановка ячейки связана с производственными потерями.

Согласно изобретению в зоне электролита расположен горизонтально по периметру слой, разделяющий углеро

Однако, толщина приемной зоны боль10

дистую футеровку на нижнюю и верхнвло части и состоящий из стойкого при теьтературах до 1000 С и устойчивого к действию электролита материала, прочность на сдвиг которого значительно меньше, чем прочность на сдвиг углеродистой футеровки,

Согласно этой конструкции боковая стена углеродистой футеровки является разделенной. Электрическое поле между -служащими катодом слитками и анодами проходит через дно и нижнюю часть боковой стены углеродистой футеровки, В противополодсность

этому через часть боковой стены уг- 5 на сдвиг углеродистой футеровки, леродистой футеровкир расположенную На практике толщина упомянутого над слоем с незначительной прочностью на сдвиг, не протекает электрический ток. Благодаря этому, нижняя часть углеродистой футеровки разбухает зна- 20 чительно сильнее, чем ее верхняя часть. Образующиеся вследствие этого напряжения воспринимаются тем, что слой с незначительной прочностью на

сдвиг растрескивается. Поскольку этот - востью к действию электролита и нез- слой должен быть расположен полностью начительной прочностью на сдвиг« На в зоне расплавленного электролита, в образованные трещины не может попадать никакого жидкого алюминия.

Место образования трещин в слое с незначительной прочностью на сдвиг, обозначенное как заданное месте разрыва, является самозалечиваемымо Попадающий в трещину расплавленный

35

ной прочностью на сдвиг, преимущественно в два - три раза больше. Для быстрого отвода тепла s приемной зоне очень подходят в особенности металлические материалы, например сталь ная шерсть или алюминиевые стружки. В целях получения трещин всегда в желаемой области, прочность на сдвиг слоя, разделяющего углеродистую футеровку на нижнюю и верхнюю части, преимущественно по крайней мере в пять раз меньше, чем прочность

слоя с незначительной прочностью на сдвиг составляет 2-15 см, преимущественно 5--10 см,

Целесообразно построить разделяющий углеродистую футеровку на две части слой из заранее изготовленных блоков, Материалы этих блоков должны обладать термостойкостью, устойчиэлектролит охлаждается в наружной области стены настолько сильно, что он затвердевает и тем самым предотвращает йытекание электролита,

Самозалечивание заданного места разрыва можно улучшить таким образом, что непосредственно за слоем с незначительной прочностью на сдвиг, а также в области,,примыкающей внизу углеродистой футеровки расположена приемная зона из очень хорошо проводящего тепло материала, которая распространяется по направлению к боковой стене наружной стальной ванны, Благодаря этому, отданное попадающим в трещину электролитом тепло можно отвести более быстро, так что самозалечивание за счет затвердевания происходит также более быстро, Целесообразно расположить верхнее ограничение упомянутой приемной зоны приблизительно на том же самом уровне, что и верхнее ограничение слоя с незначительной прочностью на сдвиг.

40

45

практике можно использовать для изготовления упомянутых блоков вспененный углерод, вспененные керамические материалы и сжатые слои из углеродных волокон,

Слой с незначительной прочностью на. сдвиг целесообразно наклеивать вверху клеем на углеродистую футеровку и накладывать внизу через углеродный войлок на углеродистую футеровку. Толщина сжатого углеродного войлока составляет преш гущественно 5-15 мм. Сжатый углеродный войлок в свою очередь наклеивается на нижнюю часть углеродистой футеровки.

Если нижняя часть углеродистой футеровки должна разбухать менее быстро, то ее можно сильнее графити- зировать.

Формула изобретения

1, Катодное устройство алюминие- ,Q вого электролизера,включающее металлический кожух, боковую футеровку из углерода, подину и компенсационную зону, выполненную из двух материалов

деформирующи; сся при незначительных и значительных нагрузках соответственно, отличающееся тем, что, с целью повьшгения срока службы катодного устройства, боковая футеровка по высоте и по всему периметОднако, толщина приемной зоны боль

на сдвиг углеродистой футеровки, На практике толщина упомянутого

ной прочностью на сдвиг, преимущественно в два - три раза больше. Для быстрого отвода тепла s приемной зоне очень подходят в особенности металлические материалы, например стальная шерсть или алюминиевые стружки. В целях получения трещин всегда в желаемой области, прочность на сдвиг слоя, разделяющего углеродистую футеровку на нижнюю и верхнюю части, преимущественно по крайней мере в пять раз меньше, чем прочность

на сдвиг углеродистой футеровки, На практике толщина упомянутого

востью к действию электролита и нез- начительной прочностью на сдвиг« На

слоя с незначительной прочностью на сдвиг составляет 2-15 см, преимущественно 5--10 см,

Целесообразно построить разделяющий углеродистую футеровку на две части слой из заранее изготовленных блоков, Материалы этих блоков должны обладать термостойкостью, устойчивостью к действию электролита и нез- начительной прочностью на сдвиг« На

практике можно использовать для изготовления упомянутых блоков вспененный углерод, вспененные керамические материалы и сжатые слои из углеродных волокон,

Слой с незначительной прочностью на. сдвиг целесообразно наклеивать вверху клеем на углеродистую футеровку и накладывать внизу через углеродный войлок на углеродистую футеровку. Толщина сжатого углеродного войлока составляет преш гущественно 5-15 мм. Сжатый углеродный войлок в свою очередь наклеивается на нижнюю часть углеродистой футеровки.

Если нижняя часть углеродистой футеровки должна разбухать менее быстро, то ее можно сильнее графити- зировать.

Формула изобретения

1, Катодное устройство алюминие- вого электролизера,включающее металлический кожух, боковую футеровку из углерода, подину и компенсационную зону, выполненную из двух материалов,

деформирующи; сся при незначительных и значительных нагрузках соответственно, отличающееся тем, что, с целью повьшгения срока службы катодного устройства, боковая футеровка по высоте и по всему перимет71

ру вьтолнена из двух частей, соединенных слоем материала, с низкой прочностью на сдвиг,, стойкого в крио лито-глиноземном расплаве при температуре до 1000°С, прочность на сдви которого составляет 0,02 - 0,1 от прочности на сдвиг угольной футеровки.

2,Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что высота сло материала с низкой прочностью на сдвиг составляет 2-15 см.

3,Устройство по ПП.-1 и 2, о т - личающееся тем, что слой материала с низкой прочностью на сдвиг выполнен из вспененного углерода, углеродистого волокна или вспененного керамического материала,

Д. Устройство по пп. 1 - 3, о т - личающееся тем, что слой материала с низкой прочностью на сдвиг соединен посредством клея с верхней частью боковой футеровки и посредством слоя углеродного войло

8

ка - с нижней частью боковой футеровки.

5.Устройство по п,4, отличающееся тем, что высота сло углеродного войлока составляет 5 1 5 мм.

6.У стройство по пп.1-5, о т л и- чающееся тем, что за слоем материала с низкой прочностью на сдвиг по периметру электролизера выполнен пояс из теплопроводного материала, например стальной ваты или алюминиевой стружки,

7,-Устройство по п.6, отличающееся тем, что высота пояса, заполненного теплопроводным материалом, составляет 2-3 высоты слоя материала с низкой прочностью на сдвиг.

8, Устройство по пп. 1-7, отличающееся тем, что нижняя часть боковой футеровки выполнена из материала, графитизированного больще, чем материал верхней части.

Изобретение относится к конструкциям катодных устройств алюминиевого электролизера. Цель изобретения - повышение срока службы катодного устройства, На днище стальной ванны I расположена изоляция 2, об- разукацая фундамент, и боковая изоляция 3. На ней расположена нижняя - часть 5 углеродистой футеровки с заделанными или залитыми в нее железi СО Ро о оо Ич:) ы

t:.

2

Фиг, 2

/5

Редактор А,Долини 1

Составитель А.Арнольд Техред В.Кадар

Заказ 1646/59 Тираж 613Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная, 4

Корректор А.Зимокосов