Подина алюминиевого электролизера

 

Использование: при электролитическом получении алюминия из криолито-глиноземных расплавов, в частности совершенствовании катодного узла электролизера. Цель изобретения - повышение срока службы подины электролизера и сортности алюминия. Сущность изобретения: в сборно-блочной подине алюминиевого электролизера уровень углеродсодержащего межблочного шва расположен ниже уровня рабочей поверхности подобного блока. Уровень шва может совпадать с уровнем нижнего (большего) основания трапецеидальной части подового блока. Высота уровня углеродсодержащего межблочного шва может также составлять 1,0-2,0 высоты паза нижней части подового блока. Образующаяся полость в верхней части шва может быть заполнена неэлектропроводящим материалом, предпочтительно глиноземом. 2 з.п.ф-лы, 2 ил, 1 табл.

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия из криолито-глиноземных расплавов, в частности к совершенствованию катодного узла электролизера.

Известна сборноблочная подина алюминиевого электролизера, в которой межблочные швы, выполненные из углеродистой массы, по вертикали соответствуют высоте блока, то есть перерезают угольную подину на всю ее толщину [1] Недостатком известного устройства является разрушение межблочных швов и преждевременный выход из строя катода за счет низкого качества материала швов, получающегося при коксовании углеродистой массы в интенсивном высокотемпературном режиме, подвергающегося механическим воздействиям катодного металла и технологического инструмента, токовой нагрузки при эксплуатации электролизера.

Известна также подина алюминиевого электролизера, в которой блоки в верхней части по всей их длине имеют паз с наклонными стенками и глубиной до 1/4 полной высоты блока.

К недостаткам известного устройства также относится подверженность механическим и токовым воздействиям в верхней части межблочного шва, уровень которого выше уровня рабочей поверхности подового блока. Кроме этого, паз на рабочей поверхности блока постепенно заполняется нерастворившимся осадком, что приводит к образованию подовых настылей ("коржей") и возрастанию падения напряжения в подине, снижению технико-экономических показателей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известная подина алюминиевого электролизера, отличающаяся тем, что с целью повышения срока службы подины электролизера и сортности получаемого алюминия углеродистые блоки выполнены по высоте: в нижней части прямоугольной конфигурации, в верхней части трапецеидальной, причем высота трапецеидальной части блока составляет 0,1-0,15 от общей высоты блоков, а соотношение большего и меньшего оснований трапецеидального сечения блоков составляет 1,001-1,01.

Трапецеидальная конфигурация верхней (рабочей) части подового блока уменьшает вредное влияние термических напряжений, вызывающих растрескивание блока и снижение срока службы подины. Кроме этого, увеличение площади поверхности верхней части межблочного шва снижает пористость скоксовавшегося углеродистого материала за счет уменьшения плотности потока газов коксования, фильтрующихся из нижележащих слоев углеродистой массы межблочного шва. Недостатком известной конструкции является возможность механического воздействия на шов при технологическом обслуживании электролизера, токового и химического воздействия при электролизе, поскольку шов, выполненный из углеродистой массы, является электропроводным по всей высоте. Все это приводит к разрушению материала межблочного шва в процессе электролиза, постепенному ослаблению механических межблочных связей, снижению срока службы электролизера и сортности алюминия.

Цель изобретения повышение срока службы подины электролизера и сортности алюминия.

Поставленная цель достигается тем, что в сборноблочной подине алюминиевого электролизера уровень углеродсодержащего межблочного шва расположен ниже уровня рабочей поверхности подового блока. Уровень шва может совпадать с уровнем нижнего (большего) основания трапецеидальной части подового блока. Высота уровня межблочного шва может также составлять 1,0-2,0 высоты паза нижней части подового блока. Образующаяся полость в верхней части межблочного шва может быть заполнена неэлектропроводящим материалом, предпочтительно глиноземом.

Расположение уровня углеродсодержащего межблочного шва ниже уровня рабочей поверхности подового блока позволяет исключить любое механическое воздействие на поверхность шва при циркуляции расплава и технологическим инструментом при обслуживании электролизера. Общее снижение уровня (высоты) шва снижает высоту электропроводящей части межблочного шва и объем (давление) газов коксования углеродистых материалов нижней части межблочного шва в процессе обжига и пуска электролизера. В результате снижается пористость материала скоксовавшегося шва и развитие трещиноватости как следствие термических напряжений, достигающих наибольшей величины в верхней, высокотемпературной части подины, снижается вредное воздействие токовой нагрузки.

Наконец, в процессе эксплуатации электролизера полость, образующаяся в верхней части межблочного шва при реализации изобретения, заполняется твердыми частицами нерастворимого неэлектропроводящего осадка, содержащего глинозем и другие компоненты электролита, а также примеси тяжелых и тугоплавких металлов. Происходит кристаллизация и цементация осадка в полости шва. В результате образуется прочный неэлектропроводный кристаллообразный сплав, известный в технике как "корж", который защищает углеродистую часть межблочного шва от механических и электрических воздействий, упрочняет (цементирует) конструкцию подины в целом, предотвращает подъем блоков и фильтрацию жидкого алюминия в нижнюю часть шва.

Все это повышает срок службы подины, сортность получаемого алюминия.

Величина и размеры "коржа", образующегося в полости шва и цементирующего подину, ограничены стенками полости и плоскости рабочей поверхности подины, поскольку остальной осадок, появляющийся на поверхности подины, легко удаляется технологическим инструментом при обслуживании электролизера.

Совпадение уровня углеродсодержащего шва с уровнем нижнего основания трапецеидальной части подового блока обусловлено цементирующими свойствами тугоплавких осадков, лучше проявляющимися на невертикальных и непараллельных поверхностях.

Высота уровня углеродсодержащего шва, составляющая 1,0-2,0 высоты паза нижней части подового блока, обусловлена работой электрического тока и способностью к фильтрации жидкого алюминия в углеродсодержащем материале. С одной стороны, чем меньше высота углеродсодержащего (электропроводного) пористого шва в сравнении с общей высотой подового блока, тем меньшую токовую нагрузку принимает шов и тем меньше величина горизонтальной составляющей силы тока в подине. Это снижает разрушаемость шва и магнитогидродинамические силы в катодном металле. С другой стороны, способность жидкого алюминия к фильтрации в порах углерода не позволяет уменьшить высоту углерода в шве ниже некоторой величины, а именно ниже высоты паза подового блока, с тем, чтобы исключить фильтрацию алюминия через боковую поверхность подового блока к токоотводящему стальному стержню.

Конкретные величины оптимального соотношения высот паза блока и углеродистой части межблочного шва получены опытным путем и отражены в примере реализации изобретения.

На фиг. 1,2 показан поперечный разрез предлагаемой подины алюминиевого электролизера (фрагмент). Подина содержит углеродсодержащие подовые блоки 1 с продольными пазами 2 для заделки в них стальных токоотводящих стержней 3. Межблочные углеродсодержащие швы 4 выполнены с уровнем 5, расположенным ниже уровня рабочей поверхности 6 подовых блоков 1. Образующуюся полость могут заполнять неэлектропроводящим материалом 7, например глиноземом. Глинозем обладает свойством несмачивания жидким алюминием. В то же время известно, что газы обладают способностью фильтрации через слой свободно насыпанного глинозема толщиной 200-300 мм. Поэтому, с одной стороны глинозем препятствует проникновению жидкого алюминия в углеродистую часть межблочного шва на стадии обжига и пуска, а с другой газы коксования углеродной массы межблочного шва фильтруются через слой глинозема, находящегося в полости шва. При этом происходит частичная конденсация смолистых веществ, выделяющихся при коксовании шва, и их последующий крекинг при возрастании температуры подины. Это связывает, цементирует столб глинозема, находящийся в полости. Повышается сопротивляемость глиноземного слоя проникновению жидкого алюминия, что способствует образованию "коржа" в полости шва при последующем появлении тугоплавких осадков в ходе электролиза.

Пример реализации. В подине опытного алюминиевого электролизера С-8Б, содержащего подовые блоки 1 трапецеидальной конфигурации в верхней части, с заделанными в пазах 2 стальными стержнями 3, межблочные швы 4 из углеродсодержащей массы выполнены с уровнем 5, расположенным ниже уровня 6 рабочей поверхности подины и совпадающим с уровнем нижнего (большего) основания трапецеидальной части подовых блоков 1. Образующаяся полость верхней части межблочного шва 4 заполняют глиноземом 7, как показано на фиг.1.

В подинах других опытных электролизеров С-8Б с прямоугольным сечением подовых блоков, согласно фиг.2 высота уровня 5 (в) углеродсодержащего межблочного шва 4 составляет 1,0-2,0 высоты паза 2 (а) подового блока 1.

Для сравнения взяты электролизеры-свидетели С-8Б, у которых подины выполнены согласно известным устройствам с высотой углеродсодержащего межблочного шва, равной высоте подового блока, имеющего прямоугольное сечение (свидетель 1) и трапецеидальное сечение в верхней части (свидетель 2).

На всей группе электролизеров производят обжиг и пуск известным способом, затем ведут электролиз криолито-глиноземного расплава. Результаты испытаний опытных электролизеров и электролизеров-свидетелей после 2,5 лет работы отражены в таблице.

Как следует из полученных данных, выполнение верхней части межблочного шва из неэлектропроводящих материалов не приводит к возрастанию падения напряжения в подине. Можно предположить, что для обеспечения электропроводности подины необходимым и достаточным является площадь рабочей поверхности катодных блоков. Таким образом, судя по результатам, нет необходимости выполнять межблочный шов электропроводным на всю высоту. Назначение шва в этом случае ограничивается цементацией подины и предотвращением фильтрации жидкого алюминия к токоотводам. Состояние межблочных швов опытных электролизеров указывает на их прочность и отсутствие мест разрушений. На это же указывает геометрия подин. После 2,5 лет эксплуатации подъем подины электролизеров-свидетелей в центральной части составляет 15-20% глубины шахты катода.

Судя по динамике содержания примесей в катодном металле, на электролизерах-свидетелях после 1-1,5 лет эксплуатации произошло проникновение жидкого алюминия в подину и растворение железосодержащих элементов ("металлизация" подины). На это же указывает возрастание температуры на 30-40% На опытных электролизерах металлизация подины отсутствует.

По мере эксплуатации опытных подин происходит постепенное упрочнение конструкции подины за счет кристаллизации осадка и образования "коржа" в верхней части межблочного шва, в то время как на электролизерах-свидетелях прочность конструкции подины снижается за счет износа межблочных швов.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволяет увеличить срок службы подин электролизеров, сортность получаемого алюминия. Дополнительным эффектом при использовании предлагаемого изобретения является снижение расхода электроэнергии.

Формула изобретения

1. Подина алюминиевого электролизера, содержащая углеродистые блоки с пазами, имеющими по высоте в верхней части трапециевидную конфигурацию, а в нижней прямоугольную и межблочные швы, отличающаяся тем, что межблочные швы выполнены из двух частей, при этом нижняя углеродсодержащая часть шва составляет 1 2 высоты паза, а верхняя часть шва выполнена из неэлектропроводного материала.

2. Подина по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть шва выполнена из глинозема.

3. Подина по п.1, отличающаяся тем, что нижняя часть шва расположена на одном уровне с нижним основанием трапециевидного сечения блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3