RU2198247C1

RU2198247C1 - Top-feed self-baking anode cell for aluminum production

Info

Publication number: RU2198247C1
Application number: RU2001112494/02A
Authority: RU
Inventors: А.П. Спиридонов; Ю.Н. Колосов; Ю.А. Матвеев; А.С. Точилов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Всероссийский алюминиево-магниевый институт"
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2003-02-10

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy, particularly, production of aluminum by electrolysis in cryolyte-alumina melts. SUBSTANCE: shells of carbon anode separated into two sections are installed in single load-bearing frame and interconnected by horizontal stiffening ribs with vertical ribs installed between them. Horizontal stiffening ribs are made in the form of two sheets with holes. Installed between said two sheets are sockets for introduction of drifts and metering appliances of alumina feed device installed on upper horizontal stiffening ribs. EFFECT: higher technical-and-economic index of cell operation, increased cell single-unit power without increase of its dimensions, higher operating reliability of automatic alumina supply system in combination with stable operation of gas suction system. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению алюминия электролизом в криолитглиноземных расплавах. The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to the production of aluminum by electrolysis in cryolite-alumina melts.

Известно "Устройство для загрузки оксида алюминия в электролизер с анодом Седерберга" по патенту СССР 1709916, согласно которому анодный кожух выполнен с несколькими полукруглыми выемками, в которых установлены питатели глинозема (пробойник и дозаторы). Основным недостатком этого "Устройства" является то, что оно может использоваться при строительстве новых электролизеров с новыми анодными кожухами, в которых выполнены требуемые для установки питателей выемки, или при капитальном ремонте электролизеров с соответствующим изменением конструкции анодного кожуха. It is known "Device for loading aluminum oxide into an electrolytic cell with a Soderberg anode" according to USSR patent 1709916, according to which the anode casing is made with several semicircular recesses in which alumina feeders (punch and dispensers) are installed. The main disadvantage of this "Device" is that it can be used in the construction of new electrolyzers with new anode casings, in which the recesses required for installation of feeders are fulfilled, or during the overhaul of electrolyzers with a corresponding change in the design of the anode casing.

Переоборудование электролизеров при капитальном ремонте может быть осуществлено в течение только очень длительного времени, так как из 100 электролизеров в корпусе электролиза на ремонт выходят ежегодно около 20 электролизеров. Re-equipment of electrolyzers during overhaul can be carried out for only a very long time, since out of 100 electrolyzers in the electrolysis casing, about 20 electrolyzers go out for repairs annually.

Другим недостатком является то, что в анодном кожухе с указанными выемками не исключается возможность заклинивания угольного анода в кожухе в процессе эксплуатации из-за подергивания кожуха, а в случае такого заклинивания неизбежным становится досрочное (аварийное) отключение электролизера и вывод его на капитальный ремонт. Another disadvantage is that in the anode casing with the indicated recesses, the possibility of jamming of the carbon anode in the casing during operation due to twitching of the casing is not excluded, and in the event of such jamming, an early (emergency) shutdown of the cell and its conclusion for overhaul becomes inevitable.

Известен электролизер с самообжигающимся анодом с боковым токоподводом по патенту ФРГ N 1136121 от 1963, согласно которому анод разделен на две части, в пространстве между которыми находится устройство для пробивки корки, состоящее из одной или двух балок с зубилами, передвигающихся в вертикальном направлении от пневмо- или гидропривода. В это же пространство подается глинозем. Known electrolyzer with a self-baking anode with a side current supply according to the patent of Germany N 1136121 from 1963, according to which the anode is divided into two parts, in the space between which there is a device for punching the crust, consisting of one or two beams with chisels, moving in the vertical direction from the pneumatic or hydraulic drive. Alumina is fed into the same space.

Эта конструкция разработана применительно к электролизерам с боковым токоподводом, которые в настоящее время не строятся. This design is designed for electrolyzers with lateral current supply, which are not currently under construction.

Применить эту конструкцию в электролизерах с верхним токоподводом также не представляется возможным, так как средняя зона оказывается открытой и не позволяет собрать выделяющиеся газы и направить их в горелки для дожигания, как это происходит в существующих электролизерах, оборудованных системой колокольного газоотсоса с горелками. It is also not possible to apply this design in electrolyzers with an overhead current supply, since the middle zone is open and does not allow the gases to be collected and sent to burners for afterburning, as is the case in existing electrolyzers equipped with a bell gas exhaust system with burners.

Кроме этого, электролизеры с верхним токоподводом имеют принципиально другую конструкцию. In addition, electrolyzers with a top current lead have a fundamentally different design.

Известен электролизер с самообжигающимся электродом (анодом) с верхним токоподводом по патенту России RU 2121014, принятый за прототип. Known electrolyzer with a self-burning electrode (anode) with a top current lead according to the patent of Russia RU 2121014, adopted as a prototype.

Согласно формуле изобретения и приведенным чертежам, в этом электролизере анод разделен на две секции с образованием двух кожухов анода, которые расположены параллельно и близко друг к другу, при этом между секциями кожухов размещена съемная крышка. Кроме того, в электролизере предполагается применение неподвижного анодного кожуха, системы охлаждения стенок кожухов с помощью труб или вентиляторов и т.д. According to the claims and the drawings, in this cell the anode is divided into two sections with the formation of two casing of the anode, which are located parallel and close to each other, while between the sections of the casing is placed a removable cover. In addition, the electrolyzer is supposed to use a fixed anode casing, a cooling system for the walls of the casing with pipes or fans, etc.

К основным недостаткам данного электролизера необходимо отнести следующее:
- стенки анодных кожухов (их обечайки), обращенные к продольной оси электролизера, не соединены между собой и не имеют силовых элементов (поясов и ребер жесткости), и это позволяет только теоретически установить кожуха на минимальном расстоянии друг от друга.The main disadvantages of this electrolyzer are the following:
- the walls of the anode casings (their shells) facing the longitudinal axis of the electrolyzer are not interconnected and do not have power elements (belts and stiffeners), and this allows only theoretically to install the casing at a minimum distance from each other.

В реальном электролизере так поступить невозможно, потому что все стенки кожуха в процессе работы в равной степени подвержены температурным деформациям и воздействию распирающих нагрузок от угольного анода и др. механическим нагрузкам. In a real electrolyzer, this is impossible to do, because all the walls of the casing during operation are equally susceptible to temperature deformations and the influence of bursting loads from the carbon anode and other mechanical loads.

Исходя из этих соображений в представленном электролизере минимальное расстояние между двумя угольными анодами в средней зоне должно быть не менее 280-300 мм, а с учетом того, что между кожухами необходимо установить питатели глинозема с электроизоляцией, это расстояние возрастает до 400 мм и более. Для реального электролизера это недопустимо, т.к. имеет место значительная потеря площади анодного массива в наиболее благоприятной средней зоне, а увеличение ширины анодного массива за счет уменьшения расстояния между анодом и стенкой катода по боковым сторонам электролизера (по периферии) не будет равноценной компенсацией и приведет к снижению показателей работы электролизера. Based on these considerations, in the presented electrolyzer, the minimum distance between two carbon anodes in the middle zone should be at least 280-300 mm, and taking into account that it is necessary to install alumina feeders with electrical insulation between the casings, this distance increases to 400 mm or more. For a real cell, this is unacceptable, because there is a significant loss in the area of the anode array in the most favorable middle zone, and an increase in the width of the anode array due to a decrease in the distance between the anode and the cathode wall on the lateral sides of the cell (along the periphery) will not be equivalent compensation and will lead to a decrease in the performance of the cell.

Применение легкой съемной крышки между анодными кожухами в средней зоне неприемлемо, так как в этой зоне не будет электролитной корки и, следовательно, крышка постоянно будет находиться под воздействием температуры открытого электролита. Кроме того, для подачи глинозема в ванну в крышке должны быть предусмотрены соответствующие отверстия для прохождения пробойников и подаваемого глинозема, но в то же время пространство под крышкой, являясь каналом для сбора и удаления газов, должно быть герметично, в противном случае будет происходить подсос воздуха и разбавление газов, что приведет к отказам в работе горелок для дожигания. The use of a light removable cover between the anode casings in the middle zone is unacceptable, since there will be no electrolyte crust in this zone and, therefore, the cover will constantly be affected by the temperature of the open electrolyte. In addition, for feeding alumina into the bathtub, the cover must have appropriate openings for the passage of punch and supplied alumina, but at the same time, the space under the cover, being a channel for collecting and removing gases, must be tight, otherwise air will suck and dilution of gases, which will lead to failures in the operation of burners for afterburning.

Применение различных систем для охлаждения стенок кожухов ведет к значительному усложнению всей конструкции электролизера и к большому расходу дорогостоящего осушенного сжатого воздуха, а всякое усложнение конструкции неизбежно сопровождается снижением коэффициента надежности агрегата в процессе его эксплуатации. The use of various systems for cooling the walls of the shells leads to a significant complication of the entire design of the electrolyzer and to a large consumption of expensive dried compressed air, and any complication of the design is inevitably accompanied by a decrease in the reliability coefficient of the unit during its operation.

Техническим результатом изобретения является увеличение единичной мощности электролизера без увеличения его размеров, повышение надежности работы системы автоматизированного питания его глиноземом и устойчивая работа системы газоотсоса. The technical result of the invention is to increase the unit power of the electrolyzer without increasing its size, increasing the reliability of the automated alumina power supply system and the stable operation of the gas extraction system.

Технический результат достигается тем, что обечайки установлены в едином силовом каркасе и соединены между собой горизонтальными ребрами жесткости с установленными между ними вертикальными ребрами. The technical result is achieved by the fact that the shells are installed in a single power frame and are interconnected by horizontal stiffeners with vertical ribs installed between them.

Кроме того, горизонтальные ребра жесткости выполнены в виде двух листов с отверстиями и между ними установлены гнезда для ввода пробойников и дозаторов устройства питания глиноземом, которое установлено на верхнем горизонтальном ребре жесткости. In addition, the horizontal stiffening ribs are made in the form of two sheets with holes and between them there are slots for introducing punches and dispensers of the alumina feed device, which is installed on the upper horizontal stiffening rib.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - поперечный разрез анодного узла электролизера;
на фиг.2 - продольный разрез А-А на фиг.1 анодного узла;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;
на фиг.4 - фрагмент В на фиг.2.The invention is illustrated by drawings, which depict:
figure 1 is a transverse section of the anode assembly of the cell;
figure 2 is a longitudinal section aa in figure 1 of the anode assembly;
figure 3 is a section bB in figure 2;
figure 4 is a fragment In figure 2.

Электролизер состоит из катодного устройства 1, двух секций угольного анода 2 и 3, размещенных в стальных обечайках 4 и 5, которые, в свою очередь, установлены в едином силовом каркасе 6, воспринимающем в процессе работы все возникающие в анодном узле нагрузки (температурные, распирающие от угольных анодов, механические и пр.). Обечайки 4 и 5 соединены между собой в средней зоне по всей длине сваркой двумя горизонтальными ребрами жесткости 7 и 8 (верхнее и нижнее), между ними установлены вертикальные ребра 9, которые приварены сверху и снизу только к ребрам 7 и 8, но не приварены по вертикали к обечайкам 4 и 5, к которым они прилегают и только касаются их. Это связано с особенностями технологии сборки всего этого узла. The electrolyzer consists of a cathode device 1, two sections of a carbon anode 2 and 3, placed in steel shells 4 and 5, which, in turn, are installed in a single power frame 6, which perceives in the process all loads arising in the anode assembly (temperature, bursting) from carbon anodes, mechanical, etc.). Shells 4 and 5 are interconnected in the middle zone along the entire length by welding with two horizontal stiffeners 7 and 8 (upper and lower), vertical ribs 9 are installed between them, which are welded from above and below only to ribs 7 and 8, but not welded along vertical to shells 4 and 5, to which they adjoin and only touch them. This is due to the peculiarities of the assembly technology of this entire assembly.

Между горизонтальными ребрами 7 и 8 в определенных местах установлены и приварены к ним гнезда 10 в виде замкнутого кожуха, во внутреннюю полость которого вводится пробойник 11 с узлом электроизоляции 12 и дозаторы 13 и 14 устройства 15 питания электролизера глиноземом и фторсолями. Для прохождения пробойников и дозаторов в полость гнезда 10 в верхнем ребре жесткости 7 предусмотрены соответствующие отверстия, а для прохождения пробойника 11 к электролиту и для подачи в ванну глинозема и фторсолей в нижнем ребре жесткости 8 предусмотрены отверстия 16 и 17. Устройство 15 питания глиноземом устанавливается и закрепляется своим фланцем 18 на верхнем ребре жесткости 7. Нижнее ребро жесткости 8, соединяющее обечайки 4 и 5, устанавливают на некоторой высоте от нижних кромок обечаек так, что под этим ребром над электролитом образуется некоторый свободный объем, образующий канал 19 для сбора и удаления газов, соединяющийся по торцам с горелками 20. Between the horizontal ribs 7 and 8, in certain places, nests 10 are installed and welded to them in the form of a closed casing, into the internal cavity of which a punch 11 with an electrical insulation unit 12 and dispensers 13 and 14 of the electrolyzer power supply device 15 with alumina and fluorine salts are introduced. Corresponding openings are provided for passage of punch and dispensers into cavity of socket 10 in upper stiffener 7, and holes 16 and 17 are provided for passage of punch 11 to electrolyte and for feeding alumina and fluoride salts into bottom stiffener 8 and an alumina feed device 15 is installed and fixed with its flange 18 on the upper stiffener 7. The lower stiffener 8 connecting the shells 4 and 5 is installed at a certain height from the lower edges of the shells so that under this rib above the electrolyte forms I some free volume forming a channel 19 for collection and removal of gases, connecting at the ends of the burner 20.

Объем канала 19, т.е. высота приварки нижнего ребра 8 относительно нижних кромок обечаек 4 и 5, определяется расчетным путем исходя из количества выделяющихся в процессе электролиза газов в зависимости от мощности электролизера. Channel volume 19, i.e. the welding height of the lower rib 8 relative to the lower edges of the shells 4 and 5, is determined by calculation based on the amount of gases released during the electrolysis process, depending on the capacity of the cell.

Для того чтобы исключить обгорание нижних кромок обечаек 4 и 5 нижнего ребра жесткости 8, обращенных к электролиту, эти элементы изготавливаются из жаропрочной стали или могут покрываться защитными материалами. In order to prevent burning of the lower edges of the shells 4 and 5 of the lower stiffener 8 facing the electrolyte, these elements are made of heat-resistant steel or may be coated with protective materials.

Для описания работы предлагаемого электролизера рассмотрим по отдельности работу анодного кожуха, системы автоматизированного питания глиноземом (АПГ) точечного типа и систему сбора и удаления анодных газов. To describe the operation of the proposed electrolyzer, we consider separately the operation of the anode casing, the point-type automated alumina (APG) system, and the anode gas collection and removal system.

Известно, что анодный кожух в процессе эксплуатации подвержен воздействию температурных нагрузок, распирающих нагрузок от угольного анода и различных механических воздействий, связанных с перетяжкой анодного кожуха из нижнего положения в верхнее и с технологическим обслуживанием электролизера. It is known that the anode casing during operation is exposed to temperature loads, bursting loads from the carbon anode and various mechanical influences associated with the constriction of the anode casing from the lower position to the upper and with technological maintenance of the cell.

Если характер воздействия температурных и механических нагрузок практически не зависит от конструкции анодного кожуха, то степень воздействия на кожух распирающих нагрузок от угольного анода максимально зависит от его конструкции и поперечных размеров. В предлагаемом электролизере угольный анод разделен на две части. Это значит, что и распирающие нагрузки (напряжения изгиба) снижаются в 2 раза, а нагрузки на внутренние стенки обечаек 4 и 5 от обоих анодов направлены навстречу друг другу. Поэтому горизонтальные ребра 7 и 8 и вертикальные ребра 9, являясь общими для обеих стенок, испытывают сжимающие нагрузки. If the nature of the effect of thermal and mechanical loads is practically independent of the design of the anode casing, then the degree of impact on the casing of bursting loads from the carbon anode depends to the maximum on its design and transverse dimensions. In the proposed electrolytic cell, the carbon anode is divided into two parts. This means that bursting loads (bending stresses) are reduced by 2 times, and the loads on the inner walls of the shells 4 and 5 from both anodes are directed towards each other. Therefore, horizontal ribs 7 and 8 and vertical ribs 9, being common to both walls, experience compressive loads.

Следовательно, расстояние между внутренними стенками обечаек 4 и 5 может быть минимальным. Therefore, the distance between the inner walls of the shells 4 and 5 may be minimal.

Конструктивно это расстояние выполняется достаточным для размещения пробойников 11 с узлами электроизоляции 12 и дозаторов 13 и 14 и составляет не более 220 мм. Охлаждение пространства между стенками осуществляется конструктивными мерами: вентиляционными отверстиями, теплоотводящими ребрами и т.п. без применения специальных устройств. Structurally, this distance is sufficient to accommodate the punches 11 with the electrical insulation nodes 12 and the dispensers 13 and 14 and is no more than 220 mm. The cooling of the space between the walls is carried out by constructive measures: ventilation holes, heat-removing fins, etc. without the use of special devices.

Устройство АПГ 15 с пробойниками и дозаторами установлено на верхнем горизонтальном ребре 7, в котором предусмотрены для этого соответствующие отверстия. The APG device 15 with punches and dispensers is mounted on the upper horizontal rib 7, in which corresponding holes are provided for this.

При установке АПГ эти отверстия закрываются фланцем 18 и, таким образом, герметизируют внутренние полости гнезд 10, куда вводятся пробойники и дозаторы, срабатывающие от пневмоцилиндров, расположенных в бункерах устройства АПГ. When installing the APG, these holes are closed by the flange 18 and, thus, seal the internal cavities of the nests 10, where the punches and dispensers operating from the pneumatic cylinders located in the hoppers of the APG are introduced.

При срабатывании пробойники 11 опускаются, проходят через отверстия 16 и 17 в нижнем ребре 8, через канал 19 сбора и удаления газов и разрушают электролитную корку, если она будет появляться в этой зоне. После этого срабатывают дозаторы 13 и 14 и подают порцию глинозема в полости гнезд 10, который через те же отверстия 16 и 17 попадает в электролизную ванну. When triggered, the punches 11 fall, pass through holes 16 and 17 in the lower rib 8, through the channel 19 for collecting and removing gases and destroy the electrolyte crust if it appears in this zone. After that, the dispensers 13 and 14 are triggered and a portion of alumina is fed into the cavity of the nests 10, which through the same openings 16 and 17 enters the electrolysis bath.

Необходимо отметить, что анодные газы, попадающие в полости 10 через отверстия 16 и 17, не могут выйти наружу и канал 19 для сбора и удаления газов остается загерметизированным. It should be noted that the anode gases entering the cavity 10 through the openings 16 and 17 cannot exit and the channel 19 for collecting and removing gases remains sealed.

В случае демонтажа устройства АПГ отверстия в верхнем ребре 7 для прохождения пробойников должны быть закрыты технологическими пробками. In the case of dismantling the APG device, the holes in the upper rib 7 for passage of the punches must be closed with technological plugs.

Сбор и удаление анодных газов, выделяющихся в процессе эксплуатации, производится по каналу 19 к горелкам 20 на дожигание. Особенностью конструкции данного электролизера является отсутствие по периметру анодного кожуха колокольного газоотсоса. Вместо этого стенки кожуха в нижней части выполнены удлиненными и это позволяет полностью укрыть угольный анод по всему периметру электролитной коркой и глиноземом, исключив возможность его окисления наружным воздухом. Вместе с тем корка и глинозем создают значительное сопротивление для выхода анодных газов в атмосферу, поэтому они выходят в открытую среднюю зону в канал 19 и попадают в горелки 20. Так как канал 19 расположен между двумя угольными анодами и напрямую соединен с горелками, то в процессе эксплуатации электролизера он всегда остается герметичным и тем самым обеспечивается устойчивая работа горелок. The collection and removal of anode gases released during operation is carried out through channel 19 to the burners 20 for afterburning. A design feature of this electrolyzer is the absence of a bell suction pump around the perimeter of the anode casing. Instead, the walls of the casing in the lower part are made elongated and this makes it possible to completely cover the carbon anode along the entire perimeter with an electrolyte crust and alumina, eliminating the possibility of its oxidation by outside air. At the same time, the crust and alumina create significant resistance for the release of anode gases into the atmosphere, so they exit into the open middle zone into the channel 19 and enter the burners 20. Since the channel 19 is located between two carbon anodes and is directly connected to the burners, in the process operation of the electrolyzer, it always remains airtight and thereby ensures stable operation of the burners.

Claims

1. Electrolyzer with a self-firing anode with a top current lead for the production of aluminum, including a cathode device, an alumina feed electrolyzer with punches and dispensers, and an anode divided into two sections, each of which has a shell, characterized in that the shells are installed in a single power frame and interconnected by horizontal stiffeners with vertical ribs installed between them.

2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the horizontal stiffeners are made in the form of two sheets with holes and between them are installed sockets for introducing punches and dispensers of the alumina feed device.

3. The electrolyzer according to claims 1 and 2, characterized in that an alumina power supply device is installed on the upper horizontal stiffener.