NO137211B

NO137211B - OVEN BOX.

Info

Publication number: NO137211B
Application number: NO760400A
Authority: NO
Inventors: Eystein Sandvik; Otto J Stroemme
Original assignee: Ardal Og Sunndal Verk
Priority date: 1976-02-06
Filing date: 1976-02-06
Publication date: 1977-10-10
Also published as: NO137211C; NO760400L

Description

Denne oppfinnelse angår en ovnskasse til elektrolyse-celle for smelte-elektrolytisk fremstilling av aluminium, omfattende en bunnplate, sidevegger og endevegger av stålplater, samt en forsterkende konstruksjon som omgir disse. This invention relates to a furnace case for an electrolysis cell for the smelting-electrolytic production of aluminium, comprising a bottom plate, side walls and end walls of steel plates, as well as a reinforcing construction which surrounds these.

Erfaring har vist at det i elektrolyseceller som drives med høye strømstyrker opptrer elektromagnetiske krefter som kan forårsake driftsforstyrrelser. Disse driftsforstyrrelser vil gjerne inntre ved strømstyrker på 40 - 50 kA. Ved enda høyere strømstyrker f.eks. 100 - 200 kA kan vanskelighetene bli så store at det ikke er mulig å oppnå tilfredsstillende driftsforhold uten å ta visse, og som regel kostbare, forholdsregler av konstruksjonsmessig art. Disse elektromagnetiske krefter oppstår når strømmen passerer magnet-feltene i elektrolysecellen og forårsaker bølger, bobler og andre bevegelser i bad og metall. Da forskjellen i spesifikk vekt av det smeltede bad og det underliggende smeltede metall er meget liten, kan dette forårsake betydelige variasjoner i avstanden mel- Experience has shown that in electrolytic cells operated with high currents, electromagnetic forces occur which can cause operational disturbances. These operational disruptions tend to occur at currents of 40 - 50 kA. At even higher amperages, e.g. 100 - 200 kA, the difficulties can be so great that it is not possible to achieve satisfactory operating conditions without taking certain, and usually expensive, precautions of a constructional nature. These electromagnetic forces occur when the current passes the magnetic fields in the electrolytic cell and cause waves, bubbles and other movements in the bath and metal. As the difference in specific weight of the molten bath and the underlying molten metal is very small, this can cause significant variations in the distance between

lom anode og smeltet metall. For å forhindre at det smeltede me- lom anode and molten metal. To prevent it from melting me-

tall berører anoden og lager partiell kortslutning, må anode/katode-avstanden økes. Dette resulterer i større spenningsfall mellom anode og katode, varmere ovnsdrift og større kraftforbruk pr. kg metall produsert. number touches the anode and creates a partial short circuit, the anode/cathode distance must be increased. This results in a greater voltage drop between anode and cathode, hotter furnace operation and greater power consumption per kg of metal produced.

Horisontale elektriske strømmer i metallreserven gir sammen med vertikale magnetfelter elektromagnetiske krefter i ovnens lengde-retning. For å begrense de horisontale strømkomponenter og derved redusere de kraftigste bevegelser i metall og bad, er det vanlig at man tilsikter at det dannes et innvendig belegg av størknet bad på elektrolysecellens sideforing av kull. Dette belegg virker elektrisk isolerende og begrenser derved de horisontale strømkomponenter. Horizontal electric currents in the metal reserve together with vertical magnetic fields produce electromagnetic forces in the longitudinal direction of the furnace. In order to limit the horizontal current components and thereby reduce the strongest movements in the metal and bath, it is usual to aim for an internal coating of solidified bath to form on the side lining of the electrolysis cell made of coal. This coating acts as an electrical insulator and thereby limits the horizontal current components.

Dette belegg oppnår man ved ikke å gjøre sideforingen for tykk og This coating is achieved by not making the side lining too thick and

ved å sløyfe termisk isolasjon mellom sideforing og elektrolysecellens stålmantel. En annen fordel med sidebelegget er at det beskytter sideforingen mot angrep fra badet. Ikke desto mindre,:' hender det ofte at man får utsmeltninger gjennom sideforingene med påfølgende store ulemper og omkostninger. Utsmeltningene forårsakes vesentlig på grunn av høye driftstemperaturer, enten i forbindelse med bluss, eller på grunn av dårlige driftsforhold som blant annet kan skyldes sterke elektromagnetiske krefter. by looping thermal insulation between the side lining and the electrolytic cell's steel jacket. Another advantage of the side covering is that it protects the side lining from attacks from the bathroom. Nevertheless, it often happens that you get meltdowns through the side liners with consequent great inconvenience and costs. The meltdowns are mainly caused by high operating temperatures, either in connection with flares, or due to poor operating conditions which can, among other things, be due to strong electromagnetic forces.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å skape et kraftig og stabilt sidebelegg, samtidig som det gis muligheter for å lage en sterkere og mer holdbar ovnskasse uten å øke stålvekten. Dette blir i ovnskassen ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at det inntil sideveggene og endeveggene på utsiden av disse er anordnet vertikale avstivningselementer og at det utenpå avstivningselementene er anordnet en stort sett horisontal forsterkningsramme på slik måte at det mellom avstivningselementene dannes vertikale, frie luftpassasjer inntil sideveggene og endeveggene og slik at avstivningselementene virker som kjøleribber for varmebortføring fra side- og endeveggene. The present invention aims to create a strong and stable side coating, while at the same time providing opportunities to make a stronger and more durable oven box without increasing the steel weight. In the oven box according to the invention, this is achieved by vertical bracing elements being arranged next to the side walls and end walls on the outside of these and a largely horizontal reinforcement frame being arranged on top of the bracing elements in such a way that vertical, free air passages are formed between the bracing elements up to the side walls and end walls and so that the bracing elements act as heat sinks for heat removal from the side and end walls.

De fordeler som denne løsning medfører, er i første rekke følgende: 1. Forsterkningsrammens plassering adskilt fra kassesiden: Gir små termiske påkjenninger på forsterkningsrammen, The advantages that this solution entails are primarily the following: 1. The location of the reinforcement frame separate from the box side: Causes small thermal stresses on the reinforcement frame,

dvs. unngår aldringsfenomener på styrkebærende kon-struksjoner. i.e. avoids aging phenomena on strength-bearing constructions.

Gir lav temperatur på forsterkningsrammen og små temperaturvariasjoner når omgivelsestemperaturen varierer. Provides a low temperature on the reinforcement frame and small temperature variations when the ambient temperature varies.

Gir liten temperaturforskjell fra indre til ytre Gives a small temperature difference from inside to outside

del av forsterkningsrammen. part of the reinforcement frame.

Styrer luftstrømmen inn mot kassesiden. Controls the air flow towards the case side.

2. Vertikale avstivere i kontakt med kassesiden: 2. Vertical braces in contact with the box side:

Virker som kjøleribber. Acts as heat sinks.

Gir liten luftmotstand. Gives little air resistance.

Styrer luften vertikalt opp langs kassesiden.. Directs the air vertically up along the box side..

Gir ikke muligheter for oksydansamlinger inntil kassesiden...... Does not provide opportunities for oxide accumulations up to the case side......

Ovnskonstruksjonen gir med andre ord høye og stabile varmeover-gangstall mellom kasseside og omgivelser. Dette er av meget stor betydning for å få kraftig og stabilt sidebelegg, som igjen beskytter sideforingen. In other words, the oven construction provides high and stable heat transfer rates between the box side and the surroundings. This is of very great importance in order to get a strong and stable side coating, which in turn protects the side lining.

Stabilt sidebelegg gir stabil og gunstig katodisk strømfordeling, og dermed gode driftsforhold. Gode driftsforhold gir høyere strøm-utbytte og lenger levetid på katoden. Stable side coating provides stable and favorable cathodic current distribution, and thus good operating conditions. Good operating conditions give a higher current yield and a longer lifetime of the cathode.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvis-ning til tegningen, hvor: Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom en del av en elektrolyse- celle omfattende sidevegg-konstruksjonen i denne, og figur 2 viser et horisontalt snitt gjennom en del av elektrolyse cellen i noe mindre målestokk. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, where: Figure 1 shows a vertical section through part of an electrolysis cell comprising the side wall construction in this, and figure 2 shows a horizontal section through a part of electrolysis the cell on a somewhat smaller scale.

Tegningsfigurene viser sidevegger 1 og endevegger 11 som sammen med en bunnplate 10 danner den egentlige kasseform oppbygget av stålplater. Stålveggene 1 og 11 trenger en kraftig omgivende forsterk-ning som i dette tilfelle først og fremst omfatter vertikale avstivningselementer 2 langs sideveggene 1 og tilsvarende elementer 22 langs endeveggene 11. Disse avstivningselementer utgjør vertikale kjøleribber som tjener til å overføre varme fra kasseveggene til den omgivende og forbistrømmende luft. Avstivningselementene 2 og 22 kan hensiktsmessig være utført som I-profiler eller Om-profiler for bedre å kunne motstå de store ekspansjonskrefter fra ovnens foring 3a og 3b som er vist på figur 1. The drawings show side walls 1 and end walls 11 which, together with a bottom plate 10, form the actual box shape made up of steel plates. The steel walls 1 and 11 need a strong surrounding reinforcement, which in this case primarily comprises vertical bracing elements 2 along the side walls 1 and corresponding elements 22 along the end walls 11. These bracing elements form vertical cooling fins which serve to transfer heat from the box walls to the surrounding and passing air. The stiffening elements 2 and 22 can suitably be designed as I-profiles or Om-profiles in order to better withstand the large expansion forces from the furnace lining 3a and 3b which are shown in Figure 1.

Utenom avstivningselementene 2 og 22 er det anordnet en forsterkningsramme 4 bestående av kraftige stålbjelker 41 og 42 liggende horisontalt langs henholdsvis sideveggene og endeveggene i konstruksjonen. Denne forsterkningsramme 4 forløper fortrinnsvis sam-menhengende rundt alle ovnskassesider og kan være innrettet til å oppdeles i to ved hjelp av en laskforbindelse 44 eller lignende midt på hver ende av ovnskassen. Apart from the bracing elements 2 and 22, a reinforcement frame 4 consisting of strong steel beams 41 and 42 lying horizontally along the side walls and end walls of the construction is arranged. This reinforcement frame 4 preferably extends continuously around all oven box sides and can be designed to be divided in two by means of a latch connection 44 or the like in the middle of each end of the oven box.

Med denne konstruksjon fremkommer det vertikale luftpassasjer With this construction, vertical air passages appear

12 mellom avstivningselementene 2 langs sideveggene 1 og tilsvarende vertikale luftpassasjer 13 mellom avstivningselementene 12 between the stiffening elements 2 along the side walls 1 and corresponding vertical air passages 13 between the stiffening elements

22 langs endeveggene 11. Som det spesielt fremgår av figur 1 22 along the end walls 11. As can be seen in particular from figure 1

er ovnskassen innrettet til å monteres slik at luften trer inn i luftpassasjene, f.eks. passasjen 12 på figur 1, fra underetasjen i ovnshallen under gulvet 20, slik som antydet med pilene 31 og strømmer ut i selve ovnshallen over gulvet 20 fra den øvre ende av luftpassasjen 12 slik som antydet med pilen 32. Dermed utnyttes den naturlige trekk som forårsakes av de vanlig forekommende av-sugningsanordninger i slike ovnshaller. En særlig fordel i denne forbindelse er at temperaturen i underetasjen vanligvis er lavere enn i selve ovnshallen slik at den luft som strømmer gjennom luft-passas jene 12 og 13, er forholdsvis kald. is the oven box designed to be mounted so that air enters the air passages, e.g. the passage 12 in Figure 1, from the lower floor in the furnace hall below the floor 20, as indicated by the arrows 31 and flows out into the furnace hall itself above the floor 20 from the upper end of the air passage 12 as indicated by the arrow 32. Thus, the natural draft caused by of the commonly found extraction devices in such kiln halls. A particular advantage in this connection is that the temperature in the lower floor is usually lower than in the furnace hall itself, so that the air that flows through the air passages 12 and 13 is relatively cold.

Den åpning eller spalte 7 som luften strømmer ut av ved den øvre ende av hver luftpassasje, kan hensiktsmessig være regulerbar for å gi mulighet til å variere kjølevirkningen. The opening or gap 7 from which the air flows out at the upper end of each air passage can suitably be adjustable to allow the cooling effect to be varied.

Det er i forbindelse med denne oppfinnelse viktig at det langs kasseveggene ikke anbringes horisontale forsterkninger som kan hindre den beskrevne vertikale sirkulasjon eller kan forårsake at det bygger seg opp et varmeisolerende lag av alumina eller annet støv. Anbringelsen av det viktigste og mest påkjente styrkebærende element, nemlig forsterkningsrammen 4 utenpå avstivningselementene 2 og 22, har dessuten til følge at denne forsterkningsramme får lavere temperatur og små temperaturvariasjoner når omgivelsestemperaturen varierer. Faren for aldringsfenomener i forsterkningsrammen blir derved sterkt redusert. In connection with this invention, it is important that no horizontal reinforcements are placed along the box walls which could prevent the described vertical circulation or could cause a heat-insulating layer of alumina or other dust to build up. The placement of the most important and most recognized strength-bearing element, namely the reinforcement frame 4 outside the stiffening elements 2 and 22, also results in this reinforcement frame having a lower temperature and small temperature variations when the ambient temperature varies. The risk of aging phenomena in the reinforcement frame is thereby greatly reduced.

For å hindre ansamling av alumina eller støv i luftpassasjene 12 To prevent the accumulation of alumina or dust in the air passages 12

og 13 kan, det som vist på figur 1, være anordnet en overdekning i form av en horisontal plate eller et profil 14 som tvinger luft-strømmen 32 til å tre sideveis ut fra luftpassasjen 12. and 13, as shown in figure 1, a cover in the form of a horizontal plate or a profile 14 can be arranged which forces the air flow 32 to exit laterally from the air passage 12.

Erfaringen har vist at ved riktig valg av antall kjøleribber i form av de beskrevne avstivningselementer, og ved riktig dimensjonering av deres overflate, kan man oppnå at det på figur 1 viste sidebelegg 5 tilnærmet strekker seg inn til anodeskyggen 6. Dette an-sees for å være det ideelle da man på denne måte reduserer de horisontale strømkomponenter til et minimum, uten å redusere det effektive katodeareal for sterkt. Avhengig av årstiden eller omgivelsestemperaturen kan størrelsen av spalten 7 varieres for der- Experience has shown that by correctly choosing the number of heat sinks in the form of the stiffening elements described, and by correctly dimensioning their surface, it can be achieved that the side covering 5 shown in figure 1 extends approximately into the anode shadow 6. This is considered to be the ideal as in this way the horizontal current components are reduced to a minimum, without reducing the effective cathode area too much. Depending on the season or the ambient temperature, the size of the gap 7 can be varied so that

ved å justere tykkelsen av sidebelegget 5. by adjusting the thickness of the side coating 5.

Som vist på figur 1 er avstivningselementene innsatt i fotstykker 24, f.eks. ved fastkiling, slik at sideveis rettede krefter kan overføres mellom den nedre ende av avstivningselementene og bunnplaten 10 i ovnskassen. Med denne utførelse er avstivningselementene ikke sveiset eller boltet fast til ovnsveggene, men er løse og kan lett tas ut og f.eks. rettes om dette skulle være nødvendig. Forsterkningsrammen 4 er også lett demonterbar f.eks. for å kunne rettes i tilfelle av at skjevheter er oppstått. I samband med den nevnte forankring av de nedre ender av avstivningselementene er det av betydning at forsterkningsrammen 4 er plassert forholdsvis langt oppe på høyden av kasseveggene, nemlig i det minste på høyde med oversiden av katodekullet 3b. Dermed utnyttes strekkstyrken i bunnplaten 10 bedre. As shown in Figure 1, the bracing elements are inserted into foot pieces 24, e.g. by wedging, so that laterally directed forces can be transferred between the lower end of the bracing elements and the bottom plate 10 in the furnace box. With this design, the bracing elements are not welded or bolted to the oven walls, but are loose and can be easily removed and e.g. be corrected if this should be necessary. The reinforcement frame 4 is also easily removable, e.g. in order to be corrected in the event that biases have arisen. In connection with the aforementioned anchoring of the lower ends of the bracing elements, it is important that the reinforcement frame 4 is placed relatively far up the height of the box walls, namely at least at the height of the upper side of the cathode ball 3b. Thus, the tensile strength in the bottom plate 10 is better utilized.

Foruten de nevnte fordeler med hensyn til termiske forhold og mekanisk styrke er den beskrevne utførelse ifølge oppfinnelsen fordelaktig også på den måte at den er enkel og rasjonell å frem-stille. Således er behovet for innsats av verktøymaskiner minimalt. Bortsett fra sveisearbeidet er det ikke behov for faglært arbeids-kraft. Videre er det av ikke uvesentlig betydning at den beskrevne oppbygning av konstruksjonen gjør at det er enkelt og billig å ut-føre vedlikehold og eventuelle reparasjoner, f.eks. ved hel eller delvis demontering av elektrolysecellen. In addition to the mentioned advantages with respect to thermal conditions and mechanical strength, the described embodiment according to the invention is also advantageous in that it is simple and rational to manufacture. Thus, the need for the use of machine tools is minimal. Apart from the welding work, there is no need for skilled labour. Furthermore, it is of not insignificant importance that the described structure of the construction means that it is easy and cheap to carry out maintenance and any repairs, e.g. by complete or partial dismantling of the electrolysis cell.

Endelig skal det vedrørende de termiske forhold tilføyes at den her angitte nye ovnskassekonstruksjon medfører et meget stabilt sidebelegg og har en stabil varmebalanse, dvs. den kan betraktes som "selvregulerende". Denne nye kassekonstruksj.on får i praksis meget sjelden sideutrenning ved utsmeltning gjennom sideforingen. Dette er en fordel av meget stor viktighet slik som forklart innlednings-vis. Med de forbedrede varmetapsforhold sideveis gjennom kasseveggene fremkommer også et gunstigere forhold mellom varmetap gjennom henholdsvis side og bunn, idet en samtidig forbedret bunnisolasjon samvirker med den gode avkjøling av side- og endeveggene til å danne et sidebelegg som har riktig form og som er mer stabilt enn i tidligere kjente ovnskassetyper. Dette forbedrer og stabiliserer strømfordelingen i metallet i elektrolysecellen. Finally, with regard to the thermal conditions, it should be added that the new oven box construction specified here entails a very stable side coating and has a stable heat balance, i.e. it can be considered "self-regulating". In practice, this new case construction very rarely gets side wear by melting through the side lining. This is an advantage of very great importance, as explained in the introduction. With the improved heat loss ratios laterally through the box walls, there is also a more favorable ratio between heat loss through the sides and bottom, respectively, as a simultaneous improved bottom insulation cooperates with the good cooling of the side and end walls to form a side covering that has the right shape and is more stable than in previously known oven box types. This improves and stabilizes the current distribution in the metal in the electrolysis cell.

Det er klart at den beskrevne konstruksjon kan modifiseres på for- skjellige måter innenfor rammen av denne oppfinnelse, f.eks. ved en annen eller ingen oppdeling av forsterkningsrammen, bruk av avstivningselementer med andre profiler enn de eksempelvis nevnte, andre former for sammenføyning"av hovedkomponentene i kassen osv. It is clear that the described construction can be modified in various ways within the scope of this invention, e.g. by different or no division of the reinforcement frame, use of stiffening elements with other profiles than those mentioned for example, other forms of joining" of the main components in the box, etc.

Claims

1. Furnace case for electrolysis cell for melting electrolytic production of aluminum, comprising a bottom plate (10), side walls (1) and end walls (11) of steel plates, as well as a reinforcing structure (2, 22, 4) which surrounds these, characterized by that vertical bracing elements (2, 22) are arranged next to the side walls (1) and end walls (11) on the outside of these and that a largely horizontal reinforcement frame (4) is arranged on top of the bracing elements in such a way that between the bracing elements (2, 22) vertical, free air passages (12, 13) are formed next to the side walls (1) and end walls (11) and so that the bracing elements (2, 22) act as cooling fins for heat removal from the side and end walls.

2. Furnace box according to claim 1, characterized in that it is arranged to be mounted in the furnace hall in such a way that the lower part of the air passages (12) is located under the floor (20) in the furnace hall and the upper end (7) of the air passages is located above the floor (20).

3. Oven box according to claim 1 or 2, characterized in that the upper end of the air passages (12) is made with an adjustable slot (7).

4. Oven box according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a cover (14) is arranged at the upper end of the air passages (12), so that the air flow (32) exits these in a lateral direction.

5. Oven box according to one of the preceding claims, characterized in that the bracing elements (1) at their lower end are connected (24) to the bottom plate (10) to the reinforcement frame. (4) is placed at a level with the upper side of the cathode ball. (3b) or higher.

6. Oven box according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcement frame (4) extends around all side walls (1) and end walls (11) and is arranged to be able to be divided (44) into at least two parts.

7. Oven box according to one of the preceding claims, characterized in that the vertical bracing elements (2, 22) are not firmly connected, e.g. welded or bolted to the side walls (1) and the end walls (11).

8. Oven box according to one of the preceding claims, characterized in that the vertical bracing elements (2, 22) have the form of steel profiles, e.g. I-profiles or T-profiles.