Катодное устройство алюминиевого электролизера

 

Использование: изобретение относится к металлургии легких металлов, в частности к катодным устройствам алюминиевого электролизера. Сущность: подовые блоки установленны наклонно под острым углом к уровню горизонта. Угол наклона блоков к уровню горизонта может составлять 0,2 - 15⁰. 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии легких металлов, в частности к катодным устройствам алюминиевого электролизера.

Известна ванна алюминиевого электролизера в виде прямоугольной шахты. Катодом служит плоская горизонтальная угольная подина ванны [1] Известна также подина алюминиевого электролизера с верхним токоподводом большой мощности, в которой межблочный шов и набойки из подовой массы между торцами стальных стержней выполнены общей длиной, равной 0,15-0,4 суммарной длины участков стержней, контактирующих с блоками, расположенными торцами друг к другу, причем соотношение длины этих участков стержней между собой составляет 1:(0,8-1,25).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее футерованный катодный кожух, бортовые и подовые угольные блоки, согласно которому бортовые блоки установлены под углом к уровню подовых блоков, причем угол наклона составляет 100-135^о.

Укороченные катодные стержни равной длины улучшают распределение тока в подине, а наклонные бортовые блоки способствуют лучшему формированию защитной настыли. Однако общим недостатком известных устройств является плоскогоризонтальный профиль угольной подины, что не обеспечивает жесткости конструкции. В процессе эксплуатации угольные блоки пропитываются фторсолями и увеличиваются в линейных размерах. Возникает крутящий момент в подине в направлении "снизу-вверх" в зоне центрального межблочного шва, поскольку периферийные торцы подовых блоков жестко удерживаются конструкцией катодного кожуха. В результате происходит подъем ("вспучивание") подины, изменение ее геометрии. Снижается производительность электролиза и срок его службы, ухудшается сортность катодного металла.

Кроме этого, горизонтальное расположение катодных токопроводящих стержней блюмсов вызывает горизонтальные токи в катодном металле, следовательно, циркуляцию катодного алюминия, тем самым его потери от вторичных реакций окисления. Все это снижает производительность электролизера, приводит к накоплению осадка глинозема и возрастанию падения напряжения в подине.

Целью изобретения является повышение срока службы и производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что в катоде алюминиевого электролизера подовые блоки установлены наклонно под острым углом к уровню горизонта. Поставленная цель достигается также тем, что угол наклона подовых блоков к уровню горизонта преимущественно составляет 2-15^о.

Подовые блоки, установленные наклонно под острым углом к уровню горизонта, образуют подину с наклоном по направлению к продольной оси электролизера относительно горизонта. За счет этого в поперечном сечении подовые блоки образуют равнобедренный треугольник, равными сторонами которого являются сами подовые блоки. Основанием равнобедренного треугольника является горизонтальная линия, соединяющая периферийные торцы подовых блоков, жестко закрепленные в катодном кожухе. Таким образом образуется жесткая конструкция подины, известная в технике как "жесткость треугольника". Это предотвращает подъем "вспучивание") подины в зоне центрального межблочного шва при объемном расширении угольных подовых блоков. Подина сохраняет первоначальную геометрию, целостность межблочных швов, что повышает срок службы электролизера и сортность катодного металла.

Наклон подины в направлении к центральному межблочному шву уменьшает вероятность осадка на наклонной подине. За счет сил гравитации и циркуляции металла осадок перемещается в направлении наклона подины к центральному межблочному шву. Это, во-первых, защищает центральный шов от разрушающего воздействия расплава и проникновения катодного металла к стальным токопроводящим стержням, что также повышает срок службы электролизера. Во-вторых, толщина слоя осадка, уменьшающаяся в направлении от продольной оси к периферии электролизера, соответствует возрастанию катодной плотности тока в этом же направлении. В результате, снижается вредное влияние осадка на падение напряжения в подине, тем самым снижается расход электроэнергии, повышается стабильность технологического хода электролизера. В третьих, уменьшение слоя катодного металла в направлении от продольной оси к периферии электролизера за счет наклонной подины способствует уменьшению скорости циркуляции катодного металла вследствие уменьшения горизонтальной составляющей силы тока в поперечном сечении электролизера. В результате повышается производительность электролизера за счет уменьшения потерь катодного металла от вторичных реакций и образования осадка на подине.

Наконец, увеличение угла между боковыми блоками и подиной способствует снижению "Эффекта прибоя" амплитуды вертикальных волн расплава возле борта ванны. Это также снижает разрушаемость защитного гарниссажа и настилы, тем самым повышается срок службы бортовой футеровки и электролизера в целом.

Скапливание осадка на центральном межблочном шве позволяет эффективнее производить операцию по подтягиванию осадка за счет локальности его местонахождения. Это, в целом, также снижает количество осадка и его вредное влияние на падение напряжения и производительность электролизера.

Наклонная подина уменьшает рабочий объем катода, а следовательно, катодного металла, тем самым возрастает производительность электролизера за счет снижения незавершенного производства.

Угол наклона подовых блоков к уровню горизонта менее 0,2^о нецелесообразен, поскольку при этом перестает работать "жесткость треугольника". Угол наклона подины более 15^о к уровню горизонта затрудняет организацию обжига электролизера и операцию по удалению осадка на подине.

На чертеже изображен поперечный разрез катодного устройства, которое включает в себя металлический кожух 1, выполненный с наклонными бортами 2. Днище 3 кожуха 1 может быть наклонным относительно горизонта по направлению к продольной оси или плоским. Кожух 1 с днищем 3 футерован бортовыми угольными блоками 4 и подовыми угольными блоками 5, установленными наклонно под углом α к уровню горизонта согласно прототипу. Подовые блоки 5 равной длины с токоподводящими стержнями 6 равной длины, соединены между собой швом 7 из подовой угольной массы. Шов выполнен из перевязки сплошным по продольной оси ванны. Подовые блоки 4 со стальными токопроводящими стержнями 5 смонтированы на теплоизоляционном цоколе из шамотного и диатомового кирпича.

Пример реализации устройства. Монтируют два катодных устройства в стальном кожухе 1 с наклонными бортами 2. Днище 3 выполнено плоским. Угол наклона к горизонту бортовых угольных блоков 4 составляет 105^о. В первом случае подовые угольные блоки 5 разной длины (1800 мм и 1200 мм) с катодными стержнями равной длины (1320 мм) установлены на теплоизоляционном цоколе 8 горизонтально и соединены швом вперевязку (по прототипу).

Во втором случае подовые угольные блоки 5 разной длины (1800 и 1200 мм) с катодными стержнями равной длины (1320 мм) установлены на цоколе 8 наклонно под углом α равным 15^о, относительно горизонта, и соединены сплошным швом 7 из подовой угольной массы, выполненным без перевязки, встык (по изобретению).

Обжиг электролизеров на силу тока 156 кА ведут по известному способу, на металле с формовкой нового анода. Результаты эксплуатации и технико-экономические показатели известного и заявляемого устройства в течение 36 месяцев отражены в таблице.

Как следует из полученных данных, изменение геометрии катода-прототипа (подъем подины в зоне центрального межблочного шва на 46 мм) спровоцировало проникновение алюминия в межблочный шов, растворение и диффузию железа из катодных стержней, что привело к повышению содержания примесей в катодном алюминии. Среднее количество осадка в предлагаемом устройстве ≈ в 2,6 раза меньше, чем в прототипе. Это привело к снижению падения напряжения в подине в среднем на 68 мВ. За период эксплуатации устройства-прототипа зафиксировано четыре случая прорывов расплава в борт. В предлагаемом устройстве прорывы отсутствовали, что указывает на большую прочность бортовой настыли и целостность бортовой футеровки. В результате, производительность электролизера с предлагаемым катодным устройством в среднем на 22,5 кг алюминия в сутки выше, чем по прототипу.

Таким образом, предлагаемое катодное устройство увеличивает срок службы и производительность электролизера, снижает расход электроэнергии.

Формула изобретения

1. КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, содержащее катодный кожух с бортовыми блоками, установленными под углом к уровню подовых блоков, с укороченными катодными стержнями равной длины, отличающееся тем, что подовые блоки установлены наклонно под острым углом к уровню горизонта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол наклона подовых блоков к уровню горизонта составляет 0,2 15,0^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3