WO2023043334A1 - Cathode device for an aluminium electrolysis cell - Google Patents

Cathode device for an aluminium electrolysis cell Download PDF

Info

Publication number
WO2023043334A1
WO2023043334A1 PCT/RU2022/050227 RU2022050227W WO2023043334A1 WO 2023043334 A1 WO2023043334 A1 WO 2023043334A1 RU 2022050227 W RU2022050227 W RU 2022050227W WO 2023043334 A1 WO2023043334 A1 WO 2023043334A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
cathode device
composite material
belt
walls
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050227
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Алексей Геннадьевич БУРЦЕВ
Александр Олегович ГУСЕВ
Сергей Владимирович СКУРАТОВ
Виктор Христьянович МАНН
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 CN202280062243.0A priority Critical patent/CN117940611A/en
Priority to CA3231974A priority patent/CA3231974A1/en
Publication of WO2023043334A1 publication Critical patent/WO2023043334A1/en

Links

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
    • C25C3/10—External supporting frames or structures

Definitions

  • the invention relates to aluminum metallurgy by electrolysis of molten salts, in particular to the cathode device of the electrolyzer, and concerns the design of the upper belt of the longitudinal and end walls of the cathode casing.
  • a cathode device is usually called an assembly consisting of a cathode casing with a lining enclosed in it, which provides the conditions for the electrolysis process to proceed in a cryolite-alumina melt (electrolyte).
  • the cathode casing is a metal bath, including longitudinal and end walls with a bottom and load-bearing elements (frames, buttresses, beams, etc.) enclosing the walls and bottom of the bath, usually made of steel.
  • the cathode casing is lined from the inside with lining materials (refractory and heat-insulating bricks, silicon carbide plates and carbon-graphite cathode blocks with steel cathode rods, etc.).
  • the cathode casing is designed to protect the lining placed inside it from deformation and destruction arising under the action of forces developing inside the cathode device during the operation of the electrolyzer. Therefore, it must have the necessary mechanical strength and rigidity to ensure a long service life of the cathode device.
  • cathode casing Another important function of the cathode casing is to ensure intensive heat removal from the zone of the electrolysis process and dissipation of excess heat into the environment. This contributes to the formation of a layer of frozen cryolite-alumina melt-skull on the inner lined (side) walls of the cathode device, which ensures their protection from the effects of an aggressive environment and high temperatures (in the range of 870-970 °C), thereby ensuring optimal conditions for conducting electrolysis process and protect the side walls from the aggressive effects of the electrolyte and electrolysis products.
  • a known method of cooling an aluminum cell (US 4087345, C25C 3/08, 05/02/1978), containing a cathode casing in the form of a steel bath, including vertical (longitudinal and end) walls with a bottom.
  • Vertical stiffeners (T-beams and/or I-beams) are attached to the walls with a certain step along the length and width of the casing.
  • the beams have good thermal contact with the walls of the steel bath.
  • the walls of the steel bath are covered along the entire outer perimeter by horizontal stiffening elements (T-beams and / or I-beams), forming a single rigid structure.
  • the walls can be additionally covered by load-bearing elements (frames, buttresses).
  • vertical air corridors are formed, designed for unhindered passage of air in order to remove and dissipate heat from the walls of the casing and vertical structural stiffeners.
  • the casing walls are cooled due to the convective air flow due to the lifting (Archimedean) force resulting from the air heating in the upper parts (at the melt level) of the vertical air corridors, and the resulting temperature difference along the height of the casing walls.
  • This makes it possible to increase heat removal by the vertical side walls of the casing and reduce the temperature of the casing walls, thereby creating conditions for the formation of a layer of solidified cryolite-alumina melt-skull on the inner lined walls of the cathode device.
  • the main disadvantage of the known method is the low efficiency of heat removal and dissipation from the cathode casing due to the rather small cooling area and low speeds of the convective air flow. Therefore, in this case, it becomes problematic to provide a stable and sufficient thickness of the scull layer on the inner surface of the side lining.
  • the absence of a skull usually leads to intensive wear of the onboard lining, which will adversely affect the service life of the cell.
  • Known cathode device aluminum cell (RU 2230834, C25C 3/08, 20.06.2004), equipped with a cathode casing, including lined from the inside a metal bath with longitudinal and end walls and a bottom, installed inside a rigid frame formed by transverse frames (strength elements).
  • the end walls of the bath are reinforced with stiffening belts formed by vertical and horizontal stiffening elements interconnected by a strapping (bending) sheet.
  • the horizontal stiffeners are placed at some distance in the horizontal plane from the vertical end wall, so that vertical air corridors are formed between them with a width of 1/3 -2/3 of the distance from the end wall of the bath to the strapping sheet, which are designed to pass casing cooling air.
  • vertical steel cooling fins are installed between the vertical stiffening ribs in the amount of 1-4 pcs. and a height equal to the height of the side lining, mainly the dimensions of the ribs are as follows: thickness 6-8 mm, height 640-650 mm, width 120 mm.
  • the known method provides the passage of the air flow along the vertical air corridors through the cooling fins welded to the wall in order to remove and dissipate heat from the end walls of the cathode casing using natural convective heat exchange with the environment.
  • the main disadvantage of the known solution is that it is proposed to install cooling fins only on the end walls of the cathode casing, as a result of which more intensive heat removal will be carried out only from the ends of the cathode casing, and the problem with cooling the longitudinal walls remains.
  • Another disadvantage of this solution is the low efficiency of heat removal from the end wall of the cathode casing, because the heat transfer coefficient increases slightly (from about 15 to 25 W/m 2 K). This is due to the presence of a solid flange sheet, which prevents the free passage of air, and the relatively low thermal conductivity of the cooling fins, made of StZ steel with a thermal conductivity coefficient of 50 W/m K at 300 °C), as a result, heat transfer by the fins is ineffective.
  • a known method of cooling an electrolyzer for producing aluminum (US 4608134, C25C 3/08, 08/26/1986), containing an outer cathode casing made in the form of a steel bath, with a lining enclosed inside it, consisting of refractory and heat-insulating lining materials and carbon-graphite cathode blocks and located on the inside of the side walls of the cathode casing of the onboard part of the lining (carbon graphite or silicon carbide plates).
  • On the sides of the cathode device at the level of the melt, between the inner surface of the cathode casing and the outer wall of the side part of the lining, there are air cavities, which communicate with air inlets and outlets equipped with valves to control the air flow.
  • Cooling occurs as follows: cold air is sucked in through the intake holes, taken from the environment on the sides of the electrolyzer, and is directed into the air cavities along the onboard lining, as a result of which it is cooled, while the flow of hot air is controlled using outlet holes equipped with valves .
  • outlet holes equipped with valves .
  • Known electrolyzer for producing aluminum (SU 605865, S25S 3/08, 05.05.1978), including a metal cathode casing in the form of a steel bath, lined from the inside, the bottom and vertical walls of which are provided with box-shaped sections made in the form of sealed cavities. Thermal screens made up of separate plates are installed in the sealed cavities, and air lines with air distribution valves are connected to them, into which air is blown by a fan or compressor.
  • the disadvantage of the known solution is the need to create a complex and cumbersome network of air lines, which significantly clutter up the space around the cell, and the high noise level created by the discharged air into the sealed cavities or into the atmosphere of the housing creates unfavorable conditions for the staff.
  • Due to the low heat capacity of air for efficient heat removal a significant air flow will be required, and therefore, a compressor station or powerful fans are required and therefore it is not economically feasible.
  • the cathode device of an aluminum electrolyzer according to patent RU 2321682, C25C 3/08, 10.04.2008.
  • the device contains a metal bath with a bottom and load-bearing elements covering the walls and bottom of the bath, forming a cathode casing. Inside the cathode casing there is a lining and cathode blocks with cathode rods forming the cathode of the cell.
  • lamellar ribs made of a material with high thermal conductivity are fixed. The area of one lamellar rib is 0.03-0.3 m 2 .
  • the lamellar ribs are fastened to the metal bath using aluminum-steel or copper-steel bimetallic adapters made by explosion welding.
  • the steel part of the bimetallic adapter is welded to the walls of the metal bath, and lamellar fins of aluminum or aluminum alloy or copper or copper alloy are welded to the aluminum or copper part, respectively.
  • In the upper part of the power elements there are regulators of the efficiency of heat removal from the walls of the bath in the form of rotary shutters.
  • a device for forced cooling of the plate fins in the form of a fan and a blower is installed in the gap between the power elements.
  • the device makes it possible to intensify the process of electrolytic production of aluminum in an aluminum electrolytic cell for regulating the efficiency of heat removal, to provide conditions for a stable technological process and to increase the service life of the cathode device of the aluminum cell.
  • the known cathode device makes it possible to ensure efficient heat removal from the cell to the side walls of the bath and further to the lamellar fins, which are cooled due to convective heat transfer during the flow of air due to its heating in the interfin space and the temperature difference along the height of the walls of the bath.
  • This allows, under conditions of intensified operation of the aluminum electrolyzer, to ensure the formation of a stable layer of solidified electrolyte (lead) on the inner surface of the side lining of the cathode device, thereby increasing the service life of the cathode device of the aluminum electrolyzer.
  • the disadvantage of the cathode device according to the prototype is that under conditions of intensification of the electrolysis process, in order to increase production efficiency, a necessary condition for this is to ensure the possibility of operation an electrolytic cell with a high temperature of electrolyte overheating (difference between the operating temperature and the liquidus temperature) to prevent overgrowth and formation of cakes on the bottom, which leads to a decrease in process efficiency and related disadvantages.
  • the main task is to create a layer of protective scull at overheating above 25 °C (optimally about 40 °C), and the known solution can guarantee a scull only when overheating is about 20 °C. This is due to the fact that this design provides efficient heat supply from the cell to the side walls of the bath, and heat dissipation from the outer surface of the casing and, accordingly, the lamellar ribs is not as efficient as necessary for the process.
  • the fins are made of aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy, or special steel, i.e. material with high thermal conductivity.
  • the lamellar ribs are end-attached to the longitudinal and end walls of the metal bath through a bimetallic adapter made by explosion welding or using a bolted and/or riveted connection.
  • the lamellar ribs are fixed by means of a welded joint, i. e. heat is not transferred through the entire cross section of the bimetallic adapter, but only through the welded leg. This ensures a minimum temperature difference of the order of 30-50 °C.
  • the thermal resistance between the rib and the wall of the metal bath is too high, if the detachable connection is not constantly tightened, it weakens as a result of temperature changes.
  • the objective of the proposed invention is to develop a design for the cathode device of an aluminum electrolytic cell with increased heat removal from the upper part of the sides of the metal bath, capable of operating at overheating above 25 °C.
  • the technical result is the solution of the task, increasing the intensification of the process of electrolytic production of aluminum (increasing the unit current strength) in the aluminum electrolytic cell due to the design of the cathode a device capable of removing and dissipating the thermal energy released in the electrolytic cell.
  • the cathode device of the electrolytic cell for the production of aluminum containing a metal bath (1) with a bottom (3), power elements (5) covering the walls (2) and the bottom of the bath, with a lining enclosed inside it (6) and cathode blocks (7) with cathode rods (8), forming the cathode of the electrolytic cell, according to the proposed invention, on the longitudinal and end walls (2) of the metal bath (1) in the gaps between the power elements (5) plate-like (15) are fixed and/or finger ribs (16) with a developed structure for heat removal, made of a material with high thermal conductivity, while in the upper part of the longitudinal and end walls (2) of the metal bath there is a belt (9) made of a composite material.
  • the invention is complemented by special cases of its implementation, contributing to the achievement of the technical result.
  • the composite material of the belt may consist of at least two metal layers, while the total height of the belt is 0.2-0.5 m. If the height is less than 0.2 m, then insufficient heat will be removed and dissipated from the belt and accordingly, the solution will be ineffective. If the height is more than 0.5 m, then the heat sink becomes excessive and, as a result, the cooling will affect the area of the metal (liquid aluminum), which will negatively affect the electrolysis process.
  • the upper layer (13) of the composite material of the belt is made of metal with high thermal conductivity.
  • the upper layer (13) of the composite material of the belt can be made of aluminum or its alloys.
  • the upper layer (13) of the composite material of the belt can be made of copper or its alloys.
  • the composite material of the belt is made by connecting metal layers by pulse welding.
  • the composite material of the belt may contain an intermediate layer (14) made of titanium.
  • a belt is used, made of several layers of metal, which differ in chemical composition and are separated by a pronounced boundary.
  • Heat sink regulators (17), made in the form of rotary shutters (18), can be installed above the power elements.
  • a self-regulating system is provided. Adjustment occurs by increasing and decreasing the thickness of the ledge. But in case, during the operation of the device, undesirable deviations in operation are observed, forced cooling elements (devices) can be provided. In between Forced cooling devices, such as fans, can be placed between the power elements (5).
  • the described design of the cathode device makes it possible to ensure efficient heat removal from the cell to the side walls of the bath and to effectively dissipate heat energy due to convective heat transfer during air flow due to its heating in the interfin space and the temperature difference along the height of the bath walls.
  • This allows, under the conditions of intensified operation of the aluminum electrolyzer, to ensure the formation of a stable layer of solidified electrolyte (lead) on the inner surface of the onboard lining of the cathode device when overheated above 25 °C and guarantee stable and stable operation of the aluminum electrolyzer.
  • the invention is complemented by special cases aimed at solving the problem.
  • the cathode device is supplemented by the fact that the composite material is made by pulse welding, such joints are obtained as: steel / aluminum, steel / copper, and in the case of using a titanium (Ti) interlayer: steel / titanium / aluminum, steel / titanium / copper.
  • Ti titanium interlayer
  • the titanium layer in the composite walls is necessary for operation in conditions where the operation of the side walls will be at temperatures above 300 ° C, in order to avoid the formation of intermetallic compounds at the interface of two metals connected by an impulse and the degradation of this compound.
  • the outer layer of the composite material is made of a metal with a high thermal conductivity, such as aluminum, copper, bronze or special steel.
  • a metal with a high thermal conductivity such as aluminum, copper, bronze or special steel.
  • aluminum grades A0-A85 (k ⁇ u003d 210-230 W / m K, W / m K ⁇ u003d W / m ° C) or aluminum alloy (ADO, AD1, AD31, ADZZ, AD35, D1, D16, AK7, AK9 , AK12, AMts, AMtsS, AMgZ, AMg4, AMg5, AMgb, V63, V93, V94, V95) with thermal conductivity coefficients of the order k 110-230 W / m K; copper k ⁇ u003d 360-390 W / m K or a copper alloy (bronze, brass, etc.) with a thermal conductivity coefficient of the order of 70 to 380 W / m K; special steels (
  • plate fins made of a material with a high coefficient of thermal conductivity (aluminum, copper, bronze or special steel) in the amount of 3-10 pieces are fixed on it. and an area of 0.03-0.6 m 2 .
  • the cathode device is supplemented by the fact that, to further increase the efficiency, the plate fins can be replaced by fingers (they can be made in the form of rods, rods, "straws”, etc.), which have a much more developed surface for heat removal.
  • the cathode device is supplemented by the fact that in the upper part of the power elements there are regulators for the efficiency of heat removal from the walls of the metal bath in the form of rotary flaps, which allow you to adjust the thickness of the ledge or shape its shape depending on the seasonal change in ambient temperature.
  • the cathode device is supplemented by the fact that in the gap between the power elements there is a forced cooling device in the form of a fan and a blower.
  • FIG. 1 shows the proposed cathode arrangement of an aluminum cell.
  • FIG. 2 shows a cathode device with the upper part of the wall of the metal bath made of composite material, made in such a way as by pulse welding. Also in FIG. 2 shows a cathode device with an upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer layer of which is made of a metal with high thermal conductivity.
  • FIG. 3 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer surface of which has a developed surface due to the installation of lamellar ribs.
  • FIG. 4 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer surface of which has a developed surface by installing finger ribs.
  • FIG. 5 shows a cathode device with the upper part of the metal bath wall made of composite material, in which regulators for the efficiency of heat removal from the walls of the metal bath in the form of rotary shutters are installed in the upper part of the power elements.
  • FIG. 6 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of composite material, in which a forced cooling device is located in the gap between the power elements
  • the cathode device of the aluminum electrolytic cell includes a metal bath 1 having longitudinal and end walls 2, a bottom 3 and a flange sheet 4; power elements 5 covering the walls and bottom of the bath; lining 6 enclosed inside the bath 1, cathode blocks 7 with cathode rods 8, forming the cathode of the cell; upper belt 9 made of composite material.
  • the flow 10 is created by the lifting (Archimedean) force due to its heating in the space limited by the power elements 5, as well as the overflow of air due to the difference in its temperature along the height of the walls of the bath 2.
  • efficient heat removal from the upper belt 9 of the composite material with the upper layer 13 is carried out.
  • the upper layer 13 of the belt 9 is made of metal with high thermal conductivity
  • the following metals can be used as this: aluminum, copper, bronze or special steel.
  • the surface of the top layer 13 can be developed by installing lamellar ribs 15 made of metal with high thermal conductivity, which are fixed by welding, soldering or other mechanical means (bolted and / or riveted connection) previously providing a smooth surface 13 by milling or installing a pad, such as a fusible heat transfer material, graphite or silver based thermal paste, aluminum foil, refractory cement, etc., which will even out the uneven wall surface.
  • a pad such as a fusible heat transfer material, graphite or silver based thermal paste, aluminum foil, refractory cement, etc.
  • a further increase in efficiency is possible due to an even greater development of the surface 13, by installing finger ribs 16 made of metal with high thermal conductivity, which makes it possible to increase the heat-releasing surface by 20-30% and ensure the dissipation of thermal energy.
  • heat removal regulators 17 can be installed, made in the form of rotary shutters 18, with the help of which the open area in the opening 11 can be changed. it becomes possible to regulate the thickness of the scull depending on the seasonal change in the ambient temperature and the change in the current in the electrolyzer.
  • a forced cooling device 19 can be installed between the power elements 5.
  • the device is, for example, a centrifugal fan with a capacity of 1000-2000 m 3 /hour. Thus, heat removal can be increased by another 30-50%.
  • the bottom 3, the flange sheet 4 and the longitudinal and end walls 2 of the metal bath 1 are made of sheet steel with a thickness of 12-20 mm, which has sufficient ductility and quality.
  • a lining 6 is placed, consisting of refractory and heat-insulating materials, cathode blocks 7 with cathode rods 8 installed in them.
  • Power elements 5, covering the walls and bottom of the bath 1, are made in the form of either frames (T-beams or I-beams), or in the form of hinged buttresses (a box-section structure or two I-beams welded together).
  • a belt 9 is installed from a composite material consisting of 2 or more layers of various metals 0.2-0.5 m high. The lower part of the belt is welded to the walls 2, the upper part to the flange sheet 4, and the top layer 13 the surface is either welded to the power elements 5, or abuts against them, providing free contact.
  • Pulse welding is a mechanical type of welding using pressure, in which the connection is made as a result of an explosion-induced collision of the parts to be welded.
  • the composite material of the belt usually consists of a steel base 12, a top layer of a material with high thermal conductivity 13 and an intermediate layer 14 of titanium.
  • the intermediate layer 14 is required to be installed when the belt is operated in the device at temperatures above 300 °C.
  • Lamellar rib 15 is made in the form of a rectangle or trapezoid with a height of 300-600 mm, a width of 100-500 mm and a thickness of 6-10 mm. In this case, the number of fins is chosen depending on the required heat transfer coefficient.
  • Replacing plate ribs 15 with finger ribs 16 increases the heat transfer surface by 20-30% and allows increasing the heat transfer coefficient by the same 15-20%. If it is not required to dissipate such an amount of heat, then the heat transfer coefficient can be reduced by closing the rotary shutters 18 of the heat sink 17 regulators.
  • forced cooling devices 19 in the form of a fan and blower, as well as other suitable cooling devices.
  • the proposed cathode device can provide a stable layer of solidified electrolyte (sculpture) on the inner surface of the side lining of the cathode device when overheated above 25 °C and guarantee stable and stable operation of the aluminum electrolyzer. So, for example, the test sample worked at an overheat of 40 ° C, in the summer (these are the worst conditions) and there was a minimum layer of protective scull on the walls.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

A cathode device for an electrolysis cell for producing aluminium comprises a metal bath with a bottom, load-bearing members encompassing the longitudinal walls, end walls and bottom of the bath, a built-in lining and cathode blocks and cathode bars, forming the cathode of the electrolysis cell. Attached to the longitudinal and end walls of the metal bath, in the spaces between the load-bearing members, are plate-like and/or finger-like heat dissipating fins with a developed structure, and mounted to the upper part of the longitudinal and end walls of the metal bath is a band of a composite material for the uniform dissipation of heat. A cooling effect is achieved by a convection flow of air caused by the lifting force that arises as a result of the heating of the air in the space between the ribs level with a melt, and by the concomitant difference in temperatures across the height of the walls of the cathode shell.

Description

КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА CATHODE DEVICE OF ALUMINUM ELECTROLYZER
Область техники, к которой относится изобретение The field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к металлургии алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к катодному устройству электролизера, и касается конструкции верхнего пояса продольных и торцевых стенок катодного кожуха. The invention relates to aluminum metallurgy by electrolysis of molten salts, in particular to the cathode device of the electrolyzer, and concerns the design of the upper belt of the longitudinal and end walls of the cathode casing.
Уровень техники State of the art
Катодным устройством обычно называется сборка, состоящая из катодного кожуха с заключенной в нем футеровкой, которая обеспечивает условия для протекания процесса электролиза в криолит-глиноземном расплаве (электролите). A cathode device is usually called an assembly consisting of a cathode casing with a lining enclosed in it, which provides the conditions for the electrolysis process to proceed in a cryolite-alumina melt (electrolyte).
Катодный кожух представляет собой металлическую ванну, включающую продольные и торцевые стенки с днищем и силовые элементы (шпангоуты, контрфорсы, балки и т.д.), охватывающие стенки и днище ванны, выполняются обычно из стали. Катодный кожух изнутри выкладывается футеровочными материалами (огнеупорными и теплоизоляционными кирпичами, карбидкремниевыми плитами и углеграфитовыми катодными блоками со стальными катодными стержнями и т.д.). The cathode casing is a metal bath, including longitudinal and end walls with a bottom and load-bearing elements (frames, buttresses, beams, etc.) enclosing the walls and bottom of the bath, usually made of steel. The cathode casing is lined from the inside with lining materials (refractory and heat-insulating bricks, silicon carbide plates and carbon-graphite cathode blocks with steel cathode rods, etc.).
Катодный кожух предназначен для защиты размещенной внутри него футеровки от деформации и разрушений, возникающих под действием усилий, развивающихся внутри катодного устройства в процессе работы электролизера. Поэтому он должен обладать необходимой механической прочностью и жесткостью для обеспечения длительного срока службы катодного устройства. The cathode casing is designed to protect the lining placed inside it from deformation and destruction arising under the action of forces developing inside the cathode device during the operation of the electrolyzer. Therefore, it must have the necessary mechanical strength and rigidity to ensure a long service life of the cathode device.
Другой важнейшей функцией катодного кожуха является обеспечение интенсивного отвода тепла из зоны протекания процесса электролиза и рассеивание излишков тепла в окружающую среду. Это способствует образованию слоя застывшего криолит-глиноземного расплава-гарнисажа на внутренних футерованных (бортовых) стенках катодного устройства, что обеспечивает защиту их от воздействия агрессивной среды и высокой температуры (в интервале 870-970 °C), позволяя тем самым обеспечить оптимальные условия для ведения процесса электролиза и защитить бортовые стенки от агрессивного воздействия электролита и продуктов электролиза. Another important function of the cathode casing is to ensure intensive heat removal from the zone of the electrolysis process and dissipation of excess heat into the environment. This contributes to the formation of a layer of frozen cryolite-alumina melt-skull on the inner lined (side) walls of the cathode device, which ensures their protection from the effects of an aggressive environment and high temperatures (in the range of 870-970 °C), thereby ensuring optimal conditions for conducting electrolysis process and protect the side walls from the aggressive effects of the electrolyte and electrolysis products.
Таким образом, создав надлежащие условия для интенсивного охлаждения катодного кожуха, можно решить три задачи: Thus, by creating the proper conditions for intensive cooling of the cathode casing, it is possible to solve three problems:
- обеспечить защиту бортовых стенок от износа и обеспечить продолжительный срок работы бортовых стенок, - интенсифицировать процесс электролитического производства алюминия путем увеличения единичной мощности электролизера, - to protect the side walls from wear and ensure a long service life of the side walls, - to intensify the process of electrolytic production of aluminum by increasing the unit capacity of the electrolytic cell,
- повысить эффективность работы электролизера за счет контролируемого регулирования температурного режима. - increase the efficiency of the electrolytic cell due to the controlled regulation of the temperature regime.
Известен способ охлаждения алюминиевого электролизера (US 4087345, С25С 3/08, 02.05.1978), содержащего катодный кожух в виде стальной ванны, включающий вертикальные (продольные и торцевые) стенки с днищем. К стенкам прикреплены с определенным шагом по длине и ширине кожуха вертикальные элементы жесткости (тавровые и/или двутавровые балки). Балки имеют хороший тепловой контакт со стенками стальной ванны. Стенки стальной ванны охвачены по всему внешнему периметру горизонтальными элементами жесткости (тавровыми и/или двутавровыми балками), образуя единую жесткую конструкцию. В некоторых модификациях стенки могут дополнительно охватываться силовыми элементами (шпангоутами, контрфорсами). A known method of cooling an aluminum cell (US 4087345, C25C 3/08, 05/02/1978), containing a cathode casing in the form of a steel bath, including vertical (longitudinal and end) walls with a bottom. Vertical stiffeners (T-beams and/or I-beams) are attached to the walls with a certain step along the length and width of the casing. The beams have good thermal contact with the walls of the steel bath. The walls of the steel bath are covered along the entire outer perimeter by horizontal stiffening elements (T-beams and / or I-beams), forming a single rigid structure. In some modifications, the walls can be additionally covered by load-bearing elements (frames, buttresses).
Таким образом, по периметру катодного кожуха между вертикальными элементами жесткости, вертикальными стенками ванны и горизонтальными элементами жесткости образуются вертикальные воздушные коридоры, предназначенные для беспрепятственного прохождения воздуха с целью отвода и рассеивания тепла от стенок кожуха и вертикальных элементов жесткости конструкции. Thus, along the perimeter of the cathode casing between the vertical stiffeners, the vertical walls of the bath and the horizontal stiffeners, vertical air corridors are formed, designed for unhindered passage of air in order to remove and dissipate heat from the walls of the casing and vertical structural stiffeners.
Охлаждение стенок кожуха происходит за счет конвективного потока воздуха, обусловленного подъемной (Архимедовой) силой, возникающей в результате нагрева воздуха в верхних частях (на уровне расплава) вертикальных воздушных коридоров, и возникающей при этом разностью температур по высоте стенок кожуха. Это позволяет увеличить отвод тепла вертикальными бортовыми стенками кожуха и снизить температуру стенок кожуха, тем самым создавая условия для образования слоя застывшего криолит-глиноземного расплава-гарнисажа на внутренних футерованных стенках катодного устройства. The casing walls are cooled due to the convective air flow due to the lifting (Archimedean) force resulting from the air heating in the upper parts (at the melt level) of the vertical air corridors, and the resulting temperature difference along the height of the casing walls. This makes it possible to increase heat removal by the vertical side walls of the casing and reduce the temperature of the casing walls, thereby creating conditions for the formation of a layer of solidified cryolite-alumina melt-skull on the inner lined walls of the cathode device.
Основным недостатком известного способа является низкая эффективность отвода и рассеивания тепла с катодного кожуха вследствие достаточно малой площади охлаждения и низких скоростей конвективного потока воздуха. Следовательно, в данном случае обеспечить устойчивый и достаточной толщины слой гарнисажа на внутренней поверхности бортовой футеровки становится проблематичным. Отсутствие гарнисажа, как правило, приводит к интенсивному износу бортовой футеровки, что отрицательно скажется на сроке службы электролизера. The main disadvantage of the known method is the low efficiency of heat removal and dissipation from the cathode casing due to the rather small cooling area and low speeds of the convective air flow. Therefore, in this case, it becomes problematic to provide a stable and sufficient thickness of the scull layer on the inner surface of the side lining. The absence of a skull usually leads to intensive wear of the onboard lining, which will adversely affect the service life of the cell.
Известно катодное устройство алюминиевого электролизера (RU 2230834, С25С 3/08, 20.06.2004), оснащенное катодным кожухом, включающее футеруемую изнутри металлическую ванну с продольными и торцевыми стенками и днищем, установленную внутри жесткого каркаса, образованного поперечными шпангоутами (силовыми элементами). Торцевые стенки ванны усилены поясами жесткости, образованными вертикальными и горизонтальными элементами жесткости, связанными между собой обвязочным (огибочным) листом. При этом горизонтальные элементы жесткости размещаются на некотором удалении в горизонтальной плоскости от вертикальной торцевой стенки, таким образом, чтобы между ними образовывались вертикальные воздушные коридоры шириной, составляющей 1/3 -2/3 расстояния от торцевой стенки ванны до обвязочного листа, которые предназначены для прохождения охлаждающего кожух воздуха. Дополнительно между вертикальными ребрами жесткости установлены вертикальные стальные ребра охлаждения в количестве 1 -4 шт. и высотой, равной высоте бортовой футеровки, преимущественно размеры ребер следующие: толщина 6-8 мм, высота 640-650 мм, ширина 120 мм. Known cathode device aluminum cell (RU 2230834, C25C 3/08, 20.06.2004), equipped with a cathode casing, including lined from the inside a metal bath with longitudinal and end walls and a bottom, installed inside a rigid frame formed by transverse frames (strength elements). The end walls of the bath are reinforced with stiffening belts formed by vertical and horizontal stiffening elements interconnected by a strapping (bending) sheet. In this case, the horizontal stiffeners are placed at some distance in the horizontal plane from the vertical end wall, so that vertical air corridors are formed between them with a width of 1/3 -2/3 of the distance from the end wall of the bath to the strapping sheet, which are designed to pass casing cooling air. Additionally, vertical steel cooling fins are installed between the vertical stiffening ribs in the amount of 1-4 pcs. and a height equal to the height of the side lining, mainly the dimensions of the ribs are as follows: thickness 6-8 mm, height 640-650 mm, width 120 mm.
Известный способ обеспечивает прохождение потока воздуха по вертикальным воздушным коридорам через приваренные к стенке ребра охлаждения, с целью отвода и рассеивания тепла от торцевых стенок катодного кожуха с помощью естественного конвективного теплообмена с окружающей средой. The known method provides the passage of the air flow along the vertical air corridors through the cooling fins welded to the wall in order to remove and dissipate heat from the end walls of the cathode casing using natural convective heat exchange with the environment.
Основным недостатком известного решения является то, что ребра охлаждения предлагается установить только на торцевых стенках катодного кожуха, вследствие чего более интенсивный отвод тепла будет осуществляться только с торцов катодного кожуха, а проблема с охлаждением продольных стенок остается. Еще одним недостатком этого решения, является низкая эффективность отвода тепла от торцевой стенки катодного кожуха, т.к. коэффициент теплоотдачи увеличивается незначительно (примерно с 15 до 25 Вт/м2 К). Это объясняется наличием сплошного фланцевого листа, препятствующего свободному похождению воздуха, и относительно невысокой теплопроводностью ребер охлаждения, выполненных из стали СтЗ с коэффициентом теплопроводности 50 Вт/м К при 300 °C), вследствие чего, теплоотдача ребрами малоэффективно. The main disadvantage of the known solution is that it is proposed to install cooling fins only on the end walls of the cathode casing, as a result of which more intensive heat removal will be carried out only from the ends of the cathode casing, and the problem with cooling the longitudinal walls remains. Another disadvantage of this solution is the low efficiency of heat removal from the end wall of the cathode casing, because the heat transfer coefficient increases slightly (from about 15 to 25 W/m 2 K). This is due to the presence of a solid flange sheet, which prevents the free passage of air, and the relatively low thermal conductivity of the cooling fins, made of StZ steel with a thermal conductivity coefficient of 50 W/m K at 300 °C), as a result, heat transfer by the fins is ineffective.
Известен способ охлаждения электролизера для получения алюминия (US 4608134, С25С 3/08, 26.08.1986), содержащего наружный катодный кожух, выполненный в виде стальной ванны, с заключенной внутри него футеровкой, состоящей из огнеупорных и теплоизоляционных футеровочных материалов и углеграфитовых катодных блоков и расположенной на внутренней части боковых стенок катодного кожуха бортовой части футеровки (углеграфитовые или карбидкремниевые плиты). По бортам катодного устройства на уровне расплава между внутренней поверхностью катодного кожуха и внешней стенкой бортовой части футеровки располагаются воздушные полости, которые сообщаются с впускными отверстиями для забора воздуха и выпускными отверстиями, оснащенными клапанами для регулирования расхода воздуха. Охлаждение происходит следующим образом: через заборные отверстия всасывается холодный воздух, из окружающей среды отобранный на боковых сторонах электролизера, и направляется в воздушные полости вдоль бортовой футеровки, в результате чего происходит ее охлаждение, при этом расход горячего воздуха контролируется с помощью выпускных отверстий, снабженных клапанами. Таким образом, регулируя расход горячего воздуха, можно осуществлять контроль формирования гарнисажа на бортах катодного устройства. A known method of cooling an electrolyzer for producing aluminum (US 4608134, C25C 3/08, 08/26/1986), containing an outer cathode casing made in the form of a steel bath, with a lining enclosed inside it, consisting of refractory and heat-insulating lining materials and carbon-graphite cathode blocks and located on the inside of the side walls of the cathode casing of the onboard part of the lining (carbon graphite or silicon carbide plates). On the sides of the cathode device, at the level of the melt, between the inner surface of the cathode casing and the outer wall of the side part of the lining, there are air cavities, which communicate with air inlets and outlets equipped with valves to control the air flow. Cooling occurs as follows: cold air is sucked in through the intake holes, taken from the environment on the sides of the electrolyzer, and is directed into the air cavities along the onboard lining, as a result of which it is cooled, while the flow of hot air is controlled using outlet holes equipped with valves . Thus, by adjusting the flow of hot air, it is possible to control the formation of a ledge on the sides of the cathode device.
Основными недостатками известного решения является необходимость значительной модификации катодного устройства электролизера для размещения охлаждающих трубок (змеевиков), прокачка больших объемов теплоносителя (воздуха) через трубки и размещения дополнительной инфраструктуры предназначенной для прокачки теплоносителя (воздуха). Все это приводит к существенным финансовым затратам. The main disadvantages of the known solution is the need for a significant modification of the cathode device of the electrolyzer to accommodate cooling tubes (coils), pumping large volumes of coolant (air) through the tubes and placing additional infrastructure designed for pumping coolant (air). All this leads to significant financial costs.
Кроме этого, требуется решить проблему защиты бортовой футеровки от окисления кислородом воздуха, забираемого снаружи, либо, если бортовая футеровка изолирована каким-либо стойким к окислению материалом (например, сталь), обеспечить хороший тепловой контакт между футеровкой и этим материалом. In addition, it is required to solve the problem of protecting the side lining from oxidation by oxygen from the air taken from outside, or, if the side lining is insulated with some kind of oxidation-resistant material (for example, steel), ensure good thermal contact between the lining and this material.
Другим недостатком этого решения является необходимость удаления большого количества нагретой газовоздушной смеси (отходящих газов и воздуха) из-под укрытия электролизера, вследствие забора большого количества воздуха из окружающей среды, идущего на охлаждение, и выбрасывания его в объем укрытия. Это влечет за собой увеличение мощности дымососных и газоочистных установок. Another disadvantage of this solution is the need to remove a large amount of the heated gas-air mixture (exhaust gases and air) from under the shelter of the cell, due to the intake of a large amount of air from the environment, which is used for cooling, and throwing it into the volume of the shelter. This entails an increase in the capacity of smoke exhausters and gas treatment plants.
Известен электролизер для получения алюминия (SU 605865, С25С 3/08, 05.05.1978), включающий металлический катодный кожух в виде стальной ванны, футерованный изнутри, днище и вертикальные стенки которого снабжены коробчатыми секциями, выполненными в виде герметичных полостей. В герметичных полостях установлены тепловые экраны, составленные из отдельных пластин, и к ним подведены воздушные магистрали с воздухо-распределительными клапанами, в которые при помощи вентилятора или компрессора нагнетается воздух. Known electrolyzer for producing aluminum (SU 605865, S25S 3/08, 05.05.1978), including a metal cathode casing in the form of a steel bath, lined from the inside, the bottom and vertical walls of which are provided with box-shaped sections made in the form of sealed cavities. Thermal screens made up of separate plates are installed in the sealed cavities, and air lines with air distribution valves are connected to them, into which air is blown by a fan or compressor.
Недостатком известного решения является необходимость создания сложной и громоздкой сети воздушных магистралей, которые существенно загромождают пространство вокруг электролизера, а высокий уровень шума, создаваемый сбрасываемым воздухом в герметичные полости или в атмосферу корпуса, создает неблагоприятные условия для обслуживающего персонала. Кроме того, из-за низкой теплоемкости воздуха для эффективного отвода тепла потребуется существенный расход воздуха, в связи с чем, требуется наличие компрессорной станции или мощных вентиляторов и поэтому экономически не целесообразно. The disadvantage of the known solution is the need to create a complex and cumbersome network of air lines, which significantly clutter up the space around the cell, and the high noise level created by the discharged air into the sealed cavities or into the atmosphere of the housing creates unfavorable conditions for the staff. In addition, due to the low heat capacity of air for efficient heat removal, a significant air flow will be required, and therefore, a compressor station or powerful fans are required and therefore it is not economically feasible.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является конструкция катодного устройства алюминиевого электролизера по патенту RU 2321682, С25С 3/08, 10.04.2008. Устройство содержит металлическую ванну с днищем и силовыми элементами, охватывающими стенки и днище ванны, образующими катодный кожух. Внутри катодного кожуха заключена футеровка и катодные блоки с катодными стержнями, образующие катод электролизера. На продольных и торцевых стенках металлической ванны в промежутках между силовыми элементами закреплены пластинчатые ребра из материала с высокой теплопроводностью. Площадь одного пластинчатого ребра равна 0,03-0,3 м2. Крепление пластинчатых ребер к металлической ванне осуществляется с помощью биметаллических переходников алюминий-сталь или медь-сталь, изготовленных сваркой взрывом. Стальная часть биметаллического переходника приваривается к стенкам металлической ванны, а к алюминиевой или медной части привариваются пластинчатые ребра алюминиевые или из алюминиевого сплава или медные, или медного сплава соответственно. В верхней части силовых элементов размещены регуляторы эффективности отвода тепла от стен ванны в виде поворотных створок. В промежутке между силовыми элементами установлено устройство принудительного охлаждения пластинчатых ребер в виде вентилятора и воздуходувки. Устройство позволяет интенсифицировать процесс электролитического производства алюминия в алюминиевом электролизере регулирования эффективности теплоотвода, обеспечить условия для стабильного технологического процесса и увеличить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера. Closest to the proposed invention in terms of technical essence and the achieved result is the design of the cathode device of an aluminum electrolyzer according to patent RU 2321682, C25C 3/08, 10.04.2008. The device contains a metal bath with a bottom and load-bearing elements covering the walls and bottom of the bath, forming a cathode casing. Inside the cathode casing there is a lining and cathode blocks with cathode rods forming the cathode of the cell. On the longitudinal and end walls of the metal bath in the intervals between the load-bearing elements, lamellar ribs made of a material with high thermal conductivity are fixed. The area of one lamellar rib is 0.03-0.3 m 2 . The lamellar ribs are fastened to the metal bath using aluminum-steel or copper-steel bimetallic adapters made by explosion welding. The steel part of the bimetallic adapter is welded to the walls of the metal bath, and lamellar fins of aluminum or aluminum alloy or copper or copper alloy are welded to the aluminum or copper part, respectively. In the upper part of the power elements there are regulators of the efficiency of heat removal from the walls of the bath in the form of rotary shutters. In the gap between the power elements, a device for forced cooling of the plate fins in the form of a fan and a blower is installed. The device makes it possible to intensify the process of electrolytic production of aluminum in an aluminum electrolytic cell for regulating the efficiency of heat removal, to provide conditions for a stable technological process and to increase the service life of the cathode device of the aluminum cell.
Известное катодное устройство позволяет обеспечить эффективный отвод тепла из электролизера к бортовым стенкам ванны и далее к пластинчатым ребрам, которые охлаждаются за счет конвективного теплообмена при протекании воздуха, обусловленном его нагревом в межреберном пространстве и разностью температур по высоте стенок ванны. Это позволяет в условиях интенсифицированной работы алюминиевого электролизера обеспечить образование устойчивого слоя застывшего электролита (гарнисажа) на внутренней поверхности бортовой футеровки катодного устройства, тем самым увеличить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера. The known cathode device makes it possible to ensure efficient heat removal from the cell to the side walls of the bath and further to the lamellar fins, which are cooled due to convective heat transfer during the flow of air due to its heating in the interfin space and the temperature difference along the height of the walls of the bath. This allows, under conditions of intensified operation of the aluminum electrolyzer, to ensure the formation of a stable layer of solidified electrolyte (lead) on the inner surface of the side lining of the cathode device, thereby increasing the service life of the cathode device of the aluminum electrolyzer.
Недостатком катодного устройства по прототипу является то, что в условиях интенсификации процесса электролиза, с целью повышения эффективности производства, необходимым условием для этого является обеспечение возможности эксплуатации электролизера с высокой температурой перегрева электролита (разница между рабочей температурой и температурой ликвидуса) для исключения зарастания и образования на подине коржей, что ведет к снижению эффективности процесса и сопутствующим недостаткам. В связи с чем, главной задачей является создание слоя защитного гарнисажа при перегреве выше 25 °C (оптимально около 40 °C), а известное решение может гарантировать гарнисаж только при перегреве около 20 °C. Это обусловлено тем, что в данной конструкции обеспечивается эффективный подвод тепла из электролизера к бортовым стенкам ванны, а рассеивание тепла с наружной поверхности кожуха и соответственно пластинчатых ребер происходит не столь эффективно как необходимо для технологического процесса. The disadvantage of the cathode device according to the prototype is that under conditions of intensification of the electrolysis process, in order to increase production efficiency, a necessary condition for this is to ensure the possibility of operation an electrolytic cell with a high temperature of electrolyte overheating (difference between the operating temperature and the liquidus temperature) to prevent overgrowth and formation of cakes on the bottom, which leads to a decrease in process efficiency and related disadvantages. In this connection, the main task is to create a layer of protective scull at overheating above 25 °C (optimally about 40 °C), and the known solution can guarantee a scull only when overheating is about 20 °C. This is due to the fact that this design provides efficient heat supply from the cell to the side walls of the bath, and heat dissipation from the outer surface of the casing and, accordingly, the lamellar ribs is not as efficient as necessary for the process.
Как правило, ребра изготавливаются из алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава, или специальной стали, т.е. материала обладающего высокой теплопроводностью. Пластинчатые ребра прикреплены торцом к продольным и торцевым стенкам металлической ванны через биметаллический переходник, изготовленный сваркой взрывом или с помощью болтового и/или заклепочного соединения. As a rule, the fins are made of aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy, or special steel, i.e. material with high thermal conductivity. The lamellar ribs are end-attached to the longitudinal and end walls of the metal bath through a bimetallic adapter made by explosion welding or using a bolted and/or riveted connection.
В случае использования биметаллического переходника получается слишком много слоев с низкой теплопроводностью: стенка металлической ванны 12-30 мм из стали, плюс стальная часть биметаллического переходника 24-35 мм, итого получается около 36- 65 мм стали с коэффициентом теплопроводности около 50 Вт/м К (Вт/м К = Вт/м °С) при 300 °C. К тому же, закреплены пластинчатые ребра с помощью сварного соединения, т.е. тепло передается не через все сечение биметаллического переходника, а только через сварной катет. При этом обеспечивается минимальный перепад температуры порядка 30- 50 °C. In the case of using a bimetal adapter, too many layers with low thermal conductivity are obtained: the wall of the metal bath is 12-30 mm in steel, plus the steel part of the bimetallic adapter 24-35 mm, the total is about 36-65 mm of steel with a thermal conductivity coefficient of about 50 W / m K (W/m K = W/m °C) at 300 °C. In addition, the lamellar ribs are fixed by means of a welded joint, i. e. heat is not transferred through the entire cross section of the bimetallic adapter, but only through the welded leg. This ensures a minimum temperature difference of the order of 30-50 °C.
В варианте с болтовым или заклепочным соединением получается слишком высокое тепловое сопротивление между ребром и стенкой металлической ванны, если постоянно не затягивать разъемное соединение, то оно ослабевает в результате температурных перепадов. In the version with a bolted or riveted connection, the thermal resistance between the rib and the wall of the metal bath is too high, if the detachable connection is not constantly tightened, it weakens as a result of temperature changes.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Задачей предложенного изобретения является разработка конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера с увеличенным отводом тепла от верхней части бортов металлической ванны, способного работать при перегреве выше 25 °C. The objective of the proposed invention is to develop a design for the cathode device of an aluminum electrolytic cell with increased heat removal from the upper part of the sides of the metal bath, capable of operating at overheating above 25 °C.
Техническим результатом является решение поставленной задачи, повышение интенсификации процесса электролитического производства алюминия (увеличения единичной силы тока) в алюминиевом электролизере за счет конструкции катодного устройства, способного отводить и рассеивать тепловую энергию, выделяемую в электролизере. The technical result is the solution of the task, increasing the intensification of the process of electrolytic production of aluminum (increasing the unit current strength) in the aluminum electrolytic cell due to the design of the cathode a device capable of removing and dissipating the thermal energy released in the electrolytic cell.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в катодном устройстве электролизера для производства алюминия, содержащем металлическую ванну (1) с днищем (3), силовые элементы (5) , охватывающие стенки (2) и днище ванны, с заключенной внутри него футеровкой (6) и катодными блоками (7) с катодными стержнями (8), образующие катод электролизера, согласно предложенному изобретению, на продольных и торцевых стенках (2) металлической ванны (1) в промежутках между силовыми элементами (5) закреплены пластинчатые (15) и/или пальцевые ребра (16) с развитой структурой для теплоотвода, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, при этом в верхней части продольных и торцевых стенок (2) металлической ванны установлен пояс (9), выполненный из композиционного материала. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the cathode device of the electrolytic cell for the production of aluminum, containing a metal bath (1) with a bottom (3), power elements (5) covering the walls (2) and the bottom of the bath, with a lining enclosed inside it (6) and cathode blocks (7) with cathode rods (8), forming the cathode of the electrolytic cell, according to the proposed invention, on the longitudinal and end walls (2) of the metal bath (1) in the gaps between the power elements (5) plate-like (15) are fixed and/or finger ribs (16) with a developed structure for heat removal, made of a material with high thermal conductivity, while in the upper part of the longitudinal and end walls (2) of the metal bath there is a belt (9) made of a composite material.
Изобретение дополняют частные случаи его реализации, способствующие достижению технического результата. The invention is complemented by special cases of its implementation, contributing to the achievement of the technical result.
Композиционный материал пояса может состоять, по меньшей мере, из двух металлических слоев, при этом общая высота пояса составляет 0,2-0, 5 м. Если высота будет меньше 0,2 м, то от пояса будет отводиться и рассеиваться недостаточное количество тепла и соответственно решение будет неэффективно. Если же высота будет больше 0,5 м, то теплоотвод становится избыточен и в результате охлаждение затронет область металла (жидкого алюминия), что негативно скажется на процессе электролиза. The composite material of the belt may consist of at least two metal layers, while the total height of the belt is 0.2-0.5 m. If the height is less than 0.2 m, then insufficient heat will be removed and dissipated from the belt and accordingly, the solution will be ineffective. If the height is more than 0.5 m, then the heat sink becomes excessive and, as a result, the cooling will affect the area of the metal (liquid aluminum), which will negatively affect the electrolysis process.
Верхний слой (13) композиционного материала пояса выполнен из металла с высокой теплопроводностью. Верхний слой (13) композиционного материала пояса может быть выполнен из алюминия или его сплавов. Верхний слой (13) композиционного материала пояса может быть выполнен из меди или ее сплавов. The upper layer (13) of the composite material of the belt is made of metal with high thermal conductivity. The upper layer (13) of the composite material of the belt can be made of aluminum or its alloys. The upper layer (13) of the composite material of the belt can be made of copper or its alloys.
Композиционный материал пояса выполнен посредством соединения металлических слоев методом сварки импульсом. Композиционный материал пояса может содержать промежуточный слой (14), выполненный из титана. The composite material of the belt is made by connecting metal layers by pulse welding. The composite material of the belt may contain an intermediate layer (14) made of titanium.
В нашем случае используется пояс, выполненный из нескольких слоев металла, которые различаются по химическому составу и разделены выраженной границей. In our case, a belt is used, made of several layers of metal, which differ in chemical composition and are separated by a pronounced boundary.
Над силовыми элементами могут быть установлены регуляторы теплоотвода (17), выполненные в виде поворотных створок (18). Heat sink regulators (17), made in the form of rotary shutters (18), can be installed above the power elements.
В данном случае предусмотрена саморегулирующаяся система. Регулировка происходит за счет увеличения и уменьшения толщины гарнисажа. Но на случай, если при эксплуатации устройства будут наблюдаться нежелательные отклонения в работе, могут быть предусмотрены элементы (приборы) принудительного охлаждения. В промежутках между силовыми элементами (5) могут быть размещены приборы принудительного охлаждения, например, вентиляторы. In this case, a self-regulating system is provided. Adjustment occurs by increasing and decreasing the thickness of the ledge. But in case, during the operation of the device, undesirable deviations in operation are observed, forced cooling elements (devices) can be provided. In between Forced cooling devices, such as fans, can be placed between the power elements (5).
Описанная конструкция катодного устройства позволяет обеспечить эффективный отвод тепла из электролизера к бортовым стенкам ванны и эффективно рассеивать тепловую энергию за счет конвективного теплообмена при протекании воздуха, обусловленном его нагревом в межреберном пространстве и разностью температур по высоте стенок ванны. Это позволяет в условиях интенсифицированной работы алюминиевого электролизера обеспечить образование устойчивого слоя застывшего электролита (гарнисажа) на внутренней поверхности бортовой футеровки катодного устройства при перегреве выше 25 °C и гарантировать стабильную и устойчивую работу алюминиевого электролизера. The described design of the cathode device makes it possible to ensure efficient heat removal from the cell to the side walls of the bath and to effectively dissipate heat energy due to convective heat transfer during air flow due to its heating in the interfin space and the temperature difference along the height of the bath walls. This allows, under the conditions of intensified operation of the aluminum electrolyzer, to ensure the formation of a stable layer of solidified electrolyte (lead) on the inner surface of the onboard lining of the cathode device when overheated above 25 °C and guarantee stable and stable operation of the aluminum electrolyzer.
Известно, что обеспечить работу устройства с перегревом до 25 °C можно простыми способами, а выше 25 °C невероятно сложно, так как с бортовой футеровки сходит защитный гарнисаж и стенки начинают быстро разрушаться (окисляться). It is known that it is possible to ensure the operation of a device with overheating up to 25 °C using simple methods, and above 25 °C it is incredibly difficult, since the protective scull comes off the onboard lining and the walls begin to quickly collapse (oxidize).
Для технических специалистов также известно, что высокая теплопроводность (для металлов) начинается с > = 60 Вт/мК. It is also known to technicians that high thermal conductivity (for metals) starts at >= 60 W/mK.
Изобретение дополняют частные случаи, направленные на решение поставленной задачи. The invention is complemented by special cases aimed at solving the problem.
Катодное устройство дополнено тем, что композитный материал изготавливается сваркой импульсом, получаются такие соединения как: сталь/алюминий, сталь/медь, а в случае использования прослойки из титана (Ti): сталь/титан/алюминий, сталь/титан/медь. Прослойка из титана в композитных стенках необходима для работы в условиях, если эксплуатация бортовых стенок будет при температуре свыше 300 °C, чтобы избежать образования интерметаллидов на границе двух металлов соединённых импульсом и деградации этого соединения. The cathode device is supplemented by the fact that the composite material is made by pulse welding, such joints are obtained as: steel / aluminum, steel / copper, and in the case of using a titanium (Ti) interlayer: steel / titanium / aluminum, steel / titanium / copper. The titanium layer in the composite walls is necessary for operation in conditions where the operation of the side walls will be at temperatures above 300 ° C, in order to avoid the formation of intermetallic compounds at the interface of two metals connected by an impulse and the degradation of this compound.
Для повышения эффективности катодного устройство наружный слой композиционного материала выполнен из металла, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности, например, алюминий, медь, бронза или специальная сталь. Так например алюминия марок А0-А85 (к = 210-230 Вт/м К, Вт/м К = Вт/м °С) или алюминиевого сплава (АДО, АД1, АД31, АДЗЗ, АД35, Д1, Д16, АК7, АК9, АК12, АМц, АМцС, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб, В63, В93, В94, В95) с коэффициентами теплопроводности порядка к = 110-230 Вт/м К; меди к = 360-390 Вт/м К или медного сплава (бронза, латунь и т.д.) с коэффициентом теплопроводности порядка от 70 до 380 Вт/м К; спецстали (55, 60, 65, 70, 20Г, ЗОГ, 40Г и т.д.) с коэффициентом теплопроводности порядка 50-80 Вт/м К. С целью более эффективного рассеивания тепла с поверхности верхнего пояса из композитного материала на ней закреплены пластинчатые ребра из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминий, медь, бронза или специальная сталь) в количестве 3-10 шт. и площадью 0,03-0,6 м2. To increase the efficiency of the cathode device, the outer layer of the composite material is made of a metal with a high thermal conductivity, such as aluminum, copper, bronze or special steel. For example, aluminum grades A0-A85 (k \u003d 210-230 W / m K, W / m K \u003d W / m ° C) or aluminum alloy (ADO, AD1, AD31, ADZZ, AD35, D1, D16, AK7, AK9 , AK12, AMts, AMtsS, AMgZ, AMg4, AMg5, AMgb, V63, V93, V94, V95) with thermal conductivity coefficients of the order k = 110-230 W / m K; copper k \u003d 360-390 W / m K or a copper alloy (bronze, brass, etc.) with a thermal conductivity coefficient of the order of 70 to 380 W / m K; special steels (55, 60, 65, 70, 20G, ZOG, 40G, etc.) with a thermal conductivity of about 50-80 W / m K. In order to more efficiently dissipate heat from the surface of the upper chord made of composite material, plate fins made of a material with a high coefficient of thermal conductivity (aluminum, copper, bronze or special steel) in the amount of 3-10 pieces are fixed on it. and an area of 0.03-0.6 m 2 .
Катодное устройство дополнено тем, что для дальнейшего повышения эффективности пластинчатые ребра могут быть заменены на пальцы (могут быть выполнены в виде стержней, прутков, «соломки» и т.д.), обладающие гораздо более развитой поверхностью для теплоотвода. The cathode device is supplemented by the fact that, to further increase the efficiency, the plate fins can be replaced by fingers (they can be made in the form of rods, rods, "straws", etc.), which have a much more developed surface for heat removal.
Катодное устройство дополнено тем, что в верхней части силовых элементов установлены регуляторы эффективности теплоотвода со стен металлической ванны в виде поворотных створок, которые позволяют регулировать толщину гарнисажа или формировать его форму в зависимости от сезонного изменения температуры окружающей среды. The cathode device is supplemented by the fact that in the upper part of the power elements there are regulators for the efficiency of heat removal from the walls of the metal bath in the form of rotary flaps, which allow you to adjust the thickness of the ledge or shape its shape depending on the seasonal change in ambient temperature.
Катодное устройство дополнено тем, что в промежутке между силовыми элементами расположено устройство принудительного охлаждения в виде вентилятора и воздуходувки. The cathode device is supplemented by the fact that in the gap between the power elements there is a forced cooling device in the form of a fan and a blower.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. The essence of the invention is illustrated by the following drawings.
На фиг. 1 изображено предлагаемое катодное устройство алюминиевого электролизера. In FIG. 1 shows the proposed cathode arrangement of an aluminum cell.
На фиг. 2 представлено катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала изготовленным таким способом как сварка импульсом. Также на фиг. 2 представлено катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала наружный слой, которого, выполнен из металла с высокой теплопроводностью. In FIG. 2 shows a cathode device with the upper part of the wall of the metal bath made of composite material, made in such a way as by pulse welding. Also in FIG. 2 shows a cathode device with an upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer layer of which is made of a metal with high thermal conductivity.
На фиг. 3 показано катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала, наружная поверхность которого имеет развитую поверхность за счет установки пластинчатых ребер. In FIG. 3 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer surface of which has a developed surface due to the installation of lamellar ribs.
На фиг. 4 представлено катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала, наружная поверхность которого имеет развитую поверхность путем установки пальцевых ребер. In FIG. 4 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of a composite material, the outer surface of which has a developed surface by installing finger ribs.
На фиг. 5 показано катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала, у которого в верхней части силовых элементов установлены регуляторы эффективности теплоотвода со стен металлической ванны в виде поворотных створок. На фиг. 6 изображено катодное устройство с верхней частью стенки металлической ванны из композитного материала, у которого в промежутке между силовыми элементами расположено устройство принудительного охлаждения In FIG. 5 shows a cathode device with the upper part of the metal bath wall made of composite material, in which regulators for the efficiency of heat removal from the walls of the metal bath in the form of rotary shutters are installed in the upper part of the power elements. In FIG. 6 shows a cathode device with the upper part of the wall of a metal bath made of composite material, in which a forced cooling device is located in the gap between the power elements
Катодное устройство алюминиевого электролизера включает металлическую ванну 1, имеющую продольные и торцевые стенки 2, днище 3 и фланцевый лист 4; силовые элементы 5, охватывающие стенки и днище ванны; футеровку 6, заключенную внутри ванны 1, катодные блоки 7 с катодными стержнями 8, образующие катод электролизера; верхний пояс 9 из композиционного материала. The cathode device of the aluminum electrolytic cell includes a metal bath 1 having longitudinal and end walls 2, a bottom 3 and a flange sheet 4; power elements 5 covering the walls and bottom of the bath; lining 6 enclosed inside the bath 1, cathode blocks 7 with cathode rods 8, forming the cathode of the cell; upper belt 9 made of composite material.
Воздушный поток 10, проходя через проем 11 ограниченным силовыми элементами 5, продольными и торцевыми стенками 2 омывает (охлаждает) верхний пояс 9 из композиционного материала. Поток 10 создается подъемной (Архимедовой) силой из-за нагрева его в пространстве, ограниченном силовыми элементами 5, а также перетеканием воздуха за счет разности его температуры по высоте стенок ванны 2. The air flow 10, passing through the opening 11 limited by the power elements 5, the longitudinal and end walls 2 washes (cools) the upper belt 9 of the composite material. The flow 10 is created by the lifting (Archimedean) force due to its heating in the space limited by the power elements 5, as well as the overflow of air due to the difference in its temperature along the height of the walls of the bath 2.
Как и в прототипе, составляющие катодное устройство металлическая ванна 1 с продольными и торцевыми стенками 2, днищем 3 и фланцевым листом 4 и силовыми элементами 5 также участвуют в теплообмене. As in the prototype, constituting the cathode device metal bath 1 with longitudinal and end walls 2, the bottom 3 and the flange sheet 4 and power elements 5 are also involved in heat transfer.
Композитный материал изготовленным сваркой импульсом - сварка давлением, при которой заготовки свариваются при соударении друг с другом вследствие детонации пирозаряда. Composite material made by pulse welding - pressure welding, in which the workpieces are welded by impact with each other due to the detonation of the pyro charge.
Основа (неподвижная заготовка из стали) 12, на которую приваривается подвижная заготовка - являющаяся верхним слоем 13 (из металла, отличного от основы по физическим свойствам, как правило, более мягкого и менее прочного). Для сохранения тепловых и механических характеристик верхнего пояса 9 из композитного материала в условиях работы повышенных температур при его изготовлении на границе раздела (плоской или по типу "ласточкин хвост") помещается промежуточный (барьерный) слой 14 из Ti (титана) толщиной 0,5-1, 5 мм, для исключения образование хрупких интерметаллидов. Таким образом, осуществляется эффективный теплоотвод от верхнего пояса 9 из композиционного материала с верхним слоем 13. The base (stationary workpiece of steel) 12, on which the movable workpiece is welded - which is the top layer 13 (made of metal that differs from the base in terms of physical properties, as a rule, is softer and less durable). To preserve the thermal and mechanical characteristics of the upper belt 9 made of composite material at elevated temperatures during its manufacture, an intermediate (barrier) layer 14 of Ti (titanium) with a thickness of 0.5- 1.5 mm, to avoid the formation of brittle intermetallic compounds. Thus, efficient heat removal from the upper belt 9 of the composite material with the upper layer 13 is carried out.
При выполнении верхнего слоя 13 пояса 9 из металла с высокой теплопроводностью, в качестве этого могут быть применены следующие металлы: алюминий, медь, бронза или специальная сталь. When the upper layer 13 of the belt 9 is made of metal with high thermal conductivity, the following metals can be used as this: aluminum, copper, bronze or special steel.
Для повышения эффективности на поверхность верхнего слоя 13 может быть развита путем установки пластинчатых ребер 15 из металла с высокой теплопроводностью, которые закреплены путем приварки, пайки или иным механическим способом (болтового и/или заклепочного соединения) предварительно обеспечив ровную поверхность 13 путем фрезеровки или установки прокладки, например из легкоплавкого теплопроводящего материала, термопасты на основе графита или серебра, алюминиевой фольги, огнеупорного цемента и т.д., которые позволят выровнять неровную поверхность стенки. To improve efficiency, the surface of the top layer 13 can be developed by installing lamellar ribs 15 made of metal with high thermal conductivity, which are fixed by welding, soldering or other mechanical means (bolted and / or riveted connection) previously providing a smooth surface 13 by milling or installing a pad, such as a fusible heat transfer material, graphite or silver based thermal paste, aluminum foil, refractory cement, etc., which will even out the uneven wall surface.
Дальнейшее увеличение эффективности возможно за счет еще большего развития поверхности 13, путем установки пальцевых ребер 16 из металла с высокой теплопроводностью позволяющих нарастить теплоотдающую поверхность на 20-30% и обеспечить рассеивание тепловой энергии. A further increase in efficiency is possible due to an even greater development of the surface 13, by installing finger ribs 16 made of metal with high thermal conductivity, which makes it possible to increase the heat-releasing surface by 20-30% and ensure the dissipation of thermal energy.
Для регулирования отвода тепла от верхней части стен ванны (пояса) из композитного материала 9 в проеме 11 над силовыми элементами 5 могут быть установлены регуляторы теплоотвода 17, выполненные в виде поворотных створок 18, с помощью которых может изменяться открытая площадь в проеме 11. Тем самым становится возможным регулирование толщины гарнисажа в зависимости от сезонного изменения температуры окружающей среды и изменения силы тока на электролизере. To regulate the heat removal from the upper part of the walls of the bath (belt) made of composite material 9 in the opening 11 above the power elements 5, heat removal regulators 17 can be installed, made in the form of rotary shutters 18, with the help of which the open area in the opening 11 can be changed. it becomes possible to regulate the thickness of the scull depending on the seasonal change in the ambient temperature and the change in the current in the electrolyzer.
С целью увеличения интенсивности отвода тепла от катодного устройства и в частности от снижения температур поверхности верхнего пояса 9 металлической ванны 1 , в промежутке между силовыми элементами 5 может быть установлено устройство принудительного охлаждения 19. Устройство представляет собой, например, центробежный вентилятор производительностью 1000-2000 м3/час. Тем самым отвод тепла можно увеличить еще на 30-50%. In order to increase the intensity of heat removal from the cathode device and, in particular, to reduce the surface temperatures of the upper belt 9 of the metal bath 1, a forced cooling device 19 can be installed between the power elements 5. The device is, for example, a centrifugal fan with a capacity of 1000-2000 m 3 /hour. Thus, heat removal can be increased by another 30-50%.
Осуществление изобретения Implementation of the invention
Монтаж и демонтаж катодного устройства алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом. Mounting and dismantling of the cathode device of the aluminum electrolyzer is carried out as follows.
При изготовлении катодного устройства предлагаемой конструкции, в которой интенсивный отвод тепла из ванны и рассеивание его верхним поясом 9 из композиционного материала гарантирует образование устойчивого слоя застывшего электролита (гарнисажа) на внутренней поверхности бортовой футеровки катодного устройства при перегреве выше 25 °C и соответственно обеспечивает стабильную и устойчивую работу алюминиевого электролизера In the manufacture of the cathode device of the proposed design, in which intense heat removal from the bath and its dissipation by the upper belt 9 of the composite material guarantees the formation of a stable layer of solidified electrolyte (ledge) on the inner surface of the onboard lining of the cathode device when overheated above 25 °C and, accordingly, ensures stable and stable operation of the aluminum electrolyzer
Днище 3, фланцевый лист 4 и продольные и торцевые стенки 2 металлической ванны 1 изготавливают из листовой стали толщиной 12-20 мм, обладающей достаточной пластичностью и качеством. Внутрь металлической ванны 1 помещают футеровку 6, состоящую из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, катодные блоки 7 с установленными в них катодными стержнями 8. Силовые элементы 5, охватывающие стенки и днище ванны 1, выполняют в виде либо шпангоутов (тавровых или двутавровых балок), либо в виде шарнирно установленных контрфорсов (коробчатого сечения конструкция или сваренных вместе двух двутавровых балок). В верхней части продольных и торцевых стенок устанавливаются пояс 9 из композиционного материала состоящим из 2 или более слоев различных металлов высотой 0,2-0, 5 м. Нижняя часть пояса приваривается к стенкам 2, верхняя часть к фланцевому листу 4, а верхний слой 13 поверхностью либо приварен к силовым элементам 5, либо упирается в них, обеспечивая свободный контакт. The bottom 3, the flange sheet 4 and the longitudinal and end walls 2 of the metal bath 1 are made of sheet steel with a thickness of 12-20 mm, which has sufficient ductility and quality. Inside the metal bath 1, a lining 6 is placed, consisting of refractory and heat-insulating materials, cathode blocks 7 with cathode rods 8 installed in them. Power elements 5, covering the walls and bottom of the bath 1, are made in the form of either frames (T-beams or I-beams), or in the form of hinged buttresses (a box-section structure or two I-beams welded together). In the upper part of the longitudinal and end walls, a belt 9 is installed from a composite material consisting of 2 or more layers of various metals 0.2-0.5 m high. The lower part of the belt is welded to the walls 2, the upper part to the flange sheet 4, and the top layer 13 the surface is either welded to the power elements 5, or abuts against them, providing free contact.
Изготовление пояса из композитного материала 9 производится отдельно. Сварка импульсом представляет собой механический вид сварки с применением давления, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения свариваемых частей. Композитный материал пояса состоит обычно из стальной основы 12, верхнего слоя из материала с высокой теплопроводностью 13 и промежуточного слоя 14 из титана. Промежуточный слой 14 требуется устанавливать в случае, когда пояс эксплуатируется в устройстве при температурах более 300 °C. The manufacture of the belt from composite material 9 is carried out separately. Pulse welding is a mechanical type of welding using pressure, in which the connection is made as a result of an explosion-induced collision of the parts to be welded. The composite material of the belt usually consists of a steel base 12, a top layer of a material with high thermal conductivity 13 and an intermediate layer 14 of titanium. The intermediate layer 14 is required to be installed when the belt is operated in the device at temperatures above 300 °C.
Наибольшая эффективность достигается, когда верхний слой 13 пояса из композитного материала 9 имеет развитую поверхность, что достигается путем установки пластинчатых 15 или и пальцевых ребер 16, выполненных из высокотеплопроводного материала, например, спецстали, алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава. Пластинчатое ребро 15 выполняется в виде прямоугольника или трапеции высотой 300-600 мм, шириной 100-500 мм и толщиной 6-10 мм. При этом количество ребер выбирают в зависимости от необходимо коэффициента теплоотдачи. Так, например, установка 7-ми штук ребер из стали СтЗ толщиной 6 мм с площадью 0,3 м2 с расстоянием между ребрами 50 мм позволило в режиме свободной конвекции получить коэффициент теплоотдачи ап = 75 Вт/м2 К. Для сравнения без установки пластинчатых ребер максимально возможный коэффициент теплоотдачи равен ат = 30 Вт/м2 К. При установке 7 шт. пластинчатых ребер из алюминия марки А5 толщиной 10 мм и площадью 0,3 м2 с расстоянием между ребрами 50 мм позволило получить коэффициент теплоотдачи порядка п = 150 Вт/м2 К. The greatest efficiency is achieved when the upper layer 13 of the belt made of composite material 9 has a developed surface, which is achieved by installing plate 15 or finger ribs 16 made of a highly thermally conductive material, for example, special steel, aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy. Lamellar rib 15 is made in the form of a rectangle or trapezoid with a height of 300-600 mm, a width of 100-500 mm and a thickness of 6-10 mm. In this case, the number of fins is chosen depending on the required heat transfer coefficient. So, for example, the installation of 7 pieces of ribs made of StZ steel 6 mm thick with an area of 0.3 m 2 with a distance between the fins of 50 mm made it possible to obtain a heat transfer coefficient ap = 75 W / m 2 K in the free convection mode. For comparison, without installation lamellar fins, the maximum possible heat transfer coefficient is at = 30 W / m 2 K. When installing 7 pcs. lamellar fins made of A5 aluminum with a thickness of 10 mm and an area of 0.3 m 2 with a distance between the fins of 50 mm made it possible to obtain a heat transfer coefficient of the order of n = 150 W / m 2 K.
Данные значения коэффициентов теплоотдачи были получены на тепловом стенде, имитирующем стенку металлической ванны катодного устройства электролизера при экспериментальных исследованиях различных вариации пластинчатых ребер. These values of the heat transfer coefficients were obtained on a thermal stand that simulates the wall of the metal bath of the cathode device of the electrolyzer during experimental studies of various variations of lamellar ribs.
Замена пластинчатых ребер 15 на пальцевые ребра 16 увеличивает теплоотдающую поверхность на 20-30% и позволяет нарастить коэффициент теплоотдачи на те же 15-20%. В случае если не требуется рассеивать такое количество тепла, то коэффициент теплоотдачи можно снизить путем закрытия поворотных створок 18 регуляторов теплоотвода 17. Replacing plate ribs 15 with finger ribs 16 increases the heat transfer surface by 20-30% and allows increasing the heat transfer coefficient by the same 15-20%. If it is not required to dissipate such an amount of heat, then the heat transfer coefficient can be reduced by closing the rotary shutters 18 of the heat sink 17 regulators.
Когда нужно нарастить количество рассеиваемой тепловой энергии с катодного устройства, то можно задействовать устройства принудительного охлаждения 19 в виде вентилятора и воздуходувки, а также иных приемлемых устройств охлаждения. When it is necessary to increase the amount of dissipated thermal energy from the cathode device, it is possible to use forced cooling devices 19 in the form of a fan and blower, as well as other suitable cooling devices.
Таким образом, предлагаемое катодное устройство, может обеспечить устойчивый слой застывшего электролита (гарнисажа) на внутренней поверхности бортовой футеровки катодного устройства при перегреве выше 25 °C и гарантировать стабильную и устойчивую работу алюминиевого электролизера. Так, например, тестовый образец работал при перегреве 40 °C, в летний период (это самые худшие условия) и на стенках был минимальный слой защитного гарнисажа. Thus, the proposed cathode device can provide a stable layer of solidified electrolyte (sculpture) on the inner surface of the side lining of the cathode device when overheated above 25 °C and guarantee stable and stable operation of the aluminum electrolyzer. So, for example, the test sample worked at an overheat of 40 ° C, in the summer (these are the worst conditions) and there was a minimum layer of protective scull on the walls.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Катодное устройство электролизера для производства алюминия, содержащее металлическую ванну (1) с днищем (3), силовые элементы (5), охватывающие продольные и торцевые стенки (2) и днище ванны, с заключенной внутри него футеровкой (6) и катодными блоками (7) с катодными стержнями (8), образующие катод электролизера, отличающееся тем, что на продольных и торцевых стенках (2) металлической ванны (1) в промежутках между силовыми элементами (5) закреплены для теплоотвода пластинчатые (15) и/или пальцевые ребра (16) с развитой структурой, при этом в верхней части продольных и торцевых стенок (2) металлической ванны установлен пояс (9) для равномерного отвода тела, выполненный из композиционного материала. 1. Cathode device of an electrolytic cell for aluminum production, containing a metal bath (1) with a bottom (3), power elements (5), covering the longitudinal and end walls (2) and the bottom of the bath, with a lining (6) enclosed inside it and cathode blocks (7) with cathode rods (8) forming the cathode of the electrolyser, characterized in that on the longitudinal and end walls (2) of the metal bath (1) in the gaps between the power elements (5) plate (15) and / or finger ribs (16) with a developed structure, while in the upper part of the longitudinal and end walls (2) of the metal bath there is a belt (9) for uniform removal of the body, made of a composite material.
2. Катодное устройство по п. 1, отличающееся тем, что композиционный материал пояса состоит по меньшей мере из двух металлических слоев, при этом высота пояса предпочтительно составляет 0,2-0, 5 м. 2. The cathode device according to claim 1, characterized in that the composite material of the belt consists of at least two metal layers, while the height of the belt is preferably 0.2-0.5 m.
3. Катодное устройство по п. 2, отличающееся тем, что верхний слой (13) композиционного материала пояса выполнен из металла с высокой теплопроводностью, предпочтительно выше 60 Вт/мК. 3. The cathode device according to claim 2, characterized in that the upper layer (13) of the composite material of the belt is made of a metal with high thermal conductivity, preferably above 60 W/mK.
4. Катодное устройство по п. 2 или п. 3, отличающееся тем, что верхний слой (13) композиционного материала пояса выполнен из алюминия или его сплавов. 4. The cathode device according to claim 2 or claim 3, characterized in that the upper layer (13) of the composite material of the belt is made of aluminum or its alloys.
5. Катодное устройство по п. 2 или и. 3, отличающееся тем, что верхний слой (13) композиционного материала пояса выполнен из меди или ее сплавов. 5. The cathode device according to claim 2 or i. 3, characterized in that the upper layer (13) of the composite material of the belt is made of copper or its alloys.
6. Катодное устройство по любому из пи. 2-5, отличающееся тем, что композиционный материал пояса выполнен посредством соединения металлических слоев методом сварки импульсом. 6. Cathode device according to any one of pi. 2-5, characterized in that the composite material of the belt is made by connecting metal layers by pulse welding.
7. Катодное устройство по и. 2, отличающееся тем, что композиционный материал пояса содержит промежуточный слой (14), выполненный из титана. 7. Cathode device according to and. 2, characterized in that the composite material of the belt contains an intermediate layer (14) made of titanium.
8. Катодное устройство по и. 1, отличающееся тем, что над силовыми элементами (5) установлены регуляторы теплоотвода (17), предпочтительно выполненные в виде поворотных створок (18). 8. Cathode device according to and. 1, characterized in that the heat sink regulators (17) are installed above the power elements (5), preferably made in the form of rotary flaps (18).
9. Катодное устройство по и. 1, отличающееся тем, что в промежутках между силовыми элементами (5) размещены приборы принудительного охлаждения, в частности вентиляторы. 9. Cathode device according to and. 1, characterized in that between the power elements (5) there are forced cooling devices, in particular fans.
10. Катодное устройство по и. 1, в котором пластинчатые (15) и/или пальцевые ребра (16) выполнены из материала с теплопроводностью выше 60 Вт/мК. 10. Cathode device according to and. 1, in which the plate (15) and/or finger ribs (16) are made of a material with a thermal conductivity above 60 W/mK.
PCT/RU2022/050227 2021-09-16 2022-07-21 Cathode device for an aluminium electrolysis cell WO2023043334A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280062243.0A CN117940611A (en) 2021-09-16 2022-07-21 Cathode device for aluminum electrolysis cell
CA3231974A CA3231974A1 (en) 2021-09-16 2022-07-21 Cathode assembly of an aluminium reduction cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021127241 2021-09-16
RU2021127241A RU2770602C1 (en) 2021-09-16 2021-09-16 Cathode device of aluminum electrolyzer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023043334A1 true WO2023043334A1 (en) 2023-03-23

Family

ID=81255450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050227 WO2023043334A1 (en) 2021-09-16 2022-07-21 Cathode device for an aluminium electrolysis cell

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN117940611A (en)
CA (1) CA3231974A1 (en)
RU (1) RU2770602C1 (en)
WO (1) WO2023043334A1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4087345A (en) 1977-07-19 1978-05-02 Ardal Og Sunndal Verk A.S. Potshell for electrolytic aluminum reduction cell
SU605865A1 (en) 1976-05-10 1978-05-05 Северо-Западное Отделение Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектноконструкторского Института "Внипиэнергопром" Aluminium electrolyzer
US4608134A (en) 1985-04-22 1986-08-26 Aluminum Company Of America Hall cell with inert liner
WO2004007806A2 (en) * 2002-07-09 2004-01-22 Aluminium Pechiney Method and system for cooling an electrolytic cell for aluminium production
RU2230834C1 (en) 2002-11-10 2004-06-20 Архипов Геннадий Викторович Cathode casing of aluminum cell
US20040149570A1 (en) * 2003-01-22 2004-08-05 Toyo Tanso Co., Ltd. Electrolytic apparatus for molten salt
RU2321682C2 (en) 2006-05-23 2008-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" Cathode device of aluminum cell
EA010167B1 (en) * 2004-10-21 2008-06-30 БиЭйчПи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД. Internal cooling of electrolytic smelting cell

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU605865A1 (en) 1976-05-10 1978-05-05 Северо-Западное Отделение Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектноконструкторского Института "Внипиэнергопром" Aluminium electrolyzer
US4087345A (en) 1977-07-19 1978-05-02 Ardal Og Sunndal Verk A.S. Potshell for electrolytic aluminum reduction cell
US4608134A (en) 1985-04-22 1986-08-26 Aluminum Company Of America Hall cell with inert liner
WO2004007806A2 (en) * 2002-07-09 2004-01-22 Aluminium Pechiney Method and system for cooling an electrolytic cell for aluminium production
RU2324008C2 (en) * 2002-07-09 2008-05-10 Алюминиюм Пешинэ Method for cooling electrolysis bath for aluminium production
RU2230834C1 (en) 2002-11-10 2004-06-20 Архипов Геннадий Викторович Cathode casing of aluminum cell
US20040149570A1 (en) * 2003-01-22 2004-08-05 Toyo Tanso Co., Ltd. Electrolytic apparatus for molten salt
EA010167B1 (en) * 2004-10-21 2008-06-30 БиЭйчПи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД. Internal cooling of electrolytic smelting cell
RU2321682C2 (en) 2006-05-23 2008-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания" Cathode device of aluminum cell

Also Published As

Publication number Publication date
RU2770602C1 (en) 2022-04-18
CN117940611A (en) 2024-04-26
CA3231974A1 (en) 2023-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1756320B1 (en) Heat exchanger system used in steel making
JP4741599B2 (en) Internal cooling of electrolytic smelting tank
CA2688835C (en) Layered heat exchanger pipe
EP2350353B1 (en) Method and means for extracting heat from aluminium electrolysis cells
AU2003263266A1 (en) Method and system for cooling an electrolytic cell for aluminium production
SK285426B6 (en) Fused bath electrolysis cell for producing aluminium by Hall-Heroult process comprising cooling means
RU2770602C1 (en) Cathode device of aluminum electrolyzer
RU2308547C1 (en) Aluminum cell cathode casing
RU2281974C2 (en) Cooling member for cooling metallurgical furnace
EP3574273B1 (en) Top loading roof for electric arc, metallurgical or refining furnaces and system thereof
EP2475807B1 (en) Cathode shell structure
RU2321682C2 (en) Cathode device of aluminum cell
RU2294404C1 (en) Cathode device of aluminum cell
RU2376402C2 (en) Fixation method of cooling fins on cathodic casing of aluminium electrolyser
RU2149924C1 (en) Cathode unit of electrolyzer for production of aluminum
RU208227U1 (en) ALUMINUM ELECTROLYSER GAS COLLECTOR
RU2230834C1 (en) Cathode casing of aluminum cell
RU2320781C1 (en) Cathode casing of aluminum cell
JP4232604B2 (en) Molten metal furnace
SU633937A1 (en) Aluminium electrolyzer
RU2324009C2 (en) Cathodic cell casing for aluminium processing
RU2198247C1 (en) Top-feed self-baking anode cell for aluminum production
RU2124585C1 (en) Cathode unit of aluminum electrolyzer
RU2051204C1 (en) Aluminum electrolyzer cathodic shell
RU2023057C1 (en) Electrolyzer for production of aluminium

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22870397

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280062243.0

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 3231974

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022870397

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022870397

Country of ref document: EP

Effective date: 20240416