RU2060303C1

RU2060303C1 - Hearth section of aluminum electrolyzer

Info

Publication number: RU2060303C1
Application number: RU94005763A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Деревягин
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Братский алюминиевый завод"
Priority date: 1994-02-05
Filing date: 1994-02-05
Publication date: 1996-05-20
Also published as: RU94005763A

Abstract

FIELD: aluminum electrolysis. SUBSTANCE: carbon bearing hearth block has crosswise slot and metal current outlet rods are made in the form of segment with convex side facing working surface of hearth block. Crosswise profile of the slot and current outlet rods may be made in the form of semi-circuit. EFFECT: high efficiency. 2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия, в частности к устройству катодной (подовой) секции. The invention relates to the field of electrolytic production of aluminum, in particular to a cathode (hearth) section device.

Известна подовая секция алюминиевого электролизера, содержащая углеродистый блок с пазом трапецеидального сечения, в котором с помощью чугунной заливки закреплен стальной токоотводящий катодный стержень прямоугольного или квадратного сечения. A hearth section of an aluminum electrolyzer is known, which contains a carbon block with a groove of a trapezoidal section, in which a steel current-conducting cathode rod of rectangular or square section is fixed using cast iron.

Трапецеидальное сечение паза обеспечивает удержание катодного стержня при кантовании и монтаже секции. Однако наличие острых углов между большим основанием и боковой гранью трапеции паза вызывает механические, термические и электрические напряжения в вершине острого угла. В результате, при заливке чугуна, последующем монтаже и эксплуатации подины образуются угловые трещины в угольном блоке. Это приводит к возрастанию падения напряжения, проникновению жидкого алюминия к стальным стержням. В результате, снижается срок службы подины и сортность алюминия-сырца. The trapezoidal groove section provides retention of the cathode rod during tilting and mounting of the section. However, the presence of acute angles between the large base and the lateral face of the groove of the groove causes mechanical, thermal and electrical stresses at the apex of the acute angle. As a result, when cast iron is cast, subsequent installation and operation of the hearth, corner cracks form in the coal block. This leads to an increase in voltage drop, the penetration of liquid aluminum to steel rods. As a result, the service life of the hearth and the grade of raw aluminum are reduced.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известная электролизная ванна для производства алюминия и способ установки металлических катодных стержней, согласно которым металлические стержни круглого сечения вдвигают в пазы углеродсодержащего блока, имеющие также круглое сечение, через соответствующие окна в стальном кожухе катода при 20^оС. Нижние поверхности стержней при электролизе выступают из углеродсодержащего блока вдоль всей нижней грани.The closest in technical essence and the achieved effect is the known electrolysis bath for aluminum production and the method of installing metal cathode rods, according to which metal rods of circular cross section are pushed into the grooves of the carbon-containing block, which also have a circular cross section, through the corresponding windows in the steel cathode casing at 20 ^о С The lower surfaces of the rods during electrolysis protrude from the carbon-containing block along the entire lower face.

Недостатками известного устройства являются такие факторы, как круглое сечение токоотводящего стержня, что вызывает неравномерность распределения тока по рабочей поверхности самого стержня, а именно нижняя часть (полукруг) стержня менее нагружена. Это приводит к неравномерности теплового поля в стержне, что, в свою очередь, вызывает термические напряжения по всей длине стержня и его деформацию. С другой стороны, круглое сечение паза углеродсодержащего блока образует острый угол с нижней поверхностью блока, а минимальное расстояние стержень боковая поверхность блока совпадает с горизонтальной осью круга паза. Все это вызывает концентрацию тока и термические напряжения в блоке по плоскости стержень боковая поверхность блока и по ребру острого угла на нижней поверхности блока. Давление массы жидкого расплава и самого подового блока на верхнюю рабочую поверхность стержня вызывает концентрацию механических напряжений по той же плоскости стержень боковая поверхность блока. Все это приводит к трещиноватости боковой и нижней граней блока, возрастанию вероятности проникновения алюминия к катодным стержням через межблочный шов подины, растворению стержней, ухудшению сортности получаемого алюминия, падению напряжения и снижению срока службы электролизера. Способ монтажа также вызывает большие затруднения. The disadvantages of the known device are factors such as a circular cross-section of the collector rod, which causes uneven distribution of current on the working surface of the rod itself, namely the lower part (semicircle) of the rod is less loaded. This leads to non-uniformity of the thermal field in the rod, which, in turn, causes thermal stresses along the entire length of the rod and its deformation. On the other hand, the circular cross-section of the groove of the carbon-containing block forms an acute angle with the lower surface of the block, and the minimum distance the rod side surface of the block coincides with the horizontal axis of the groove circle. All this causes a concentration of current and thermal stresses in the block along the plane of the rod, the lateral surface of the block and along the edge of an acute angle on the lower surface of the block. The pressure of the mass of liquid melt and the hearth block itself on the upper working surface of the rod causes a concentration of mechanical stresses along the same plane of the rod, the lateral surface of the block. All this leads to fracture of the lateral and lower faces of the block, an increase in the likelihood of aluminum penetrating the cathode rods through the interblock seam of the hearth, dissolution of the rods, deterioration of the grade of the obtained aluminum, voltage drop, and a decrease in the life of the cell. The installation method also causes great difficulties.

Цель изобретения повышение сортности получаемого алюминия, увеличение срока службы электролизера, снижение расхода электроэнергии. The purpose of the invention is to increase the grade of the obtained aluminum, increase the service life of the electrolyzer, reduce energy consumption.

Поставленная цель достигается тем, что в углеродсодержащем подовом блоке поперечный профиль паза и токоотводящего стального стеpжня выполнены в виде сегмента, выпуклой поверхностью обращенного в направлении рабочей поверхности подового блока. Поперечный профиль паза подового блока и токоотводящего стержня могут быть выполнены в виде полукруга. This goal is achieved by the fact that in the carbon-containing hearth block the transverse profile of the groove and the current-conducting steel rod is made in the form of a segment, a convex surface facing in the direction of the working surface of the hearth block. The transverse profile of the groove of the hearth block and the downstream rod can be made in the form of a semicircle.

Выполнение сечения паза и токоотводящего стержня в виде сегмента устраняет наличие острых углов на поверхности углеродсодержащего блока и рабочей поверхности стержня. Это предотвращает возникновение термических и электрических напряжений в конструкции подовой секции. Наличие выпуклой поверхности паза и стержня, обращенной в сторону рабочей поверхности подового блока, вплоть до нижней грани блока, создает условия более равномерного и плавного распределения плотности тока по их токоотодящим поверхностям без концентрации на каких-либо участках. Это создает условия более равномерного электрического и теплового поля в металле стержня и чугунной заливки, тем самым снижается возможность возникновения механических напряжений, деформации (уменьшение стрелы прогиба) токоотводящего стержня и термических напряжений в подовом блоке на участке стержень-боковая поверхность блока. В результате уменьшаются трещиноватость материала подового блока, падение напряжения в устройстве, токовая и механическая нагрузки в межблочном шве. The cross-section of the groove and the collector rod in the form of a segment eliminates the presence of acute angles on the surface of the carbon-containing block and the working surface of the rod. This prevents the occurrence of thermal and electrical stresses in the design of the hearth section. The presence of a convex surface of the groove and the rod facing the working surface of the hearth block, up to the lower face of the block, creates conditions for a more uniform and smooth distribution of current density over their current-carrying surfaces without concentration in any areas. This creates the conditions for a more uniform electric and thermal field in the metal of the rod and cast iron, thereby reducing the possibility of mechanical stresses, deformation (reduction of the deflection arrow) of the downstream rod and thermal stresses in the hearth block on the rod-side surface of the block. As a result, the fracture of the hearth block material, the voltage drop in the device, the current and mechanical loads in the interblock weld are reduced.

При выполнении заливки чугуна по известной технологии, когда нижняя поверхность с пазом и помещенным в нем стержнем обращены вверх, наличие криволинейной (сегмент или полукруг) конфигурации зазора, заполняемого жидким чугуном, обеспечивает свободную эвакуацию газов, выделяющихся при заливке, поскольку горизонтальные участки, вызывающие задержку газовых пузырей, отсутствуют. В результате снижается газосодержание на границе чугун-углерод, тем самым улучшается контакт указанных поверхностей, механическая прочность соединения. Все это снижает падение напряжения в конструкции секции, улучшает ее прочность. When cast iron is poured using the well-known technology, when the bottom surface with the groove and the rod placed in it are turned upward, the presence of a curved (segment or semicircle) gap configuration filled with liquid cast iron ensures the free evacuation of gases released during pouring, since the horizontal sections cause a delay gas bubbles are absent. As a result, the gas content at the iron-carbon interface decreases, thereby improving the contact of these surfaces, and the mechanical strength of the joint. All this reduces the voltage drop in the section design, improves its strength.

Предлагаемый профиль паза и стержня позволяет уменьшить высоту этих профилей без увеличения плотности тока в них. Это позволяет уменьшить высоту самого подового блока, что приводит к снижению падения напряжения в подине. Дополнительным эффектом здесь является некоторое уменьшение потребности в углеродсодержащем сырье, а также облегчение операции демонтажа токоотводящего стержня. The proposed profile of the groove and the rod allows you to reduce the height of these profiles without increasing the current density in them. This allows you to reduce the height of the hearth block itself, which leads to a decrease in the voltage drop in the hearth. An additional effect here is a slight reduction in the need for carbon-containing raw materials, as well as facilitating the dismantling of the collector rod.

Токоотводящая поверхность паза и стержня может быть выполнена в виде полукруга. The current-conducting surface of the groove and the rod can be made in the form of a semicircle.

На фиг.1 изображено сечение подовой секции 1 с профилем паза 2 и токоотводящего стержня 3 в виде сегмента и зазором, заполненным чугуном 4; на фиг. 2 то же, в виде полукруга при операции монтажа. Здесь же показано устройство для кантования секции и монтажа подины, содержащее верхнюю 5 и нижнюю 6 части хомута, гибкую связь 7 с узлами 8 крепления. Верхняя часть 5 хомута с проушинами и гибкая связь 7 удаляются после установки подовой секции на подушке катода. Figure 1 shows a cross section of the hearth section 1 with the profile of the groove 2 and the collector rod 3 in the form of a segment and a gap filled with cast iron 4; in FIG. 2 the same, in the form of a semicircle during the installation operation. Here is also shown a device for tilting the section and mounting the hearth, containing the upper 5 and lower 6 parts of the clamp, flexible connection 7 with the nodes 8 of the mount. The upper part 5 of the eyelet clamp and flexible connection 7 are removed after installing the hearth section on the cathode pad.

П р и м е р 1. Согласно известной технологии производят монтаж подовой секции из угольного блока с размерами сечения 550х400 мм, c трапецеидальным пазом 265х255х145 мм. Размеры сечения стального токоотводящего стержня 230х115 мм. Контакт осуществляют заливкой чугуном. Монтируют подовую секцию из угольного блока с размерами сечения 550х350 мм, с пазом, имеющим сечение в виде сегмента с шириной основания d=265 мм, высотой b=100 мм. Размеры сечения стального стержня, имеющего также вид сегмента, на 15 мм меньше соответственно. Таким образом, зазор между сталью и углеродом, заполняемый чугуном, составляет: 25-35 мм согласно известному изобретению, и 15 мм согласно предлагаемому изобретению. Уменьшение зазора возможно из-за лучших условий заливки чугуна, появляющихся при реализации предлагаемого изобретения. Устраняется также газовая прослойка на границе чугун-углерод. Производят измерения электрических параметров и механической прочности сцепления стержень-блок. Результаты измерений приведены в табл.1. PRI me R 1. According to known technology, the hearth section is assembled from a coal block with a section size of 550x400 mm, with a trapezoidal groove 265x255x145 mm. The cross-sectional dimensions of the steel collector rod are 230x115 mm. Contact is carried out by cast iron casting. A hearth section is mounted from a coal block with a section size of 550x350 mm, with a groove having a section in the form of a segment with a base width d = 265 mm and a height b = 100 mm. The cross-sectional dimensions of the steel bar, which also has the form of a segment, are 15 mm smaller, respectively. Thus, the gap between steel and carbon, filled with cast iron, is: 25-35 mm according to the known invention, and 15 mm according to the invention. Reducing the gap is possible due to better casting conditions for cast iron that appear during the implementation of the invention. The gas layer at the iron-carbon interface is also eliminated. Measure the electrical parameters and mechanical strength of the adhesion of the rod-block. The measurement results are given in table 1.

Как видно из табл. 1, электрические и механические параметры подовой секции, выполненной по предлагаемому изобретению, превосходят аналогичные показатели секции, выполненной по известной технологии. As can be seen from the table. 1, the electrical and mechanical parameters of the hearth section, made according to the invention, are superior to those of the section made according to known technology.

Кроме этого, появилась возможность уменьшить общую высоту подового блока на величину Н=50 мм (фиг.2). In addition, it became possible to reduce the overall height of the hearth block by a value of N = 50 mm (figure 2).

П р и м е р 2. Из комплекта подовых секций монтируют подину алюминиевого электролизера типа С8Б на силу тока 155 кА и ведут электролиз в течение 9 мес. Производят периодические измерения параметров на опытном электролизере и электролизе-свидетеле С8Б. Результаты измерений и наблюдений приведены в табл.2. PRI me R 2. From the set of hearth sections mount the bottom of an aluminum electrolytic cell of type S8B for a current of 155 kA and carry out electrolysis for 9 months. Periodic measurements of parameters are performed on an experimental electrolyzer and witness electrolysis S8B. The results of measurements and observations are given in table.2.

Как следует из полученных результатов, на опытном электролизере получено значительное снижение падения напряжения в подине (60 мВ, или ≈15%). Снижение температуры днища катода на ≈51^оС указывает как на общее снижение величины греющего напряжения в подине, так и на отсутствие проникновения жидкого алюминия под секцию и через трещины на боковых гранях подового блока. На это же указывает значительно меньшее содержание основных примесей в алюминий-сырце электролизера, смонтированного из подовых секций, выполненных согласно предлагаемому изобретению. Улучшение равномерности распределения тока на рабочей поверхности подового блока снижает токовую нагрузку на межблочный шов, предотвращая фильтрацию алюминия под воздействием тока (электрофорез). Увеличение суточной производительности опытного электролизера на 11 кг/сут указывает на более стабильный технологический ход, что может быть объяснено более равномерным распределением тока в подине (катодной плотностью тока), снижением горизонтальной составляющей тока в подине и металле.As follows from the results obtained, a significant decrease in the voltage drop in the hearth (60 mV, or ≈15%) was obtained on the experimental electrolyzer. A decrease in the temperature of the cathode bottom by ≈51 ^о С indicates both a general decrease in the heating voltage in the hearth and the absence of liquid aluminum penetrating under the section and through cracks on the side faces of the hearth block. This is also indicated by a significantly lower content of basic impurities in the raw aluminum of the electrolytic cell mounted from the hearth sections made according to the invention. Improving the uniformity of the current distribution on the working surface of the hearth block reduces the current load on the interblock seam, preventing the filtration of aluminum under the influence of current (electrophoresis). An increase in the daily productivity of the experimental electrolyzer by 11 kg / day indicates a more stable technological course, which can be explained by a more uniform current distribution in the hearth (cathode current density), and a decrease in the horizontal component of the current in the hearth and metal.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить сортность получаемого алюминия, увеличить срок службы электролизера, снизить расход электроэнергии за счет снижения падения напряжения в подине. Thus, the use of the invention allows to increase the grade of the obtained aluminum, increase the service life of the electrolyzer, reduce energy consumption by reducing the voltage drop in the hearth.

Дополнительным эффектом от использования изобретения следует считать снижение потребности в угольной продукции, трудозатрат на демонтаж подовой секции, повышение производительности электролизера. An additional effect of the use of the invention should be considered a decrease in the need for coal products, labor costs for dismantling the hearth section, and increasing the productivity of the electrolyzer.

Claims

1. Bottom section of an aluminum electrolyzer containing a carbon-containing hearth block of rectangular or trapezoidal section with a flat horizontal surface, a longitudinal groove in the lower part and a metal collector rod mounted in it, characterized in that the transverse profile of the groove and the collector metal rod is made in the form of a segment, convex surface facing in the direction of the working surface of the hearth block.

2. Section according to claim 1, characterized in that the transverse profiles of the groove and the collector rod are made in the form of a semicircle.