Катодное устройство алюминиевого электролизера
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в производстве алюминия электролизом криолитглиноземных расплавов. Техническим результатом изобретения является повышение срока службы электролизера и технико-экономических показателей процесса получения алюминия. Катодное устройство содержит футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков, в которой выполнены поперечные каналы, образованные наружными поверхностями углеродистых блоков, снабженные огнеупорным электропроводным смачиваемым алюминием покрытием. Подина дополнительно снабжена продольными каналами, образованными боковыми стенками углеродистой футеровки катодного кожуха и уступами концевых частей углеродистых блоков подины. Каналы в подине выполнены сообщающимися по периферии шахты катодного устройства длиной, равной длине и ширине шахты, а покрытие выполнено на всей поверхности подины. Каналы по периферии шахты катодного устройства выполнены шириной, равной 1,2-2,3 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока. Покрытие на поверхности подины выполнено из диборида титана. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в производстве алюминия электролизом криолитглиноземных расплавов.
Существующие конструкции электролизеров для производства алюминия снабжены угольными анодами и шахтой катодного устройства, футерованной изнутри углеродистыми блоками.
Подина выполнена, как правило, гладкой, сборной из углеродистых подовых блоков. Недостатком промышленно используемых катодных устройств алюминиевых электролизеров является образование осадков, как растворимых, что требует выполнения дополнительной обслуживающей операции - подтягивание осадков, так и нерастворимых - "коржей", отрицательно влияющих на процесс электролиза. С другой стороны, в процессе электролиза в результате взаимодействия магнитного поля с горизонтальными токами в металле возникают поперечные электромагнитные силы, являющиеся причиной образования циркуляционных потоков, отрицательно влияющих на технико-экономические показатели процесса: потери металла, снижение выхода по току, повышение расхода электроэнергии (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. - М.: Металлургия, 1970, с.220).
Известны технические решения, направленные на устранение (уменьшение отрицательного влияния) вышеуказанных недостатков.
Известен электролизер для получения алюминия, содержащий футерованный катодный кожух с подиной из углеродистых блоков, в котором с целью повышения выхода алюминия по току за счет снижения скорости циркуляционных потоков катодного металла подина выполнена с каналами, образованными продольными гранями двух соседних углеродистых блоков, глубиной 0,08-0,2 и шириной верхнего основания 0,1-0,5 высоты блока (а.с. СССР №1444401, С 25 С 3/06, 1988).
Недостатки известного решения: зарастание каналов осадком, снижение срока их эффективной работы.
Велика вероятность снижение срока службы электролизера из-за выполнения каналов по межблочным швам. Не устраняется отрицательно сказывающийся на технико-экономических показателях эффект несмачиваемости алюминием подовых углеродистых блоков.
Известно выполнение на углеродных катодах покрытия из огнеупорных боридов из суспензии, состоящей из полученных заранее частиц борида в коллоидном носителе, которое сушат и нагревают для упрочнения (патент РФ №2135643, С 25 С 3/06, 1999).
Известное решение позволяет получить смачиваемое алюминием покрытие и тем самым снизить токовые потери в подине и улучшить токораспределение, но не уменьшает отрицательного влияния циркуляционных потоков на процесс электролиза.
Известен электролизер для получения алюминия, дно которого, служащее катодом, выложено из ряда угольных катодных блоков, соединенных один с другим бок о бок клеем или уплотнительной пастой. Верхние поверхности угольных блоков образуют собственно дно электролизера, имеющее несколько параллельных каналов или канавок, предпочтительно со смачиваемым алюминием огнеупорным покрытием, с которым во время работы электролизера контактирует слой расплавленного алюминия. Такая конструкция ограничивает нежелательные перемещения расплавленного алюминия и тем самым улучшает характеристики работы электролизера и продлевает срок службы (патент США №5888360, С 25 С 3/08, 1999).
По технической сущности, наличию сходных признаков, достигаемому результату данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога для заявляемого технического решения.
Недостатки известного решения: скапливание осадков в каналах, затруднительна их очистка, выполнение огнеупорного смачиваемого алюминием покрытия только на поверхности каналов не обеспечивает в полной мере устранения несмачиваемости углеродистых блоков подины катодным металлом и отрицательных следствий этого.
Таким образом, присущие ближайшему аналогу недостатки не позволяют в полной мере повысить технико-экономические показатели процесса.
Технической задачей изобретения является повышение срока службы электролизера, технико-экономических показателей процесса электролитического получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава.
Технический результат достигается тем, что в катодном устройстве алюминиевого электролизера, содержащем футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков, в которой выполнены поперечные каналы, образованные наружными поверхностями углеродистых блоков, снабженные огнеупорным электропроводным смачиваемым алюминием покрытием, подина дополнительно снабжена продольными каналами, образованными боковыми стенками углеродистой футеровки катодного кожуха и уступами концевых частей углеродистых блоков подины, причем каналы в подине выполнены сообщающимися по периферии шахты катодного устройства длиной, равной длине и ширине шахты, а покрытие выполнено на всей поверхности подины.
Каналы по периферии шахты катодного устройства могут быть выполнены шириной, равной 1,2-2,3 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока электропроводного.
Покрытие на поверхности подины выполнено из диборида титана. Каналы в катодном устройстве предназначены не в качестве барьеров для снижения скоростей циркуляционных потоков, а в качестве накопителя нарабатываемого металла и компенсатора гидродинамических возмущений в шахте электролизера. Отсюда месторасположение и форма выполнения каналов - сообщающиеся каналы по периферии шахты катодного устройства. Ширина каналов, равная 1,2-2,3 ширины углеродистого блока, выбрана исходя из требований технологичности их выполнения при монтаже - не требуется дополнительной механической обработки блоков. Частью дна каналов будут также периферийные и межблочные швы. Глубина каналов, равная 0,2-0,4 высоты, с одной стороны, должна обеспечивать надежную целостность катодного устройства и длительный срок его службы, с другой стороны, обеспечивать прием необходимого нарабатываемого объема металла и удобство обслуживания электролизера (выливка металла).
При увеличении глубины более 0,4 высоты блока возрастает вероятность нарушения целостности катодного устройства и снижения срока его службы.
Выполнение каналов глубиной менее 0,2 высоты блока усложняет процесс выливки металла и не обеспечивает в полной мере функцию каналов как накопителя нарабатываемого металла и компенсатора гидродинамических возмущений.
Максимальное уменьшение высоты слоя жидкого металла на катоде (до 8-5 мм) становится возможным при выполнении на горизонтальной поверхности подины смачиваемого алюминием электропроводного покрытия, например из диборида титана. В этот случае толщина слоя катодного металла минимально возможная, а следовательно, и силы электромагнитного взаимодействия значительно меньше и вероятность образования скоростных циркуляционных потоков мала. Образующийся в процессе электролиза металл скапливается в периферийных каналах и оттуда извлекается вакуумковшом. Осадок на подине не образуется, т.е. устраняются нарушения технологического режима, связанные с присутствием осадка на подине, и устраняется операция чистки подины в поданодном пространстве. Чистка каналов по периферии шахты катодного устройства в случае образования осадка не требует значительных трудозатрат.
Электропроводное смачиваемое алюминием покрытие может быть выполнено на подине различными способами.
Предпочтительный вариант:
- создание покрытия, например из диборида титана, в процессе обжига и пуска электролизера путем загрузки в электролизер борсодержащих компонентов, их взаимодействия в процессе электролиза с титансодержащими, содержащимися в сырье, и высаживания продуктов взаимодействия на подину.
Поддержание такого покрытия в рабочем состоянии возможно загрузкой борсодержащих соединений в электролизер с расходными материалами с образованием материала покрытия в процессе электролиза. На фиг.1 показан поперечный разрез катодного устройства, на фиг.2 показан продольный разрез катодного устройства.
Катодное устройство состоит из металлического кожуха 1, снабженного теплоизоляционной и огнеупорной футеровкой 2, боковой и торцевой футеровкой из углеродистых блоков 3, углеродистых блоков подины 4 с выполненными на их концевых частях выступах 5, которые соединены между собой, с боковой и торцевой футеровкой из углеродистых блоков 3 углеродистой подовой массой, которой заполнены межблочные 6 и периферийные 7 швы.
Каналы выполнены по периферии шахты катодного устройства сообщающимися и образованы боковыми, торцевыми поверхностями углеродистой футеровки 3, боковыми верхними поверхностями блоков 4 и поверхностями уступов 5.
Поверхность подины из углеродистых блоков, так же как и поверхность каналов, снабжена огнеупорным электропроводным покрытием 8, например из диборида титана, получаемым в процессе обжига и пуска электролизера загрузкой вместе с пусковым сырьем борсодержащих компонентов, последующим их взаимодействием в процессе с титаном, содержащимся в составе шихты, и высаживанием на подине диборида титана. Поддерживание покрытия в рабочем состоянии осуществляется подачей в работающий электролизер борсодержащих соединений.
Заявляемая конструкция катодного устройства алюминиевого электролизера обеспечит:
1) снижение до минимума сил электромагнитного взаимодействия, порождающих циркуляционные потоки в металле;
2) улучшение токораспределения и снижение токовых потерь в подине.
Использование технического решения позволит снизить на 300-400 кВт
ч расход электроэнергии и на 1,5-2% повысить выход по току.
Формула изобретения
1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков, в которой выполнены поперечные каналы, образованные наружными поверхностями углеродистых блоков, снабженные огнеупорным электропроводным смачиваемым алюминием покрытием, отличающееся тем, что подина дополнительно снабжена продольными каналами, образованными боковыми стенками углеродистой футеровки катодного кожуха и уступами концевых частей углеродистых блоков подины, причем каналы в подине выполнены сообщающимися по периферии шахты катодного устройства длиной, равной длине и ширине шахты, а покрытие выполнено на всей поверхности подины.
2. Катодное устройство алюминиевого электролизера по п.1, отличающееся тем, что каналы по периферии шахты катодного устройства выполнены шириной, равной 1,2-2,3 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока.
3. Катодное устройство алюминиевого электролизера по п.1 или 2, отличающееся тем, что покрытие на поверхности подины выполнено из диборида титана.
