RU2051204C1

RU2051204C1 - Aluminum electrolyzer cathodic shell

Info

Publication number: RU2051204C1
Application number: RU93052698/02A
Authority: RU
Inventors: Б.С. Громов; Р.В. Пак; В.С. Строгов; В.А. Крюковский; Ю.Н. Колосов; С.Н. Ахмедов
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Алюминиевая компания "АЛКОРУС"
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: aluminum electrolyzer has wall and bottom, joint rings embracing shell wall and bottom and positioned in spaced relation one with respect to the other along shell. Wall and bottom are used as members for connecting joint rings. Connecting members thickness is 0.025-0.06 of joint ring spacing and joint ring section height-connection member thickness ratio is 15-30. EFFECT: increased efficiency, simplified construction and enhanced reliability in operation. 4 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому получению алюминия, к конструкции катодного кожуха алюминиевого электролизера. The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals, in particular to the electrolytic production of aluminum, to the design of the cathode casing of an aluminum electrolyzer.

Катодный кожух является одним из элементов алюминиевого электролизера и применяется для защиты заключенной внутри него футеровки от разрушающего действия усилий, возникающих в процессе работы алюминиевого электролизера. В связи с этим он должен обладать необходимой прочностью, так как от прочности кожуха в большой степени зависит срок службы электролизера. Кроме того катодный кожух должен обеспечивать отвод тепла, что способствует образованию защитного гарниссажа, наличие которого предотвращает разрушение футеровки и увеличивает срок службы, позволяет интенсифицировать работу электролизера. Это имеет большое значение особенно для электролизеров большой мощности. The cathode casing is one of the elements of an aluminum electrolytic cell and is used to protect the lining enclosed inside it from the destructive action of the forces arising during the operation of the aluminum electrolytic cell. In this regard, it should have the necessary strength, since the life of the cell to a large extent depends on the strength of the casing. In addition, the cathode casing should provide heat dissipation, which contributes to the formation of a protective skull, the presence of which prevents the destruction of the lining and increases the service life, allows to intensify the operation of the cell. This is of great importance especially for electrolyzers of high power.

Известен катодный кожух алюминиевого электролизера, включающий основные и дополнительные стенки и днище, между которыми расположен и жестко соединен с ними ряд косынок, и продольные опорные балки под днищем, при этом в днище и основных стенках выполнены окна в местах примыкания дополнительной стенки (Авт. св. СССР N 1650783, кл. С 25 С 3/08, 23.05.91). The cathode casing of an aluminum electrolyzer is known, including the main and additional walls and the bottom, between which a number of scarves are located and rigidly connected with them, and longitudinal support beams under the bottom, while windows are made in the bottom and main walls at the junctions of the additional wall (Auth. USSR No. 1650783, class C 25 C 3/08, 05/23/91).

Недостатком данного катодного кожуха является то, что возникающие в процессе эксплуатации кожуха термические напряжения и напряжения от расширения футеровки в результате ее пропитки солями, из-за жесткости конструкции и различной термической деформации основных и дополнительных стенок приводят к пластической деформации катодного кожуха, что отрицательно сказывается на сроке его службы, а следовательно и всего алюминиевого электролизера в целом. Кроме того, несмотря на наличие окон, выполненных в днище и основных стенках в местах примыкания дополнительной стенки, наличие продольных элементов кожуха препятствует свободному прохождению воздуха для охлаждения стенок и днища, что ухудшает отвод тепла и отрицательно сказывается на сроке службы. The disadvantage of this cathode casing is that the thermal stresses and stresses arising during the operation of the casing due to expansion of the lining as a result of its impregnation with salts, due to the rigidity of the structure and various thermal deformation of the main and additional walls, lead to plastic deformation of the cathode casing, which negatively affects its service life, and therefore the entire aluminum electrolyzer as a whole. In addition, despite the presence of windows made in the bottom and main walls at the junctions of the additional wall, the presence of longitudinal elements of the casing prevents the free passage of air to cool the walls and bottom, which impairs heat dissipation and negatively affects the service life.

Наиболее близким к предлагаемому является катодный кожух алюминиевого электролизера, включающий стенки и днище, шпангоуты, охватывающие стенки и днище и установленные с шагом по длине кожуха, продольные опорные балки под днищем, жестко соединенные со шпангоутами, а также верхние и нижние элементы, соединяющие шпангоуты между собой, при этом продольные стенки кожуха прикреплены к нижним элементам, соединяющим между собой шпангоуты [1]
Недостатком данного катодного кожуха является то, что возникающие в процессе эксплуатации кожуха термические напряжения и напряжения от расширения футеровки в результате ее пропитки солями из-за жесткого соединения шпангоутов с продольными опорными балками под днищем, а также из-за жесткого их соединения между собой верхними и нижними элементами с образованием жесткого каркаса и, следовательно, ограничения возможности расширения элементов кожуха приводят к пластической деформации катодного кожуха, что отрицательно сказывается на сроке его службы, а следовательно, и всего алюминиевого электролизера в целом. При этом жесткое соединение шпангоутов между собой верхними и нижними элементами и соединение продольных стенок кожуха с нижними элементами вследствие неравномерного распределения температуры в различных частях указанных элементов также приводит к пластической деформации кожуха, снижая срок службы. Кроме того наличие продольных элементов кожуха препятствует прохождению воздуха для охлаждения стенок и днища, что ухудшает его аэрацию, а соответственно и отвод тепла, что также снижает срок службы электролизера.Closest to the proposed one is the cathode casing of an aluminum electrolyzer, including walls and the bottom, frames, covering the walls and the bottom and installed with a step along the length of the casing, longitudinal support beams under the bottom, rigidly connected to the frames, as well as upper and lower elements connecting the frames between by itself, while the longitudinal walls of the casing are attached to the lower elements connecting the frames [1]
The disadvantage of this cathode casing is that the thermal stresses and stresses arising during the operation of the casing due to expansion of the lining as a result of its impregnation with salts due to the rigid connection of the frames with the longitudinal support beams under the bottom, as well as due to their rigid connection between the upper and lower elements with the formation of a rigid frame and, therefore, restrictions on the possibility of expansion of the casing elements lead to plastic deformation of the cathode casing, which negatively affects the average In the meantime, its service and, consequently, the entire aluminum electrolyzer as a whole. In this case, the rigid connection of the frames between the upper and lower elements and the connection of the longitudinal walls of the casing with the lower elements due to the uneven distribution of temperature in different parts of these elements also leads to plastic deformation of the casing, reducing the service life. In addition, the presence of longitudinal elements of the casing prevents the passage of air to cool the walls and bottom, which impairs its aeration and, accordingly, heat dissipation, which also reduces the service life of the cell.

Цель изобретения разработка конструкции катодного кожуха алюминиевого электролизера, которая обеспечивала бы возможность его свободного расширения, переводя рабочие деформации кожуха в область упругой деформации, сохраняя прочность кожуха и равномерность обжатия футеровки электролизера, и обеспечивала бы беспрепятственное прохождение воздуха для охлаждения стенок и днища кожуха, улучшая отвод тепла от электролизера, что позволит повысить срок службы и интенсифицировать работу алюминиевого электролизера. The purpose of the invention is the development of the design of the cathode casing of an aluminum electrolytic cell, which would allow its free expansion, transferring working deformations of the casing to the region of elastic deformation, preserving the strength of the casing and uniform compression of the lining of the cell, and would provide unhindered passage of air to cool the walls and bottom of the casing, improving drainage heat from the electrolyzer, which will increase the service life and intensify the operation of the aluminum electrolyzer.

Цель достигается тем, что в катодном кожухе алюминиевого электролизера, включающем стенки и днище, шпангоуты, охватывающие стенки и днище и установленные с шагом по длине кожуха, и соединяющие шпангоуты элементы, в качестве последних использованы стенки и днище, при этом толщина соединяющих элементов составляет 0,025-0,06 шага установки шпангоутов, а отношение высоты сечения шпангоутов к толщине соединяющих элементов составляет 15-30. The goal is achieved in that in the cathode casing of an aluminum electrolyzer, including the walls and the bottom, frames, covering the walls and the bottom and installed in steps along the length of the casing, and the elements connecting the frames, the walls and the bottom are used, the thickness of the connecting elements being 0.025 -0.06 steps of installing the frames, and the ratio of the height of the section of the frames to the thickness of the connecting elements is 15-30.

Использование в качестве соединяющих шпангоуты элементов стенок и днища при указанной их толщине и указанном отношении высоты сечения шпангоутов к толщине соединяющих элементов обеспечивает возможность свободного расширения кожуха в продольном направлении, переводя рабочие деформации кожуха в область упругих деформаций и сохраняя его прочность и равномерность обжатия футеровки электролизера. Это позволяет повысить срок службы катодного кожуха и электролизера в целом. The use of wall and bottom elements as connecting elements of the frames at the indicated thickness and the indicated ratio of the cross-sectional height of the frames to the thickness of the connecting elements provides the possibility of free expansion of the casing in the longitudinal direction, translating the working deformation of the casing into the region of elastic deformation and preserving its strength and uniform compression of the electrolytic cell lining. This allows you to increase the life of the cathode casing and the cell as a whole.

Толщина соединяющих шпангоуты элементов (стенок и днища), составляющая 0,025-0,06 шага установки шпангоутов, и отношение высоты сечения шпангоутов к толщине соединяющих элементов, составляющее 15-30, определены исходя из условий обеспечения прочности кожуха, при условии перевода его рабочих деформаций в область упругих. The thickness of the elements connecting the frames (walls and bottoms), comprising 0.025-0.06 of the installation step of the frames, and the ratio of the height of the section of the frames to the thickness of the connecting elements, is 15-30, are determined on the basis of conditions for ensuring the strength of the casing, provided that its working deformations are converted to elastic region.

При толщине соединяющих шпангоуты элементов меньше 0,025 шага установки шпангоутов снижается их прочность, что приводит к пластической деформации кожуха и возможному разрушению его отдельных элементов, снижая срок службы. When the thickness of the elements connecting the frames is less than 0.025, the installation step of the frames decreases their strength, which leads to plastic deformation of the casing and the possible destruction of its individual elements, reducing the service life.

При толщине соединяющих шпангоуты элементов больше 0,06 шага установки шпангоутов повышается жесткость соединяющих элементов, что придает жесткость конструкции катодного кожуха в целом, в результате чего возникающие в процессе эксплуатации кожуха напряжения приводят к его пластической деформации. Это снижает срок службы. Кроме того, при указанной толщине соединяющих элементов возрастает металлоемкость кожуха. When the thickness of the connecting elements of the frames is more than 0.06 of the step of installing the frames, the rigidity of the connecting elements increases, which makes the structure of the cathode casing as a whole more rigid, as a result of which stresses arising during operation of the casing lead to its plastic deformation. This reduces the service life. In addition, with the specified thickness of the connecting elements increases the metal consumption of the casing.

При отношении высоты сечения шпангоутов к толщине соединяющих элементов, составляющем менее 15, снижается прочность шпангоутов, что приводит в процессе эксплуатации кожуха к их пластической деформации, а следовательно и катодного кожуха в целом, снижая срок службы. When the ratio of the cross-sectional height of the frames to the thickness of the connecting elements is less than 15, the strength of the frames decreases, which leads to plastic deformation during operation of the casing, and consequently the cathode casing as a whole, reducing the service life.

При отношении высоты сечения шпангоутов к толщине соединяющих элементов, составляющем более 30, повышается жесткость шпангоутов, что повышает жесткость кожуха в целом. При этом возникающие в процессе эксплуатации кожуха усилия приводят к пластической деформации кожуха, снижая срок службы. Кроме того при указанном отношении возрастает металлоемкость кожуха и увеличиваются его габариты. When the ratio of the cross-sectional height of the frames to the thickness of the connecting elements is more than 30, the rigidity of the frames increases, which increases the rigidity of the casing as a whole. At the same time, the forces arising during the operation of the casing lead to plastic deformation of the casing, reducing the service life. In addition, with the indicated ratio, the metal consumption of the casing increases and its dimensions increase.

Отсутствие продольных элементов обеспечивает беспрепятственное прохождение воздуха для охлаждения стенок и днища, что обеспечивает отвод тепла, создавая при этом, во-первых, условия для образования устойчивого, необходимых размеров и формы защитного гарниссажа на внутренних стенках футеровки, что предохраняет футеровку от разрушения и способствует повышению срока службы, и, во-вторых, позволяет интенсифицировать работу алюминиевого электролизера, т.е. работать при более высоких плотностях тока. The absence of longitudinal elements ensures unhindered passage of air to cool the walls and bottom, which ensures heat dissipation, creating, firstly, conditions for the formation of a stable, necessary size and shape of the protective skull on the inner walls of the lining, which prevents the lining from breaking and contributes to an increase service life, and, secondly, allows you to intensify the operation of an aluminum electrolyzer, i.e. operate at higher current densities.

Кроме того при условии беспрепятственного прохождения воздуха вдоль стенок и днища шпангоуты, расположенные по длине кожуха, выполняют роль ребер охлаждения, что способствует рациональному отводу тепла, создавая защитный гарниссаж и обеспечивая интенсифицированную работу электролизера. In addition, under the condition of unhindered passage of air along the walls and bottom, the frames located along the length of the casing act as cooling fins, which contributes to the rational heat removal, creating a protective skull and providing intensified operation of the electrolyzer.

Таким образом использование в качестве соединяющих шпангоуты элементов стенок и днища кожуха, при указанных их толщине и отношении высоты сечения шпангоутов и толщины соединяющих элементов позволяет повысить срок службы и интенсифицировать работу алюминиевого электролизера. Thus, the use of wall elements and the bottom of the casing as connecting frames of the frames, at their indicated thickness and the ratio of the height of the frame sections and the thickness of the connecting elements, can increase the service life and intensify the operation of the aluminum electrolyzer.

На фиг. 1 изображен катодный кожух алюминиевого электролизера с вертикальными стенками, продольный разрез; на фиг. 2 катодный кожух с вертикальными стенками, поперечный разрез; на фиг. 3 катодного кожуха алюминиевого электролизера с наклонными стенками, продольный разрез; на фиг. 4 катодный кожух с наклонными стенками, поперечный разрез. In FIG. 1 shows a cathode casing of an aluminum electrolyzer with vertical walls, a longitudinal section; in FIG. 2 cathode casing with vertical walls, cross section; in FIG. 3 cathode casing of an aluminum electrolyzer with inclined walls, longitudinal section; in FIG. 4 cathode casing with inclined walls, cross section.

Катодный кожух алюминиевого электролизера включает стенки 1 и днище 2, шпангоуты 3, охватывающие стенки и днище и установленные с шагом по длине кожуха. The cathode casing of the aluminum electrolyzer includes walls 1 and bottom 2, frames 3, covering the walls and bottom and installed with a step along the length of the casing.

П р и м е р. Стенки и днище катодного кожуха алюминиевого электролизера изготавливают из листовой стали толщиной 20 мм. Затем их устанавливают в выставленные с шагом шпангоуты и присоединяют торцовые секции. Соединение стенок и днища со шпангоутами осуществляют при помощи сварки. Шаг установки шпангоутов составляют 590 мм. Количество шпангоутов составляет 16 при габаритной длине катодного кожуха 10000 мм. Высота сечения горизонтальной части шпангоутов составляет 400 мм, что составляет 20 толщин соединяющих шпангоуты элементов. При этом толщина стенок и днища составляет 0,034 шага установки шпангоутов по длине катодного кожуха. Установка катодного кожуха в корпусе электролиза алюминия осуществляется со свободным опиранием его на продольные строительные опоры (ленточный фундамент). PRI me R. The walls and bottom of the cathode casing of an aluminum electrolyzer are made of sheet steel 20 mm thick. Then they are installed in the frames set in steps and the end sections are attached. The connection of the walls and the bottom with the frames is carried out by welding. The installation pitch of the frames is 590 mm. The number of frames is 16 with the overall length of the cathode casing 10000 mm. The cross-sectional height of the horizontal part of the frames is 400 mm, which is 20 thicknesses of the elements connecting the frames. The thickness of the walls and bottom is 0,034 step installation of frames along the length of the cathode casing. Installation of the cathode casing in the aluminum electrolysis case is carried out with its free support on longitudinal building supports (strip foundation).

Такая конструкция катодного кожуха обеспечивает возможность свободного его расширения в продольном направлении, переводя при этом рабочие деформации кожуха в область упругих и сохраняя прочность кожуха и равномерность обжатия футеровки электролизера. This design of the cathode casing provides the possibility of its free expansion in the longitudinal direction, while transferring the working deformation of the casing in the elastic region and preserving the strength of the casing and uniform compression of the lining of the cell.

Такая конструкция кожуха обеспечивает рациональный отвод тепла, что способствует образованию устойчивого, необходимых размеров и формы защитного гарниссажа на внутренних стенках футеровки, предохраняя ее от разрушения, а также позволяет интенсифицировать работу электролизера. This design of the casing provides rational heat dissipation, which contributes to the formation of a stable, necessary size and shape of the protective skull on the inner walls of the lining, protecting it from destruction, and also allows to intensify the operation of the cell.

Помимо вертикального расположения стенок они могут иметь наклонное расположение. При этом угол их наклона к вертикальной плоскости составляет до 30^о. При этом оптимальным углом наклона является угол, равный 20^о.In addition to the vertical arrangement of the walls, they can have an inclined arrangement. Moreover, the angle of their inclination to the vertical plane is up to 30 ^about . In this case the optimum angle of inclination is an angle of ²⁰ °.

Наклонное расположение стенок кожуха, а следовательно и бортовых футеровочных блоков, позволяет снизить объем металла в незавершенном производстве, снизить материалоемкость, способствует лучшему отводу тепла от верхней части бортовой футеровки и образованию защитного гарниссажа в указанном месте, что также позволяет увеличить срок службы. The inclined arrangement of the walls of the casing, and therefore the side lining blocks, allows to reduce the volume of metal in work in progress, to reduce material consumption, contributes to better heat removal from the upper part of the side lining and the formation of a protective skull in the specified location, which also allows to increase the service life.

Claims

CATHODE HOUSING OF THE ALUMINUM ELECTROLYZER, including walls and the bottom, frames, covering the walls and the bottom and installed in steps along the length of the casing, and elements connecting the frames, characterized in that the walls and the bottom are used as the connecting elements, the thickness of the connecting elements being 0.025 0 , 06 steps of installing the frames, and the ratio of the height of the section of the frames to the thickness of the connecting elements is 15 30.