RU2082828C1

RU2082828C1 - Method of mounting bottom aluminium electrolyzer

Info

Publication number: RU2082828C1
Application number: RU94020110A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Деревягин
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Братский алюминиевый завод"
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1997-06-27
Also published as: RU94020110A

Abstract

FIELD: electrolytic processes. SUBSTANCE: invention concerns electrolytic production of aluminium from cryolite-silica smelts, in particular, improving mounting cathode unit of electrolyzer. Method consists in that upper part of interblock or peripheral gap preliminarily filled with silica is impregnated with cryolite or electrolyte. EFFECT: improved design. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия и криолито-глиноземных расплавов, в частности к совершенствованию способа монтажа катодного узла электролизера. The invention relates to the field of electrolytic production of aluminum and cryolite-alumina melts, in particular to improving the installation method of the cathode assembly of the electrolyzer.

Известен способ монтажа подины алюминиевого электролизера, согласно которому после прогрева подины горячими газами до температуры 150 170^oC ведут набойку швов подовой массой в несколько приемов слоями по 5 6 см [1] пневматическими трамбовками с давлением сжатого воздуха не ниже 4 5 атм.There is a method of mounting the bottom of an aluminum electrolyzer, according to which, after heating the bottom with hot gases to a temperature of 150,170 ^o C, the joints are sealed with a hearth mass in several steps in layers of 5 6 cm [1] by pneumatic rammers with a compressed air pressure of at least 4 5 atm.

Недостатком способа является низкая стойкость углеродистых швов подины в результате термического и химического воздействия расплавленного алюминия и электролита в процессе обжига, пуска и эксплуатации электролизера. The disadvantage of this method is the low resistance of the carbon seams of the hearth as a result of the thermal and chemical effects of molten aluminum and the electrolyte during the firing, start-up and operation of the electrolyzer.

Известен способ формирования настыли в ванне для электролитического получения алюминия, включающий осаждение слоя корунда на охлаждаемых циркулирующим теплоносителем поверхностях из электролита, содержащего окись алюминия, согласно которому в электролите поддерживают содержание окиси алюминия от 10 до 16 мас. и отводят 0,1 20 Вт/см² тепла в течение 0,3 100 ч. [2]
Известному способу присущи следующие недостатки:
1. Согласно способу для его реализации необходима организация режима теплоотвода с поверхности, на которой формируется защитный корундовый слой, с определенной скоростью, что технически крайне сложно реализовать, особенно в конструкции подины;
2. Реализация известного способа в подине алюминиевого электролизера может привести к образованию неконтролируемого слоя корундовых настылей "коржей" на рабочей поверхности подовых блоков, что приведет к электрической изоляции подины, возрастанию токовой нагрузки на межблочные швы и разрушению последних. В результате произойдет фильтрация жидкого алюминия в подину, растворение железа и ухудшение сортности катодного алюминия, снижение срока службы электролизера;
3. Поддержание содержания окиси алюминия в промышленном электролите от 10 до 16 мас. достаточно сложно, требует дополнительных энергетических затрат и контроля.A known method of forming nastily in a bath for the electrolytic production of aluminum, including the deposition of a layer of corundum on surfaces cooled by a circulating coolant from an electrolyte containing aluminum oxide, according to which the content of aluminum oxide in the electrolyte from 10 to 16 wt. and remove 0.1 to 20 W / cm ² heat for 0.3 to 100 hours. [2]
The known method has the following disadvantages:
1. According to the method for its implementation, it is necessary to organize a heat sink mode from the surface on which the protective corundum layer is formed at a certain speed, which is technically extremely difficult to implement, especially in the hearth structure;
2. The implementation of the known method in the hearth of an aluminum electrolytic cell can lead to the formation of an uncontrolled layer of corundum deposits of “cakes” on the working surface of the hearth blocks, which will lead to electrical insulation of the hearth, an increase in the current load on the interlock seams and the destruction of the latter. As a result, liquid aluminum will be filtered into the bottom, dissolution of iron and deterioration of the grade of cathode aluminum, and a decrease in the life of the electrolyzer;
3. Maintaining the content of alumina in the industrial electrolyte from 10 to 16 wt. quite complicated, requires additional energy costs and control.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ монтажа подины электролизера, согласно которому нижний и верхний слои межблочных швов набивают углеродистой массой, а средний слой, составляющий одну треть высоты блока, заполняют порошком шихты, составленной из компонентов электролита, причем перед засыпкой среднего слоя производят термическую обработку нижнего слоя [2]
Верхний углеродистый слой межблочного шва подвержен термическим и химическим воздействиям расплава и разрушается в процессе эксплуатации электролизера. При этом создаются условия проникновения жидкого алюминия в трещины углеродистого слоя шва и далее, через насыпной слой нерасплавившегося порошка шихты достигает нижнего углеродистого предварительно обожженного слоя. Повторный обжиг нижнего углеродистого слоя приводит к появлению микро- и макротрещин в его структуре. Увеличивая микротрещины этого слоя, жидкий металл фильтруется и достигает металлической конструкции подовой секции с последующим растворением железа с снижением сортности получаемого алюминия, срока службы электролизера.The closest in technical essence analogue is the method of mounting the bottom of the cell, according to which the lower and upper layers of interblock seams are filled with carbon mass, and the middle layer, which is one third of the block height, is filled with a powder of a mixture composed of electrolyte components, and before filling the middle layer, they produce thermal bottom layer treatment [2]
The upper carbon layer of the interblock weld is subject to thermal and chemical influences of the melt and is destroyed during the operation of the electrolyzer. In this case, conditions are created for liquid aluminum to penetrate into the cracks in the carbon layer of the weld and then, through the bulk layer of unmelted powder of the charge, reaches the lower carbon pre-burnt layer. Re-firing the lower carbon layer leads to the appearance of micro- and macrocracks in its structure. Increasing the microcracks of this layer, the liquid metal is filtered and reaches the metal structure of the hearth section, followed by dissolution of the iron with a decrease in the grade of the obtained aluminum, and the service life of the cell.

Указанные недостатки не позволяют применять известный способ в промышленных алюминиевых электролизерах. These disadvantages do not allow the application of the known method in industrial aluminum electrolysis cells.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение сортности получаемого алюминия, повышение срока службы электролизера, снижение расхода электроэнергии. The technical result of this invention is to improve the grade of the obtained aluminum, increase the service life of the electrolyzer, reduce energy consumption.

Сущность изобретения заключается в том, что верхняя часть межблочного и/или периферийного шва, образующего в результате набивки подовой углеродистой массой с уровнем, расположенным ниже уровня подовых блоков, заполняют предварительно глиноземом и пропитывают расплавленным криолитом или электролитом. The essence of the invention lies in the fact that the upper part of the interblock and / or peripheral seam, forming as a result of stuffing with a hearth carbon mass with a level below the level of the hearth blocks, is pre-filled with alumina and impregnated with molten cryolite or electrolyte.

Пропитка расплавленным криолитом слоя глинозема, находящегося в верхней полости межблочного шва под уровнем подовой массы, приводит к появлению эвтектического состава криолит-глинозем, появлению твердой коркообразной формы на поверхности глиноземного слоя при постепенном остывании расплава. Последующая заливка жидкого алюминия согласно известному способу обжига электролизера не приведет к "размыванию глинозема". Последующий обжиг электролизера позволит увеличить вероятность образования корунда ("коржа") в полости шва, а медленное возрастание температуры при обжиге и пуске улучшает структуру и плотность корунда. В результате упрочняется конструкция подины, возрастает ее стойкость к проникновению жидкого алюминия, устраняется вероятность подъема ("всплытия") подовых блоков, их отрыва от стальных стержней. Все это повышает сортность катодного алюминия, срок службы электролизера, снижается падение напряжения в подине и предотвращается возникновение неравномерности токовой нагрузки в электролизере. Impregnation by the molten cryolite of the alumina layer located in the upper cavity of the interblock weld under the level of the bottom mass leads to the appearance of the eutectic composition of cryolite-alumina, the appearance of a solid crust-like form on the surface of the alumina layer during gradual cooling of the melt. Subsequent pouring of liquid aluminum according to the known method of firing the electrolyzer will not lead to "erosion of alumina." Subsequent firing of the electrolyzer will increase the likelihood of corundum formation (“cake”) in the weld cavity, and a slow increase in temperature during firing and starting improves the structure and density of corundum. As a result, the construction of the hearth is hardened, its resistance to liquid aluminum penetration increases, the likelihood of lifting ("floating up") of the hearth blocks, their separation from steel rods is eliminated. All this increases the grade of cathode aluminum, the service life of the cell, the voltage drop in the hearth decreases and the occurrence of uneven current load in the cell is prevented.

Пропитка глиноземного слоя шва расплавленным электролитом дает аналогичный результат с той лишь разницей, что в этом случае нет необходимости, поддержания определенных значений температуры жидкого расплава. Impregnation of the alumina layer of the weld with molten electrolyte gives a similar result with the only difference that in this case there is no need to maintain certain values of the temperature of the liquid melt.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез подины алюминиевого элекролизера (фрагмент). The invention is illustrated by the drawing, which shows a longitudinal section of the bottom of the aluminum electrolyzer (fragment).

Подину монтируют на подовых секциях, содержащих углеродистые подовые блок 1 с продольными пазами 2 для заделки в них стальных токоотводящих стержней 3, и межблочных швов, содержащих нижнюю углеродистую часть 4 из подовой массы с уровнем 5, расположенным ниже уровня поверхности 6 подовых блоков 1 (по прототипу [1]). Образующуюся полость межблочных швов наполняют глиноземсодержащим веществом 7 (также по прототипу 1). Затем производят пропитку верхней части межблочного шва, заполненного глиноземсодержащим веществом 7, расплавом криолита или электролитом. В результате образуется слой 8 твердого электролита пересыщенного глиноземом (по предлагаемому способу). The hearth is mounted on the hearth sections containing a carbon hearth block 1 with longitudinal grooves 2 for sealing steel current-conducting rods 3 in them, and interblock seams containing the lower carbon part 4 from the hearth mass with a level 5 located below the surface level 6 of the hearth blocks 1 (by prototype [1]). The resulting cavity of the interblock joints is filled with an alumina-containing substance 7 (also according to the prototype 1). Then make the impregnation of the upper part of the interblock seam filled with alumina-containing substance 7, cryolite melt or electrolyte. The result is a layer 8 of a solid electrolyte supersaturated with alumina (according to the proposed method).

Пример 1 реализации способа. Проводили лабораторные испытания. Готовые две модели подины, состоящие каждая из двух углеродистых образцов подового блока в виде параллелепипеда, межблочный шов шириной 40 мм, между образцами выполняли согласно заявке N 94-004228 C 25 C 3/08 от 08.02.1994 г. где нижняя часть шва из углеродистой подовой массы, а верхняя из глинозема. В первую модель (опытную) заливали расплавленный криолит, разогретый до температуры 980^oC. Вторую модель шва (прототип) оставили без воздействия криолита. Затем обе модели подвергали воздействию струи жидкого алюминия, выдерживали до затвердевания алюминия на поверхности обеих моделей и подвергали обжигу без доступа воздуха. Производили подъем температуры до 970^oC и выдержку при этой температуре в течение 2-х суток. Результаты обследования моделей межблочного шва (опытного и прототипа) представлены в табл. 1.Example 1 of the implementation of the method. Conducted laboratory tests. Ready two models of the hearth, each consisting of two carbon samples of the bottom block in the form of a parallelepiped, an interlock seam 40 mm wide, between the samples were made according to application N 94-004228 C 25 C 3/08 of 08/08/1994, where the lower part of the seam is made of carbon hearth mass, and the top of alumina. In the first model (experimental), molten cryolite was poured, heated to a temperature of 980 ^o C. The second model of the seam (prototype) was left without exposure to cryolite. Then, both models were subjected to a jet of liquid aluminum, kept until the aluminum solidified on the surface of both models, and fired without air. Produced a rise in temperature to 970 ^o C and exposure at this temperature for 2 days. The results of the examination of the models of the interblock seam (experimental and prototype) are presented in table. one.

Примечание к табл.1: в подине-прототипе проникновение жидкого алюминия на границе "глинозем боковая поверхность подового блока" составила 42 49 мм. Note to table 1: in the bottom of the prototype, the penetration of liquid aluminum at the border "alumina lateral surface of the hearth block" amounted to 42 49 mm

Как видно, пропитка жидким криолитом межблочного шва, содержащего в верхней части глинозем, создает условия образования тугоплавкого эвтектического соединения уже на стадии монтажа подины. Дальнейший обжиг при температурах электролиза создает в материале опытного шва условия образования корунда. Это приводит к упрочнению шва в 2 4 раза по сравнению с моделью-прототипом, что исключает проникновение жидкого алюминия внутрь, упрочняет конструкцию подины в целом. As can be seen, the impregnation of a cryolite with an interblock weld containing alumina in the upper part creates the conditions for the formation of a refractory eutectic compound already at the installation stage of the hearth. Further firing at electrolysis temperatures creates the conditions for the formation of corundum in the material of the experimental seam. This leads to hardening of the seam in 2 to 4 times in comparison with the prototype model, which eliminates the penetration of liquid aluminum inside, strengthens the design of the hearth as a whole.

Пример 2. Производят монтаж подин двух электролизеров типа C-8B на силу тока 156 кА. Первая подина опытная. Вторая прототип 1. В начале межблочные швы обоих подин выполняли в соответствии с прототипом 1: нижний слой шва на высоту "b", равную 0,5 высоты подового блока набойкой из углеродистой подовой массы; верхний слой глинозема. Затем верхний глиноземный слой межблочного шва опытной первой подины пропитывают жидким электролитом, произвольно связанным в действующем электролизере. Пропитку ведут до момента, пока электролит не перестанет "уходить" через слой глинозема. Образовалась "шапочка" из застывшего электролита эвтектического состава. Затем оба электролизера подвергают обжигу с заливкой слоя жидкого алюминия на подину и подключением к току серии по известному способу с последующим пуском на электролиз. Example 2. Mount the hearth of two electrolytic cells of type C-8B for a current of 156 kA. The first hearth is experienced. The second prototype 1. At the beginning, the interblock seams of both hearths were made in accordance with prototype 1: the bottom layer of the seam to a height "b" equal to 0.5 of the height of the hearth block with a heel of carbon bottom mass; top layer of alumina. Then, the upper alumina layer of the interblock seam of the experimental first hearth is impregnated with a liquid electrolyte, arbitrarily connected in an active electrolyzer. Impregnation is carried out until the electrolyte does not stop "leaving" through a layer of alumina. A “cap” was formed from a frozen electrolyte of eutectic composition. Then both electrolytic cells are fired by pouring a layer of liquid aluminum on the bottom and connecting to the series current according to the known method, followed by start-up on electrolysis.

Осредненные результаты измеренных параметров подин, их обследование в процессе обжига и послепускового периода представлены в табл. 2. The averaged results of the measured parameters of the hearths, their examination during the firing process and the post-launch period are presented in table. 2.

Примечание к табл.2:
1. * закладывали хромель-алюминиевые термопары в межблочные швы шести подовых блоков центральной части подин на границе верхней глиноземной и нижней углеродистой частей межблочного шва на обоих электролизерах.Note to table 2:
1. * laid chromel-aluminum thermocouples in the interblock seams of six hearth blocks of the central part of the hearths at the border of the upper alumina and lower carbon parts of the interblock seam on both electrolyzers.

2. Наблюдали обратную полярность в двух катодных стержнях подины прототипа. 2. Observed the reverse polarity in the two cathode rods of the bottom of the prototype.

Как следует из полученных данных, токовая нагрузка в катодных стержнях опытной подины в 2, 3 раза ровнее на обжиге и в 5 раз ровнее после пуска электролизера по сравнению с прототипом 1. Это указывает на влияние прочности межблочных швов опытной подины, что исключает "шевеление" подовых секций и нарушение электрического контакта в их конструкции, "утечку" тока по межблочным швам в продольном направлении электролизера (поперек подовых блоков и швов). На это же указывает более низкое падение напряжения в опытной подине в период обжига по сравнению с прототипом, более низкая температура межблочных швов опытной подины, что в свою очередь подтверждает меньшую степень приближения жидкого алюминия к термопарам в швах опытных. As follows from the data obtained, the current load in the cathode rods of the experimental hearth is 2, 3 times smoother on firing and 5 times smoother after starting the electrolyzer compared to prototype 1. This indicates the influence of the strength of the interblock joints of the experimental hearth, which eliminates the "stirring" hearth sections and violation of electrical contact in their design, "leakage" of current along interblock seams in the longitudinal direction of the cell (across the hearth blocks and seams). This is also indicated by the lower voltage drop in the test hearth during the firing period compared with the prototype, the lower temperature of the interblock joints of the test hearth, which in turn confirms the lower degree of approximation of liquid aluminum to the thermocouples in the test joints.

В послепусковой период в опытной подине происходит естественное снижение падения напряжения в 2,5 раза, в то время как на электролизере-прототипе произошло возрастание на 29 мВ. Можно предложить, что некоторое изменение геометрии подины прототипа "шевеление" указывает на снижение прочности конструкции подины, когда еще не произошло образование тугоплавких осадков тяжелых металлов. В опытной же подине произошло образование корунда в верхней части межблочного шва в период монтажа, и далее обжига, пуска, упрочнения конструкции подины и дальнейшее выравнивание токовой нагрузки в катодных стержнях, что привело к снижению падения напряжения в подине в целом. В результате наблюдений отмечено также снижение периода пускового режима (выхода электролизера на стабилизацию рабочего напряжения) опытного электролизера на двое суток по сравнению с прототипом, что указывает на более устойчивый технологический ход. На это же указывает более низкое рабочее напряжение опытного электролизера 4,35 В против 4,40 В у прототипа и снижение времени выхода электролизера на сорт алюминия марки А7 на семь суток по сравнению с прототипом на 30%
Можно предположить, что отсутствие изменения геометрии и лучшие технические параметры опытной подины позволят увеличить срок службы электролизера и сортность катодного алюминия с подиной, выполненной по предлагаемому способу, независимо от способа обжига электролизера на металле или на электролите. Пропитка верхней глиноземной части межблочного шва расплавом криолита в сущности не отличается от пропитки расплавом электролита. Однако для этого требуется операции подготовки расплавленного криолита.In the post-launch period in the test hearth there is a natural decrease in voltage drop by 2.5 times, while on the prototype cell there was an increase of 29 mV. It can be suggested that a slight change in the geometry of the hearth of the prototype “stirring” indicates a decrease in the strength of the hearth structure when the formation of refractory precipitates of heavy metals has not yet occurred. In the experimental hearth, corundum was formed in the upper part of the interblock weld during the installation period, and then firing, start-up, hardening of the hearth structure and further equalization of the current load in the cathode rods, which led to a decrease in the voltage drop in the hearth as a whole. As a result of the observations, a decrease in the start-up period (output of the electrolyzer to stabilize the operating voltage) of the experimental electrolyzer by two days was noted in comparison with the prototype, which indicates a more stable process. This is also indicated by the lower operating voltage of the experimental electrolyzer 4.35 V versus 4.40 V in the prototype and a decrease in the time for the electrolyzer to reach the grade of aluminum grade A7 by seven days compared with the prototype by 30%
It can be assumed that the absence of a change in geometry and the best technical parameters of the test hearth will increase the life of the electrolyzer and the grade of cathode aluminum with the hearth made by the proposed method, regardless of the method of firing the cell on metal or on electrolyte. Impregnation of the upper alumina part of the interblock seam with cryolite melt does not essentially differ from impregnation with an electrolyte melt. However, this requires the preparation of molten cryolite.

Таким образом, предлагаемый способ монтажа подины позволяет снизить расход электроэнергии, улучшить сортность получаемого алюминия и повысить срок службы электролизера, расширить возможности технологов в части применения тех или иных способов обжига и пуска электролизера. Thus, the proposed method of installation of the hearth allows to reduce the energy consumption, improve the grade of the obtained aluminum and increase the service life of the electrolyzer, expand the capabilities of technologists regarding the application of various methods of firing and starting the electrolyzer.

Claims

A method of mounting the bottom of an aluminum electrolyzer, including laying carbon bottom sections, stuffing the interblock seams with a carbon bottom mass at a level below the level of the working surface of the bottom block, and filling the formed upper cavity of the seam, characterized in that the upper part of the interblock and / or peripheral seam of the bottom is filled alumina and cryolite melt or electrolyte.