Катодное устройство алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к конструкциям катодных устройств алюминиевого электролизера. Цель изобретения - повышение срока службы катодного устройства, На днище стальной ванны I расположена изоляция 2, образукацая фундамент, и боковая изоляция 3. На ней расположена нижняя - часть 5 углеродистой футеровки с заделанными или залитыми в нее железi СО Ро о оо Ич:) ы

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 С 25 С 3 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H AATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3612253/22-02 (22) 04.07,83 (31) 4249/82 (32) 12.07.82 (33) СН (46) 30.04. 87, Бюп, № 16 (71) Швейцарише Алюминиум АГ (CH) (72) Макс Цоллингер (СН) и Раул Йэмец (YU) (53) 669.713,7 (088,8) (56) Патент ФРГ ¹ 26330551 кл. С 25 С 3/06, опублик. 1977, „„З0„, 1021 (54) КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО AJIIOMHHHEBOГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА (57) Изобретение относится к конструкциям катодных устройств алюминиевого электролизера. Цель изобретения — повышение срока службы катодного устройства, На днище стальной ванны расположена изоляция 2, образующая фундамент, и боковая изоляция 3. На ней расположена нижняя часть 5 углеродистой футеровки с заделанными или залитыми в нее желез1308201

Цель изобретения — повышение срока службы катодного устройства.

На фиг.1 изображено схематически вертикальное сечение стенки элект- 1О ролизера, вид сбоку; на фиг. 2— вертикальный разрез через боковую область ячейки для электролиза расплава для получения алюминия," на фиг. 3 - частичный вертикальный раз- 15 рез в области слоя с незначительной прочностью на сдвиг после первого растрескивания; на фиг. 4 — вырез по фиг. 3 после растрескивания; на фиг.

5 — вырез по фиг. 3 и 4 после обра- 20 зования сквозной трещины в слое с незначительной прочностью на сдвиг, Ячейка для электролиза расплава для получения алюминия содержит наружную стальную ванну 1. В последней 25 заделаны нижняя изоляция 2 и боковая изоляция 3. На днище 4 ванны

1 расположена нижняя изоляция 2, образующая фундамент, а на ней расположена нижняя часть 5 углеродистой фу- -30 теровки с заделанными или залитыми в ней железными слитками 6, служащими катодом, На горизонтально ограниченной краевой эсне нижней части 5 углеродистой футеровки расположен 35 слой 7 с. незначительной прочностью на сдвиг, толщина которого составляет приблизительно 8 см. Между слоем

7 и нижней частью 5 углеродистой фуВнутри стальной ванны 1 размещены на уровне верхней области дна yrlt леродистой футеровки поджатые хрустящие элементы " 10, опирающиеся на выпуклость стальной ванны 1, "Хрустящие элементып 10 оказывают расширяющейся нижней части 5 углеродистой футеровки постоянное независимое от пути сопротивление.

Между боковой изоляцией 3 и верхней частью 8 углеродистой футеровки расположен очень хорошо проводящий теплослой, выполненный в виде приемной зоны 11, Последняя проходит в вертикальном направлении вниз за границы слоя 7 с незначительной проч ностью на сдвиг и распространяется частично вдоль нижней части 5 углеродистой футеровки, На фиг.2 боковая часть стальной ванны 1 замещена эластичной стеной

12, Для этого можно использовать, например, ткани из углеродных волокон, комбинированные послойно в виде сэндвичструктуры" с металлическими пленками. Размещенные вне эласными блоками б, служащими катодом.

На нижней части 5 углеродистой футеровки находится слой материала 7 с низкой прочностью на сдвиг. Толщина этого слоя составляет 8 см. Между слоями 7 и 5 расположена невидимая подложка из углеродноro войлока. На слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наклеена верхняя часть 8 углеродистой футеровки. Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9.

Этим обеспечивается изоляция борта

Изобретение относится к металлургии алюминия и направлено на совершенствование конструкции катодного устройства алюминиевого злектролизера. 5

I ванны от воздействия кислорода. Внут" ри стальной ванны 1 размещены "хрустящие элементы" 10, Они оказывают сопротивление расширению нижней части 5 углеродистой футеровки. Между боковой изоляциеи 3 и верхней частью

8 углеродистой футеровки расположен слой 11, хорошо проводящий тепло.

Срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера увеличивается благодаря повышенной прочности комб и-, нированной футеровки. 7 з.п. ф — лы, 5 ил. теровки находится невидимая подложка из углеродного войлока, которая наклеена на нижннзо часть 7 углеродистой футеровки.

На слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наклеена верхняя часть 8 углеродйстой футеровки, которая выступает сбоку за границы нижней части, Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9, Этим обеспечивается изоляция борта ванны от воздействия кислорода, Качество углерода: чем вьппе степень графитизации, тем меньше увеличение объема.

Разбухающая углеродистая футеровка нажимает на тепловую изоляцию и тем самым на стальную ванну. Вследствие этого стальная ванна может HcIIbl тывать необратимые доформации, которые нагружают на нее до пластического состояния стали и могут вызвать ее растрескивание, По мере старения ячейки возрастает склонность углеродистого дна к короблению, при котором образуются трещины. Жидкий алюминий может проникнуть через эти трещины и разрушить железные слитки, служащие катодом, которые отводят электрический постоянный ток. Разрушение футеровки ячейки может достигнуть такой степени, что жидкий алюминий вытекает из ячейки. В этом случае ячейку следует в общем преждевременно вывести из действия, последствием чего является дорогостоящий ремонт. Кроме того, остановка ячейки связана с производственными потерями, Согласно изобретению в зоне электролита расположен горизонтально по периметру слой, разделяющий углеро3 13082 тичной стены 12 поджатые "хрустящие элементы" 10 состоят (фиг.1) из пакетов вертикально расположенных пластически деформируемых труб, Неподвижная опора 13 подпирает "хрустящие элементы" 10, предотвращая их движение наружу. Между эластичной стеной 12 и боковой изоляцией 3 может быть расположен скользящий слой ° ! и

На фиг. 3 показан блок 7 из вспененных углеродных волокон, обладающий незначительной прочностью на сдвиг, который наложен на углеродный войлок 14. Из-за различного расшире!

5 ния нижней 5 и верхней 8 частейуглеродистой футеровки слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг поддался первому растрескиванию. В трещины попал жидкий электролит 15, кото- 2 рый частично затвердел.

Согласно фиг, 3 слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг растрескивается один раз, а согласно фиг.4— много раз. После неоднократного раст-25 рескивания упомянутого слоя углеродный войлок 14 частично растворился, а затвердевающий электролит продвинулся вперед в направлении наружу.

На фиг.5 весь затвердевающий электролит.проникнул через слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наружу и затвердел в приемной зоне 11.

На фиг.3-5 показан эффект самоэа35 лечивания заданного места разрыва на электролизерах с различными размерами отдельных деталей: ванна, содержащая расплавленный электролит и выделенный жидкий алюминий, может раст-40 рескиваться только в одном месте в области слоя 7 с незначительной прочностью на сдвиг. В этой области находится только расплавленный электролит, но металл в ней отсутствует. 45

Выходящий через трещины в слое 7 электролит затвердевает. Хотя он продвигается в возрастающей мере вперед в направлении наружу, однако, он всегда оказывает самозалечивающее действие, поскольку затвердевший материал предотвращает выход подтекающего материала.

Для получения алюминия путем электролиза расплава окиси алюминия последняя растворяется в расплаве фторида, состоящем большей частью из криолита, Выделяющийся на катоде алюминий собирается под расплавом

01 4 фторида на угольном дне ячейки, причем поверхность жидкого алюминия образует катод. В электролит погружаются сверху аноды, состоящие в общепринятых способах из аморфного угле— ,рода. На угольных анодах образуется вследствие электролитического разложения окиси алюминия кислород, который соединяется с углеродом анодов в СО и СО. Электролиз осуществляет2. о ся при температурах около 940-970 С, Во время эксплуатации объем углеродистой футеровки значительно увеличивается. Это увеличение объема обусловлено проникновением компонентов электролита. Под такими компонентами подразумеваются, например, натрий или соли, из которых составлен расплав фторида, а также хиМические соединения, полученные известными реакциями из расплава фторида, Кроме того, известны в особенности два существенных влияющих фактора, которые управляют во время эксплуатации разбуханием катодного угля.

Приложенная плотность тока: чем выше плотность тока, тем больше увеличение объема.

5 13082 дистую футеровку на нижнюю и верхнюю части и состоящий из стойкого при температурах до 1000 С и устойчивоо го к действию электролита материала, прочность на сдвиг которого значительно меньше, чем прочность на сдвиг углеродистой футеровки.

Согласно этой конструкции боковая стена углеродистой футеровки является разделенной. Электрическое 10 поле между служащими катодом слитками и анодами проходит через дно и

HHKHldto часть боковой стены углеродистой футеровки, В противоположность этому через часть боковой стены углеродистой футеровки, расположенную над слоем с незначительной прочностью на сдвиг, не протекает электрический ток, Благодаря этому, нижняя часть углеродистой футеровки разбухает зна- 20 чительно сильнее, чем ее верхняя часть, Образующиеся вследствие этого напряжения воспринимаются тем, что слой с незначительной прочностью на сдвиг растрескивается, Поскольку этот слой должен быть расположен полностью в зоне расплавленного электролита, в образованные трещины не может попадать никакого жидкого алюминия, Место образования трещин в слое с незначительной прочностью на сдвиг, обозначенное как заданное место разрыва, является самозалечиваемам. Попадающий в трещину расплавленный электролит охлаждается в наружной 35 области стены настолько сильно, что он затвердевает и тем самым предотвращает вытекание электролита, Самозалечивание заданного места разрыва можно улучшить таким образом, что непосредственно за слоем с незначительной прочностью на сдвиг, а также в области, примыкающей внизу углеродистой футеровки расположена приемная зона из очень хорошо проводящего тепло материала„ которая распространяется по направлению к боковой стене наружной стальной .ванны, Благодаря этому, отданное попадающим g0 в трещину электролитом тепло можно отвести более 6ыстро, так что самозалечивание за счет затвердевания происходит также более быстро. Целесообразно расположить верхнее огра- 5 ничение упомянутой приемной зоны приблизительно на том же самом уровне, что и верхнее ограничение слоя с незначительной прочностью на сдвиг.

Однако, толщина приемной зоны больше,> чем толщина слоя с незначительной прочностью на сдвиг, преимущественно в два — три раза больше. Для быстрого отвода тепла в приемной зоне очень подходят в особенности металлические материалы, например стальная шерсть или алюминиевые стружки.

В целях получения трещин всегда в желаемой области, прочность на сдвиг слоя, разделяющего углеродистую футеровку на нижнюю и верхнюю части, преимущественно по крайней мере в пять раз меньше, чем прочность на сдвиг углеродистой футеровки.

На практике толщина упомянутого слоя с незначительной прочностью на сдвиг составляет 2-15 см, преимущественно 5-10 см, Целесообразно построить разделяющий углеродистую футеровку на две части слой из заранее изготовленных блоков. Материалы этих блоков должны обладать термостойкостью, устойчивостью к действию электролита и незначительной прочностью на сдвиг, На практике можно использовать для изготовления упомянутых блоков вспененный углерод, вспененные керамические материалы и сжатые слои из углеродных волокон, Слой с незначительной прочностью на сдвиг целесообразно наклеивать вверху клеем на углеродистую футеровку и накладывать внизу через углеродный войлок на углеродистую футеровку. Толщина сжатого углеродного войлока составляет преимущественно

5-15 мм. Сжатый углеродный войлок в свою очередь наклеивается на нижнюю часть углеродистой футеровки.

Если нижняя часть углеродистой футеровки должна разбухать менее быстро, то ее можно сильнее графитизировать.

Формула изобретения

1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее металлический кожух, боковую футеровку из углерода, подину и компенсационную зону, выполненную из двух материалов, деформирующихся при незначительных и значительных нагрузках соответственно, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения срока службы катодного устройства, боковая футеровка по высоте и IIQ всему перимет1308201 ру выполнена иэ двух частей, соединенных слоем материала, с низкой прочностью на сдвиг, стойкого в криолито-глиноземном расплаве при температуре до 1000 С, прочность на сдвиг 5 о которого составляет 0,02 — 0,1 от прочности на сдвиг угольной футеровки, 2. Устройство по п.l, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что высота слоя 1О материала с низкой прочностью на сдвиг составляет 2-15 см.

3. Устройство по пп;1 и 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что слой материала с низкой прочностью па f5 сдвиг выполнен из вспененного углерода, углеродистого волокна или вспененного керамического материала.

4. Устройство по пп. 1 — 3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что слой 20 материала с низкой прочностью на сдвиг соединен посредством клея с верхней частью боковой футеровки и посредством слоя углеродного войлока — с нижней частью боковой футеровки.

5. Устройство по п.4, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что высота слоя углеродного войлока составляет 5

15 мм.

6. Устройство по пп,l 5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что за слоем материала с низкой прочностью на сдвиг по периметру электролиэера вы`олнен пояс из теплопроводного материала, например стальной ваты или алюминиевой стружки.

7,- Устройство по п.б, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что высота пояса, заполненного теплопроводным материалом, составляет 2-3 высоты слоя материала с низкой прочностью на сдвиг.

8. Устройство по пп. 1-7, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что нижняя часть боковой футеровки выполнена иэ материала, графитизированного больше, чем материал верхней части.

1308201

Фиг.5

Составитель А,Арнольд

Редактор А,Долинич Техред В.Кадар Корректор А, Зимокосов

Заказ 1б4б/59 Тираж 613 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Х(-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðoä, ул,Проектная, 4