Способ монтажа подовой секции алюминиевого электролизера

 

Использование. Предложение относится к способу монтажа секции катодного узла алюминиевого электролизера. Сущность. Часть паза подового блока, незаполненную токоотводящим стержнем со стороны "глухого" торца подовой секции /потай/, заполняют материалом на основе алюминийсодержащих окислов, предпочтительнее, глиноземсодержащим. Материал потая пропитывают и заполняют расплавом электролита или криолита с криолитовым отношением не выше 2,8 , содержащим более 2% глинозема. 3 з.п. ф-лы, 2 ил, 1 табл.

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия из криолито-глиноземных расплавов, в частности к совершенствованию способа монтажа катодного узла электролизера.

Известен способ монтажа подовой секции алюминиевого электролизера, согласно которому стальные токоотводящие стержни закладывают в пазы трапецеидальной формы сечения, выбираемые в углеродсодержащих блоках, для заливки чугуном. Концы стержней, закладываемых в блоки, не должны доходить на 80 100 мм до торцевой грани блока. В прошивных блоках не заполненную стержнем часть паза /потай/ набивают подовой массой для предохранения катодного стержня от растворения при разрушении центрального шва подины /1/.

Недостатком известного способа является наличие части паза /потая/, заполненного углеродистой подовой массой. Опыт эксплуатации электролизеров с подиной, выполненной согласно известному способу, показывает, что углеродсодержащая набивка паза не предотвращает диффузии железа в расплав алюминия, проникновения жидкого алюминия к катодному стержню.

При демонтаже катодов обнаружено, что наряду с разрушением межблочных швов зачастую происходит разрушение подовых блоков. Блоки лопаются по вертикальной плоскости вблизи "глухого" торца катодного стержня, на границе "стержень потай" или возле нее. Это указывает на то, что в процессе эксплуатации, а именно, с началом обжига электролизера имеют развитие разрушительные процессы со стороны потая. Постепенно возрастает температура футеровки подины. Углеродистая подовая масса потая, набитая при температурах +/20- 40/^oC, содержит адсорбированный кислород воздуха. При возрастании температуры обжига начинает протекать реакция окисления углерода потая, в первую очередь на границе с "глухим" торцом катодного стержня, поскольку, как известно, железо является катализатором окисления углерода; здесь же наивысшие значения температуры. Это сдвигает скорость окисления углерода вправо по реакции. При образовании продуктов реакции окисления углерода газов CO₂, CO и возрастании температуры имеет развитие реакция Будуара, скорость которой в прямом направлении также пропорциональна температуре.

Таким образом, окислительные процессы в первую очередь развиваются в потае, именно в плоскости "глухого" торца катодного стержня.

В процессе эксплуатации происходит объемное расширение подины за счет пропитки решетки углерода составляющими криолита. Возникающие механические напряжения создают усилия в подовых блоках, направленные, в частности, в вертикальной плоскости. Эти усилия совпадают с направлением действия окислительных, термических процессов и концентрации электрического тока на "глухом" торце стержня, то есть четыре фактора, разрушающие подовый блок, могут совпадать с вышеуказанной плоскостью, проходящей по "глухому" торцу катодного стержня или вблизи него через потай, где постепенно выгорает часть подовой массы. Поскольку оба торца подового блока удерживаются межблочными швами /центральным и периферийным/, то под воздействием вертикальных сил создаются условия для разрушения подового блока по указанной плоскости, прямого проникновения жидкого алюминия к катодному стержню.

Развитие окислительных процессов в потае может перейти и на материал нижней части углеродистого межблочного шва, выполненного также из подовой массы и контактирующего с потаем, тем вероятнее, что имеется явная граница двух твердых углеродистых фаз материала потая и материала нижней части межблочного шва, выполненных набойкой в разное время и в разных условиях.

Окисление межблочного шва и развитие в направлении "снизу вверх" снижает механическую прочность шва, его сопротивляемость проникновению жидкого алюминия.

В конечном счете, все это снижает срок службы электролизера, сортность полученного алюминия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ монтажа подины алюминиевого электролизера, включающий укладку углеродистых подовых секций, набивку межблочных швов углеродистой подовой массой с уровнем, расположенным ниже уровня рабочей поверхности подового блока, заполнение образующейся верхней полости шва глиноземом, отличающийся тем, что верхнюю часть межблочного и периферийного шва подины пропитывают расплавом криолита или электролитом /2/.

Применение глинозема, пропитанного расплавом криолита или электролита, в верхней части межблочного шва, препятствует проникновению жидкого алюминия в подину через швы; снижается разрушаемость углеродистой части шва за счет "запирания" шва глиноземом, лучших условий коксования углеродистой подовой массы. Однако окислительные процессы в материале потая, имеющие развитие на материал нижней /углеродистой/ части межблочного шва, снижают эффективность применения известного способа, приводят, в конечном счете, к постепенному разрушению межблочного шва в его углеродистой части, подового блока в вертикальной плоскости, проходящей на границе "глухого" торца катодного стержня или вблизи нее через потай.

В результате, снижается срок службы электролизера, сортность получаемого алюминия.

Цель изобретения повышение срока службы электролизера, сортности получаемого алюминия.

Поставленная цель достигается тем, что при монтаже подовой секции или при монтажа подины алюминиевого электролизера, часть паза подового блока, не заполненную стальным токоотводящим стержнем со стороны "глухого" торца подовой секции /потай/, заполняют материалом на основе алюминийсодержащих окислов, предпочтительно глиноземсодержащим. Материал потая могут пропитывать и заполнять расплавом электролита или криолита, имеющим криолитовое отношение не выше 2,8 с содержанием более 2% глинозема.

Заполнение потая глиноземсодержащим материалом, инертным к реакции окисления, являющимся ингибитором окисления углерода /в данном случае углерода подового блока и межблочного шва/, устраняет появление газовой полости, образующейся в результате выгорания углерода в случае набивки потая подовой массовой. За счет этого замедляется или предотвращается развитие реакции Будуара на углеродистой части межблочного шва, в подовом блоке. Общее снижение объема углеродистого материала в подине, коксующегося при обжиге и эксплуатации электролизера, снижает газосодержание футеровки, тем самым замедляются реакции окисления и коксования. Это повышает качество коксующейся части межблочного шва, снижается его пористость, возрастает сила сцепления с гранями подовых блоков. Тем самым, возрастает механическая прочность межблочного шва и конструкции подины в целом, возрастает ее способность сопротивляться фильтрации жидкого алюминия /"металлизация" подины/.

В случае проникновения алюминия в межблочный шов, материал потая, выполненный на основе окиси алюминия, пропитанный расплавом криолита или электролита, с последующим затвердеванием, является препятствием для проникновения алюминия к катодному стержню за счет свойств несмачивания глинозема жидким алюминием, а также за счет плотности застывшего электролита.

Преимущество пропитки глинозема электролитом заключается в том, что при этом происходит заполнение всех полостей, трещин и пор в подовом блоке в районе потая, а при затвердевании расплава образуется твердая плотная монолитная фаза, что препятствует выпаданию материала потая при кантовании подовой секции.

С затвердеванием расплава образуется раствор, пересыщенный глиноземом. Это, при последующем подъеме температуры на обжиге и установлении подвижного температурного равновесия при эксплуатации электролизера, создает условия образования корундов тугоплавких соединений, обладающих цементирующими свойствами, хорошо сопротивляющимися проникновению жидкого металла. При этом, часть механической нагрузки по удержанию токоотводящего стержня в подовом блоке, а также подовой секции в подине, распространяется на материал потая. Это снижает неравномерность распределения механических нагрузок на подовую секцию; снижается вертикальная составляющая механических усилий по плоскости, проходящей через срез "глухого" конца токоотводящего стержня или вблизи нее, при монтаже подины, эксплуатации электролизера. Возрастает целостность подовых секций, подины в целом.

Поддержание криолитового отношения не выше 2,8 в расплаве, которым пропитывают и заполняют потай, обусловлено необходимостью создания дефицита фтористого натрия для предотвращения внедрения натрия в углеродистую футеровку.

Поддержание глинозема в расплаве более 2% исходит из необходимости поддержания раствора, близкого к насыщению глиноземом. Это снижает величину изменения объема электролита при его затвердевании; избыточный глинозем заполняет трещины при затвердевании расплава, способствует образованию корунда на гранях подовых блоков; повышается стойкость потая воздействию жидкого алюминия, газов коксования и окисления, высоких температур и механических нагрузок на подовую секцию, подину в целом. Повышается срок службы электролизера, сортность алюминия-сырца.

На фиг.1 изображена подовая секция алюминиевого электролизера в продольном разрезе; на фиг.2 то же, в сечение А-А на фиг.1.

Подовая секция содержит углеродистый подовый блок 1 с продольным пазом 2 трапецеидального сечения. В паз закладывают стальной токоотводящий стержень 3 с последующей заливкой расплавом 4 чугуна или клеющей пастой. Конец стержня 3, обращенный внутрь подины, не доходит до "глухого" торца 5 подового блока и образуется потай 6, который заполняют материалом 7 на основе глинозема, пропитывают расплавом криолита или электролита.

Пример реализации способа.

Производят монтаж первой стадии восьми комплектов подовых секций для опытных алюминиевых электролизеров типа С-8Б согласно известному способу, предусматривающему закладку стального токоотводящего стержня 3 в паз 2 подового блока 1, заливку паза расплавом 4 чугуна. Часть паза 6 с "глухой" стороны /потай/, не заполненную токоотводящим стержнем и чугуном, не заполняют углеродистой подовой массой.

На второй стадии монтажа на первых двух опытных электролизерах при монтаже подины устанавливают подовые секции, а затем заполняют потай каждой подовой секции глиноземом согласно предлагаемому способу.

На двух других опытных электролизерах при монтаже подины заполняют потай смесью глинозема и фтористого алюминия в соотношении 7:3 масс.

На следующих двух опытных электролизерах потай заполняют смесью глинозема и борной кислоты в соотношении 9:1 масс /в пересчете на B₂O₃/.

На последней паре опытных электролизеров при монтаже подовых секций потай заполняют глиноземом и пропитывают жидким электролитом, имеющим криолитовое отношение 2,75. Таким образом, получают твердый раствор электролита, насыщенный глиноземом.

На первых шести опытных электролизерах производят монтаж подины путем набойки межблочных швов углеродистой подовой массой на всю высоту согласно известному способу /1/.

На последних двух опытных электролизерах нижнюю часть межблочного шва набивают углеродистой подовой массой, а верхнюю часть заполняют глиноземом и пропитывают жидким электролитом, согласно прототипу /2/.

Завершают монтаж всех опытных электролизеров, проводят обжиг и пуск согласно известным способам, и ведут электролиз.

Осредненные результаты технико-экономических показателей работы опытных электролизеров в течение 9 месяцев в сравнении с двумя электролизерами-свидетелями типа С-8Б представлены в таблице.

Примечание: после 8 месяцев эксплуатации на одном электролизере-свидетеле содержание железа в алюминии достигло 0,74% /с лопнувшими блоками/, на другом электролизере 0,27% что соответствует снижению сорта алюминия-сырца до АВ и А5 соответственно. При этом, все опытные электролизеры производили алюминий-сырец марки А7.

Судя по полученным результатам, использование предлагаемого изобретения снижает способность разрушения межблочных швов, подовых блоков.

Предотвращается проникновение жидкого алюминия в подину, на что указывает снижение температуры днища катодного кожуха /на 27 60^oC/ и неравномерность токовой нагрузки в катодных стержнях /на 42 70%/. Это, в свою очередь, приводит к снижению падения напряжения в подине опытных электролизеров на 40 70 мВ. Как следствие, при лучшем распределении тока несколько возрастает производительность опытных электролизеров. Снижение времени выхода опытных электролизеров на сорт А7 /на 2 10 суток по сравнению с электролизерами-свидетелями/, стабильность получения высшего сорта алюминия-сырца А7 в течение всех 9 месяцев эксплуатации, целостность подин опытных электролизеров позволяет предположить некоторое увеличение срока их службы по сравнению с электролизерами-свидетелями. Применение шихты глинозема и фтористого алюминия снижает содержание газообразных продуктов окисления углерода, тем самым снижается скорость реакции Будуара. Применение глинозема и борного ангидрида создает условия образования тугоплавких шпинелей типа nAl₂O₃ · mB₂O₃ в потае.

Видно также, что применение предлагаемого изобретения совместно с прототипом существенно повышает стойкость подины, сортность и срок службы электролизера. Это можно объяснить лучшими условиями коксования и последующей работы углеродистой части швов за счет двойного "запирания" зоны коксования, отсутствием воздействия газов на подовый блок изнутри, в потае.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения повышает срок службы электролизера, сортность получаемого алюминия.

Формула изобретения

1. Способ монтажа подовой секции алюминиевого электролизера, включающий укладку стального токоотводящего стержня в паз углеродистого подового блока с длиной контакта стержень подовый блок меньшей, чем общая длина подового блока, отличающийся тем, что оставшуюся свободной от токоподводящего стержня часть паза блока со стороны "глухого" торца подовой секции (потай), заполняют материалом на основе алюминийсодержащих окислов, предпочтительнее глиноземсодержащим.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что материал потая пропитывают и заполняют расплавом криолита или электролита.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что расплав электролита или криолита имеет криолитовое отношение не выше 2,8.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что расплав электролита или криолита содержит более 2% глинозема.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3