RU2100487C1

RU2100487C1 - Lining of cathode part of aluminium electrolyzer

Info

Publication number: RU2100487C1
Application number: RU96105434A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Маленьких; А.П. Панин; В.А. Горбунов; Ф.К. Тепляков; В.Н. Савинов; В.Л. Кучер
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Братский алюминиевый завод"
Priority date: 1996-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy, production of aluminium by electrolysis of melted salts. SUBSTANCE: invention can be used for assembly of cathode devices of aluminium electrolyzer. Lower part of voids-pits of intermediate layer of red brick located between layers of refractory and heat insulation materials from their base to height equal to 0.05-0.25 thickness of intermediate layer is filled with boric anhydride or boric acid and upper part to upper level of void-pits having height equal to 0.75-0.95 thickness of intermediate layer - with powdery diatomite or chamotte. Void-pits in intermediate layer are formed by through slits in red brick situated vertically in layer. EFFECT: improved reliability of lining. 1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролизом расплавленных солей и может быть использовано при монтаже катодных устройств алюминиевого электролизера. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the production of aluminum by electrolysis of molten salts and can be used in the installation of cathode devices of an aluminum electrolyzer.

Известна футеровка катодной части алюминиевого электролизера, включающая огнеупорный и теплоизоляционный слои и промежуточный слой из красного кирпича [1] Недостатком данной футеровки является недостаточно высокий срок службы алюминиевого электролизера. Known lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer, including refractory and heat-insulating layers and an intermediate layer of red brick [1] The disadvantage of this lining is the insufficiently high life of the aluminum electrolyzer.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является футеровка катодной части алюминиевого электролизера, выполненная из слоев огнеупорного и теплоизоляционного материалов и размещенных между ними слоев красного кирпича с выложенными пустотами в виде сужающихся колодцев при соотношении суммарного объема пустот и сплошной кладки 1 (7-9) [2]
Недостатком известного решения является то, что при эксплуатации электролизера расплавленный алюминий, проникая через поры и трещины в подине, поступает в пустоты-колодцы в промежуточном слое из красного кирпича и далее частично проникает в теплоизоляционный слой, что ведет к резкому снижению теплового сопротивления катодной футеровки, увеличению теплопотерь днищем и за счет этого повышению удельного расхода электроэнергии на получение электролитического алюминия. Компоненты электролита также проникают в теплоизоляционный слой, снижая дополнительно тепловое сопротивление футеровки. Из-за заполнения пустот-колодцев металлом скорость пропитки этими компонентами слоя красного кирпича через посредство колодцев резко снижается. Поэтому толщина серо-белого слоя под угольной футеровкой увеличивается, что ускоряет процесс разрушения последней, сокращая срок службы алюминиевого электролизера.The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result is a lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer made of layers of refractory and heat-insulating materials and layers of red brick placed between them with lined voids in the form of tapering wells with a ratio of the total volume of voids and solid masonry 1 (7 -9) [2]
A disadvantage of the known solution is that during operation of the electrolyzer, molten aluminum, penetrating through the pores and cracks in the hearth, enters the voids-wells in the intermediate layer of red brick and then partially penetrates into the insulating layer, which leads to a sharp decrease in the thermal resistance of the cathode lining, an increase in heat loss underneath and, due to this, an increase in the specific energy consumption for producing electrolytic aluminum. The electrolyte components also penetrate the insulating layer, further reducing the thermal resistance of the lining. Due to the filling of the voids-wells with metal, the speed of impregnation of the red brick layer with these components through the wells decreases sharply. Therefore, the thickness of the gray-white layer under the coal lining increases, which accelerates the destruction of the latter, reducing the life of the aluminum electrolyzer.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение расхода электроэнергии на получение электролитического алюминия и увеличение срока службы электролизера. The aim of the invention is to reduce the energy consumption for producing electrolytic aluminum and increase the service life of the cell.

Поставленная цель достигается тем, что нижняя часть пустот-колодцев слоя красного кирпича, размещенного между слоями огнеупорного и теплоизоляционного материалов, от их основания на высоту, равную 0,05 0,25 толщины промежуточного слоя заполнена борным ангидридом или борной кислотой, а верхняя часть до верхнего уровня пустот-колодцев высотой 0,75 0,95 толщины промежуточного слоя порошкообразными шамотом или диатомитом. Пустоты-колодцы в промежуточном слое образованы сквозными щелями в красном кирпиче, расположенными в слое вертикально. This goal is achieved in that the lower part of the voids-wells of the red brick layer, placed between the layers of refractory and heat-insulating materials, from their base to a height equal to 0.05 0.25 of the thickness of the intermediate layer is filled with boric anhydride or boric acid, and the upper part the upper level of the voids-wells with a height of 0.75 to 0.95 of the thickness of the intermediate layer of powdered chamotte or diatomite. The voids-wells in the intermediate layer are formed through holes in the red brick, located vertically in the layer.

Уменьшение расхода электроэнергии на получение электролитического алюминия достигается за счет повышения теплового сопротивления катодного цоколя и футеровки в целом. Нижняя часть пустот-колодцев, заполненная борным ангидридом или борной кислотой, препятствует проникновению компонентов электролита в теплоизоляционный слой за счет того, что борный ангидрид, находясь при рабочих температурах в размягченном состоянии, заполняет все поры и щели на границе промежуточного и теплоизоляционного слоев. Верхняя часть пустот-колодцев, заполненная порошкообразными шамотом или диатомитом, предотвращает заполнение указанных пустот алюминием, а значит, и дальнейшее проникновение последнего вглубь футеровки. Однако эта засыпка не препятствует поступлению компонентов электролита и контакту последних с красным кирпичом промежуточного слоя. Поэтому процесс создания пластичного слоя из красного кирпича не только не замедляется, а наоборот, при отсутствии металла в колодцах, ускоряется. Уменьшение за счет этого толщины серо-белого слоя под угольной футеровкой ведет к замедлению процесса разрушения последней, что способствует увеличению срока службы алюминиевого электролизера. В конечном счете, футеровка, имевшая меньшее тепловое сопротивление в исходном состоянии (перед пуском электролизера), в процессе эксплуатации электролизера приобретает большее значение, чем по известному решению. Reducing the energy consumption for producing electrolytic aluminum is achieved by increasing the thermal resistance of the cathode base and the lining as a whole. The lower part of the voids-wells, filled with boric anhydride or boric acid, prevents the penetration of electrolyte components into the heat-insulating layer due to the fact that boric anhydride, being at working temperatures in a softened state, fills all the pores and cracks at the interface between the intermediate and heat-insulating layers. The upper part of the voids-wells, filled with powdered chamotte or diatomite, prevents the filling of these voids with aluminum, and hence the further penetration of the latter deep into the lining. However, this backfill does not prevent the entry of electrolyte components and the contact of the latter with the red brick of the intermediate layer. Therefore, the process of creating a plastic layer of red brick is not only not slowing down, but rather, in the absence of metal in the wells, it is accelerated. The reduction due to this thickness of the gray-white layer under the coal lining leads to a slowdown in the destruction of the latter, which increases the service life of the aluminum electrolyzer. Ultimately, the lining, which had less thermal resistance in the initial state (before starting the electrolyzer), in the process of operation of the electrolyzer becomes more important than by the known solution.

Выбранные условия лимитируются следующими факторами:
уменьшение высоты нижней части пустот-колодцев, заполненной борным ангидридом или борной кислотой, менее 0,05 толщины промежуточного слоя или увеличение высоты верхней части пустот-колодцев, заполненной порошкообразными шамотом или диатомитом, более 0,95 толщины промежуточного слоя ведет к снижению теплового сопротивления футеровки в процессе эксплуатации электролизера и за счет этого к увеличению расхода электроэнергии на получение электролитического алюминия;
а увеличение высоты нижней части пустот-колодцев более 0,25 толщины промежуточного слоя или уменьшение высоты верхней части пустот-колодцев менее 0,75 толщины промежуточного слоя нецелесообразно из-за перерасхода борного ангидрида или борной кислоты без дополнительного эффекта по снижению расхода электроэнергии.The selected conditions are limited by the following factors:
a decrease in the height of the lower part of the voids-wells filled with boric anhydride or boric acid, less than 0.05 of the thickness of the intermediate layer or an increase in the height of the upper part of the voids-wells filled with powdered chamotte or diatomite, more than 0.95 of the thickness of the intermediate layer leads to a decrease in the thermal resistance of the lining during operation of the electrolyzer and, due to this, to an increase in the energy consumption for producing electrolytic aluminum;
and an increase in the height of the lower part of the voids-wells more than 0.25 of the thickness of the intermediate layer or a decrease in the height of the upper part of the voids-wells less than 0.75 of the thickness of the intermediate layer is impractical due to the excessive consumption of boric anhydride or boric acid without the additional effect of reducing the energy consumption.

В результате поиска по патентной и научно-технической литературе не были обнаружены технические решения с признаками, отличающими предлагаемый объект изобретения от прототипа, а именно: позволяющими обеспечить тепловое сопротивление катодной футеровки в процессе эксплуатации электролизера более высоким, чем у известной футеровки (несмотря на более низкое его значение в исходном состоянии) при одновременном ускорении процесса образования пластичного промежуточного слоя из красного кирпича. As a result of a search in the patent and scientific and technical literature, no technical solutions were found with features distinguishing the proposed invention from the prototype, namely: allowing to provide thermal resistance of the cathode lining during operation of the electrolyzer higher than that of the known lining (despite lower its value in the initial state) while accelerating the formation of a plastic intermediate layer of red brick.

Пример исполнения футеровки катодной части алюминиевого электролизера показан на чертеже, разрез. An example of the lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer is shown in the drawing, section.

Футеровка содержит бортовой угольный блок 1, расположенный на шамотной бровке 2, огнеупорную засыпку 3, подовые блоки 4, угольную набойку 5, токоподводящие стержни 6, огнеупорный слой 7, теплоизоляционный слой 8 и промежуточный слой 9 из щелевого красного кирпича, из щелей которого образованы пустоты-колодцы. Нижняя часть пустот-колодцев 10 заполнена борным ангидридом или борной кислотой, а верхняя часть 11 порошкообразными шамотом или диатомитом. The lining contains an onboard coal block 1 located on the fireclay edge 2, refractory filling 3, hearth blocks 4, coal lining 5, current-supplying rods 6, refractory layer 7, heat-insulating layer 8 and an intermediate layer 9 of slotted red brick, from the cracks of which voids are formed Wells. The lower part of the voids-wells 10 is filled with boric anhydride or boric acid, and the upper part 11 with powdered chamotte or diatomite.

Исполнение предложенной футеровки осуществляется следующим образом. The implementation of the proposed lining is as follows.

Пример 1. На металлическое днище после выравнивающей подсыпки из шамотной крупки укладывают ряды из диатомового кирпича. Далее монтируют промежуточный слой из щелевого красного кирпича, причем таким образом, что щели в слое расположены вертикально. При этом образуются пустоты-колодцы, нижнюю часть которых заполняют борным ангидридом на высоту 7 мм или 0,05 толщины промежуточного слоя (138 мм), а верхнюю порошкообразным шамотом, приготовленным из отходов, на высоту равную 131 мм или 0,95 толщины промежуточного слоя. На промежуточный слой красного кирпича с заполненными материалами пустотами-колодцами укладывают огнеупорный слой из шамотного кирпича и далее монтируют угольную футеровку. В процессе эксплуатации электролизера расплавленный алюминий через поры и трещины в подине стремится проникнуть в нижележащие слои катодного цоколя. Поскольку верхняя часть пустот-колодцев заполнена порошком шамота, то попадание металла в пустоты-колодцы и дальнейшее его проникновение в теплоизоляционный слой предотвращается, в результате чего обеспечивается более высокое тепловое сопротивление предлагаемой футеровки в сравнении с известной. Преградой проникновению компонентов электролита в теплоизоляционный слой является нижняя часть пустот-колодцев, заполненная борным ангидридом или борной кислотой. Это дополнительно повышает тепловое сопротивление футеровки. Верхняя часть пустот-колодцев, заполненная шамотом или диатомитом, не является препятствием для пропитки промежуточного слоя из красного кирпича компонентами электролита. Поэтому процесс создания пластичного слоя при отсутствии металла в пустотах-колодцах ускоряется и толщина серо-белого слоя под угольной подиной за счет этого становится меньшей, чем у известной футеровки, что способствует увеличению срока службы электролизера. Example 1. On a metal bottom after a leveling bed of chamotte, rows of diatom bricks are laid. Next, an intermediate layer of slotted red brick is mounted, so that the slots in the layer are arranged vertically. In this case, voids-wells are formed, the lower part of which is filled with boric anhydride to a height of 7 mm or 0.05 of the thickness of the intermediate layer (138 mm), and the upper powdery chamotte, prepared from waste, to a height of 131 mm or 0.95 of the thickness of the intermediate layer . A refractory layer of fireclay bricks is laid on the intermediate layer of red brick with the voids-wells filled with materials, and then the coal lining is mounted. During operation of the electrolyzer, molten aluminum through pores and cracks in the hearth tends to penetrate into the underlying layers of the cathode base. Since the upper part of the voids-wells is filled with chamotte powder, the penetration of metal into the voids-wells and its further penetration into the heat-insulating layer is prevented, resulting in a higher thermal resistance of the proposed lining in comparison with the known one. The lower part of the voids-wells filled with boric anhydride or boric acid is an obstacle to the penetration of electrolyte components into the insulating layer. This further enhances the thermal resistance of the lining. The upper part of the voids-wells, filled with chamotte or diatomite, is not an obstacle to the impregnation of the intermediate layer of red brick with electrolyte components. Therefore, the process of creating a plastic layer in the absence of metal in the voids-wells is accelerated and the thickness of the gray-white layer under the coal hearth due to this becomes less than that of the known lining, which increases the life of the cell.

В примерах 2 и 3 футеровку выполняют и испытывают аналогично примеру 1 при следующих параметрах. In examples 2 and 3, the lining is performed and tested analogously to example 1 with the following parameters.

Пример 2. Example 2

1. Высота нижней части пустот-колодцев, заполненной борной кислотой, составляет 21 мм или 0,15 толщины промежуточного слоя. 1. The height of the lower part of the voids-wells filled with boric acid is 21 mm or 0.15 of the thickness of the intermediate layer.

2. Высота верхней части пустот-колодцев, заполненной диатомитом, составляет 117 мм или 0,85 толщины промежуточного слоя. 2. The height of the upper part of the voids-wells filled with diatomaceous earth is 117 mm or 0.85 of the thickness of the intermediate layer.

Пример 3. Example 3

1. Высота нижней части пустот-колодцев, заполненной борной кислотой, составляет 34 мм или 0,25 толщины промежуточного слоя. 1. The height of the lower part of the voids-wells filled with boric acid is 34 mm or 0.25 of the thickness of the intermediate layer.

2. Высота верхней части пустот-колодцев, заполненной шамотом, составляет 104 мм или 0,75 толщины промежуточного слоя. 2. The height of the upper part of the voids-wells filled with chamotte is 104 mm or 0.75 of the thickness of the intermediate layer.

В примерах 4 и 5 футеровку выполняют и испытывают аналогично примерам 1
3 за пределами заявленных интервалов.In examples 4 and 5, the lining is performed and tested similarly to examples 1
3 outside the declared intervals.

Пример 4. Example 4

1. Высота нижней части пустот-колодцев, заполненной борной кислотой, составляет 3 мм или 0,02 толщины промежуточного слоя. 1. The height of the lower part of the voids-wells filled with boric acid is 3 mm or 0.02 of the thickness of the intermediate layer.

2. Высота верхней части пустот-колодцев, заполненной диатомитом, составляет 135 мм или 0,98 толщины промежуточного слоя. 2. The height of the upper part of the voids-wells filled with diatomite is 135 mm or 0.98 of the thickness of the intermediate layer.

Пример 5. Example 5

1. Высота нижней части пустот-колодцев, заполненной борной кислотой, составляет 41 мм или 0,30 толщины промежуточного слоя. 1. The height of the lower part of the voids-wells filled with boric acid is 41 mm or 0.30 of the thickness of the intermediate layer.

2. Высота верхней части пустот-колодцев, заполненной шамотом, составляет 97 мм или 0,70 толщины промежуточного слоя. 2. The height of the upper part of the voids-wells filled with chamotte is 97 mm or 0.70 of the thickness of the intermediate layer.

Выполняют и испытывают футеровку катодной части алюминиевого электролизера по известному решению. They perform and test the lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer according to a known solution.

Результаты испытаний приведены в таблице. The test results are shown in the table.

Примечания:
* за единицу принято суммарное тепловое сопротивление футеровки по известному решению в исходном состоянии (перед пуском электролизера),
** перерасход борного ангидрида или борной кислоты без дополнительного эффекта по снижению расхода электроэнергии.Notes:
* the unit is the total thermal resistance of the lining according to a known solution in the initial state (before starting the electrolyzer),
** overexpenditure of boric anhydride or boric acid without the additional effect of reducing energy consumption.

Из данных таблицы видно, что использование футеровки катодной части алюминиевого электролизера (по примерам 1 3) обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии на 230 кВт•ч/т электролитического алюминия и увеличивает срок службы электролизера на 1,8 мес. The table shows that the use of the lining of the cathode part of the aluminum electrolyzer (according to examples 1 to 3) provides a reduction in power consumption by 230 kWh / t of electrolytic aluminum and increases the service life of the cell by 1.8 months.

Claims

1. The lining of the cathode part of the aluminum electrolyzer, made of layers of refractory and heat-insulating materials and an intermediate layer of red brick placed between them with the formation of voids-wells, characterized in that the lower part of the voids-wells from their base to a height of 0.05 0.25 the thickness of the intermediate layer is filled with boric anhydride or boric acid, and the upper part to the upper level of the voids-wells with a height of 0.75 - 0.95 of the thickness of the intermediate layer with powdered chamotte or diatomite.

2. The lining according to claim 1, characterized in that the voids-wells in the intermediate layer are formed through holes in the red brick, located vertically in the layer.