Подина алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к конструкции подин алюминиевых электролизеров. Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы электролизера, повышение сортности алюминия, расширение сырьевой базы. Технический результат достигается тем, что подина содержит подовые секции, огнеупорный слой, выполненный из демонтированной огнеупорной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-2 мм, и теплоизоляционный слой, выполненный из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитглиноземном расплаве не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно. В качестве материала теплоизоляционного слоя электролизера использован высокопористый графит, в частности пенококс. 2 з.п.ф-лы, 5 табл., 1 ил.

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к конструкции подин алюминиевых электролизеров.

Известна подина алюминиевого электролизера, включающая герметизирующий слой из углеродистых войлочных материалов, а основание выполнено углеграфитовым (А.с. 1708935, МПК С 25 С 3/08. Б.И. 4, 1992 г.).

Однако недостатком известного технического решения является невозможность полного предотвращения проникновения расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава в теплоизоляционный цоколь, поскольку основание подины выполнено из углеграфитовых плит, соединенных между собой швами из углеродистой массы, которые являются, как и само основание, источником частичного проникновения вышеуказанных расплавов в теплоизоляционный цоколь.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является подина алюминиевого электролизера, содержащая огнеупорный и теплоизоляционный слой. В качестве огнеупорного слоя использована жаропрочная химически стойкая железобетонная плита силикатного состава, а теплоизоляционный слой выполнен из материалов с коэффициентом теплопроводности менее 0,25 Вт/м•град (А.с. 1585385, МПК C 25 C 3/08. Б.И. 30, 1990 г.).

Однако данное техническое решение не позволяет решить проблему повышения сортности алюминия в силу проникновения в процессе электролиза в расплав алюминия элементов железа и кремния. Процесс поступления элементов железа и кремния в расплав алюминия связан с достаточно высокой растворимостью огнеупорного слоя силикатного состава (железобетонной плиты) в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве, определяющей снижение сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также снижения срока службы электролизера.

Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы алюминиевого электролизера, повышении сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также в расширении сырьевой базы за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки.

Для решения поставленной задачи заявляемая подина алюминиевого электролизера содержит огнеупорный и теплоизоляционный слой, причем огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно. В качестве материала, из которого выполнен теплоизоляционный слой, использован высокопористый графит (пенококс).

По отношению к прототипу у предлагаемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно.

Применение демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции менее 2 мм при транспортировке и укладке в подину электролизера вызывает значительное пылеобразование, загрязняя окружающую среду.

Применение порошка крупнее фракции 20 мм приводит к существенному росту пористости огнеупорного слоя и, как следствие, повышает скорость протекания расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава через огнеупорный слой (табл. 1). (Таблицы 1-4 приведены в конце описания). Увеличение размера частиц порошка более 20 мм приводит к резкому увеличению степени пропитки как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземного расплава. Повышение скорости пропитки порошка огнеупорного слоя увеличивает поступление агрессивных расплавов в теплоизоляционный цоколь и, как следствие, способствует снижению срока службы алюминиевого электролизера.

Несмотря на применение в качестве огнеупорного слоя химически стойкого железобетонного материала, степень пропитки огнеупорного слоя как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземным расплавом по прототипу значительно выше степени пропитки огнеупорного слоя по заявляемому решению в пределах размера порошка демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров от 2 до 20 мм.

Демонтированная отработанная углеродная футеровка электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм представляет собой смесь измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала, в частности пенококса, имеющего единую химическую составляющую - углерод. В настоящее время в известных технических решениях в катоде электролизеров в большинстве случаев используется как углеродистая, так и теплоизоляционная футеровка на основе силикатов(до 60% SiO₂). Применение теплоизоляционной футеровки в виде высокопористого графита, в частности пенококса, исключает загрязнение расплава алюминия кремнием и железом, имеющее место, например в прототипе, при использовании теплоизоляционной футеровки на основе силикатов. Сравнительный анализ химического состава расплава алюминия по содержанию примесей кремния и железа в предлагаемом устройстве подины в сравнении с прототипом приведен в табл. Проверку химического состава расплава алюминия проводили в лабораторных условиях, моделируя подину электролизера по известному и предлагаемому устройству путем реализации процесса электролиза алюминия в графитовых тиглях. Анализ данных табл. 2 свидетельствует о существенном снижении содержания кремния и железа в алюминии по предлагаемому устройству подины в сравнении с известным, что приводит к повышению сортности алюминия.

Сравнительный анализ скорости коррозии подины по известному и предлагаемому виду ее устройства свидетельствует о существенном преимуществе предлагаемого технического решения.

Сравнительный анализ свойств предлагаемого материала с известным материалом для теплоизоляции катода свидетельствует о преимуществе пористого графита по основным физико-механическим свойствам (табл.4), уступая незначительно известному материалу по коэффициенту теплопроводности. Однако теплофизические свойства пористого графита находятся в диапазоне требуемых значений по коэффициенту теплопроводности и сопоставимы, например, со свойствами шамотных теплоизоляционных материалов (коэффициент теплопроводности-0,15-0,52 Вт/м•град), широко применяемых для теплоизоляции цоколя электролизера.

Минимальная скорость коррозии высокопористого графита (пенококса) определяет безусловное увеличение срока службы электролизеров. Сравнение прогнозируемых расчетных сроков службы электролизеров в зависимости от различной скорости коррозии материалов в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве свидетельствует о преимуществе использования материалов со скоростью коррозии в вышеуказанных расплавах не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно, дающих максимальный срок службы электролизеров из числа известных материалов Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами: обеспечивает повышение сортности алюминия за счет снижения содержания в расплаве алюминия кремния и железа, увеличивает срок службы электролизеров за счет резкого снижения скорости коррозии теплоизоляционного слоя, расширяет сырьевую базу за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже представлен продольный разрез подины алюминиевого электролизера.

Подина состоит из угольных подовых блоков 1, огнеупорного слоя 2 из демонтированной отработанной углеродистой футеровки электролизеров фракции 2-20 мм и теплоизоляционного слоя 3, состоящего из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сутки соответственно.

Использование предложенного устройства подины алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.

Пример. На металлическое днище после подсыпки порошка отработанной демонтированной углеродной футеровки укладывают теплоизоляционный слой из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сут соответственно, в частности из высокопористого графита. Высокопористый графит в виде блоков укладывается в два слоя, после чего кожух электролизера заполняют порошком фракции 2-20 мм из демонтированной отработанной углеродной футеровки. Уплотнение порошка ведут либо катками, либо виброплитой. Затем на поверхность цоколя устанавливают подовые блоки. Средний срок службы предлагаемой подины составит по расчетам 58 мес, в то время как по прототипу - 40мес. Более высокий срок службы электролизера по предлагаемому варианту в сравнении с прототипом определяется высокой коррозионной стойкостью материала теплоизоляционного слоя в виде высокопористого графита, а также использованием в качестве огнеупорного материала отработанной демонтированной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала. Подобная композиция огнеупорного слоя, также обладающая высокой коррозионной стойкостью в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве - соответственно 0,08 и 0,12 мм/сут, способствует увеличению срока службы электролизеров.

Формула изобретения

1. Подина алюминиевого электролизера, включающая подовые секции, огнеупорный и теплоизоляционный слой, отличающаяся тем, что огнеупорный слой выполнен из демонтированной огнеупорной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой – из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитглиноземном расплаве не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно.

2. Подина по п.1, отличающаяся тем, что теплоизоляционный слой электролизера выполнен из высокопористого графита.

3. Подина по п.2, отличающаяся тем, что в качестве высокопористого графита использован пенококс.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6