RU2318921C1 - Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum - Google Patents
Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2318921C1 RU2318921C1 RU2006114300/02A RU2006114300A RU2318921C1 RU 2318921 C1 RU2318921 C1 RU 2318921C1 RU 2006114300/02 A RU2006114300/02 A RU 2006114300/02A RU 2006114300 A RU2006114300 A RU 2006114300A RU 2318921 C1 RU2318921 C1 RU 2318921C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lining
- carbon
- aluminum
- sodium
- cathode device
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано при монтаже катодного устройства электролизера для производства первичного алюминия.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum, and can be used in the installation of the cathode device of the electrolyzer for the production of primary aluminum.
Известна футеровка катодного устройства алюминиевого электролизера, содержащая углеродные блоки, теплоизоляционный слой и неформованный огнеупорный материал в виде сухой барьерной смеси (СБС) (рекламный проспект фирмы Claybum INDUSTRIES LTD 33765 Pine Street Abbotsfbrd ВС CANADA V2S 5C1). Вещественный состав СБС подбирается исходя из противоречивых требований защиты от фтористого натрия, паров натрия и расплавленного алюминия. Для защиты от паров натрия и расплавленного алюминия более подходящим является огнеупор с большим содержанием оксида алюминия. Однако при этом падает реакционная способность материала по отношению к фтористому натрию и, как следствие, усиливается его пропитка. С другой стороны, если содержание SiO2 будет слишком велико (более 70%), то формируются низкотемпературные маловязкие силикаты натрия. При оптимальном содержании оксида алюминия за счет протекания реакции между алюмосиликатным материалом СБС и проникающими компонентами электролита - натрием и фтористым натрием, формируется слой нефелина и/или альбита. Этот слой препятствует проникновению агрессивных компонентов в теплоизоляционную часть цоколя.A well-known lining of the cathode device of an aluminum electrolyzer containing carbon blocks, a heat-insulating layer and an unshaped refractory material in the form of a dry barrier mixture (SBS) (a brochure of Claybum INDUSTRIES LTD 33765 Pine Street Abbotsfbrd BC CANADA V2S 5C1). The material composition of SBS is selected on the basis of conflicting requirements for protection against sodium fluoride, sodium vapor and molten aluminum. For protection against sodium vapor and molten aluminum, a refractory with a high content of aluminum oxide is more suitable. However, the reactivity of the material with respect to sodium fluoride decreases and, as a result, its impregnation is enhanced. On the other hand, if the SiO 2 content is too high (more than 70%), then low-temperature, low-viscosity, sodium silicates are formed. At the optimum alumina content due to the reaction between the SBS aluminosilicate material and the penetrating electrolyte components — sodium and sodium fluoride, a nepheline and / or albite layer is formed. This layer prevents the penetration of aggressive components into the insulating part of the cap.
Недостатком известной футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера является необходимость тщательного подбора гранулометрического и химико-минералогического состава, его хорошего уплотнения в цоколе электролизера, что обуславливает высокую стоимость материала и его монтажа.A disadvantage of the known lining of the cathode device of an aluminum electrolyzer is the need for careful selection of particle size and chemical-mineralogical composition, its good compaction in the base of the electrolyzer, which leads to the high cost of the material and its installation.
Известна футеровка катодной части алюминиевого электролизера (патент РФ №2221087, МПК С25С 3/08, 2004), включающая подовые секции, огнеупорный слой, выполненный из демонтированной огнеупорной футеровки электролизеров в виде порошка фракций 2-20 мм, так называемый барьерный материал, и теплоизоляционный слой. Теплоизоляционный слой сформирован из высокопористого графита или пенококса со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитглиноземном расплаве не более 0,03 и 0,05 мм/сутки соответственно.Known lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer (RF patent No. 2221087, IPC С25С 3/08, 2004), including hearth sections, a refractory layer made of dismantled refractory lining of electrolyzers in the form of a powder of fractions of 2-20 mm, the so-called barrier material, and heat insulation layer. The heat-insulating layer is formed of highly porous graphite or foam coke with a corrosion rate of no more than 0.03 and 0.05 mm / day, respectively, in the aluminum melt and cryolite-alumina melt.
По назначению и наличию существенных сходных признаков приведенное техническое решение выбрано в качестве прототипа.According to the purpose and the presence of significant similar features, the above technical solution is selected as a prototype.
Недостатком известной футеровки катодной части алюминиевого электролизера является высокая пористость и большие размеры пор огнеупорного слоя из-за отсутствия мелкодисперсных фракций (менее 2 мм), что при плавлении фторсолей, составляющих до 40% от массы барьерного слоя, безусловно, приведет к усадке материала, вследствие чего подовые блоки не будут иметь опоры и подвергнутся опасности разрушения. Другим недостатком является то, что указанные скорости коррозии теплоизоляции, определенные отдельно для расплавов алюминия и криолитглиноземного расплава, в условиях воздействия натрия и обогащения расплава фтористым натрием будут существенно выше указанных, поскольку после воздействия натрия меняется характер смачивания. В противном случае нет необходимости применения барьерного материала, поскольку при указанных скоростях коррозии необходимость в установке вышерасположенного барьерного материала отпадает. Наконец, еще одним недостатком известной футеровки является неизбежное протекание газофазных реакций, которые приводят к изменению химико-минералогического и структурного состава барьерных материалов и ускоряют процессы проникновения агрессивных компонентов в теплоизоляционный цоколь. В известном техническом решении (особенно в случае неуплотненного материала) при формировании в футеровке альбита и нефелина получают развитие реакции с образованием летучего SiF4. Так, в электролизере со сроком службы 48 месяцев концентрация кремния в цокольном пространстве электролизера снизилась с 30 до 6,5%. Снижение концентрации кремния происходит как за счет разубоживания концентрации компонентов, вследствие поступления в футеровку жидкофазных компонентов электролита, так и за счет выноса кремния из футеровки его летучим соединением (SiF4).A disadvantage of the known lining of the cathode part of an aluminum electrolyzer is the high porosity and large pore sizes of the refractory layer due to the absence of finely divided fractions (less than 2 mm), which, when melting fluorine salts, constituting up to 40% of the mass of the barrier layer, will certainly lead to shrinkage of the material, due to which hearth blocks will not have support and will be at risk of destruction. Another disadvantage is that the indicated corrosion rates of thermal insulation, determined separately for aluminum melts and cryolite-alumina melt, under conditions of sodium exposure and enrichment of the melt with sodium fluoride will be significantly higher than those indicated, since the nature of wetting changes after sodium exposure. Otherwise, there is no need to use a barrier material, since at the indicated corrosion rates there is no need to install an upstream barrier material. Finally, another drawback of the known lining is the inevitable occurrence of gas-phase reactions, which lead to a change in the chemical-mineralogical and structural composition of the barrier materials and accelerate the penetration of aggressive components into the heat-insulating base. In the known technical solution (especially in the case of uncompacted material) during the formation of albit and nepheline in the lining, a reaction develops with the formation of volatile SiF 4 . So, in an electrolyzer with a service life of 48 months, the silicon concentration in the basement of the electrolyzer decreased from 30 to 6.5%. A decrease in the silicon concentration occurs both due to dilution of the concentration of the components, due to the ingress of liquid-phase components of the electrolyte, and due to the removal of silicon from the lining by its volatile compound (SiF 4 ).
Известно, что фильтрация компонентов электролита через катодные блоки сопровождается протеканием реакции образования фтористого натрия:It is known that the filtration of electrolyte components through the cathode blocks is accompanied by a reaction of the formation of sodium fluoride:
Фторидный расплав, обогащенный натрием, реагирует с компонентами шамота с образованием нефелина, криолита и тетрафторалюмината натрия:Sodium enriched fluoride melt reacts with chamotte components to form nepheline, cryolite and sodium tetrafluoroaluminate:
В результате взаимодействия паров натрия и тетрафторалюмината натрия с компонентами барьерного материала, образуется нефелин, кремний и неконденсирующийся газ SiF4:As a result of the interaction of sodium vapor and sodium tetrafluoroaluminate with the components of the barrier material, nepheline, silicon and non-condensable SiF 4 gas are formed:
Протекание реакции (4) привело бы к очень быстрому выносу кремния из цокольного пространства электролизера, если бы процесс не сдерживался реакцией взаимодействия пара натрия, постоянно поступающего в цокольное пространство электролизера из катодных блоков, с газообразным продуктом реакции SiF4. В результате этой реакции образуются конденсированные фазы:The reaction (4) would lead to a very rapid removal of silicon from the basement of the cell if the process were not restrained by the reaction of the interaction of sodium vapor, constantly entering the basement of the cell from the cathode blocks, with the gaseous reaction product SiF 4 . As a result of this reaction, condensed phases form:
Фторид натрия, реагирует с газообразным тетрафторалюминатом натрия с образованием вторичного криолита:Sodium fluoride reacts with gaseous sodium tetrafluoroaluminate to form secondary cryolite:
Тетрафторалюминат натрия - высоколетучее, нестабильное вещество, обнаруженное при испарении электролита. При конденсации оно диссоциирует с образованием хиолита и фторида алюминия:Sodium tetrafluoroaluminate is a highly volatile, unstable substance found during the evaporation of an electrolyte. During condensation, it dissociates with the formation of chiolite and aluminum fluoride:
Натрий имеет более высокое сродство к фтору, чем алюминий, и восстанавливает последний не только из фторида алюминия, но и из криолита:Sodium has a higher affinity for fluorine than aluminum, and reduces the latter not only from aluminum fluoride, but also from cryolite:
Реакции 3-10 раскрывают механизм образования из газовой фазы включений интерметаллидов (Al-Fe-Si), покрытых вторичным криолитом, обнаруженных в слоях сухих барьерных смесей со сроком службы в несколько месяцев.Reactions 3-10 reveal the mechanism of formation of intermetallic compounds (Al-Fe-Si) coated with secondary cryolite from the gas phase, which were found in layers of dry barrier mixtures with a service life of several months.
Суммой реакций (4) и (5) будет обратимая реакция:The sum of reactions (4) and (5) is the reversible reaction:
Термодинамические расчеты показывают, что в цокольном пространстве электролизера при температурах выше 850°С равновесное давление неконденсирующегося газа SiF4 является достаточно высоким (0,22 атм). Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому увеличению давления газа SiF4 и сильному выносу кремнезема, величина которого зависит от скорости поступления в цокольное пространство паров натрия и электролита, а также скорости образования фторида алюминия - продукта диссоциации тетрафторалюмината натрия.Thermodynamic calculations show that in the basement of the cell at temperatures above 850 ° C the equilibrium pressure of the non-condensable SiF 4 gas is quite high (0.22 atm). A further increase in temperature leads to a sharp increase in the pressure of SiF 4 gas and a strong removal of silica, the value of which depends on the rate of sodium and electrolyte vapor entry into the basement space, as well as the rate of formation of aluminum fluoride, a product of dissociation of sodium tetrafluoroaluminate.
В итоге процессов, протекающих при участии паров натрия, фторидов металлов и компонентов огнеупорных материалов, образуются альбит, нефелин, вторичный криолит, интерметаллид на основе алюминия, железа, кремния и газообразный тетрафторид кремния. Парообразный натрий, вступая в реакцию с газообразным SiF4, образует кремний и фторид натрия, который в свою очередь, вступая в реакцию с газообразным NaAlF4, формирует вторичный криолит.As a result of processes involving sodium vapors, metal fluorides and components of refractory materials, albite, nepheline, secondary cryolite, an intermetallic base based on aluminum, iron, silicon and gaseous silicon tetrafluoride are formed. Vaporous sodium, reacting with gaseous SiF 4 , forms silicon and sodium fluoride, which, in turn, reacting with gaseous NaAlF 4 forms a secondary cryolite.
Так как реакции завершаются образованием прочных химических соединений (альбит, нефелин) и интерметаллида (Al-Fe-Si), то конечные термодинамические активности компонентов, из которых они образовались, будут низкими. В итоге металлическая и оксидная фазы будут находиться в состоянии химического равновесия, т.е. обе фазы будут стабильно существовать. Например, алюминий, находящийся в сплаве с кремнием и железом, не будет восстанавливать натрий и кремний, входящие в состав химических соединений - альбита и нефелина.Since the reactions are completed by the formation of strong chemical compounds (albite, nepheline) and intermetallic compound (Al-Fe-Si), the final thermodynamic activities of the components from which they formed will be low. As a result, the metal and oxide phases will be in a state of chemical equilibrium, i.e. both phases will stably exist. For example, aluminum, which is in an alloy with silicon and iron, will not reduce sodium and silicon, which are part of the chemical compounds - albite and nepheline.
Таким образом, образование интерметаллидов в объеме барьерного материала, удаление кремния с формированием полостей различных размеров снижают срок службы футеровки катодного устройства и ухудшают показатели работы электролизеров для производства первичного алюминия.Thus, the formation of intermetallic compounds in the volume of the barrier material, the removal of silicon with the formation of cavities of various sizes reduce the service life of the lining of the cathode device and degrade the performance of electrolytic cells for the production of primary aluminum.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение срока службы футеровки катодного устройства и улучшение показателей работы электролизера.The objective of the proposed technical solution is to increase the service life of the lining of the cathode device and improve the performance of the cell.
Техническим результатом изобретения является устранение попадания паров натрия, других компонентов фторсолей и расплавленного алюминия в теплоизоляционные слои катодной футеровки.The technical result of the invention is to eliminate the ingress of sodium vapor, other components of fluorine salts and molten aluminum into the insulating layers of the cathode lining.
Поставленная задача решается тем, что в футеровке катодного устройства электролизера для производства первичного алюминия, включающей подовые секции, огнеупорный, выполненный в виде барьерного материала - порошка и теплоизоляционный слои, согласно предлагаемому решению огнеупорный слой состоит, по крайней мере, из трех компонентов - порошков алюмосиликатного, углеродсодержащего составов и антипылящей добавки, причем в качестве компонента углеродсодержащего состава используют неграфитированные и не поддающиеся гомогенной термической графитации разновидности углерода с сильными поперечными связями и среднесуточной скоростью насыщения парами натрия не более 3*10-3% в час.The problem is solved in that in the lining of the cathode device of the electrolyzer for the production of primary aluminum, including hearth sections, refractory, made in the form of a barrier material - powder and heat-insulating layers, according to the proposed solution, the refractory layer consists of at least three components - aluminosilicate powders , carbon-containing compounds and anti-dusting additives, and as a component of the carbon-containing composition, non-graphitized and non-homogeneous thermally resistant minutes graphitization carbon species with strong crosslinked and sodium vapor saturation average daily rate of not more than 3 x 10 -3% per hour.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи.The invention is complemented by private distinguishing features, also aimed at solving the problem.
Количество порошка углеродсодержащего состава составляет от 20 до 30%, а его средний медианный размер не превышает 100 мкм, остальное - алюмосиликатный порошок следующего зернового состава (мас.%):The amount of powder of the carbon-containing composition is from 20 to 30%, and its average median size does not exceed 100 microns, the rest is aluminosilicate powder of the following grain composition (wt.%):
В качестве антипылящей добавки используют лигносульфонат технический в количестве до 15%.As an anti-dusting additive, technical lignosulfonate is used in an amount of up to 15%.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates that the solution meets the criterion of "novelty."
Условия работы цокольных материалов в конструкции современных электролизеров диктуют необходимость использования материалов с более высокой термодинамической устойчивостью как к парам натрия, так и расплавам алюминия и фторсолей. Углеграфитовые материалы при обычных условиях плохо смачиваются фторсолями, следовательно, являются хорошими барьерами против проникновения фторсолей в теплоизоляционные слои. Однако в результате внедрения натрия в углеграфитовые материалы меняется характер смачивания и они пропускают фторсоли. Поэтому чем меньше углеграфитовые материалы взаимодействуют с натрием, тем медленнее происходит проникновение фторсолей в барьерный материал.The working conditions of basement materials in the design of modern electrolyzers dictate the need to use materials with higher thermodynamic resistance to both sodium vapor and molten aluminum and fluorine salts. Carbon graphite materials under normal conditions are poorly wetted with fluorine salts, therefore, they are good barriers against the penetration of fluorine salts into the insulating layers. However, as a result of the incorporation of sodium into carbon-graphite materials, the wetting pattern changes and they allow fluorine salts to pass through. Therefore, the less carbon-graphite materials interact with sodium, the slower the penetration of fluorine salts into the barrier material.
Как показали результаты проведенного исследования, такими материалами могут явиться неграфитированные и не поддающиеся гомогенной термической графитации разновидности углерода - угли наиболее низкой степени метаморфизма и полукокс из этих углей, в частности полукокс из бурых углей марки АБГ-П. Эти материалы отличаются большим количеством сильных поперечных связей, что препятствует подвижности углеродных плоских слоев, а следовательно, проникновению натрия в межслойные пространства.As the results of the study showed, such materials may be non-graphite and non-homogeneous thermal graphitization types of carbon - coals of the lowest degree of metamorphism and semi-coke from these coals, in particular semi-coke from brown coals of the ABG-P brand. These materials are characterized by a large number of strong transverse bonds, which prevents the mobility of carbon flat layers, and therefore, the penetration of sodium into the interlayer spaces.
В результате проведенных исследований установлено, что при насыщении буроугольного полукокса парами натрия в течение 24 часов его содержание в углеродной решетке буроугольного полукокса составляет всего 0,0774%. Для сравнения, поглощение натрия из паров газокальцинированным антрацитовым наполнителем, содержащим 30% графита, достигает 5%; полуграфитом ~1,5%, а нефтяным коксом, прошедшим высокотемпературную тепловую обработку при 2300°С, - 0,3%. Таким образом, буроугольный полукокс адсорбирует атомарного натрия в 4 раза меньше, чем высокотемпературный нефтяной кокс. Замедление процессов проникновения натрия, в свою очередь, затрудняет смачивание твердой поверхности углерода электролитом и проникновение солевого расплава в поры материала. Введение в шамотный порошок углерода уменьшит разрушение огнеупорной футеровки за счет снижения вероятности протекания реакций восстановления алюминия и кремния парами натрия. Так, термодинамические расчеты показывают, что в присутствии углерода в футеровочном материале восстановление кремния с образованием бисиликата мало вероятно, вследствие положительного изменения стандартной энергии Гиббса реакции (12).As a result of the research, it was found that when brown coal semicoke is saturated with sodium vapor for 24 hours, its content in the carbon lattice of brown coal semicoke is only 0.0774%. For comparison, the absorption of sodium from vapor by a gas-calcined anthracite filler containing 30% graphite reaches 5%; semi-graphite ~ 1.5%, and petroleum coke, which underwent high-temperature heat treatment at 2300 ° C, - 0.3%. Thus, brown coal semicoke adsorbs atomic sodium 4 times less than high-temperature petroleum coke. Slowing down the processes of sodium penetration, in turn, makes it difficult to wet the solid surface of carbon with electrolyte and the penetration of salt melt into the pores of the material. The introduction of carbon fiber into fireclay will reduce the destruction of the refractory lining by reducing the likelihood of reactions of reduction of aluminum and silicon by sodium vapor. Thus, thermodynamic calculations show that in the presence of carbon in the lining material, silicon reduction with the formation of a bisilicate is unlikely due to a positive change in the standard Gibbs energy of reaction (12).
Исследование на криолитоустойчивость сухих барьерных смесей с различным соотношением порошков буроугольного полукокса и алюмосиликатов показало, что технически и экономически эффективным вариантом является смесь, содержащая 20-30% буроугольного полукокса с размером фракции меньше 0,1 мм. Остальное - серийно выпускаемый алюмосиликатный порошок шамотный ПШ-1, имеющий следующий зерновой состав, в мас.%, приведенный в таблице.A study on the cryol resistance of dry barrier mixtures with different ratios of brown coal semi-coke and aluminosilicate powders showed that a mixture containing 20-30% brown coal semi-coke with a fraction size of less than 0.1 mm is a technically and cost-effective option. The rest is commercially available aluminosilicate powder fireclay PSh-1, having the following grain composition, in wt.%, Shown in the table.
Если содержание буроугольного полукокса будет больше 30%, то возрастает стоимость футеровки и снижается экономическая эффективность, если меньше, чем 20%, то снижается техническая эффективность применения такой футеровки из-за снижения криолитоустойчивости. Если размер буроугольного полукокса будут более заявленного, то снижается плотность упаковки, если меньше, то возрастает пыление, что потребует дополнительного количества антипылящей добавки, увеличивающей стоимость футеровки.If the content of lignite semi-coke is more than 30%, the cost of the lining increases and economic efficiency decreases, if less than 20%, the technical efficiency of the use of such a lining decreases due to a decrease in cryolite resistance. If the size of the brown coal semicoke is more than declared, then the packing density decreases, if less, then dusting increases, which will require an additional amount of anti-dusting additive, which increases the cost of the lining.
Как показали сопоставительные испытания на криолитоустойчивость, заявленный состав КБС обеспечивает самую низкую из известных неформованных материалов степень взаимодействия с компонентами электролита в ходе 20 и 40 часовых тестов, а также высокую экономическую эффективность. Так, по сравнению с традиционно применяемой китайской СБС Е-50 глубина проникновения фторсолей в течение времени испытаний в КБС в два раза ниже. Характерной особенностью этой смеси является достаточно низкая теплопроводность исходной смеси, что позволяет обеспечить высокий градиент температур по высоте барьерного материала.As comparative tests for cryolite resistance have shown, the inventive composition of KBS provides the lowest known degree of interaction with electrolyte components during 20 and 40 hour tests, as well as high economic efficiency. So, in comparison with the traditionally used Chinese SBS E-50, the penetration depth of fluorine salts during the test time in CBS is two times lower. A characteristic feature of this mixture is the rather low thermal conductivity of the initial mixture, which allows for a high temperature gradient along the height of the barrier material.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фигуре 1 изображена схема катодной футеровки алюминиевого электролизера; на фигуре 2 - результаты сопоставительных испытаний на криолитоустойчивость различных барьерных материалов; на фигуре 3 -динамика адсорбции атомарного натрия буроугольным полукоксом при 1227 К и давлении 1,2 атм; на фигуре 4 - коэффициенты теплопроводности исходного материала, прореагировавшего и пропитанного слоев; на фигуре 5 - зависимость глубины сильной пропитки от содержания полукокса в огнеупорной смеси.The invention is illustrated by drawings, where: figure 1 shows a diagram of the cathode lining of an aluminum electrolyzer; figure 2 - the results of comparative tests for cryolite resistance of various barrier materials; figure 3 - dynamics of the adsorption of atomic sodium brown coal semicoke at 1227 K and a pressure of 1.2 bar; in figure 4 - the coefficients of thermal conductivity of the source material, the reacted and the impregnated layers; figure 5 - dependence of the depth of strong impregnation on the content of semi-coke in the refractory mixture.
Изображенная на фигуре 1 футеровка состоит из выравнивающей подушки 1, двух слоев теплоизоляционного материала 2, слоя огнеупора из материала, выполненного из смеси порошков алюмосиликатного, углеродсодержащего составов и антипылящей добавки, защищающего теплоизоляцию от агрессивных компонентов электролита, проникающих через подину, состоящую из углеродных блоков 4. Анод 5 помещен в электролизную ванну. Подовая масса 6 утрамбовывается в пространство между углеродными блоками 4 и бортовым блоком 7. Блюмс 8 через уплотнение 9 соединен с углеродным блоком 4. В нижней части электролизной ванны установлен компенсатор 10.The lining depicted in figure 1 consists of a
На фиг.2 приведены результаты количественной оценки поглощения натрия при температуре 960°С (1,2 атм) активированным буроугольным полукоксом. Видно, что с увеличением времени выдержки содержание натрия в углеродной решетке монотонно увеличивалось с 0,02 при 2 ч до 0,0774% при выдержке 24 ч. Поглощение натрия нефтяным коксом, прошедшим высокотемпературную тепловую обработку при 2300°С, при тех же условиях испытания достигало 0,3%, что в 4 раза больше по сравнению с буроугольным коксом. При этом оценка влияния концентрации адсорбированного атомарного натрия на интенсивность смачивания поверхности буроугольного кокса расплавленным электролитом показала, что если начальная скорость смачивания кокса электролитом составляла ~5 град/мин, то обработанного парообразным натрием увеличивалась до 10 град/мин.Figure 2 shows the results of a quantitative assessment of sodium absorption at a temperature of 960 ° C (1.2 atm) activated brown coal semicoke. It is seen that with an increase in the exposure time, the sodium content in the carbon lattice monotonically increased from 0.02 at 2 h to 0.0774% at 24 h exposure. Sorption of sodium by petroleum coke, which underwent high-temperature heat treatment at 2300 ° C, under the same test conditions reached 0.3%, which is 4 times more compared to brown coal coke. At the same time, an assessment of the effect of the concentration of adsorbed atomic sodium on the intensity of wetting the surface of brown coal coke with molten electrolyte showed that if the initial rate of wetting of coke with electrolyte was ~ 5 deg / min, then the treated sodium vapor increased to 10 deg / min.
Результаты сопоставительных испытаний на криолитоустойчивость различных видов огнеупорных материалов методом Tabereaux в виде зависимости глубины разрушения материала от времени испытаний представлены на фиг.3. Испытаниям в течение 20 и 40 часов подвергались порошкообразная сухая барьерная смесь алюмосиликатного состава марки Е-50 производства фирмы Claybum, высококачественный (открытая пористость менее 12%) алюмосиликатный кирпич близкого к Е-50 химико-минералогического состава BorAluBar и заявляемый материал - комбинированная барьерная смесь - КБС, состоящая из смеси активированного полукокса и алюмосиликатного мертеля.The results of comparative tests for cryolite resistance of various types of refractory materials by the Tabereaux method in the form of a dependence of the fracture depth of the material on the test time are presented in Fig. 3. Tests for 20 and 40 hours were a powdery dry barrier mixture of aluminosilicate composition grade E-50 manufactured by Claybum, high-quality (open porosity less than 12%) aluminosilicate brick close to E-50 chemical and mineralogical composition BorAluBar and the claimed material is a combined barrier mixture - KBS, consisting of a mixture of activated semi-coke and aluminosilicate mortar.
После испытаний на криолитоустойчивость для образцов Е-50 и BorAluBar характерны две зоны - прореагировавшая с фторсолями верхний слой и остаточная нижняя часть, так что высота исследованного образца уменьшалась. Для КБС высота исследуемого материала не изменилась, но становились различимы 3 характерные зоны. Из общей высоты образца в 14 мм верхний слой (4 мм) приобрел светлый цвет и превратился в прочный монолит. Под верхней зоной располагался промежуточный слой - зона слабой пропитки, толщиной 7,1 мм внешне слабо различимый от исходной смеси, но пропитанный некоторым количеством фторсолей (масса пропитанных фторсолей составляла 0,5 г). Нижняя зона толщиной 14 мм практически не подверглась взаимодействию и после разрезания тигля легко высыпалась из него.After cryolite tests, the E-50 and BorAluBar samples were characterized by two zones — the upper layer reacted with fluorine salts and the residual lower part, so that the height of the studied sample decreased. For KBS, the height of the studied material did not change, but 3 characteristic zones became distinguishable. From the total height of the sample of 14 mm, the upper layer (4 mm) acquired a light color and turned into a solid monolith. Under the upper zone was an intermediate layer — a weak impregnation zone, 7.1 mm thick, which was externally weakly distinguishable from the initial mixture, but impregnated with a certain amount of fluorine salts (the mass of impregnated fluorine salts was 0.5 g). The lower zone, 14 mm thick, practically did not undergo interaction and, after cutting the crucible, easily spilled out of it.
В верхней части образца углерод находился в форме графита, содержание которого в верхнем слое образца уменьшилось до ~6% из-за разбавления пробы криолитом. Заметны следы муллита и нефелина. Образец в средней части более чем наполовину состоит из нефелина и сопутствующего ему альбита. Вероятно, в процессе образования нефелина участвовал корунд из верхнего реакционного слоя. Наблюдается большое содержание муллита (26,8%). Образец в нижней части мало трансформирован и близок по химическому составу к исходному материалу. Содержание муллита находится на уровне 70 мас.%. Как видно из фиг.2, заявляемый материал характеризуется самой низкой степенью взаимодействия.In the upper part of the sample, carbon was in the form of graphite, the content of which in the upper layer of the sample decreased to ~ 6% due to dilution of the sample with cryolite. Traces of mullite and nepheline are noticeable. The sample in the middle part is more than half composed of nepheline and its accompanying albite. Corundum from the upper reaction layer was probably involved in the formation of nepheline. There is a high content of mullite (26.8%). The sample in the lower part is slightly transformed and is close in chemical composition to the starting material. The mullite content is at the level of 70 wt.%. As can be seen from figure 2, the claimed material is characterized by the lowest degree of interaction.
Значения коэффициентов теплопроводности в зависимости от температуры для исходного порошка КБС 1, частично пропитанного 2 и прореагировавшего с жидкой фазой фторсолей, представлены на фиг.4. Из представленных данных следует, что пропитка не приводит к росту коэффициента теплопроводности, по крайней мере, при температурах до 800°C. Зависимость глубины сильной пропитки в течение 20 часового теста в зависимости от содержания активированного буроугольного полукокса марки АБГ-П (ООО Карбоника г.Красноярск) в смеси с алюмосиликатным мертелем марки ПШ-1 (ООО Огнеупор г.Магнитогорск) представлена на фиг.5. Содержание активированного буроугольного полукокса изменялось от 12 до 100 мас.%. Установлено, что наименьшую среднюю глубину прореагировавшего слоя (~2,5 мм) имел состав: 75 мас.%. ПШ-1 и 25 мас.%. АБГ-П.The values of the coefficients of thermal conductivity depending on temperature for the initial powder of
Из-за низкого значения коэффициента теплопроводности КБС слой имеет высокое тепловое сопротивление, что обеспечивает большой градиент температур по его высоте. Поэтому проникающий расплав электролита будет застывать, образуя корку, не проницаемую для газовой и жидкой фаз. Вышерасположенный подовый блок в случае применения КБС будет находиться в более однородном температурном поле, чем блок в прототипе. В период разогрева и обжига подины этот фактор определяет целостность подины, поскольку при прогреве перепад температур по высоте массивного подового блока уменьшается. В период пропитки подовых блоков компонентами электролита за счет капиллярных сил уменьшение градиента температур по их высоте способствует уменьшению количества проникающего фтористого натрия. Но самым примечательным в случае применения предлагаемого решения является резкое снижение температур в нижерасположенных слоях. В результате этого открывается возможность уменьшения количества материалов, используемых в цоколе, что влечет за собой экономический эффект.Due to the low value of the coefficient of thermal conductivity, the BSC layer has a high thermal resistance, which provides a large temperature gradient along its height. Therefore, the penetrating melt of the electrolyte will solidify, forming a crust that is not permeable to the gas and liquid phases. The upstream hearth block in the case of using the BSC will be in a more uniform temperature field than the block in the prototype. During the heating-up and firing period of the hearth, this factor determines the integrity of the hearth, since when heated, the temperature difference along the height of the massive hearth block decreases. During the period of impregnation of the hearth blocks with electrolyte components due to capillary forces, a decrease in the temperature gradient along their height helps to reduce the amount of penetrating sodium fluoride. But the most remarkable in the case of applying the proposed solution is a sharp decrease in temperature in the lower layers. As a result of this, it becomes possible to reduce the amount of materials used in the plinth, which entails an economic effect.
Предлагаемая футеровка алюминиевого электролизера с барьерной смесью по сравнению с прототипом позволяет повысить срок службы за счет замедления скорости проникновения компонентов криолитглиноземного расплава в теплоизоляционную часть цоколя и сохранения теплофизических свойств последней.The proposed lining of an aluminum electrolyzer with a barrier mixture in comparison with the prototype allows to increase the service life by slowing down the penetration rate of the components of the cryolite-alumina melt into the insulating part of the cap and preserving the thermophysical properties of the latter.
Использование вышеописанной катодной футеровки позволит увеличить в среднем срок службы каждого алюминиевого электролизера на 1,5 года, что приведет к увеличению выпуска алюминия примерно на 600 тонн. При этом достигается снижение удельного расхода электроэнергии на 125 тыс. кВтч на 1 тонну металла.The use of the cathode lining described above will increase the average life of each aluminum electrolyzer by 1.5 years, which will lead to an increase in aluminum production by about 600 tons. At the same time, a reduction in specific energy consumption by 125 thousand kWh per 1 ton of metal is achieved.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006114300/02A RU2318921C1 (en) | 2006-04-26 | 2006-04-26 | Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006114300/02A RU2318921C1 (en) | 2006-04-26 | 2006-04-26 | Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006114300A RU2006114300A (en) | 2007-11-20 |
| RU2318921C1 true RU2318921C1 (en) | 2008-03-10 |
Family
ID=38959010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006114300/02A RU2318921C1 (en) | 2006-04-26 | 2006-04-26 | Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2318921C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608942C1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Primary aluminium production reduction cell cathode lining |
| RU2685821C1 (en) * | 2018-06-07 | 2019-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Cathode assembly of aluminum electrolytic cell |
| RU2714565C1 (en) * | 2019-08-15 | 2020-02-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Aluminum electrolytic cell with insulated onboard lining |
-
2006
- 2006-04-26 RU RU2006114300/02A patent/RU2318921C1/en active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608942C1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Primary aluminium production reduction cell cathode lining |
| WO2017044010A1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-03-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Lining of cathode assembly of electrolysis cell for producing aluminium |
| RU2685821C1 (en) * | 2018-06-07 | 2019-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Cathode assembly of aluminum electrolytic cell |
| WO2019235971A1 (en) * | 2018-06-07 | 2019-12-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Объединенная Компания Русал Инженерно -Технологический Центр" | Cathode device for an aluminum electrolytic cell |
| RU2714565C1 (en) * | 2019-08-15 | 2020-02-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Aluminum electrolytic cell with insulated onboard lining |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006114300A (en) | 2007-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ratvik et al. | Aluminium production process: from Hall–Héroult to modern smelters | |
| RU2546268C2 (en) | Carbon article, method of producing carbon article and use thereof | |
| RU2385972C1 (en) | Casing method of cathode device of electrolytic cell for receiving of aluminium | |
| Chevarin et al. | Substrate effect of coke particles on the structure and reactivity of coke/pitch mixtures in carbon anodes | |
| AU2016319731B2 (en) | Lining of cathode assembly of electrolysis cell for producing aluminium | |
| Xue et al. | Sodium and bath penetration into TiB2-carbon cathodes during laboratory aluminium electrolysis | |
| RU2318921C1 (en) | Lining of cathode device of cell for producing primary aluminum | |
| Patel et al. | Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis part ii: Porosity and wear mechanisms in graphitized cathode material | |
| Patel et al. | Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis part III: Wear behavior in graphitic materials | |
| US20190390355A1 (en) | Process For Manufacturing Carbon Anodes For Aluminium Production Cells And Carbon Anodes Obtained From The Same | |
| Allard et al. | Chemical characterization and thermodynamic investigation of anode crust used in aluminum electrolysis cells | |
| US5322826A (en) | Refractory material | |
| Poncsák et al. | Study of the structure and thermophysical properties of the side ledge in Hall-Heroult cells operating with modified bath composition | |
| RU2266983C1 (en) | Cathode facing to aluminum cell | |
| CA2900418C (en) | Cathode block having an abrasion-resistant surface that can be wetted | |
| Krohn et al. | Penetration of sodium and bath constituents into cathode carbon materials used in industrial cells | |
| RU2276700C1 (en) | Lining of the cathode section of the aluminum electrolytic bath | |
| US20040149569A1 (en) | Aluminium-wettable porous ceramic material | |
| US11492716B2 (en) | Material components protection against the corrosive action cryolite melts in aluminium reduction cells | |
| RU2522928C1 (en) | Protection of carbonic lining | |
| Liang et al. | Electrolytic properties and element migration in Ni–TiB2/Al2O3 composite cathode | |
| Xue et al. | Investigating carbon/TiB 2 materials for aluminum reduction cathodes | |
| RU2221087C2 (en) | Aluminum cell hearth | |
| Chauke | Reactivity of carbon cathode materials with electrolyte based on plant and laboratory data | |
| Brisson et al. | Investigation of electrolyte penetration in three carbon cathode materials for aluminum electrolysis cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20131024 |