Ванна электролизера с поджигом дуги для производства алюминия способом холла-херулта, содержащая средства охлаждения

 

Изобретение касается производства алюминия путем огневого электролиза в соответствии со способом Холла-Херулта, технологических установок, предназначенных для осуществления этого способа в промышленности, а также устройств контроля тепловых потоков в ваннах и средств охлаждения, которые позволяют обеспечить этот контроль. Техническим результатом изобретения является отвод и рассеивание тепловой энергии, выделяемой в ванне, посредством легко устанавливаемых и не требующих существенных модификаций ванны средств. Электролизная ванна содержит изготовленный из стали корпус, элементы внутреннего покрытия и катодную систему. Ванна снабжена средствами охлаждения при помощи вдувания воздуха локализованными струями, распределенными вокруг корпуса ванны, для вбрасывания потока воздуха со скоростью 10-100 м/с, предпочтительно 20-70 м/с. Установка для производства алюминия содержит электролизные ванны, снабженные упомянутыми средствами охлаждения. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

Область техники Настоящее изобретение касается производства алюминия путем огневого электролиза в соответствии со способом ХОЛЛА-ХЕРУЛТА (HALL-HEROULT), а также технологических установок, предназначенных для осуществления этого способа в промышленности. Более точно изобретение касается устройств контроля тепловых потоков в электролизных ваннах и средств охлаждения, которые позволяют обеспечить этот контроль.

Предшествующий уровень техники Алюминий представляет собой металл, который в промышленности производится путем электролиза при поджиге дуги, т.е. путем электролиза раствора глинозема или двуокиси алюминия в расплавленном криолите, называемого электролитическим раствором, в соответствии с хорошо известным способом Холла-Херулта.

Электролитический раствор располагается в ванне, содержащей стальной корпус, покрытый изнутри огнеупорными и/или изоляционными материалами, и катодную систему, размещенную на дне этой ванны. Ток электролиза, который может иметь величину более 300 КА, вызывает прохождение реакций восстановления двуокиси алюминия и позволяет также поддерживать температуру электролитического раствора порядка 950^oС.

Управление электролизной ванной обычно осуществляется таким образом, чтобы она находилась в состоянии теплового равновесия, т.е. чтобы количество тепловой энергии, рассеиваемой электролизной ванной, в целом компенсировалось количеством тепловой энергии, возникающей в ней при электролизе.

Точка теплового равновесия обычно выбирается таким образом, чтобы процесс проходил в наиболее благоприятных условиях не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения экономичности процесса. Поддержание оптимальной температуры ванны представляет собой существенный фактор снижения стоимости производства алюминия вследствие поддержания КПД или выхода по току на очень высоком уровне, который может достигать 90% на заводах с наиболее совершенным оборудованием.

Тепловое равновесие зависит от физических параметров электролизной ванны, таких как размеры и характер используемых конструкционных материалов, а также от условий функционирования ванны - электрического сопротивления корпуса ванны, температуры электролитического раствора или силы тока электролиза.

Ванна сконструирована и управляется таким образом, чтобы сформировать откос из отвержденного электролитического раствора на боковых стенках ванны, что позволяет предотвратить агрессивное воздействие жидкого криолита на покрытие стенок.

Способ производства алюминия методом электролиза с поджигом дуги при оптимизированном управлении приводит к необходимости использовать промышленные технологические установки, которые не только позволяют обеспечить стабилизацию и поддержание режима работы электролизных ванн, но и допускают также произвольные изменения условий работы, которые могут быть значительными по отношению к номинальным условиям.

Часто оказывается необходимым иметь возможность легко контролировать и даже изменять режим работы электролизных ванн, сохраняя при этом их нормальные технические характеристики или даже улучшая эти характеристики без повышения стоимости производства. Такая ситуация возникает, например, в том случае, когда стремятся изменить мощность серии электролизных ванн при подаче электрической энергии.

Были проанализированы способы и устройства для контроля тепловых потоков и для стабилизации теплового режима электролизных ванн, которые при обеспечении очень высокой эффективности и хорошей приспосабливаемости не требовали бы больших капиталовложений и не увеличивали бы слишком сильно дополнительные расходы в процессе работы.

Известен способ снабжения электролизных ванн специальными средствами для отведения и рассеивания контролируемым образом тепловой энергии, возникающей в ваннах. В частности, в авторских свидетельствах SU 605865 и SU 663760 предлагается снабжать электролизные ванны управляемой снаружи системой охлаждения, которая содержит герметичные полости по бокам и снизу ванны, изменяемые тепловые экраны и трубопроводы, снабженные клапанами регулирования. В эти трубопроводы при помощи вентилятора или компрессора нагнетается воздух. Однако реализация этих устройств требует создания значительной и громоздкой инфраструктуры.

В то же время, в заявке на патент ЕР 0047227 было предложено усилить теплоизоляцию электролизной ванны и снабдить ее теплопроводящими трубами, оборудованными теплообменниками. Эти теплопроводящие трубы проходят через корпус ванны и его теплоизоляционное покрытие и вставлены в содержащие углерод части типа бордюрных или краевых плит. Такое техническое решение является достаточно сложным и дорогостоящим и требует дополнительных и довольно существенных модификаций электролизной ванны.

В то же время, чтобы улучшить образование откоса из отвержденного электролитического раствора, из патента США US 4087345 известно использование корпуса ванны, снабженного подкрепляющими элементами и усиливающей рамой, сформированными таким образом, чтобы способствовать охлаждению боковых сторон ванны при помощи естественной конвекции окружающего воздуха. Такое устройство требует использования конструкций, жестко связанных с корпусом ванны. Кроме того, эти статические устройства не подходят для простого и точного контроля тепловых потоков.

Для контроля формирования откосов из отвержденного электролитического раствора и рекуперации части тепловой энергии, выделяемой на уровне боковых сторон ванны, в патенте США US 4608135 предлагается использовать электролизную ванну, содержащую проходы, располагающиеся между бордюрными или краевыми плитами и внутренним изоляционным покрытием корпуса ванны и отверстиями подачи воздуха на боковые стороны электролизной ванны. Эти проходы сообщаются с упомянутыми отверстиями и с внутренней полостью устройства забора воздуха, закрепленного на ванне. Устройство забора всасывает воздух из окружающей среды, отобранный на боковых сторонах ванны через отверстия, и направляет поток этого воздуха в проходы вдоль бордюрных или краевых плит, следствием чего является их охлаждение.

Расход воздуха контролируется при помощи отверстий, снабженных клапанами и располагающихся на боковых сторонах устройства забора воздуха, которые выполняют роль обводного канала. Это устройство требует значительных модификаций электролизной ванны и не позволяет обеспечить независимый контроль охлаждения, поскольку регулярные воздействия на электролизную ванну требуют открытия кожухов устройства забора воздуха, которые нарушают нормальную работу клапанов.

Краткое изложение существа изобретения Задачей настоящего изобретения является разработка достаточно эффективных и пригодных к адаптации средств, позволяющих отводить и рассеивать тепловую энергию, выделяемую в электролизной ванне, которые легко устанавливаются и не требуют существенных модификаций ванны, в частности ее корпуса, и создания сопутствующей инфраструктуры.

Заявитель стремился найти средства, которые позволяли бы модифицировать мощность электролизных ванн и легко адаптировались к различным типам ванн или к различным режимам функционирования ванн одного и того же типа, которые были бы пригодны для использования в промышленных установках, содержащих большое число последовательно установленных электролизных ванн.

Первым объектом предлагаемого изобретения является электролизная ванна для производства алюминия способом электролиза Холла-Херулта, которая содержит средства охлаждения посредством вдувания воздуха в форме локализованных и распределенных струй для вбрасывания потока воздуха со скоростью от 10 до 100 м/с, и предпочтительно от 20 до 70 м/с.

Вторым объектом предлагаемого изобретения является установка по производству алюминия с использованием способа Холла-Херулта, содержащая электролизные ванны в соответствии с предлагаемым изобретением.

Электролизная ванна для производства алюминия способом Холла-Херулта в соответствии с предлагаемым изобретением содержит изготовленный из стали корпус, элементы внутреннего покрытия и катодную систему и характеризуется тем, что дополнительно содержит средства охлаждения путем вдувания воздуха локализованными струями, распределенными вокруг корпуса ванны.

Таким образом, в соответствии с предлагаемым изобретением охлаждающий воздух вдувается. Это означает, что контур воздушного охлаждения является открытым и характеризуется потерей потока. Поток воздуха, выдуваемый на поверхность корпуса ванны, уходит в окружающую среду, при этом отпадает необходимость в добавлении специальных средств, предназначенных для охлаждения вдуваемого воздуха, который нагревается в контакте со стенками.

Вдувание воздуха в виде локализованных струй, то есть ввод воздуха в виде направленных и компактных потоков, ударяющихся в корпус ванны на относительно малой поверхности, позволяет эффективно охлаждать стенку ванны в точно определенных местах. Струи охлаждающего воздуха распределены вокруг корпуса ванны таким образом, чтобы зафиксировать предпочтительные зоны охлаждения на поверхности этого корпуса, причем эти зоны предпочтительным образом определяются в функции теплового профиля ванны для повышения общей эффективности охлаждения.

Более конкретно, средства охлаждения характеризуются тем, что они содержат средства вдувания воздуха для охлаждения корпуса ванны, то есть для отведения и рассеивания тепловой энергии, выделяемой в ванне на уровне ее корпуса, причем средства вдувания воздуха формируют локализованные струи, причем указанные средства охлаждения содержат средства, предназначенные для распределения струй воздуха вокруг корпуса ванны в соответствии со схемой распределения.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить контроль или модуляцию мощности электролизных ванн путем присоединения или добавления эффективных и легко адаптируемых средств охлаждения, которые могут обеспечить прирост мощности охлаждения, фиксированный или изменяемый, по отношению к номинальной мощности. Таким образом, изобретение позволяет обеспечить возможность индивидуальной модификации мощности каждой электролизной ванны.

Расход воздуха через средства вдувания в соответствии с предлагаемым изобретением может изменяться, чтобы обеспечить возможность более точного контроля охлаждения и даже регулирования охлаждения. Возможно также интегрировать средства согласно изобретению в систему регулирования электролизной ванны. В этом случае средства охлаждения могут быть контролируемыми и даже управляемыми при помощи системы управления электролизной ванны, регулировать тепловой поток более эффективно и при необходимости автоматизировать.

Электролизная ванна может содержать дополнительные средства охлаждения, например статические средства охлаждения.

Предлагаемые средства могут быть съемными, т.е. они могут быть легко установлены на электролизную ванну или сняты с нее, причем в некоторых случаях эти операции могут быть выполнены непосредственно в процессе работы ванны.

Например, при ремонте или восстановлении электролизной ванны средства охлаждения могут быть полностью или частично удалены, что облегчает доступ к корпусу ванны и возможность выполнения работ по ее техническому обслуживанию.

В некоторых случаях может оказаться выгодным объединение средств охлаждения согласно изобретению для формирования полностью или частично автономного устройства охлаждения. Такое объединение может привести к наибольшему упрощению операции. Общий расход воздуха для устройства может быть изменяемым.

В соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения средства охлаждения содержат средства распределения воздуха, предназначенные для распределения потока воздуха вокруг корпуса ванны, средство нагнетания охлаждающего воздуха, которое позволяет подавать воздух под давлением в упомянутые средства распределения воздуха, и средства локализованного вдувания, которые позволяют выбрасывать потоки воздуха локально в виде струй, причем упомянутые средства локализованного вдувания воздуха располагаются в определенных местах корпуса электролизной ванны.

Средства распределения воздуха предпочтительно содержат воздуховодные средства типа воздушных каналов. Средства локализованного вдувания воздуха могут представлять собой штуцеры, эжекторы, раструбы, сопла или трубки. Эти средства локализованного вдувания в предпочтительном варианте реализации распределены вдоль воздуховодных средств. Производительность средства нагнетания воздуха может быть изменяемой. Расход воздуха через одно или несколько средств локализованного вдувания также может изменяться.

Установка по производству алюминия путем электролиза Холла-Херулта в соответствии с вторым объектом предлагаемого изобретения характеризуется тем, что содержит электролизные ванны в соответствии с первым объектом изобретения. Электролизные ванны оборудованы средствами охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением.

Электролизные ванны оборудованы устройством охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением, которое в случае необходимости может управляться централизованным образом.

Обычно на заводах по производству алюминия электролизные ванны сгруппированы определенным образом или располагаются последовательно друг за другом.

Ванны оборудованы средствами охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением, которые полностью или частично являются общими для двух или нескольких ванн. Это означает, что две или несколько электролизных ванн сообща имеют одно средство охлаждения. В частности, в некоторых случаях предпочтительно действовать таким образом, чтобы одно средство нагнетания охлаждающего воздуха было общим для двух или нескольких электролизных ванн.

Краткое описание чертежей фиг. 1 изображает электролизную ванну (поперечный разрез), содержащую средства охлаждения, соединенные между собой для формирования устройства охлаждения, в соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения; фиг.2 - электролизную ванну (вид сбоку) в соответствии со способом реализации предлагаемого изобретения, показанным на фиг.1; фиг.3 - электролизную ванну (вид снизу) в соответствии со способом реализации предлагаемого изобретения, показанным на фиг.1; фиг. 4 а, в - возможные варианты реализации предлагаемого изобретения, в соответствии с которыми воздуховодные средства опоясывают электролизную ванну полностью или частично; фиг. 5 и 6 - варианты реализации предлагаемого изобретения, в соответствии с которыми одно и то же средство нагнетания воздуха является общим для более чем одной электролизной ванны.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации предлагаемого изобретения Электролизная ванна 1 (фиг.1) для производства алюминия электролизером Холла-Херулта в соответствии с предлагаемым изобретением содержит корпус 2, изготовленный из стали, элементы 3 внутреннего покрытия и катодную систему 4, а также средства охлаждения путем вдувания воздуха локализованными струями, распределенные вокруг корпуса 2.

Элементы 3 внутреннего покрытия представляют собой блоки из огнеупорных материалов, которые также могут представлять собой элементы тепловой изоляции.

Катодная система 4 содержит шины 9 подключения, на которых закреплены электрические проводники, через которые пропускают ток электролиза. Элементы внутреннего покрытия и катодная система образуют внутри ванны тигель. Тигель содержит электролитический раствор 7 и слой 6 жидкого металла, когда данная ванна находится под нагрузкой. Аноды 1 частично погружены в электролитический раствор 7. Электролитический раствор содержит растворенный глинозем или двуокись алюминия и перекрытие 8 из глинозема, покрывающее электролитический раствор.

Металлический алюминий 6, который получают в процессе электролиза, накапливается на дне ванны таким образом, что устанавливается четкая поверхность раздела между жидким металлом 6 и раствором 7 расплавленного криолита. Уровень поверхности раздела между металлом и раствором изменяется с течением времени: он повышается по мере того, как жидкий металл накапливается на дне ванны, и понижается после того, как накопленный жидкий металл выпускается из ванны.

Управление электролизными ваннами осуществляется путем контроля множества параметров, например, концентрации двуокиси алюминия в электролитическом растворе, температуры электролитического раствора, полной высоты жидкой ванны в тигле или положения анодов.

Обычно стремятся сформировать откос 5 из отвержденного криолита на части боковых стенок 12 тигля, который находится в контакте с электролитическим раствором 7 и со слоем жидкого металла 6. Стенки часто бывают образованы бордюрными или краевыми плитами, изготовленными из углеродистого материала или из материала на основе углеродистых соединений, например из огнеупоров, на основе карбида кремния SiC, и подовой массой.

Чтобы повысить эффективность средств охлаждения боковые стенки содержат предварительно сформованные блоки или предварительно сформованные грани, однородные в предпочтительном варианте реализации и изготовленные из материалов с высокой теплопроводностью, по меньшей мере более высокой, чем теплопроводность подовой массы, и еще более предпочтительно по меньшей мере равной теплопроводности обычно используемых краевых плит, изготовленных, например, из материала на основе SiC.

В предпочтительном варианте реализации электролизная ванна снабжена устройством улавливания, обеспечивающим отвод и рекуперацию газообразных выделений из электролизной ванны в процессе электролиза. Устройство улавливания и отвода выделяющихся газов содержит кожух 10, снабженный открывающимися люками доступа.

В соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения средства охлаждения содержат воздуховодные средства 28 в виде воздушных каналов 21-24, средство 25 нагнетания, предназначенное для нагнетания воздуха в воздуховодные средства, и средства 27 локализованного вдувания, которые позволяют вбрасывать воздух под давлением в виде локализованных струй. Эти средства образуют устройство 20 охлаждения.

Воздуховодные элементы 28 могут удерживаться в требуемом положении при помощи различных средств. В частности, они могут быть закреплены на элементах конструкции или на подкрепляющих элементах корпуса электролизной ванны, таких как элементы жесткости, которые могут быть модифицированы или специально адаптированы. Воздуховодные средства 28 также могут опираться на корпус ванны или расположены рядом с ним, или закреплены на плоских сторонах корпуса.

Общий расход воздуха устройством 20 охлаждения в предпочтительном варианте реализации может изменяться, например, с помощью вентилей или путем изменения производительности средства 25 нагнетания воздуха.

Расход воздуха может изменяться при необходимости индивидуально с возможностью уменьшения до нуля. Поток воздуха в некоторых случаях может быть пульсирующим.

Устройство охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением является полностью или частично съемным. В частности, воздуховодные каналы могут быть выполнены демонтируемыми и транспортабельными благодаря использованию блочной конструкции и соответствующих средств соединения.

Воздух, нагнетаемый в воздуховодные средства, вдувается на стенки корпуса ванны в определенных местах при помощи средств 27 локализованного вдувания, которые в предпочтительном варианте реализации распределены вдоль воздуховодов. Эти средства локализованного вдувания не обязательно распределяются равномерно по поверхности корпуса ванны. В некоторых случаях может оказаться предпочтительным сконцентрировать их в некоторых специфических зонах.

Средства 27 локализованного вдувания позволяют направить поток воздуха под давлением в точно определенные места корпуса ванны, например на уровень расположения электролитического раствора 7. Одно или несколько средств 27 локализованного вдувания могут быть выполнены ориентируемыми. Средства локализованного вдувания обеспечивают выбрасывание потока воздуха под давлением, вытекающего со скоростью, называемой скоростью эжекции, которая предпочтительно имеет величину в диапазоне от 10 до 100 м/с и, лучше всего, в диапазоне от 20 до 70 м/с.

Количество, расположение и размерные параметры средств 27 локализованного вдувания, мощность и производительность средства 25 нагнетания воздуха, а также конфигурация и размерные параметры воздуховодных средств 21-24 выбираются таким образом, чтобы расход воздуха был достаточным для обеспечения эффективного охлаждения, и, таким образом, чтобы гарантировать заданную мощность охлаждения на уровне предварительно определенных точек вдувания, в частности, принимая во внимание характеристики используемой воздуховодной сети.

Средство 25 нагнетания воздуха может представлять собой вентилятор, который обеспечивает нагнетание под давлением воздуха из окружающей среды, или воздуходувку со сжатым воздухом типа воздушного насоса, или систему расширения сжатого воздуха, или сеть распределения воздуха под давлением.

По соображениям обеспечения электрической безопасности в ряде случаев предпочтительным является выполнение электрической изоляции упомянутого средства 25 нагнетания воздуха от остальной части устройства охлаждения при помощи специального электроизоляционного средства 26, представляющего собой, например, участок воздуховода, изготовленный из электроизоляционного материала.

Воздуховодные каналы 21-24 могут быть изготовлены из металлических материалов, предпочтительно немагнитных, таких, например, как немагнитная нержавеющая сталь или алюминий, или из электроизоляционных материалов, например из стекловолокна, или из комбинации материалов упомянутого выше типа, например металлический воздуховодный канал, снабженный изоляционной оболочкой.

Устройство 20 охлаждения может контролироваться общей системой управления данной электролизной ванны таким образом, чтобы обеспечить более эффективное централизованное регулирование.

Электролизная ванна также может быть снабжена дополнительными средствами охлаждения, в частности статическими средствами охлаждения, например ребра охлаждения или эквивалентные средства. Чтобы повысить общую эффективность предлагаемых средств или устройства охлаждения, в некоторых случаях использования и/или в некоторых местах данной электролизной ванны предпочтительным является комбинирование эффекта охлаждения, создаваемого средствами вдувания охлаждающего воздуха, с эффектом дополнительных средств охлаждения.

В соответствии с вариантом реализации предлагаемого изобретения, схематически представленным на фиг.1-3, воздуховодные средства образуют разветвления. Это означает, что они выполнены таким образом, что основной воздуховод 21 разделяется на горизонтальные ветви, проходящие под ванной 22, вертикальные ветви, проходящие по сторонам и в головной части ванны 23, и горизонтальные ветви, проходящие по сторонам и в головной части этой ванны 24. Такая конфигурация обеспечивает удовлетворительное равновесие в системе воздуховодов и облегчает монтаж устройства охлаждения. В частности, вертикальные ветви этого устройства охлаждения могут быть установлены в промежутках между катодными шинами 9.

В соответствии с другим возможным вариантом реализации предлагаемого изобретения, схематически представленным на фиг.4, воздуховодные средства 28 охватывают или опоясывают полностью или частично корпус 2 электролизной ванны.

В соответствии с вариантами реализации предлагаемого изобретения, схематически представленными на фиг.5 и 6, единственное средство 25 нагнетания воздуха является общим для более чем одной электролизной ванны, например для двух или нескольких электролизных ванн одного завода.

Это средство 25 нагнетания воздуха распределяет поток воздуха посредством воздуховодной распределительной сети 29, содержащей общий основной канал 30 и точки присоединения к нему для каждой электролизной ванны. Эти точки присоединения могут быть снабжены вентилями, предназначенными для обеспечения возможности индивидуальной изоляции каждой электролизной ванны, и клапанами стравливания воздуха для установления равновесия в распределении воздушных потоков.

Вентили и клапаны стравливания воздуха полезны в том случае, когда необходимо выполнить на отдельной электролизной ванне или на нескольких ваннах какие-либо работы, поскольку они позволяют изолировать одну или несколько электролизных ванн, сохраняя при этом удовлетворительный расход воздуха для других ванн, подключенных к данной распределительной сети.

В рамках одного завода средства охлаждения предпочтительным образом контролируются или управляются при помощи системы регулирования, общей для более чем одной электролизной ванны. Обычно каждая такая электролизная ванна, снабженная собственными средствами охлаждения, или каждая группа таких электролизных ванн, снабженная средствами охлаждения, имеющими общие элементы (в частности, общее средство нагнетания воздуха), может управляться при помощи так называемой системы регулирования первого уровня, а вся совокупность электролизных ванн или групп ванн конкретного электролизного цеха завода может, кроме того, в целом управляться так называемой системой регулирования второго уровня.

Испытания, выполненные на электролизных ваннах с величиной тока электролиза 300 кА, были проведены с использованием устройства охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением, имеющего приведенные ниже специфические характеристики.

Как можно видеть на фиг.1-3, основной воздуховод 21 проходит в продольном направлении под корпусом 2 ванны приблизительно до его центра, а затем разделяется на три ветви 22а, 22b, 22с, располагающиеся перпендикулярно друг другу и имеющие меньшее поперечное сечение по сравнению с поперечным сечением основного воздуховода.

При этом продольная ветвь 22а проходит под корпусом ванны вплоть до другого его конца, после чего образует вертикально ветвь 23а, которая поднимается вдоль головной части ванны приблизительно до высоты расположения упомянутых краевых плит внутреннего покрытия, а затем разделяется на две горизонтальные ветви 24а, 24а', которые проходят вплоть до боковых кромок данной ванны.

Две другие поперечные ветви 22b, 22с проходят вплоть до боковых сторон корпуса ванны, после чего образуют вертикальные ветви 23b, 23с, которые поднимаются вдоль этих боковых сторон приблизительно до высоты расположения краевых плит внутренней облицовки ванны, а затем разделяются на две горизонтальные ветви 24b, 24b', 24с, 24с' с каждой стороны данной электролизной ванны, которые проходят до головной части этой ванны. При этом вертикальная ветвь 23с, эквивалентная вертикальной ветви 23а, непосредственно присоединяется к основному воздуховоду и также затем разделяется на две горизонтальные ветви 24с, 24с'.

В этих испытаниях сопла были расположены равномерным образом вдоль ветвей воздуховодов и число этих сопел составляло от 5 до 8 вдоль каждой головной части электролизной ванны и от 15 до 20 сопел на каждой боковой стороне этой ванны. Эти сопла были направлены приблизительно в направлении теоретического расположения уровня поверхности раздела между жидким металлом и раствором в большей части испытаний. Однако в некоторых испытаниях отдельные сопла были направлены на конструктивные подкрепляющие элементы корпуса ванны, которые в этом случае выступали в качестве ребер охлаждения. Воздуховоды и сопла были выполнены из стали и, в некоторой своей части, из нержавеющей стали.

Средство 25 нагнетания воздуха в некоторых испытаниях представляло собой механический вентилятор, а в других испытаниях использовался нагнетающий компрессор. Устройства охлаждения были снабжены средствами, обеспечивающими возможность изменения расхода воздуха.

Проведенные испытания показали, что устройство охлаждения оставалось достаточно эффективным при скоростях выброса потока воздуха на выходе из сопел в диапазоне примерно от 10 до 100 м/с.

Эффективность этого устройства охлаждения резко снижалась вплоть до практически полного ее исчезновения, в том случае, когда упомянутые скорости истечения потока воздуха становились меньше 10 м/с. В то же время, скорости истечения потока воздуха, превышающие 100 м/с, приводили к весьма существенным потерям давления, что требовало использования таких средств нагнетания, мощность и/или стоимость которых оказывалась недопустимо высокой. При этом наилучшие результаты были получены при скорости истечения потока воздуха, заключенной в диапазоне от 20 до 70 м/с.

Измерения температуры, выполненные при помощи термопар или пирометрических средств, показали, что данное устройство охлаждения позволяло обеспечить снижение средней температуры на величину от 50 до 100^oС по высоте боковых стенок ванны. Регулирование охлаждения легко обеспечивалось при помощи изменения расхода нагнетаемого воздуха.

Таким образом, была обеспечена возможность достижения удовлетворительной степени охлаждения при помощи вдувания воздуха в соответствии с предлагаемым изобретением, не прибегая при этом к использованию средств нагнетания и вдувания воздуха или воздуховодов, которые имели бы несоизмеримые или непропорциональные размеры и/или которые требовали бы слишком высоких, или даже неприемлемых, капиталовложений или затрат на функционирование.

Эти испытания показали также, что поток воздуха, выбрасываемого на стенки электролизной ванны и нагревающегося в результате контакта с этой стенкой, достаточно быстро растворяется в окружающей атмосфере и не приводит к существенному повышению температуры окружающего воздуха.

Проведенные испытания не выявили таких значений температуры окружающего воздуха, которые существенным образом выходили бы за рамки тех значений этой температуры, которые обычно наблюдаются в зоне расположения электролизных ванн на существующем уровне техники в данной области даже в том случае, когда обычная температура окружающего воздуха достигает своих предельных значений, как это имеет место в летний период.

Было отмечено, что уровень шума, создаваемого предложенным устройством воздушного охлаждения, оказался очень низким.

В соответствии с данным изобретением средства охлаждения позволяют обеспечить отведение и рассеивание тепловой энергии, выделяющейся в электролизной ванне, путем оптимального контроля определенных тепловых потоков, причем этот контроль может быть адаптирован к различным климатическим условиям и/или к различным условиям функционирования данной электролизной ванны, которые могут существенным образом отличаться от соответствующих номинальных или стандартных условий. Кроме того, предложенные средства охлаждения позволяют достаточно точно регулировать формирование откосов из отвержденного криолита.

Средства охлаждения или устройство охлаждения в соответствии с предлагаемым изобретением легко адаптируются к любому типу электролизной ванны и к различным условиям окружающей среды. Эти средства охлаждения легко могут быть установлены на существующие электролизные ванны, в частности, в процессе их модернизации, введения системы теплового регулирования и/или модификации их номинальной производительности.

Предлагаемое изобретение позволяет облегчить необходимые изменения мощности используемых электролизных ванн, которые позволяют соответствующим образом учитывать, например, технологические, экономические и/или контрактные требования.

В частности, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить увеличение номинальной силы тока в существующих электролизных ваннах без обычно сопутствующего этому увеличению преждевременного выхода этих ванн из строя.

На электролизном заводе по производству алюминия в соответствии с предлагаемым изобретением возможность адаптации к любой электролизной ванне средств или устройства охлаждения по данному изобретению, а также их условий функционирования позволяет оптимизировать одновременное управление несколькими электролизными ваннами, и даже всей совокупностью имеющихся электролизных ванн, создавая, в частности, одинаковый режим функционирования этих ванн.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить индивидуальный тепловой контроль электролизных ванн одного завода, что часто оказывается необходимым на заводах с высокой производительностью. Это относится к ситуации переходных фаз, которые возникают в том случае, когда некоторые электролизные ванны в одной технологической цепи имеют новую футеровку или такую футеровку, которая отличается от футеровки остальных электролизных ванн в данной технологической цепи.

Предлагаемое изобретение позволяет также обеспечить модернизацию существующих заводов без необходимости выполнения работ по изменению инфраструктуры, которые делают такие операции неприемлемыми.

Предлагаемое изобретение также позволяет продлить срок службы электролизной ванны на заключительном этапе ее эксплуатации, когда корпус этой электролизной ванны уже имеет излишне горячие точки.

Формула изобретения

1. Электролизная ванна для производства алюминия способом электролиза Холла-Херулта, содержащая изготовленный из стали корпус, элементы внутреннего покрытия и катодную систему, отличающаяся тем, что содержит средства охлаждения при помощи вдувания воздуха локализованными струями, распределенными вокруг корпуса ванны, для вбрасывания потока воздуха со скоростью 10-100 м/с, предпочтительно 20-70 м/с.

2. Ванна по п. 1, отличающаяся тем, что расход воздуха через средства охлаждения путем вдувания воздуха является изменяемым.

3. Ванна по любому из п. 1 или 2, отличающаяся тем, что средства охлаждения путем вдувания воздуха контролируются системой регулирования электролизной ванны.

4. Ванна по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что средства охлаждения путем вдувания воздуха полностью или частично являются съемными.

5. Ванна по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что средства охлаждения путем вдувания воздуха соединены для формирования устройства охлаждения.

6. Ванна по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что средства охлаждения путем вдувания воздуха содержат средства распределения воздуха, средство нагнетания воздуха, обеспечивающее нагнетание воздуха в средства распределения, и средства локализованного вдувания, позволяющие вводить воздух в виде локализованных струй.

7. Ванна по п. 6, отличающаяся тем, что расход воздуха через одно или несколько средств локализованного вдувания является изменяемым.

8. Ванна по любому из п. 6 или 7, отличающаяся тем, что одно или несколько средств локализованного вдувания воздуха являются ориентируемыми.

9. Ванна по любому из пп. 6-8, отличающаяся тем, что средства локализованного вдувания воздуха выбираются из группы средств, состоящей из форсунок, эжекторов, воронок, сопел или трубок.

10. Ванна по пп. 6-9, отличающаяся тем, что средство нагнетания воздуха выбирают из группы, состоящей из вентиляторов, воздуходувок со сжатым воздухом, систем с расширяющимся сжатым воздухом и сетей распределения воздуха под давлением.

11. Ванна по любому из пп. 6-10, отличающаяся тем, что производительность средства нагнетания воздуха является изменяемой.

12. Ванна по любому из пп. 6-11, отличающаяся тем, что средства распределения содержат воздуховодные средства типа воздушных каналов.

13. Ванна по п. 12, отличающаяся тем, что средства локализованного вдувания воздуха распределены вдоль воздуховодных средств.

14. Ванна по п. 12 или 13, отличающаяся тем, что воздуховодные средства имеют разветвления.

15. Ванна по п. 12 или 13, отличающаяся тем, что воздуховодные средства охватывают или опоясывают полностью или частично корпус ванны.

16. Ванна по любому из пп. 1-15, отличающаяся тем, что боковые стенки тигля, сформированного внутри ванны при помощи элементов внутреннего покрытия и катодной системы, имеют в своем составе предварительно отформованные блоки.

17. Установка по производству алюминия способом электролиза Холла-Херулта, отличающаяся тем, что содержит электролизные ванны в соответствии с любым из пп. 1-16.

18. Установка по п. 17, отличающаяся тем, что одна или несколько электролизных ванн имеют общее для них одно из упомянутых средств охлаждения.

19. Установка по производству алюминия способом электролиза Холла-Херулта, отличающаяся тем, что содержит электролизные ванны в соответствии с любым из пп. 6-16 и две или несколько электролизных ванн имеют общее средство нагнетания воздуха.

20. Установка по п. 19, отличающаяся тем, что общее средство нагнетания воздуха распределяет поток воздуха посредством распределительной сети, содержащей общий основной канал и точки присоединения к нему каждой из электролизных ванн.

21. Установка по п. 20, отличающаяся тем, что каждая точка присоединения снабжена по меньшей мере одним вентилем, предназначенным для изоляции соответствующей ванны в точке ее присоединения, и, по меньшей мере, имеет один клапан стравливания воздуха, предназначенный для установления равновесия при распределении потоков воздуха.

22. Установка по любому из пп. 17-21, отличающаяся тем, что средства охлаждения контролируются системой регулирования, общей для двух или нескольких электролизных ванн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6