RU2221087C2

RU2221087C2 - Aluminum cell hearth

Info

Publication number: RU2221087C2
Application number: RU2002105318/02A
Authority: RU
Inventors: В.В. Леонов; Б.С. Громов; Р.В. Пак; Э.М. Никифорова
Original assignee: Леонов Виктор Васильевич; Громов Борис Сергеевич
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2004-01-10

Abstract

FIELD: electrolytical production of aluminium, namely designs of hearths of aluminium cells. SUBSTANCE: hearth includes hearth sections, refractory layer made of demounted refractory facing of cells in the form of powder with fraction size 2 - 20 mm and heat insulation layer made of materials having corrosion rate in melt aluminium and in melt of cryolite-alumina no more than 0.03 mm/day and 0.05 mm/day respectively. High porosity graphite, for example coked foam is used as material of heat insulation layer of cell. EFFECT: increased useful life period of cell, enhanced quality of aluminium, enlarged range of raw materials. 3 cl, 5 tbl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к конструкции подин алюминиевых электролизеров. The invention relates to the electrolytic production of aluminum, in particular to the design of the bottom of aluminum electrolytic cells.

Известна подина алюминиевого электролизера, включающая герметизирующий слой из углеродистых войлочных материалов, а основание выполнено углеграфитовым (А.с. 1708935, МПК С 25 С 3/08. Б.И. 4, 1992 г.). The hearth of an aluminum electrolyzer is known, including a sealing layer of carbon felt materials, and the base is carbon-graphite (A. S. 1708935, IPC C 25 C 3/08. B.I. 4, 1992).

Однако недостатком известного технического решения является невозможность полного предотвращения проникновения расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава в теплоизоляционный цоколь, поскольку основание подины выполнено из углеграфитовых плит, соединенных между собой швами из углеродистой массы, которые являются, как и само основание, источником частичного проникновения вышеуказанных расплавов в теплоизоляционный цоколь. However, a disadvantage of the known technical solution is the impossibility of completely preventing the penetration of aluminum melt and cryolite-alumina melt into the heat-insulating base, since the base of the hearth is made of carbon graphite plates interconnected by seams of carbon mass, which, like the base itself, are the source of partial penetration of the above melts into the heat-insulating basement.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является подина алюминиевого электролизера, содержащая огнеупорный и теплоизоляционный слой. В качестве огнеупорного слоя использована жаропрочная химически стойкая железобетонная плита силикатного состава, а теплоизоляционный слой выполнен из материалов с коэффициентом теплопроводности менее 0,25 Вт/м•град (А.с. 1585385, МПК C 25 C 3/08. Б.И. 30, 1990 г.). The closest set of essential features is the hearth of an aluminum electrolyzer containing a refractory and heat-insulating layer. A heat-resistant chemically resistant reinforced concrete slab of silicate composition was used as a refractory layer, and the heat-insulating layer is made of materials with a thermal conductivity of less than 0.25 W / m • deg (A.s. 1585385, IPC C 25 C 3/08. B.I. 30, 1990).

Однако данное техническое решение не позволяет решить проблему повышения сортности алюминия в силу проникновения в процессе электролиза в расплав алюминия элементов железа и кремния. Процесс поступления элементов железа и кремния в расплав алюминия связан с достаточно высокой растворимостью огнеупорного слоя силикатного состава (железобетонной плиты) в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве, определяющей снижение сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также снижения срока службы электролизера. However, this technical solution does not allow to solve the problem of increasing the grade of aluminum due to the penetration of iron and silicon elements into the aluminum melt during electrolysis. The process of iron and silicon elements entering the aluminum melt is associated with a sufficiently high solubility of the refractory layer of the silicate composition (reinforced concrete slab) in the aluminum melt and cryolite-alumina melt, which determines a decrease in the grade of aluminum in the content of silicon and iron, as well as a decrease in the life of the electrolyzer.

Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы алюминиевого электролизера, повышении сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также в расширении сырьевой базы за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки. The main objective of the invention is to increase the service life of the aluminum electrolyzer, increase the grade of aluminum in terms of silicon and iron, as well as to expand the raw material base by disposing of the dismantled spent carbon lining.

Для решения поставленной задачи заявляемая подина алюминиевого электролизера содержит огнеупорный и теплоизоляционный слой, причем огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно. В качестве материала, из которого выполнен теплоизоляционный слой, использован высокопористый графит (пенококс). To solve the problem, the inventive hearth of an aluminum electrolytic cell contains a refractory and heat-insulating layer, the refractory layer is made of dismantled spent carbon lining of the electrolysers in the form of a powder fraction of 2-20 mm, and the heat-insulating layer is made of materials with a corrosion rate of aluminum melt and cryolite-alumina melt less than 0 , 03-0.05 mm / day, respectively. Highly porous graphite (penocox) is used as the material from which the heat-insulating layer is made.

По отношению к прототипу у предлагаемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно. In relation to the prototype, the present invention has the following distinctive features: the refractory layer is made of dismantled spent carbon lining of the electrolytic cells in the form of a powder of a fraction of 2-20 mm, and the heat-insulating layer is made of materials with a corrosion rate in the aluminum melt and cryolite-alumina melt less than 0.03- 0.05 mm / day, respectively.

Применение демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции менее 2 мм при транспортировке и укладке в подину электролизера вызывает значительное пылеобразование, загрязняя окружающую среду. The use of dismantled spent carbon lining of electrolyzers in the form of a powder fraction of less than 2 mm during transportation and laying in the bottom of the electrolyzer causes significant dust formation, polluting the environment.

Применение порошка крупнее фракции 20 мм приводит к существенному росту пористости огнеупорного слоя и, как следствие, повышает скорость протекания расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава через огнеупорный слой (табл. 1). (Таблицы 1-4 приведены в конце описания). Увеличение размера частиц порошка более 20 мм приводит к резкому увеличению степени пропитки как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземного расплава. Повышение скорости пропитки порошка огнеупорного слоя увеличивает поступление агрессивных расплавов в теплоизоляционный цоколь и, как следствие, способствует снижению срока службы алюминиевого электролизера. The use of a powder larger than a fraction of 20 mm leads to a significant increase in the porosity of the refractory layer and, as a result, increases the rate of flow of the aluminum melt and cryolite-alumina melt through the refractory layer (Table 1). (Tables 1-4 are shown at the end of the description). An increase in powder particle size of more than 20 mm leads to a sharp increase in the degree of impregnation with both molten aluminum and cryolite-alumina melt. Increasing the speed of impregnation of the powder of the refractory layer increases the flow of aggressive melts into the heat-insulating base and, as a result, helps to reduce the service life of the aluminum electrolyzer.

Несмотря на применение в качестве огнеупорного слоя химически стойкого железобетонного материала, степень пропитки огнеупорного слоя как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземным расплавом по прототипу значительно выше степени пропитки огнеупорного слоя по заявляемому решению в пределах размера порошка демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров от 2 до 20 мм. Despite the use of a chemically resistant reinforced concrete material as the refractory layer, the degree of impregnation of the refractory layer with both molten aluminum and cryolite-alumina melt according to the prototype is significantly higher than the degree of impregnation of the refractory layer according to the claimed solution within the powder size of the dismantled spent carbon lining of electrolyzers from 2 to 20 mm.

Демонтированная отработанная углеродная футеровка электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм представляет собой смесь измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала, в частности пенококса, имеющего единую химическую составляющую - углерод. В настоящее время в известных технических решениях в катоде электролизеров в большинстве случаев используется как углеродистая, так и теплоизоляционная футеровка на основе силикатов(до 60% SiO₂). Применение теплоизоляционной футеровки в виде высокопористого графита, в частности пенококса, исключает загрязнение расплава алюминия кремнием и железом, имеющее место, например в прототипе, при использовании теплоизоляционной футеровки на основе силикатов. Сравнительный анализ химического состава расплава алюминия по содержанию примесей кремния и железа в предлагаемом устройстве подины в сравнении с прототипом приведен в табл.2
Проверку химического состава расплава алюминия проводили в лабораторных условиях, моделируя подину электролизера по известному и предлагаемому устройству путем реализации процесса электролиза алюминия в графитовых тиглях. Анализ данных табл. 2 свидетельствует о существенном снижении содержания кремния и железа в алюминии по предлагаемому устройству подины в сравнении с известным, что приводит к повышению сортности алюминия.The dismantled spent carbon lining of electrolyzers in the form of a powder of a fraction of 2-20 mm is a mixture of crushed carbon graphite hearth blocks and a heat-insulating base in the form of porous graphite material, in particular foam coke, having a single chemical component - carbon. Currently, in the known technical solutions, in the cathode of electrolyzers, in most cases, both carbon and heat-insulating lining based on silicates (up to 60% SiO ₂ ) are used. The use of heat-insulating lining in the form of highly porous graphite, in particular foam coke, eliminates contamination of the aluminum melt with silicon and iron, which occurs, for example, in the prototype, when using heat-insulating lining based on silicates. A comparative analysis of the chemical composition of the molten aluminum by the content of impurities of silicon and iron in the proposed device hearth in comparison with the prototype are given in table 2
The chemical composition of the aluminum melt was checked in laboratory conditions, simulating the bottom of the electrolyzer according to the known and proposed device by implementing the process of aluminum electrolysis in graphite crucibles. Data analysis table. 2 indicates a significant decrease in the content of silicon and iron in aluminum by the proposed device hearth in comparison with the known, which leads to an increase in the grade of aluminum.

Сравнительный анализ скорости коррозии подины по известному и предлагаемому виду ее устройства свидетельствует о существенном преимуществе предлагаемого технического решения. A comparative analysis of the corrosion rate of the hearth according to the known and proposed form of its device indicates a significant advantage of the proposed technical solution.

Сравнительный анализ свойств предлагаемого материала с известным материалом для теплоизоляции катода свидетельствует о преимуществе пористого графита по основным физико-механическим свойствам (табл.4), уступая незначительно известному материалу по коэффициенту теплопроводности. Однако теплофизические свойства пористого графита находятся в диапазоне требуемых значений по коэффициенту теплопроводности и сопоставимы, например, со свойствами шамотных теплоизоляционных материалов (коэффициент теплопроводности-0,15-0,52 Вт/м•град), широко применяемых для теплоизоляции цоколя электролизера. A comparative analysis of the properties of the proposed material with a known material for thermal insulation of the cathode indicates the advantage of porous graphite in basic physical and mechanical properties (Table 4), inferior to the slightly known material in terms of thermal conductivity. However, the thermophysical properties of porous graphite are in the range of required values for the thermal conductivity coefficient and are comparable, for example, with the properties of fireclay heat-insulating materials (thermal conductivity coefficient-0.15-0.52 W / m • deg), which are widely used for thermal insulation of the cell base.

Минимальная скорость коррозии высокопористого графита (пенококса) определяет безусловное увеличение срока службы электролизеров. Сравнение прогнозируемых расчетных сроков службы электролизеров в зависимости от различной скорости коррозии материалов в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве свидетельствует о преимуществе использования материалов со скоростью коррозии в вышеуказанных расплавах не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно, дающих максимальный срок службы электролизеров из числа известных материалов
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами: обеспечивает повышение сортности алюминия за счет снижения содержания в расплаве алюминия кремния и железа, увеличивает срок службы электролизеров за счет резкого снижения скорости коррозии теплоизоляционного слоя, расширяет сырьевую базу за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала.The minimum corrosion rate of highly porous graphite (penox) determines an unconditional increase in the service life of electrolyzers. A comparison of the predicted estimated service lives of the electrolytic cells depending on different corrosion rates of materials in the aluminum melt and cryolite-alumina melt indicates the advantage of using materials with a corrosion rate in the above melts of not more than 0.03 and 0.05 mm / day, respectively, giving the maximum service life of electrolytic cells from number of known materials
Thus, in comparison with the prototype, the present invention has the following advantages: it provides an increase in the grade of aluminum by reducing the content of silicon and iron in the aluminum melt, increases the service life of electrolytic cells due to a sharp decrease in the corrosion rate of the insulating layer, expands the raw material base by utilizing the dismantled spent carbon lining, consisting of crushed carbon-graphite hearth blocks and a heat-insulating base in the form of porous graphite material .

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже представлен продольный разрез подины алюминиевого электролизера. The invention is illustrated graphic material. The drawing shows a longitudinal section of the bottom of the aluminum electrolyzer.

Подина состоит из угольных подовых блоков 1, огнеупорного слоя 2 из демонтированной отработанной углеродистой футеровки электролизеров фракции 2-20 мм и теплоизоляционного слоя 3, состоящего из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сутки соответственно. The hearth consists of coal hearth blocks 1, a refractory layer 2 of a dismantled spent carbon lining of electrolyzers of a fraction of 2-20 mm and a heat-insulating layer 3, consisting of materials with a corrosion rate of aluminum melt and cryolite-alumina melt not more than 0.03-0.05 mm / day, respectively.

Использование предложенного устройства подины алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом. The use of the proposed device bottom aluminum cell is as follows.

Пример. На металлическое днище после подсыпки порошка отработанной демонтированной углеродной футеровки укладывают теплоизоляционный слой из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сут соответственно, в частности из высокопористого графита. Высокопористый графит в виде блоков укладывается в два слоя, после чего кожух электролизера заполняют порошком фракции 2-20 мм из демонтированной отработанной углеродной футеровки. Уплотнение порошка ведут либо катками, либо виброплитой. Затем на поверхность цоколя устанавливают подовые блоки. Средний срок службы предлагаемой подины составит по расчетам 58 мес, в то время как по прототипу - 40мес. Более высокий срок службы электролизера по предлагаемому варианту в сравнении с прототипом определяется высокой коррозионной стойкостью материала теплоизоляционного слоя в виде высокопористого графита, а также использованием в качестве огнеупорного материала отработанной демонтированной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала. Подобная композиция огнеупорного слоя, также обладающая высокой коррозионной стойкостью в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве - соответственно 0,08 и 0,12 мм/сут, способствует увеличению срока службы электролизеров. Example. After adding the powder of the spent dismantled carbon lining to the metal bottom, a heat-insulating layer of materials with a corrosion rate of aluminum melt and cryolite-alumina melt of not more than 0.03-0.05 mm / day, respectively, in particular, of highly porous graphite, is laid. Highly porous graphite in the form of blocks is laid in two layers, after which the casing of the electrolyzer is filled with a powder of a fraction of 2-20 mm from a dismantled spent carbon lining. Compaction of the powder are either rollers or a vibrating plate. Then, hearth blocks are installed on the surface of the base. The average service life of the proposed hearth is estimated at 58 months, while the prototype - 40 months. The longer service life of the electrolyzer according to the proposed option in comparison with the prototype is determined by the high corrosion resistance of the material of the heat-insulating layer in the form of highly porous graphite, as well as the use of a spent dismantled carbon lining consisting of crushed carbon graphite hearth blocks and a heat-insulating base in the form of porous graphite as a refractory material . A similar composition of the refractory layer, which also has high corrosion resistance in the aluminum melt and cryolite-alumina melt — 0.08 and 0.12 mm / day, respectively, contributes to an increase in the service life of electrolyzers.

Claims

1. The bottom of the aluminum electrolyzer, including the hearth sections, a refractory and heat-insulating layer, characterized in that the refractory layer is made of dismantled refractory lining of the electrolysers in the form of a powder fraction of 2-20 mm, and the insulating layer is made of materials with a corrosion rate in aluminum melt and cryolite-alumina the melt is not more than 0.03 and 0.05 mm / day, respectively.

2. The hearth according to claim 1, characterized in that the heat-insulating layer of the electrolyzer is made of highly porous graphite.

3. The hearth according to claim 2, characterized in that penocox is used as highly porous graphite.