Способ монтажа катодной секции алюминиевого электролизера

 

Использование: изобретение относится к производству алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов, в частности к способу монтажа катодной секции алюминиевого электролизера. Сущность: при монтаже секции катодного электролизера, включающем установку в паз углеродистого блока токоподводящего металлического стержня на слой электропроводного материала и закрепление его в пазу посредством углеродистой пасты, в качестве электропроводного материала используют слой графитового порошка, зазор между боковой стенкой паза и поверхностью заполняют 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, а верхнюю часть паза заполняют углеродсодержащей пастой, содержащей, мас.%: кокс - 20-40 пек - 15-25 кремнефтористый натрий - 3-8
жидкое натриевое стекло - остальное
2 з.п. ф-лы.

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. Недостатком данной технологии являются термические напряжения в углеродистом блоке при заливке стержня (блюмса) чугуном и последующее механическое разрушение блоков, приводящее к нарушению технологии и снижению срока 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.

2. Создание предварительных механических напряжений для компенсации термических напряжений в катодных блоках в процессе заливки чугуном стержней.

3. Заливка токоподводящего стержня, установленного в паз углеродистого блока, либо частично, либо полностью алюминием либо его сплавом.

4. Выполнение катодного металлического стержня переменного сечения по длине паза углеродистого блока и заполнение остальной части паза блока подовой массой.

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 сорности металла, различным технологическим нарушениям и, в конечном итоге, к снижению срока службы электролизера.

3. Повышают трудозатраты и энергозатраты при монтаже катодной секции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является 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.

Недостатки известного решения.

Состав любой углеродистой (углеродсодержащей) пасты требует для повышения адгезии и механических характеристик соединения металлический стержень-углеродистый блок введение добавок, которые, в конечном случае, либо снижают электропроводность контакта, либо снижают механические 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.

Целью предлагаемого технического решения является повышение срока службы электролизера за счет предотвращения допусковых нарушений (трещины в блоках), пусковых нарушений (трещины в блоках из-за недостаточной термической стойкости контактного материала блок-блюмс), нарушений технологии послепускового периода (протеки металла в трещины блоков, насыщение металла железом и аварийные ситуации при попадании металла в цоколь электролизера), снижение затрат при монтаже. Кроме того, повышается сортность производимого алюминия в процессе длительной эксплуатации электролизера.

Поставленная цель достигается тем, что в способе монтажа катодной секции алюминиевого электролизера, включающем установку в паз углеродистого блока токоподводящего металлического стержня на слой электропроводного материала и закрепление его в пазу посредством углеродистой пасты, в качестве электропроводного материала используют слой графитового порошка, зазор между боковой стенкой паза и поверхностью стержня заполняют 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,
а верхнюю часть паза заполняют углеродсодержащей пастой, содержащей, мас.

кокс 20-40
пек 15-25
кремнефтористый натрий 3-8
жидкое натриевое стекло остальное,
Техническая сущность предлагаемого способа монтажа катодной секции алюминиевого электролизера заключается в следующем.

Основными требованиями к материалам, служащим для соединения углеродного блока с металлическим токоподводящим стержнем в условиях электролитического производства алюминия (в случае использования металлических, в частности стальных стержней), являются:
хорошая адгезия к стали и углеродным материалам;
совместимость компонентов состава;
прочность соединения в период монтажа катодной секции, в период монтажа электролизера при температуре окружающего воздуха;
прочность и термическая стабильность при эксплуатации электролизера;
высокая электропроводность соединительного материала и надежный электрический контакт между соединенными изделиями;
надежная защита стальных стержней от контакта с расплавом металла.

Т. е. необходимо получить при монтаже катодной секции прочный механический и электрический контакт, который не нарушается в процессе монтажа катодной секции электролизера, в процессе обжига, пуска и работы.

Предлагаемая технология монтажа катодной секции, обеспечивает максимальную эффективность с учетом всех вышеперечисленных требований.

Нижний слой подсыпка из графитового порошка уплотняется при установке стержня в паз блока и частично заполняет часть паза между его боковой стенкой и нижней частью стержня. Пастой с высоким содержанием углерода (углеродистая паста) заполняют зазор между боковой стенкой паза и боковой поверхностью стержня на высоту 0,6-0,9 высоты стержня. Графитовая подсыпка и углеродистая паста обеспечивают электрический контакт между стержнем и блоком, кроме того - механическое закрепление стержня в пазу углеродистого блока.

Верхнюю часть паза заполняют углеродсодержащей пастой (с пониженным содержанием углерода), т.к. этот слой выполняет защитную функцию защиту стержня от проникновения расплава металла и механическое закрепление стержня в пазу блока. При монтаже производят уплотнение углеродистой пасты в боковых зазорах по всей длине блока, предварительно устанавливая упоры со стороны спуска и со стороны потая. Углеродсодержащую пасту заливают равномерным слоем на поверхность стержня и уплотненную углеродистую пасту вровень с краями паза блока.

Жидкое стекло и кремнефтористый натрий обеспечивают твердение паст и прочность соединения стержень-блок на стадии холодного монтажа катодных секций.

В процессе обжига подины пек превращается сначала в жидкотекучую массу, проникающую в структуру кокса и поры, образующие после удаления влаги из жидкого стекла, компенсируя разницу термических расширений стержня и блока и снижая механическое напряжение в системе стержень-блок, а после коксования способствует образованию монолитной достаточно прочной и электропроводной структуры между стержнем и блоком.

Таким образом в предлагаемом способе монтажа катодной секции обеспечивается надежный электрический и механический контакт между токопроводящим стержнем и углеродистым блоком.

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

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

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

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.

Известна паста для соединения металлического стержня и углеродсодержащего блока, содержащая, вес.

графит 26,7-32,4
кокс 21,6-25,3
пек порошкообразный 18,0-20,0
жидкое стекло 23,8-25,8
кремнефтористый натрий 2,5-4,2.

Известна паста для соединения углеродсодержащих материалов, содержащая, мас.

нефтекокс 30-35
твердый каменноугольный пек фракции до 1 мм 20-25
кремнефтористый натрий 5-8
жидкое натриевое стекло остальное.

В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено решений аналогичных предлагаемому, не выявлено идентичных сходных признаков.

Существенные отличительные признаки предлагаемой технологии обеспечивают получение более высоких технико -экономических показателей, чем другие известные решения.

Использование углеродистой пасты предлагаемого состава обеспечивает высокую проводимость контакта стержень-блок при достаточно высокой прочности соединения.

Содержания в углеродистой пасте кокса (может быть использован и пековый и нефтяной кокс) менее 20% мас. графита менее 20% мас. и пека (может быть использован нефтяной и каменноугольный пек) менее 15% мас. снижают проводимость пасты и повышают электрическое сопротивление контакта стержень-блок.

Содержания кокса более 30% мас. графита более 30% мас. пека более 25% мас. снижают прочностные свойства пасты, ухудшается механический контакт стержень-блок.

По содержанием кокса и пека в углеродсодержащей пасте менее минимальных и более максимальных результаты получаются аналогичные.

Кремнефтористый натрий используется в составах паст как упрочняющая и вместе с жидким стеклом как инициирующая твердение на стадии монтажа катодных секций.

Цементирующей основой паст является жидкое натриевое стекло, которое придает необходимую жидкотекучесть, а после твердения достаточную прочность соединения стержня с блоком.

В качестве слоя электропроводного материала, расположенного на дне паза углеродистого блока, на который укладывается токоподводящий металлический стержень в данном решении использован графитовый порошок, как материал доступный (может быть использован искусственный или природный графит) и имеющий небольшое удельное электросопротивление.

В качестве углеродистой и углеродсодержащей паст могут быть использованы и другие составы паст, но для достижения показателей предлагаемой технологии они по свойствам должны отвечать следующим требованиям.

1. Слой электропроводного материала на дне паза должен быть мягким для того, чтобы под действием веса стержня обеспечивался максимальный контакт стержень-материал подложки. Материал слоя должен быть совместим с углеродистой пастой.

2. Состав углеродистой пасты должен обеспечивать высокую проводимость контакта стержень-блок и достаточную механическую прочность при холодном монтаже.

3. Состав углеродсодержащей пасты должен обеспечивать высокую механическую прочность и стойкость по отношению к расплаву металла. При этом желательно, чтобы эта паста при затвердевании (коксовании) являлась проводником тока, а не изолятором.

Способ реализуется следующим образом.

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

2. Поверхность пазов продувают сжатым воздухом.

3. На всю длину каждого паза производят засыпку графитовым порошком ровным слоем толщиной 5-10 мм.

4. Катодные стержни с приваренными спусками устанавливают в пазы 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.

5. Устанавливают со стороны спуска и со стороны потая упоры для предотвращения выдавливания пасты из паза через торцы блока.

6. Углеродистой пастой производят заполнение зазора между боковой поверхностью стержня и стенками паза на высоту 0,9 высоты стержня.

Состав углеродистой пасты, мас.

нефтекокс (-1 мм) 9
нефтекокс (+1-2 мм) 18
пек нефтяной 20
графит 25
кремнефтористый натрий 3
жидкое натриевое стекло (плотность 1,4 г/см³, модуль 2,65) 25
7. Производят уплотнение пасты в зазоре по всей длине блока равномерно.

8. Углеродсодержащая паста равномерным слоем заливается на поверхность стержня и уплотненную углеродистую пасту вровень с краями паза блока.

Состав углеродсодержащей пасты, мас.

нефтекокс (-1 мм) 35
пек каменноугольный (-1 мм) 20
кремнефтористый натрий 5
жидкое натриевое стекло 40
9. Через 24 ч производится набивка потая и через 16 ч собранные секции кантуются и перевозятся на участок монтажа катодных устройств.

Удельное электросопротивление материала из углеродистой пасты (обжиг при 800^oC) 250-300 мкОм·м для материала из углеродсодержащей пасты (обжиг при 800^oC) -1000-1500 мкОм·м.

Опытно-промышленные испытания предложенной технологии на БрАЗе выявили следующее.

Электролизеры, как вновь смонтированные, так и проработавшие около трех лет, характеризуются устойчивой технологией, нормальным состоянием подины и бортовой футеровки, выдают металл высоких сортов.

Формула изобретения

1. 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащей пасты используют пасту, содержащую, мас.

Кокс 30 40
Пек 15 25
Кремнефтористый натрий 3 8
Жидкое натриевое стекло Остальноео