RU2685821C1 - Катодное устройство алюминиевого электролизера - Google Patents

Катодное устройство алюминиевого электролизера Download PDF

Info

Publication number
RU2685821C1
RU2685821C1 RU2018121209A RU2018121209A RU2685821C1 RU 2685821 C1 RU2685821 C1 RU 2685821C1 RU 2018121209 A RU2018121209 A RU 2018121209A RU 2018121209 A RU2018121209 A RU 2018121209A RU 2685821 C1 RU2685821 C1 RU 2685821C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
less
particles
mass
quartzite
porcellanite
Prior art date
Application number
RU2018121209A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Владимирович Прошкин
Александр Михайлович Погодаев
Геннадий Ефимович Нагибин
Алексей Сергеевич Жердев
Виталий Валерьевич Пингин
Андрей Геннадьевич Сбитнев
Антон Сергеевич Орлов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority to RU2018121209A priority Critical patent/RU2685821C1/ru
Priority to EP19814192.1A priority patent/EP3816323A4/en
Priority to CA3102752A priority patent/CA3102752C/en
Priority to PCT/RU2019/050034 priority patent/WO2019235971A1/ru
Priority to BR112020024994-7A priority patent/BR112020024994A2/pt
Application granted granted Critical
Publication of RU2685821C1 publication Critical patent/RU2685821C1/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/085—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes characterised by its non electrically conducting heat insulating parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B33/00—Clay-wares
    • C04B33/02—Preparing or treating the raw materials individually or as batches
    • C04B33/13—Compounding ingredients
    • C04B33/132—Waste materials; Refuse; Residues
    • C04B33/1324—Recycled material, e.g. tile dust, stone waste, spent refractory material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/16—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay
    • C04B35/18—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62204—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products using waste materials or refuse
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/66—Monolithic refractories or refractory mortars, including those whether or not containing clay
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3463—Alumino-silicates other than clay, e.g. mullite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/349—Clays, e.g. bentonites, smectites such as montmorillonite, vermiculites or kaolines, e.g. illite, talc or sepiolite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5427—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof millimeter or submillimeter sized, i.e. larger than 0,1 mm
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5463—Particle size distributions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/608—Green bodies or pre-forms with well-defined density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9646—Optical properties
    • C04B2235/9661—Colour
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/60—Production of ceramic materials or ceramic elements, e.g. substitution of clay or shale by alternative raw materials, e.g. ashes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к конструкции катодного устройства электролизера для производства алюминия электролизом. Катодное устройство содержит металлический кожух, футерованный боковыми блоками, установленными на бровку, подовые углеграфитовые блоки с токоподводящими стержнями, цоколь из теплоизоляционного слоя и огнеупорного слоя, выполненного из смеси порцелланита 23-26 мас. %, кварцитов 43-46 мас. % и отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов 28-32 мас. % и уплотненного до кажущейся плотности не менее 2100 кг/м. Обеспечивается увеличение срока службы электролизера, сокращение расхода фтористых солей и расширение сырьевой базы за счет утилизации отходов алюминиевых заводов и применения природных материалов и замедление проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно, к электролитическому производству алюминия в конструкции катодного устройства электролизера для производства алюминия (алюминиевого электролизера).
Уровень техники
Известно традиционное катодное устройство электролизера, содержащее металлический кожух, футерованный боковыми углеграфитовыми или карбидокремниевыми блоками, подовые углеграфитовые блоки с токоподводящими стержнями, межблочные швы, теплоизоляционный слой и огнеупорный (барьерный) слой, выполненный из шамотного кирпича с содержанием оксида алюминия 25-30%, оксида кремния - 60-68% и плотностью не менее 2100 кг/м3 (Сорлье, М., Ойя X. Катоды алюминиевого электролизера. - Красноярск: Версо, 2013).
Недостатком устройства с барьерным слоем из шамотных кирпичей является наличие межкирпичных швов, по которым происходит проникновение агрессивных компонентов электролиза в нижерасположенные зоны катода. Это увеличивает потребление фтористых солей, сокращает срок службы барьерного материала и электролизера в целом. Вследствие того, что для получения шамотных кирпичей исходную глину дважды подвергают обжигу, сначала на этапе получения неформованного обожженного материала и затем на этапе получения кирпича из него, то велика доля расходов энергетических ресурсов и, следовательно, стоимость кирпичей.
Известно катодное устройство электролизера для получения алюминия (патент RU 2270891, С25С 3/08, опубл. 27.02.2006 г.), содержащее металлический кожух, футерованный боковыми углеграфитовыми блоками, установленными на бровку, подовые углеграфитовые блоки с токоподводящими стержнями, межблочные швы, теплоизоляционный слой и огнеупорный слой, выполненный из сыпучего кремнеземсодержащего материала - отхода электротермического производства кремния в виде пыли циклонов газоочистки
Недостатком такого катодного устройства является низкая стойкость барьерного материала, состоящего преимущественно из SiO2 как по отношению к алюминию, так и фтористым солям. В частности, при попадании алюминия в барьерный материал протекает экзотермическая реакция:
Figure 00000001
При взаимодействии с криолитом происходит обеднение состава по кремнию из-за протекания газофазной реакции, о чем свидетельствует отрицательное значение изменения стандартной энергии Гиббса реакции (2):
Figure 00000002
Реакция (1) приводит к выносу кремния из огнеупорного материала в виде газообразного тетрафторида кремния, что приводит к разрушению футеровки и сокращению срока службы огнеупорного материала и электролизера в целом.
Наиболее близкой к заявляемому катодному устройству по технической сущности и достигаемому результату является футеровка катодного устройства электролизера для получения алюминия (патент RU 2608942, С25С 3/08, опубл. 26.01.2017 г.), включающая в себя подовые и бортовые блоки, соединенные между собой холоднонабивной подовой массой, огнеупорный и теплоизоляционный слои из неформованных материалов, причем огнеупорный слой выполнен из алюмосиликатного материала, а теплоизоляционный слой из неграфитированного углерода или его смеси с порошком алюмосиликатного или глиноземистого состава, причем теплоизоляционный и огнеупорный слои состоят, по меньшей мере, из двух подслоев, при этом пористость теплоизоляционного и огнеупорного слоев увеличивается от верхнего подслоя к нижнему, а соотношение толщин огнеупорного и теплоизоляционного слоев составляет 1:(1-3). При этом в качестве одного из подслоев огнеупорного слоя используют природный материал, например, порцелланит.
Недостатком данного катодного устройства является низкая стойкость по отношению к фторсолям огнеупорного подслоя, сокращающего срок службы огнеупоров и электролизера в целом.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача увеличения срока службы алюминиевого электролизера, сокращение расхода фтористых солей и расширение сырьевой базы за счет утилизации отходов алюминиевых заводов и применения природных материалов.
Технический результат заключается в решении поставленной задачи, а также замедлении проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный (барьерный) слой.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается предложенным катодным устройством электролизера для получения алюминия, содержащим металлический кожух, футерованный боковыми блоками, установленными на бровку, подовые углеграфитовые блоки с токоподводящими стержнями, цоколь из по меньшей мере одного теплоизоляционного и огнеупорного слоев, выполненных из сыпучих материалов. При этом по меньшей мере один огнеупорный слой выполнен в виде смеси следующих основных компонентов: порцелланита, предпочтительно 23-26 масс. %, кварцитов, предпочтительно 43-46 масс. %, и отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов, предпочтительно 28-32 масс. %, и уплотненного до кажущейся плотности не менее 2100 кг/м3. А также предложен огнеупорный слой катодного устройства электролизера для получения алюминия, выполненный из сыпучего материала, а именно, в виде смеси следующих основных компонентов: порцелланита, кварцитов и отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов, уплотненного до кажущейся плотности не менее 2100 кг/м3.
Предлагаемое катодное устройство электролизера для получения алюминия дополняют частные отличительные признаки.
Гранулометрический состав порцелланита (глиежа) (масс. %) имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.).
Figure 00000003
Гранулометрический состав кварцитов (масс. %) имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.).
Figure 00000004
Гранулометрический состав измельченных отработанных муллитовых кирпичей (масс. %) печей обжига анодов имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.).
Figure 00000005
Осуществление изобретения
Особенностью предложенного технического решения является использование бесшовного огнеупорного слоя из смесевой композиции природных материалов и отходов алюминиевых заводов.
В качестве основных компонентов композиции предлагается применять порцелланит (глиеж) - горелые породы, превращенные под действием подземных пожаров угольных пластов в фарфоровидные материалы, природный кварцит и отработанные муллитовые кирпичи.
Авторы предложенного изобретения неожиданно пришли к выбору компонентов композиции посредством проведения множества экспериментов по исследованию сочетания различных материалов для решения поставленной задачи.
Основное преимущество порцелланита обусловлено тем, что данный материал прошел высокотемпературную обработку в природных условиях, что обеспечивает его низкую стоимость. Недостатком материала является высокая закрытая пористость (до 14%), обусловленная выходом гидроксильной группы (ОН) из кристаллической решетки каолина. Поэтому уплотнить его выше 1700 кг/м3 не удается, в результате чего в единице объема огнеупорного слоя из порцелланита количество материала по сравнению с традиционными ниже на 15%. Вторым недостатком порцелланитов является недостаточное содержание оксидов алюминия, необходимых для формирования вязкого стеклообразного альбита. Это ухудшает его свойства как огнеупорного (барьерного) материала, поэтому одним из возможных путей использования порцелланита в качестве такого материала является его неочевидная, но очень удачная комбинация с кварцитом и высокоглиноземистого материала - отработанных муллитовых кирпичей.
Целесообразность включения кварцитов в смесь барьерного материала обусловлена наличием фазового перехода при нагревании до 572,6°С, происходящего с увеличением объема, что способствует увеличению плотности барьерной смеси и замедлению проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой.
Химический состав огнеупорного слоя, состоящего из порцелланита, кварцитов и отработанных муллитовых кирпичей, подбирается близким к составу применяемых на практике шамотных кирпичей, поэтому количество отработанных муллитовых кирпичей должно обеспечить требуемое содержание оксидов алюминия (25-30%).
В составе смеси барьерного материала, гетерогенной полифракционной композиции, предлагается использовать преимущественно крупные фракции муллитовых кирпичей для создания жесткого структурного каркаса. Мелкие фракции порцелланита совместно с кварцитом заполняют его свободное пространство, чем и обеспечивается плотная упаковка (не менее 2000 кг/м3 в лабораторных и 2100 кг/м3 - в промышленных условиях) и замедляется проникновение агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой.
Гранулометрический состав порцелланита (масс. %) имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.):
Figure 00000006
Гранулометрический состав кварцитов (масс. %) имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.):
Figure 00000007
Гранулометрический состав отработанных муллитовых кирпичей (масс. %) имеет следующее распределение частиц по размерам (мм.):
Figure 00000008
Таким образом, огнеупорный слой представляет собой порошки подобранного гранулометрического состава фракции -5 мм из названных материалов.
Выбор верхней границы диапазона (-5 мм) обусловлен наличием противоположных факторов, влияющих на достижении технического результата - замедления проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный (барьерный) слой, что достигается максимально возможной плотностью материала. Сужение диапазона частиц способствует гомогенизации, но уменьшает плотность упаковки, увеличение - обеспечивает рост плотности упаковки, но при этом растет вероятность расфракционирования и необходимость тщательного перемешивания смеси что увеличивает энергозатраты на подготовку смеси. Предлагаемое значение является оптимальным и основанным на эмпирических данных.
Предлагаемая конструкция катодного устройства по сравнению с прототипом позволяет замедлить проникновение агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой. При этом разработанный состав смеси огнеупорного слоя является оптимальным. Если смесь не будет содержать порцелланитов, то не достигается задача увеличения срока службы электролизера, сокращения расхода фтористых солей и расширение сырьевой базы за счет применения природных материалов. Если смесь не будет содержать крупных частиц отработанных муллитовых кирпичей, то нарушится каркасная структура и не будет достигнута плотная упаковка барьерного слоя, снизится стойкость смеси к расплавленному алюминию. Если смесь не будет содержать кварцитов, то также не будет достигнута высокая плотность упаковки, поскольку именно в кварцитах при температуре 572,6°С протекает фазовый переход α-SiO2 в β-SiO2, сопровождающийся увеличением объема и ростом плотности барьерного материала. Кроме того, парообразный натрий и электролит, проникающие в материал по границам частиц не будут так эффективно взаимодействовать с муллитом и порцелланитом, как с кварцитом с образованием прочной связки из бисиликата и моносиликата натрия (Na2O⋅2SiO2, Na2O⋅SiO2), монолитизирующих огнеупорный слой и уменьшающей проникновение агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой.
Если содержание порцелланита будет больше заявленного уровня (26 масс. %), то нарушается плотность упаковки, если ниже заявленного (23 масс. %), то снижается объем применения дешевого природного материала.
Если содержание кварцита будет больше заявленного уровня (46 масс. %), то нарушается плотность упаковки, если меньше заявленного (43 масс. %), то снижается эффект объемного расширения и самоуплотнения барьерной смеси, в результате чего растет проникновение агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой.
Если количество измельченных отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов будет больше заявленного (32 масс. %), то нарушается плотность упаковки, не образуется достаточного количества вязкого расплава (альбита) и, как следствие, растет проникновение агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой. Если количество измельченных отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов будет меньше заявленного (28 масс. %), то также нарушается плотность упаковки и оптимальный химический состав смеси.
Вышеизложенное подтверждается лабораторными исследованиями процесса проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорные слои с различными сочетаниями предлагаемых материалов.
Для приготовления смесей были использованы следующие компоненты:
- порцелланит (месторождение «Туляк», Уярский район, Красноярский край).
- кварцит или кварц-каолин (Кампановское месторождение, Уярский район, Красноярский край);
- отработанные муллитовые кирпичи марки «МЛС-62» из простенков печей обжига анодов (далее по тексту МЛС);
Испытания по проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорные слои заключались в определении глубины проникновения фтористых солей в огнеупор, которые находились в печи в графитовом тигле в течение 24 часов при температурах электролиза (~ 950°С) и прямом воздействии фтористых солей, алюминия и натрия. Испытанию подверглись шесть различных образцов с различными химическими составами. Результаты испытаний на криолитоустойчивость приведены в таблице 1.
Figure 00000009
Из представленных данных видно, что состав №6 имеет минимальную глубину проникновения агрессивных компонентов электролиза в огнеупорный слой.
Оптимальным составом смеси в огнеупорном слое является, масс. %: порцелланит - 25, кварциты - 45, отработанные муллитовые кирпичи - 30.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено катодное устройство электролизера, состоящее из теплоизоляционного неграфитированного углеродного слоя 1 пористостью до 90%, расположенного над ним теплоизоляционного слоя 2 с пористостью до 60%, над которыми располагается огнеупорный слой 3 из смеси порцелланита, кварцитов и отработанных муллитовых кирпичей, имеющий пористость до 17% и высокое сопротивление к проникновению компонентов электролита, проникающим через подину, состоящую из углеграфитовых блоков 4. По периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха выполнена кладка кирпичной бровки 5. Подовая масса 6 заполняет пространство между подовыми углеграфитовыми блоками 4 и блоком-вставкой 7, примыкающей к бортовым блокам 8. Токоподводящий стержень 9 соединен с подовыми углеграфитовым блоком 4.
Использование вышеописанного катодного устройства позволит увеличить срок службы электролизеров, сократить расход фтористых солей и расширить сырьевую базу за счет утилизации отходов алюминиевых заводов применения природных материалов.
Неочевидность решения заключается в особенностях применения порцелланитов (глиежей), которые подверглись природной термической обработке и поэтому имеют конкурентные свойства по отношению к ранее применяемым для той же цели материалам. В сочетании с другими материалами - измельченными муллитовыми кирпичами и кварцитом они обеспечивают прогресс в части обеспечения высокоэффективного решения (получения безобжигового огнеупорного материала) по сравнению с материалами, существовавшими до заявленного изобретения.

Claims (12)

1. Катодное устройство электролизера для получения алюминия, содержащее металлический кожух, футерованный боковыми блоками, установленными на бровку, подовые углеграфитовые блоки с токоподводящими стержнями, цоколь из по меньшей мере одного теплоизоляционного и огнеупорного слоев, выполненных из сыпучих материалов, отличающееся тем, что по меньшей мере один огнеупорный слой выполнен из смеси следующих основных компонентов: порцелланита 23-26 мас. %, кварцитов 43-46 мас. % и отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов 28-32 мас. %, и уплотнен до кажущейся плотности не менее 2100 кг/м3.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что масса частиц порцелланита размерами менее 0,5 мм составляет 73,83%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм составляет 21,22%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 1,38%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм составляет 3,57%.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что масса частиц кварцитов менее 0,5 мм составляет 6,01%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм составляет 48,92%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 8,74%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм составляет 36,33%.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что масса частиц измельченных отработанных муллитовых кирпичей менее 0,5 мм составляет 55,19%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм составляет 24,75%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 3,99%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм составляет 16,07%.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что смесь содержит преимущественно крупные фракции муллитовых кирпичей для создания жесткого структурного каркаса, при этом мелкие фракции порцелланита совместно с кварцитом заполняют его свободное пространство.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение порцелланита, муллитовых кирпичей и кварцитов составляет в смеси 1:1:2.
7. Цоколь катодного устройства электролизера для получения алюминия, содержащий по меньшей мере один огнеупорный слой из сыпучего материала, отличающийся тем, что по меньшей мере один огнеупорный слой выполнен из смеси основных компонентов, включающей порцелланит, кварциты и отработанные муллитовые кирпичи печей обжига анодов, и уплотнен до кажущейся плотности не менее 2100 кг/м3.
8. Цоколь по п. 7, отличающийся тем, что соотношение порцелланита, муллитовых кирпичей и кварцитов составляет 1:1:2.
9. Цоколь по п. 7, отличающийся тем, что содержание в смеси порцелланита составляет 23-26 мас. %, содержание кварцитов составляет 43-46 мас. %, а содержание отработанных муллитовых кирпичей печей обжига анодов составляет 28-32 мас. %.
10. Цоколь по п. 7, отличающийся тем, что масса частиц порцелланита размерами менее 0,5 мм составляет 73,83%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм равна 21,22%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 1,38%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм - 3,57%,
причем масса частиц кварцитов менее 0,5 мм составляет 6,01%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм равна 48,92%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 8,74%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм - 36,33%, при этом
масса частиц измельченных отработанных муллитовых кирпичей менее 0,5 мм составляет 55,19%, масса частиц более 0,5 мм и менее 2 мм равна 24,75%, доля частиц более 2 мм и менее 3 мм составляет 3,99%, а масса частиц более 3 мм и менее 5 мм - 16,07%.
RU2018121209A 2018-06-07 2018-06-07 Катодное устройство алюминиевого электролизера RU2685821C1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121209A RU2685821C1 (ru) 2018-06-07 2018-06-07 Катодное устройство алюминиевого электролизера
EP19814192.1A EP3816323A4 (en) 2018-06-07 2019-03-26 CATHODE DEVICE FOR AN ALUMINUM ELECTROLYTIC CELL
CA3102752A CA3102752C (en) 2018-06-07 2019-03-26 Cathode assembly of an aluminum reduction cell
PCT/RU2019/050034 WO2019235971A1 (ru) 2018-06-07 2019-03-26 Катодное устройство алюминиевого электролизера
BR112020024994-7A BR112020024994A2 (pt) 2018-06-07 2019-03-26 catódo de célula eletrolítica para a produção de alumínio

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121209A RU2685821C1 (ru) 2018-06-07 2018-06-07 Катодное устройство алюминиевого электролизера

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685821C1 true RU2685821C1 (ru) 2019-04-23

Family

ID=66314537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018121209A RU2685821C1 (ru) 2018-06-07 2018-06-07 Катодное устройство алюминиевого электролизера

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3816323A4 (ru)
BR (1) BR112020024994A2 (ru)
CA (1) CA3102752C (ru)
RU (1) RU2685821C1 (ru)
WO (1) WO2019235971A1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2270891C2 (ru) * 2004-02-02 2006-02-27 Открытое акционерное общество "Сибирский научно-исследовательский, конструкторский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности" (ОАО "СибВАМИ") Катодное устройство электролизера для получения алюминия
RU2318921C1 (ru) * 2006-04-26 2008-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" Футеровка катодного устройства электролизера для производства первичного алюминия
RU2385972C1 (ru) * 2008-11-21 2010-04-10 ЮНАЙТЕД КОМПАНИ РУСАЛ АйПи ЛИМИТЕД Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
CN202688464U (zh) * 2012-06-19 2013-01-23 云南铝业股份有限公司 一种曲面阴极铝电解槽不均衡保温内衬结构
RU2608942C1 (ru) * 2015-09-10 2017-01-26 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Катодная футеровка электролизера производства первичного алюминия

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1708935A1 (ru) * 1990-01-04 1992-01-30 Красноярский Политехнический Институт Подина алюминиевого электролизера
RU2276700C1 (ru) * 2004-10-26 2006-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" Футеровка катодной части алюминиевого электролизера
RU2424206C1 (ru) * 2010-04-09 2011-07-20 Юлия Алексеевна Щепочкина Керамическая масса
RU2617743C1 (ru) * 2016-05-04 2017-04-26 Юлия Алексеевна Щепочкина Керамическая масса для производства кирпича

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2270891C2 (ru) * 2004-02-02 2006-02-27 Открытое акционерное общество "Сибирский научно-исследовательский, конструкторский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности" (ОАО "СибВАМИ") Катодное устройство электролизера для получения алюминия
RU2318921C1 (ru) * 2006-04-26 2008-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" Футеровка катодного устройства электролизера для производства первичного алюминия
RU2385972C1 (ru) * 2008-11-21 2010-04-10 ЮНАЙТЕД КОМПАНИ РУСАЛ АйПи ЛИМИТЕД Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
CN202688464U (zh) * 2012-06-19 2013-01-23 云南铝业股份有限公司 一种曲面阴极铝电解槽不均衡保温内衬结构
RU2608942C1 (ru) * 2015-09-10 2017-01-26 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Катодная футеровка электролизера производства первичного алюминия

Also Published As

Publication number Publication date
EP3816323A4 (en) 2022-03-02
CA3102752C (en) 2022-07-26
EP3816323A1 (en) 2021-05-05
WO2019235971A1 (ru) 2019-12-12
CA3102752A1 (en) 2019-12-12
BR112020024994A2 (pt) 2021-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Preparation of high porosity bricks by utilizing red mud and mine tailing
Stjernberg et al. Laboratory scale study of the degradation of mullite/corundum refractories by reaction with alkali-doped deposit materials
Zhou et al. Fabrication, characterization and thermal-insulation modeling of foamed mullite-SiC ceramics
RU2385972C1 (ru) Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
WO2017044010A1 (ru) Футеровка катодного устройства электролизера для производства алюминия
RU2685821C1 (ru) Катодное устройство алюминиевого электролизера
JP3228808B2 (ja) 電解槽のための耐火性材料、該耐火性材料の製造方法および該耐火性材料を使用した電解バット
EP1344846A1 (en) Aluminium reduction cell refractory material and process for the manufacture of carboceramic material
CN105801093B (zh) 一种粉煤灰耐高温绝缘材料及其制备与用途
RU2266983C1 (ru) Катодная футеровка алюминиевого электролизера
CN110723956A (zh) 一种铝电解槽干式料及其制备方法
Jeltsch et al. Dry barrier mix in reduction cell cathodes
AU693266B2 (en) Cryolite resistant refractory
US5744413A (en) Cryolite resistant refractory liner
RU2621197C1 (ru) Способ футеровки катода электролизера для получения первичного алюминия
Petrovskiy et al. Use of leaching cake from refractory lining of dismantled electrolysers in cement production
RU2593247C1 (ru) Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
RU2221087C2 (ru) Подина алюминиевого электролизера
JP6752027B2 (ja) シャモット質れんが及びその製造方法
RU2614357C2 (ru) Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения первичного алюминия (варианты)
CA2856287C (en) High temperature electrolysis cell refractory system, electrolysis cells, and assembly methods
RU2239003C1 (ru) Катодное устройство алюминиевого электролизера
SU1717584A1 (ru) Сырьева смесь дл изготовлени глин ного кирпича дл катодной футеровки алюминиевого электролизера
Windle MULLITISATION: THE KEY TO REGENERATING REGENERATORS
RU2458185C1 (ru) Катодное устройство алюминиевого электролизера