RU2149924C1

RU2149924C1 - Cathode unit of electrolyzer for production of aluminum

Info

Publication number: RU2149924C1
Application number: RU98100891A
Authority: RU
Inventors: Е.С. Горланов
Original assignee: АО "БрАЗ"
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-01-06
Publication date: 2000-05-27

Abstract

FIELD: aluminum production. SUBSTANCE: cathode unit has metal enclosure coming in the form of box with longitudinal and lateral walls and bottom. Bottom and walls are lined with refractory and heat-insulation layers. Lateral walls have additional layer of insulation in the form of artificial skull made of cold-packed hearth stock put between heat-insulation plates of lateral walls and bottom. Heat-conducting layer made of graphitized plates is located between refractory and heat-insulation layers of bottom. EFFECT: prolonged service life of electrolyzer thanks to prevention of breakdown of lining and re-distribution of thermal flows. 2 cl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к конструкции алюминиевого электролизера. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the design of an aluminum electrolyzer.

Задачи повышения срока службы электролизера и повышения технико-экономических показателей процесса электролизера решаются различными путями. Важными моментами являются оптимальное распределение тепловых потоков, токораспределение, гидродинамические характеристики расплавов, формирование оптимального рабочего пространства. The tasks of increasing the service life of the cell and improving the technical and economic indicators of the process of the cell are solved in various ways. Important points are the optimal distribution of heat flows, current distribution, hydrodynamic characteristics of the melts, the formation of the optimal working space.

Известно выполнение в катодном устройстве порогов [1, 2] с целью повышения качества металла за счет уменьшения и стабилизации конвективных потоков расплавов и повышения срока службы электролизера за счет предотвращения разрушения футеровки. It is known that thresholds are implemented in the cathode device [1, 2] in order to improve the quality of the metal by reducing and stabilizing the convective flows of the melts and increasing the life of the electrolyzer by preventing the destruction of the lining.

Недостатком известных решений в том, что требуются значительные дополнительные затраты на изготовление и монтаж порогов. A disadvantage of the known solutions is that significant additional costs are required for the manufacture and installation of thresholds.

Известен способ электролитического получения алюминия, в котором электролиз осуществляют наращиванием бортов ванны электролизера слоем застывшего электролита с поддержанием уровня расплава в ванне на 6-18% выше глубины шахты электролизера [3]. A known method of electrolytic production of aluminum, in which electrolysis is carried out by increasing the sides of the bath of the electrolyzer with a layer of solidified electrolyte while maintaining the melt level in the bath 6-18% higher than the depth of the cell of the cell [3].

В известном решении подъем уровня расплава при подъеме анода обеспечивает уменьшение глубины погружения анода в шахту электролизера, улучшает гидродинамику расплава, снижает тепловую и энергетическую нагрузку на анод. При этом в результате уменьшения температуры электролита создаются условия, обеспечивающие образование и сохранение настылей по периферии катода, снижающих утечку тока через бортовую футеровку, предотвращающих ее разрушение. In a known solution, raising the melt level while raising the anode provides a decrease in the immersion depth of the anode in the cell of the cell, improves the hydrodynamics of the melt, reduces the thermal and energy load on the anode. In this case, as a result of a decrease in the temperature of the electrolyte, conditions are created that ensure the formation and preservation of patches along the periphery of the cathode, which reduce the leakage of current through the side lining and prevent its destruction.

Недостатки известного решения:
1) требуются значительные изменения технологических параметров электролизера для вывода ванны на предлагаемый режим и его поддержание;
2) не решается в полной мере задача защиты торцевой футеровки ванны;
3) велика вероятность прорыва расплава из электролизера при технологических обработках ванны.The disadvantages of the known solution:
1) significant changes in the technological parameters of the electrolyzer are required to bring the bath to the proposed mode and maintain it;
2) the task of protecting the end lining of the bath is not fully solved;
3) there is a high probability of a breakthrough of the melt from the electrolyzer during technological processing of the bath.

Известен электролизер для получения алюминия, днище и борта которого, с целью стабилизации и дифференциального регулирования температурного режима электролизера и его узлов, снабжены коробчатыми герметичными секциями с двойными стенками, в которых установлены тепловые экраны, к которым подведены воздушные магистрали с воздухораспределительными клапанами [4]. A known cell for producing aluminum, the bottom and sides of which, in order to stabilize and differential control the temperature of the cell and its components, are equipped with box-shaped sealed sections with double walls, in which heat shields are installed, to which air lines with air distribution valves are connected [4].

По известному решению возможно дифференциальное регулирование температурного режима электролизера и толщины гарнисажа бортовой футеровки, но требуются конструктивные изменения, значительные затраты на изготовление и обслуживание системы, что в конечном итоге повышает себестоимость продукции, усложняется технологическое обслуживание электролизера. By a well-known solution, differential control of the temperature of the electrolyzer and the thickness of the skull of the side lining is possible, but structural changes, significant costs for the manufacture and maintenance of the system are required, which ultimately increases the cost of production, and the technological maintenance of the cell is complicated.

Наиболее близким к предлагаемому является катодное устройство алюминиевого электролизера, снабженное металлическими плитами, установленными между теплоизоляционными и огнеупорными слоями футеровки поперечных стенок кожуха, причем слой огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха выполнен большей высоты, чем продольных стенок, а металлическая плита выполнена переменного сечения и высота ее больше высоты слоя огнеупорной футеровки [5]. Closest to the proposed one is the cathode device of an aluminum electrolyzer equipped with metal plates installed between the heat-insulating and refractory layers of the lining of the transverse walls of the casing, the layer of refractory lining of the transverse walls of the casing being made higher than the longitudinal walls, and the metal plate is made of variable cross section and its height is greater than the height of the layer of refractory lining [5].

По технической сущности, наличию сходных существенных признаков с предлагаемым известное решение выбрано в качестве прототипа. By technical nature, the presence of similar essential features with the proposed known solution is selected as a prototype.

Дифференцированный теплоотвод обеспечивается выполнением слоя огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха большей высоты, чем продольных, установкой металлических плит различного сечения выше уровня огнеупорного слоя футеровки. Differentiated heat sink is provided by making a layer of refractory lining of the transverse walls of the casing of a greater height than longitudinal ones, by installing metal plates of various sections above the level of the refractory layer of the lining.

Увеличение теплопотерь от поперечных стенок позволяет вынести необходимое количество тепла от бортовых (поперечных) стенок и создать бортовые настыли на этих внутренних стенках, защищающие их от коррозии и от утечки тока. The increase in heat loss from the transverse walls allows you to remove the necessary amount of heat from the side (transverse) walls and create side accretions on these inner walls, protecting them from corrosion and current leakage.

Однако известное решение имеет и недостатки. Значительна материалоемкость катодного устройства (металлические плиты толщиной 10-20 мм выше слоя огнеупорной футеровки), большая высота огнеупорной футеровки поперечных стенок кожуха, чем продольных, усложнение монтажа катодного устройства, возможность локального перегрева плиты, термические напряжения и, как следствие, разрушение гарнисажа и бортовой футеровки. However, the known solution has disadvantages. Significant material consumption of the cathode device (metal plates with a thickness of 10-20 mm above the refractory lining layer), a greater height of the refractory lining of the transverse walls of the casing than longitudinal ones, complication of installation of the cathode device, the possibility of local overheating of the plate, thermal stresses and, as a consequence, destruction of the skull and side lining.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы электролизера предотвращением разрушения торцевой бортовой футеровки и подины за счет перераспределения тепловых потоков. The objective of the invention is to increase the service life of the cell by preventing the destruction of the end side lining and hearth due to the redistribution of heat fluxes.

Поставленная задача решается тем, что в катодном устройстве электролизера для производства алюминия, включающем металлический кожух, выполненный в виде короба с продольными и поперечными стенками и днищем, футерованный огнеупорными и теплоизоляционными слоями, футеровка поперечных сторон снабжена дополнительной теплоизоляцией, которая выполнена в виде искусственной настыли между теплоизоляционными плитами поперечных стенок и днища, между огнеупорным и теплоизоляционным слоями днища расположен слой из теплопроводящего материала, например углеграфитовых плит, а настыль выполнена из холоднонабивной подовой массы. The problem is solved in that in the cathode device of the electrolytic cell for aluminum production, including a metal casing, made in the form of a duct with longitudinal and transverse walls and a bottom, lined with refractory and heat-insulating layers, the lining of the transverse sides is provided with additional thermal insulation, which is made in the form of an artificial layer between heat-insulating plates of the transverse walls and the bottom, between the refractory and heat-insulating layers of the bottom is a layer of heat-conducting material, For example carbon graphite plate and is made of a skull holodnonabivnoy hearth mass.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем. The technical essence of the proposed solution is as follows.

Основные причины выхода электролизеров из строя: а) разрушение торцевой футеровки ванны, разъедание катодного кожуха и прорыв металла и электролита; б) разрушение подины электролизера за счет неравномерных термических (механических) напряжений, проникновение расплава, разъедание токоподводящих стержней. The main reasons for the failure of electrolytic cells: a) destruction of the end lining of the bath, corrosion of the cathode casing and the breakthrough of metal and electrolyte; b) destruction of the bottom of the cell due to uneven thermal (mechanical) stresses, penetration of the melt, erosion of the current-carrying rods.

Суть вышеуказанных причин заключается в неравномерности гидродинамических и тепловых потоков, воздействующих на различные участки футеровки. The essence of the above reasons is the unevenness of the hydrodynamic and heat fluxes affecting various sections of the lining.

С первой причиной борьба ведется двумя способами: увеличение теплоотвода с целью "переохлаждения" и корректировка (уменьшение) и стабилизация гидродинамических потоков. There are two ways to deal with the first reason: increasing heat dissipation for the purpose of "hypothermia" and correcting (decreasing) and stabilizing hydrodynamic flows.

Что касается подины, то это - конструкции блоков, способы монтажа и обжига. As for the hearth, these are block designs, installation and firing methods.

В предлагаемом решении обе проблемы решаются комплексно. Создание настыли обеспечивает, с одной стороны, защиту торцевой футеровки ванны от разрушения, с другой стороны - направление теплового потока на подину, в ее периферийные, менее нагретые части. Теплопроводящий слой обеспечивает на днище равномерное распределение теплового потока по всей подине, как от торцов, так и из-под анодного пространства. In the proposed solution, both problems are solved comprehensively. The creation of nastily provides, on the one hand, protection of the end lining of the bath from destruction, on the other hand, the direction of the heat flow to the hearth, in its peripheral, less heated parts. The heat-conducting layer provides on the bottom a uniform distribution of the heat flux over the entire hearth, both from the ends and from under the anode space.

Таким образом, предлагаемое решение повышает срок службы электролизера как за счет предотвращения разрушения торцевой футеровки и преждевременного отключения электролизера на капитальный ремонт, так и за счет повышения стойкости подины за счет более равномерного распределения теплового потока по всему объему подины. Thus, the proposed solution increases the life of the electrolyzer both by preventing the destruction of the end lining and premature shutdown of the cell for overhaul, as well as by increasing the stability of the hearth due to a more uniform distribution of the heat flux over the entire volume of the hearth.

Предлагаемое решение в отличие от известных решает проблемы комплексно и без значительных капитальных затрат. The proposed solution, unlike the known ones, solves problems comprehensively and without significant capital costs.

В отличие от прототипа в предлагаемом решении регулирование тепловых потоков в катодном устройстве осуществляется созданием настыли и установкой в днище слоя теплопроводящего материала, что более эффективно, чем пластины, т. к. не требует значительных материальных и трудовых затрат. Таким образом, предлагаемое решение соответствует критерию "новизна". Unlike the prototype in the proposed solution, the regulation of heat fluxes in the cathode device is carried out by creating a nastily and installing a layer of heat-conducting material in the bottom, which is more efficient than plates, since it does not require significant material and labor costs. Thus, the proposed solution meets the criterion of "novelty."

Сравнение предлагаемого решения с прототипом и другими известными решениями в данной области выявило следующее:
- известны решения по регулированию тепловых потоков и по повышению срока службы электролизера путем выполнения порогов [1, 2];
- известен способ электролитического получения алюминия с наращиванием бортов ванны (гарнисажа) слоем застывшего электролита [3];
- известен электролизер для получения алюминия, который для дифференциального регулирования температурного режима снабжен коробчатыми герметичными секциями с двойными стенками, в которых установлены тепловые экраны и к которым проведены воздушные магистрали с воздухораспределительными клапанами [4];
- известно катодное устройство электролизера, снабженное металлическими плитами переменного сечения, установленными между теплоизоляционным и огнеупорным слоями футеровки, высотой больше высоты слоя огнеупорной футеровки.Comparison of the proposed solutions with the prototype and other known solutions in this field revealed the following:
- known solutions to regulate heat fluxes and to increase the service life of the cell by performing thresholds [1, 2];
- a known method of electrolytic production of aluminum with the build-up of the sides of the bath (skull) with a layer of solidified electrolyte [3];
- known electrolytic cell for producing aluminum, which for differential temperature control is equipped with box-shaped sealed sections with double walls, in which heat shields are installed and to which air lines with air distribution valves are passed [4];
- it is known that the cathode device of the electrolyzer is equipped with metal plates of variable cross-section, installed between the insulating and refractory layers of the lining, a height greater than the height of the layer of the refractory lining.

Сравнительный анализ с прототипом и другими известными решениями в данной области не выявил решений, характеризующихся идентичными либо эквивалентными признаками с предлагаемым, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". A comparative analysis with the prototype and other known solutions in this field did not reveal solutions characterized by identical or equivalent features with the proposed one, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step" is met.

Промышленное опробование предлагаемого решения показало, что ванны, смонтированные как указано, не выходят из строя в течение 36-40 месяцев. Промышленная применимость решения не вызывает сомнений у производственников. Industrial testing of the proposed solution showed that bathtubs mounted as indicated do not fail for 36-40 months. Industrial applicability of the solution is not in doubt among manufacturers.

Технология монтажа катодного устройства по предлагаемому изобретению не требует значительных капитальных и трудовых затрат, не требует дополнительных трудозатрат по обслуживанию. The installation technology of the cathode device according to the invention does not require significant capital and labor costs, does not require additional maintenance work.

Источники информации
1. А.с. СССР N 631560, C 25 C 7/00, 1978 г.Sources of information
1. A.S. USSR N 631560, C 25 C 7/00, 1978

2. А.с. СССР N 1286641, C 25 C 7/00, 1987 г. 2. A.S. USSR N 1286641, C 25 C 7/00, 1987

3. А.с. СССР N 1186703, C 25 C 3/06, 1985 г. 3. A.S. USSR N 1186703, C 25 C 3/06, 1985

4. А.с. СССР N 605865, C 25 C 3/08, 1978 г. 4. A.S. USSR N 605865, C 25 C 3/08, 1978

5. А.с. СССР N 456851, C 22 d 3/02, 1975 г. 5. A.S. USSR N 456851, C 22 d 3/02, 1975

Claims

1. The cathode device of an electrolytic cell for aluminum production, including a metal casing made in the form of a duct with longitudinal and transverse walls and a bottom, lined with refractory and heat-insulating layers, the lining of the transverse sides of which is provided with additional thermal insulation, characterized in that the additional thermal insulation is made in the form of artificial flooring between the heat-insulating plates of the transverse walls and the bottom, and between the refractory and heat-insulating layers of the bottom is a layer of heat conduit material.

2. The cathode device according to claim 1, characterized in that the artificial coating is made of cold-packed hearth mass.

3. The cathode device according to claim 1, characterized in that the layer of heat-conducting material of the bottom is made of graphitized plates.