EA029173B1

EA029173B1 - Уплотнительный узел для катодных токоотводящих стержней

Info

Publication number: EA029173B1
Application number: EA201492113A
Authority: EA
Inventors: Тони Дж. Кэрролл
Original assignee: Мид Маунтин Матириалз, Инк.
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2018-02-28
Also published as: WO2014025409A1; US9611557B2; CA2878424A1; US20140042021A1; CA2878424C; EA201492113A1

Abstract

Концевой участок (22) катодного токоотводящего стержня, простирающийся через окно в боковой стенке (12) электролизера для рафинирования алюминия, плотно принимается в центральном отверстии уплотнительного узла (30; 50). Такой уплотнительный узел (30; 50) поддерживает герметичное уплотнение, предотвращающее приток воздуха через окно в боковой стенке, одновременно обеспечивая продольное (горизонтальное) перемещение токоотводящего стержня (22), а также перемещение в вертикальной плоскости (поперек, или вверх, или вниз, или по диагонали), которое может быть вызвано изменением тепловых условий внутри электролизера.

Description

изобретение относится к уплотнению концевых участков катодных токоотводящих стержней, используемых в электролизерах для производства алюминия. Такие электролизеры (также известные как ванны), как правило, содержат наружный металлический кожух, огнеупорную футеровку/заполнитель, ограничивающие область для накапливания металлического алюминия и электролита, и верхние аноды, подвергающиеся воздействию ванны алюминия-электролита. Блоки угольных катодов располагаются в нижней части области ванны ниже упомянутых анодов. Катодные токоотводящие стержни, как правило, помещаются в блоки угольных катодов и имеют противоположные концы, которые выступают через отверстия в стенках кожуха для соединения с наружными проводящими шинами. Характерные конструкции показаны в следующих публикациях и приведенных в них ссылках:

патент США № 4619750 (Катодная ванна для алюминиевого электролизера); патент США № 6231745 (Катодный токоотводящий стержень);

патент США № 6387237 (Катодный токоотводящий стержень с прокладкой для улучшенного теплового баланса и способ);

публикация патента США № 2008/0308415 (Катоды для алюминиевого электролизера с расширенной графитовой футеровкой);

патент США № 7618519 (Катодный элемент для использования в электролизере, предназначенном для производства алюминия);

патент США № 7776190 (Катоды для алюминиевого электролизера с расширенной графитовой футеровкой);

публикация патента США № 2010/0258434 (Композитный токоотводящий стержень).

Сущность изобретения

Это краткое изложение обеспечивается для представления выбора концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описываются ниже в подробном описании. Данное краткое изложение не предназначено для выявления ключевых признаков заявленного предмета изобретения, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения.

Настоящее изобретение обеспечивает уплотнительный узел для катодного токоотводящего стержня, в котором он проходит через окно в боковой стенке электролизера для рафинирования алюминия. Такой уплотнительный узел поддерживает герметичное уплотнение, предотвращающее приток воздуха через окно в боковой стенке, одновременно обеспечивая продольное (горизонтальное) перемещение токоотводящего стержня, а также перемещение в вертикальной плоскости (поперечно или вверх и вниз, или по диагонали), которое может быть вызвано изменением тепловых условий внутри электролизера. В одном варианте осуществления уплотнительный узел включает в себя уплотнительный элемент, который скользит между рамными листами, закрепленными вокруг окна. В другом варианте осуществления уплотнительный узел включает в себя конический колпак, имеющий один конец, присоединенный к элементу основания или листу, прикрепленному к боковой стенке электролизера, и удаленный конец, образующий центральное отверстие для приема стержня, с механическим затягивающимся элементом для регулирования посадки колпака на стержне.

Описание чертежей

Вышеизложенные аспекты и многие из присущих преимуществ данного изобретения станет легче оценить, поскольку они станут более понятными с помощью ссылки на следующее подробное описание при рассмотрении вместе с сопроводительными чертежами, на которых

фиг. 1 (предшествующий уровень техники) представляет собой очень схематичный частичный вид сбоку характерного электролизера для производства алюминия с открытыми частями;

фиг. 2 представляет собой частичный вид сверху в перспективе уплотнительного узла для катодных токоотводящих стержней, который приложен к боковой стенке электролизера в области отверстия для выступающего концевого участка катодного токоотводящего стержня;

фиг. 3 представляет собой вид сверху в перспективе, показывающий составные части уплотнительного узла на фиг. 2 в разбитом на части взаимоположении;

фиг. 4 представляет собой вид сверху в перспективе уплотнительного узла на фиг. 2 и 3 при альтернативной установке на электролизере;

фиг. 5 представляет собой вид сверху в перспективе второго варианта осуществления уплотнительного узла для катодных токоотводящих стержней в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 6 представляет собой вид сверху в перспективе второго варианта осуществления уплотнительного узла, который установлен на боковой стенке электролизера; и

фиг. 7 представляет собой вид сверху в перспективе, соответствующий фиг. 6, но показывающий альтернативную установку на электролизере.

- 1 029173

Подробное описание

Со ссылкой на фиг. 1 известный электролизер 10 для производства алюминия основного типа, которого касается настоящее изобретение, имеет наружный кожух 12 и внутренние слои из огнеупорной футеровки/заполнителя 14. Верхний анод 16 простирается ниже верхней части кожуха в область "ванны", которая во время работы содержит расплавленный электролит и жидкий металлический алюминий. Электрический ток проходит от анода через ванну к угольному катодному устройству 18. Такой ток передается из электролизера металлическими катодными токоотводящими стержнями 20. Стержни 20 имеют концевые участки 22, которые выступают через отверстия в боковых стенках кожуха 12. На внешней стороне кожуха токоотводящие стержни соединяются с шинным проводниковым узлом 24.

Промышленные электролизеры выполнены с возможностью непрерывной работы в течение, по меньшей мере, нескольких лет при высоких рабочих температурах (таких, как 940°С). Прерывистый режим работы, как правило, не практичен из-за серьезных напряжений, вызываемых во время запуска в связи с различными температурными характеристиками используемых материалов. Кроме того, независимо от того, насколько тщательно продумана конструкция и приняты меры предосторожности при запуске, может происходить некоторое структурное повреждение, которое является не сразу обнаруживаемым или предотвращаемым, приводя к преждевременному выходу из строя ванны. Например, рабочие условия не статические, потому что точный состав ванны алюминий-электролит изменяется, поскольку добавляется больше электролита, а металлический алюминий выпускается.

Температурные градиенты могут развиваться непредсказуемым образом. Коррозионные составы могут просачиваться через некоторые из составляющих ванны и/или проникать через маленькие трещины или зазоры, которые не обнаружены. Предполагается, что другим фактором должно быть натекание воздуха через отверстия в боковой стенке для катодных токоотводящих стержней, что может вызывать окисление токоотводящего стержня и катодных материалов. Иногда выполняется попытка уменьшить вероятность притока воздуха посредством жесткого соединения токоотводящего стержня со стенкой кожуха. В других конструкциях "уплотнение" образуется с помощью использования высокотемпературной мастики или "формуемого" состава. Такие составы, как правило, жесткие при укладывании, но могут позволять продольное скользящее перемещение катодного токоотводящего стержня, что может быть важным. Недеформируемые соединения концов катодного токоотводящего стержня со стенкой кожуха могут вызывать растягивающие напряжения в блоках угольных катодов, как если бы токоотводящие стержни изгибались, коробились или деформировались из-за теплового расширения и сжатия.

Настоящее изобретение обеспечивает уплотнительный узел для области, где концевой участок токоотводящего стержня проходит через боковую стенку электролизера. Такой узел поддерживает герметичное уплотнение, предотвращающее приток воздуха через отверстие в боковой стенке, одновременно обеспечивая продольное (горизонтальное) перемещение токоотводящего стержня, а также перемещение в вертикальной плоскости (поперечно или вверх и вниз, или по диагонали), которое может быть вызвано изменением температурных условий внутри электролизера. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2 и 3, уплотнительный узел 30 согласно настоящему изобретению прикрепляется к внешней стороне боковой стенки 12 электролизера, закрывая отверстие или окно, через которое простирается концевой участок 22 токоотводящего стержня. Со ссылкой на фиг. 3 уплотнительный узел включает в себя внутреннюю рамную деталь или листовой элемент 32 основания с центральным отверстием 34 с приблизительно таким же размером и формой, как у окна в боковой стенке, через которое проходит концевой участок токоотводящего стержня. Наружная рама или лист 36 имеет форму, идентичную внутреннему листу. Узкая прокладка 38 вставляется между внутренним и наружным листами 32 и 36, так как имеется уплотнительная деталь или лист 40, который имеет отверстие 42, предпочтительно выштампованную прорезь, которое практически идентично совмещается с наружным профилем поперечного сечения концевого участка токоотводящего стержня. Когда листы 32 и 36 закрепляют вместе с прокладкой 38 между ними, уплотнительный лист 40 садится в большое отверстие 44 прокладки 38, вставленной между рамными деталями 32 и 36, но не соединенной с ними. Части имеют размеры и пропорции такие, что уплотнительный лист 40 является скользящим внутри отверстия 44 прокладки вверх и вниз, поперек и по диагонали из центрального положения, но всегда с непрерывным периферийным участком или кромкой уплотнительного листа, вставленного между наружной поверхностью листа 32 и внутренней поверхностью листа 36.

Со ссылкой на фиг. 2 уплотнительный узел 30 может устанавливаться с внешней стороны электролизера, сначала посадкой концевого участка 22 токоотводящего стержня через отверстие 42 уплотнительного листа 40, а затем закреплением обратной стороны внутреннего листа 32 на периферийном участке, окружающем окно в боковой стенке 12 электролизера. Посадка уплотнительного листа 42 на стержне 22 достаточно плотная для достижения желаемого герметичного уплотнения, но не такая тугая для того, чтобы предотвратить продольное скользящее перемещение стержня относительно уплотнительного листа 42 из-за теплового расширения и сжатия. Силы, стремящиеся переместить стержень сбоку, по диагонали или вверх и вниз, приводят к скольжению уплотнительного листа 40 в канале, образованном между внутренним и наружным листами 32, 36, т.е. в пространстве между такими листами с внутренней стороны прокладки 44. Данная конструкция обеспечивает всестороннее перемещение катод- 2 029173

ного стержня, которое может быть вызвано в процессе запуска и во время работы электролизера, и наоборот, уменьшает напряжения, которые могут быть приложены к внутренним составным частям электролизеров, в том числе блокам угольных катодов.

Материалы для составляющих уплотнительного узла 30 должны тщательно выбираться из-за экстремальных условий работы, действию которых они подвергаются. Необходимо, чтобы такие материалы были негорючими, термостойкими и огнеупорными как в смысле обладания небольшой тенденцией или отсутствием расширения или сжатия в условиях работы при высокой температуре, так и в смысле устойчивости к химикатам обычно встречающегося при использовании типа, в том числе газообразному фтороводороду. Уплотнительный лист 42 должен быть вырезаемым, предпочтительно высекаемым для придания точной формы наружной периферии катодного токоотводящего стержня, но также иметь некоторую степень гибкости вдоль ее внутреннего края для компенсации поперечного теплового расширения и сжатия стержня, одновременно по-прежнему обеспечивая скользящее перемещение стержня через отверстие листа и поддерживая герметичное уплотнение. В представленном варианте осуществления подходящие материалы включают в себя материалы, поставляемые МИ-МоипЕип Ма1епаР 1пс., Мегсег Ыапк, Ααδίιίηφοη, указанные ниже:

для рамных листов 32 и 36: ЛКМЛТЕХ ® ОЕ40 (огнеупорная ткань, состоящая из стекловолоконного текстиля, покрытого термостойким огнеупорным соединением);

для прокладки 38 и скользящего уплотнительного листа 40: ЛКМЛТЕХ ® 8В0Е100 (огнеупорная ткань из утяжеленного стекловолоконного текстиля, покрытого термостойким огнеупорным соединением на одной стороне и кремнекаучуком на другой стороне).

Концевые участки листов 32 и 36 и прокладки 38 могут быть закреплены вместе сшиванием с использованием высокотемпературной нити (такой как нить, образованная из Мк-Моийатп ЛКМЛТЕХ ® 8СТ18, которая составлена из сплетенных и скрученных вместе стекловолоконных нитей).

Прикрепление обратной стороны листа 32 основания к внешней стороне боковой стенки 12 электролизера вокруг окна, через которое проходит токоотводящий стержень, может быть выполнено посредством высокотемпературного клея или цементирующего вещества, совместимого с материалами рамы и стенки электролизера. Цементирующее вещество МИ-МоипЕип ТНЕКМО8ЕАЬ ® 1008Р хорошо работает для закрепления текстиля ОЕ40 на стали и соответствует высокотемпературным требованиям, при этом выдерживая термическое расширение и сжатие при потенциально колеблющихся тепловых условиях.

Могут быть использованы другие материалы с похожими свойствами.

В случае новой конструкции электролизера или модернизации существующего электролизера узел 30 может устанавливаться изнутри, как представлено на фиг. 4. Уплотнительный узел 30, большая часть которого показана пунктирной линией на фиг. 4, закрепляется на внутренней поверхности боковой стенки 12 вокруг отверстия 46 в окне боковой стенки. Уплотнительный лист 40, имеющий отверстие, точно и плотно принимающее концевой участок 22 токоотводящего стержня, выполнен с возможностью скольжения в пространстве между рамным листом или элементом 36 основания и листом 32, слегка смещается в этом пространстве посредством прокладочного материала 38. Те же самые материалы и высокотемпературный клей или цементирующее вещество могут использоваться в этом устройстве, как было описано со ссылкой на установку, представленную на фиг. 2.

Сравнительное определение размеров частей важно для уверенности, что катодный токоотводящий стержень является перемещаемым до максимальной степени, допускаемой окном электролизера, без того, чтобы края уплотнительного листа 40 подвергались воздействию. Аналогично, канал между рамными листами 32 и 36 должен быть достаточной глубины для обеспечения такого максимального перемещения без того, чтобы наружный край уплотнительного листа входил в соприкосновение с прокладкой. Это может быть проиллюстрировано с действительными размерами для характерного варианта осуществления, в котором катодный токоотводящий стержень имеет прямоугольный разрез (не принимая во внимание закругленные углы) 230x115 мм. Окно электролизера может быть прямоугольным с размерами по длине и ширине 262x150 мм. Таким образом, из центрального положения максимальное перемещение стержня "поперек" в окне электролизера составляет 16 мм в каждом направлении, а максимальное перемещение вверх и вниз токоотводящего стержня в окне электролизера составляет 17,5 мм из центрального положения. Для этих размеров наружные размеры уплотнительного листа 40 могут быть 310x190 мм так, что если лист сдвигается на максимальную величину, допускаемую посадкой токоотводящего стержня в окне электролизера, все еще имеется существенная кромка или краевой участок уплотнительного листа, закрывающего окно электролизера, причем стержень посажен в канале уплотнительного узла и не сцепляется с прокладкой, которая может иметь центральное отверстие около 345x225 мм и ширину вдоль каждой стороны 12,5 мм.

Со ссылкой на фиг. 5, 6 и 7 альтернативный уплотнительный узел 50 согласно настоящему изобретению имеет лист 52 основания для крепления узла вокруг окна электролизера. Может использоваться термостойкая огнеупорная ткань или текстиль описанного выше типа. Прикрепленной к листу основания является короткая коническая секция или колпак 54 из более гибкого термостойкого огнеупорного мате- 3 029173

риала, который заканчивается подогнутым участком 56 (или близко дистацированными волнами) для механического затягивающего элемента в форме шнурка 58 (такого как термостойкий огнеупорный шнур). Лист 52 основания может быть закреплен на стенке 12 электролизера, в том числе подходящим термостойким огнеупорным клеем или цементирующим веществом. Герметичное уплотнение с концевым участком 22 токоотводящего стержня улучшается затягиванием шнура 58 и завязыванием его узлом или в других случаях закреплением его в туго натянутом состоянии. Предпочтительно отверстие 60 (фиг. 5) конического участка 54 имеет размер для плотного приема стержня, и уплотнение улучшается затянутым шнурком. Материал для шнура может выбираться, чтобы иметь небольшую степень упругости с тем, чтобы регулировать посадку уплотнительного узла 50 на стержне, поскольку стержень увеличивается или уменьшается в площади поперечного сечения из-за теплового расширения или сжатия.

Как видно на фиг. 7, аналогично ранее описанному варианту осуществления, уплотнительный узел 50 может быть приложен к его основанию 52 или на внутренней, или на внешней стороне стенки 12 электролизера.

Вне зависимости от используемой формы изобретения надежное герметичное уплотнение может быть достигнуто без внесения мастики или формуемого материала.

В то время как иллюстративные варианты осуществления были изображены и описаны, следует принять во внимание, что в них могут быть выполнены различные изменения без отступления от сути и объема изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Уплотнительный узел для концевого участка горизонтально простирающегося катодного токоотводящего стержня, проходящего через окно в боковой стенке электролизера, при этом стержень имеет сечение меньшего размера, чем окно электролизера, для обеспечения перемещения стержня в вертикальной плоскости в окне, причем упомянутый уплотнительный узел содержит уплотнительный элемент, имеющий центральное отверстие, плотно принимающее концевой участок токоотводящего стержня в состоянии герметизации, но обеспечивая продольное перемещение концевого участка стержня через центральное отверстие, причем уплотнительный узел дополнительно включает в себя элемент основания, предназначенный для прикрепления к боковой стенке электролизера вокруг окна в состоянии герметизации, причем уплотнительный узел сконструирован и расположен для обеспечения перемещения концевого участка стержня в вертикальной плоскости в полной мере, допускаемой посадкой концевого участка стержня в окне без отрицательного воздействия на состояние герметизации концевого участка стержня в центральном отверстии или состояние герметизации элемента основания вокруг окна, при этом элемент основания и уплотнительный элемент закреплены вместе, уплотнительный элемент содержит гибкий материал, имеющий центральное отверстие, и механический затягиваемый элемент, выполненный с возможностью ручного затягивания и ослабления посадки центрального отверстия вокруг концевого участка стержня.
2. Уплотнительный узел по п.1, в котором уплотнительный элемент и элемент основания представляют собой негорючий термостойкий огнеупорный материал.
3. Уплотнительный узел по п.2, в котором уплотнительный элемент и элемент основания содержат стекловолоконное полотно, покрытое термостойким огнеупорным соединением.
4. Уплотнительный узел по п.1, в котором лист основания прикреплен к боковой стенке электролизера клеем или цементирующим веществом.
5. Уплотнительный узел по п.1, в котором элемент основания прикреплен к внешней поверхности боковой стенки электролизера вокруг окна.
6. Уплотнительный узел по п.1, в котором механическим затягиваемым элементом является шнурок.
7. Уплотнительный узел по п.1, в котором уплотнительный элемент представляет собой конический колпак из гибкого термостойкого огнеупорного материала, имеющий первый конец, присоединенный к листу основания, и второй конец в отдалении от листа основания, образующий центральное отверстие.
8. Уплотнительный узел по п.7, в котором второй конец уплотнительного элемента подогнут и включает в себя шнурок, установленный на подогнутом участке уплотнительного элемента.

- 4 029173

- 5 029173

- 6 029173