EA021620B1 - Конструкция катодного кожуха - Google Patents

Abstract

Конструкция катода электролитической ячейки, предпочтительно ячейки для производства алюминия, по способу Холла-Херульта, при этом упомянутая конструкция имеет в своем составе кожух с вертикальными ребрами жесткости и горизонтальными полками на его внешней поверхности, а также несколькими дополнительными опорными конструкциями (12), состоящими из соединенных между собой вертикальных структурных элементов (6) и горизонтальных балок (5). Конструкция включает в себя по меньшей мере одну горизонтальную полку (9) с выемками (16), кроме того, ее монтируют в контакте с упомянутым кожухом.

Description

Настоящее изобретение относится к конструкции катода для алюминиевой электролитической ячейки.

Уровень техники

Электролитические ячейки для производства алюминия на основе принципа Холла-Херульта обычно имеют предварительно обожжённые аноды в своей верхней части и конструкцию катода в нижней части. Конструкция катода включает в себя главным образом внешний стальной кожух, снабжённый на внешней стороне вертикальными рёбрами жёсткости и горизонтальными балками, которые также изготовлены из стали, при этом на внутренней стороне конструкция катода дополнительно снабжена слоями защитного и изолирующего материала. В горизонтальной нижней части конструкции катода чаще всего обычно размещают проводящие электронные углеродистые блоки. Конструкция катода во время работы включает в себя слой металла из расплавленного алюминия, при этом указанный выше расплавленный материал в ванне характеризуется температурами, которые могут достигать приблизительно 970° или даже выше.

Основная функция внешнего стального кожуха, включающего в себя рёбра жёсткости и балки, состоит в сохранении геометрической и размерной конфигураций конструкции катода в течение его срока службы. В результате непрерывного химического вспучивания катода и футеровки, а также вследствие данных высоких температур и влияния, которое это оказывает на свойства футеровки и рассматриваемых стальных компонентов, было предпринято несколько попыток изготовления конструкции стального кожуха и конфигурации рёбер жёсткости, способных длительно противостоять указанному воздействию.

Например, при помощи адекватного охлаждения можно ослаблять некоторые из неблагоприятных воздействий температуры в стальном кожухе для предотвращения старения стали и потери механических свойств, подобных прочности, эластичности и т.д. В способах предшествующего уровня техники имеются примеры устройств для естественного охлаждения, выполненные посредством разработки конструкции, повышающей жёсткость таким образом, что позволяет окружающему воздуху проходить вблизи конструкции кожуха.

В патенте США 4087345 раскрыта конструкция катода, рассчитанная на остывание посредством естественного охлаждения, в которой размещены протоки или проходы между вертикальными рёбрами жёсткости с наружной стороны катодного кожуха для обеспечения восходящего потока воздуха. Горизонтальные балки, предусмотренные как часть конструкции для повышения её жёсткости, расположены на внешней поверхности вертикальных рёбер жёсткости.

Из-за высоких термических нагрузок в современных электролитических ячейках при силе тока, приближающейся к 400 кА или даже больше, отклонение вертикальных элементов вследствие термического расширения и закручивания или кручения может быть причиной недостаточной конструкционной стабильности стального кожуха.

В патенте США 4322282 раскрыт резервуар электролитической ячейки, снабжённый горизонтальными подвижными полыми секциями, прикреплёнными к боковым стенкам металлического резервуара. Указанные секции изгибаются внутрь в результате градиента температур в перпендикулярном по отношению к ним направлении так, что они противодействуют давлению на боковые стенки вследствие увеличения объёма содержимого ячеек, следовательно, действуя как термопружина. На противоположных горизонтальных стенках полой секции предусмотрены отверстия для снижения теплопроводности внутри секций и поддержания таким образом в них градиента температур. Циркуляция воздуха, которая возникает в результате этого, дополнительно способствует достижению и поддержанию разности температур.

Однако вследствие довольно малых размеров отверстий, расположенных на двух противоположных горизонтальных стенках, полая секция сильно ограничивает естественный восходящий поток воздуха вдоль стального кожуха. Расчёты посредством моделирования показывают, что поток внутри полой секции будет частично вертикальным, а частично циркуляционным, что обусловливает меньший перенос тепла из полой секции. В частности, поток вблизи кожуха будет частично направлен вниз и не будет обеспечивать достаточного охлаждения в указанной области. Это дополнительно продемонстрировано на фиг. 3.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере одну горизонтальную полку монтируют в контакте со стальным кожухом без промежуточных вертикальных элементов, которые могут изменять свою геометрическую конфигурацию в результате тепловых нагрузок. Для уменьшения или устранения отрицательного воздействия горизонтальных полок, размещённых в непосредственном контакте со стальными листами (кожух), созданы условия для адекватного охлаждения указанных полок и самих пластин. При помощи настоящего изобретения достигается стабильное и экономически эффективное решение в отношении отрицательного явления старения и геометрического/размерного отклонения в структурных компонентах кожуха электролизёра. Полка имеет выемки, обращенные в сторону кожуха.

Указанные и дополнительные преимущества могут быть достигнуты в соответствии с изобретением, описанным в прилагаемой формуле изобретения.

- 1 021620

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение будет дополнительно описано примерами и чертежами, на которых на фиг. 1 представлен трёхмерный вид четвёртой части конструкции кожуха электролизёра без внутренних стенок для лучшей видимости, на фиг. 2 раскрыт трёхмерный вид торцевой конструкции кожуха электролизёра, показанного на фиг. 1, без торцевой стенки и палубной втулки, на фиг. 3 отображён воздушный поток внутри одной полой секции конструкции предшествующего уровня техники, на фиг. 4 отображён воздушный поток в соответствии с настоящим изобретением, проходящий через нижнюю и верхнюю полку.

Осуществление изобретения

Как можно видеть из фиг. 1, в объёмном изображении представлена четвёртая часть конструкции 1 кожуха электролизёра, где стальные листы не показаны. Изображены половина торцевой стенки 2 и, соответственно, половина боковой стенки 3, а также четвёртая часть днища 4. Торцевая стенка в качестве её основных составляющих частей включает в себя палубную втулку 7, вертикальные рёбра 8, 8', 8, 8' жёсткости, одну горизонтальную полку 9 и укрепляющий связывающий фланец 10.

Боковая стенка 3 имеет в своём составе палубную втулку 11, вертикальные структурные элементы 6, 6', 6, 6', 6, 6....., 6......, которые фактически являются частью опорной конструкции 12 вместе с соответствующими горизонтальными балками 5, 5', 5, 5', 5, 5....., 5......, которые жёстко взаимосвязаны с упомянутыми вертикальными структурными элементами. Кроме того, боковая стенка 3 включает в себя ряд вертикальных рёбер жёсткости 13, 14, 15, которые дополнительно действуют как пластины охлаждения.

На фиг. 2 в объёмном изображении представлена конструкция 2 торцевой стенки, частично показанная на фиг. 1, в данном случае на всей её протяжённости, и из которой была удалена палубная втулка. Как показано на фиг. 1, укрепляющий связывающий фланец 10 представляет собой элемент конструкции торцевой стенки, находящийся ближе всего к наружному краю. Связывающий фланец дополнительно прикрепляют к боковым стенкам и вертикальному структурному элементу 6...... опорной конструкции, наиболее близкому к данному торцу. Внутри связывающего фланца 10 размещают главным образом горизонтальную полку 9, внешний контур которой соответствует форме связывающей полки.

Как показано на фиг. 1, конструкция торцевой стенки дополнительно включает в себя вертикальные рёбра 8, 8', 8, 8', 8, 8....., 8......жёсткости. Количество рёбер жёсткости является функцией ширины кожуха и предполагаемого воздействия внутренних сил. Упомянутые рёбра жёсткости встраивают в горизонтальную полку 9 любым подходящим технологическим способом. Например, полка 9 может иметь прорези, приведённые в соответствие рёбрам жёсткости, которые последовательно прикрепляют к полке, например, сваркой. Можно реализовать ещё один способ изготовления полки 9 в виде соответствующих кусков или листов, которые упираются в рёбра жёсткости и которые последовательно прикрепляют к упомянутым рёбрам.

В данном варианте осуществления изобретения вертикальные рёбра жёсткости снабжают фланцем на их внешней стороне. Часть такого фланца указана позицией 8а' в ребре жёсткости 8'. Одна из функций данного фланца состоит в повышении жёсткости в ребре жёсткости при изгибе и кручении в случае возникающих нагрузок. Внутреннюю сторону рёбра жёсткости прикрепляют к стальному (стальным) листу (листам) кожуха электролизёра соответствующими способами, например сваркой. Аналогичным образом, рёбра жёсткости присоединяют к листу днища кожуха на всей протяжённости (не показано) для повышения жёсткости торцевой стенки.

Для обеспечения достаточной вентиляции по всей длине кожуха электролизёра на основе восходящего потока горизонтальную полку 9 снабжают несколькими отверстиями или выемками 16, 16', 16,

16', 16, 16....., 16......, 16........ Упомянутые выемки делают достаточно широкими и глубокими с целью уменьшения эффекта присутствия горизонтальной полки в отношении вентиляции. Предпочтительно выемки делают полукруглыми, или полуэллиптическими, или многоугольными, и они представлены отдельными вырезами на боковой кромке полки. Образующие перемычку или выступающие наружу части полки между соседними канавками присоединяют к кожуху электролизёра подходящими способами, например сваркой. На фиг. 2 можно видеть вертикальные пластины 17, 17', 17, 17', 17, 17....., 17......,

17......., проходящие через соответствующие выемки. Назначение пластин заключается главным образом в улучшении охлаждения кожуха электролизёра посредством проводимости, однако дополнительные воздействия определяют поток воздуха, а также добавочное повышение жёсткости листов кожуха электролизёра. Предпочтительно пластины прикрепляют к кожуху электролизёра подходящими способами, как, например, сваркой.

Следует понимать, что конструкция торцевой стенки может иметь две горизонтальные полки типа полки 9, которые разнесены в пространстве (не показано).

Схема движения воздушного потока в соответствии с такой компоновкой представлена на фиг. 4. Можно отчётливо видеть, что воздушный поток направлен вверх вдоль стенки кожуха и через вентиляционные отверстия или выемки типа выемок 16.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Катод электролитической ячейки, предпочтительно ячейки для производства алюминия по способу Холла-Херульта, содержащий кожух с вертикальными рёбрами (8) жёсткости и горизонтальными полками (9) на его внешней поверхности, а также несколькими дополнительными опорными конструкциями (12), состоящими из соединённых между собой вертикальных структурных элементов (6) и горизонтальных балок (5), причем по меньшей мере одна горизонтальная полка (9) снабжена выемками (16), обращенными в сторону стенки кожуха, при этом горизонтальная полка (9) имеет образующие перемычку части между выемками (16), образующие перемычку части находятся в контакте с кожухом и простираются в горизонтальном направлении до боковых сторон упомянутых вертикальных рёбер жёсткости, в соответствии с чем выемки расположены между рёбрами жёсткости и дополнительно обеспечивают конвективный поток, восходящий вблизи горячей стенки кожуха, при этом выемки являются достаточно широкими и глубокими для ослабления влияния присутствия горизонтальной полки в отношении вентиляции.
2. 2. Катод по п.1, отличающийся тем, что выемки (16) представлены отдельными вырезами на боковой кромке полки, имеющей между ними образующие перемычку части (18), причём полку присоединяют к кожуху посредством упомянутых частей, образующих перемычку; конструкция, в которой выемки, расположенные на среднем участке горизонтальной полки, больше выемок на двух его концевых участках.
3. 3. Катод по п.1, отличающийся тем, что выемки (16) являются полукруглыми, или полуэллиптическими, или многоугольными.
4. 4. Катод по п.1, отличающийся тем, что пластины охлаждения (17) размещают на внешней поверхности кожуха и в проходах через выемки (16).
5. 5. Катод по п.1, отличающийся тем, что связывающий фланец (10) размещают с внешней стороны горизонтальной полки (9).
6. 6. Катод по п.5, отличающийся тем, что плоскость ориентации связывающего фланца (10) является в большинстве случаев вертикальной.
7. 7. Катод по п.5, в частности конструкция его торцевой стенки, отличающийся тем, что связывающий фланец присоединяют к вертикальным структурным элементам (6) опоры (12) вблизи данного конца.
8. 8. Катод по п.5, отличающийся тем, что нижнюю часть вертикальных рёбер жёсткости (8) соединяют с листом днища кожуха на всей протяжённости.
9. 9. Катод по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что структурные элементы изготовливают из стальных материалов.
10. 10. Катод по п.9, отличающийся тем, что упомянутые элементы присоединяют друг к другу сваркой.
11. 11. Катод по п.1, отличающийся тем, что он содержит две горизонтальные полки (9).