Способ формирования подины алюминиевого электролизера

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано при монтаже катодной части алюминиевого электролизера. Техническим результатом является повышение качества межблочных и периферийных швов за счет обеспечения оптимальной плотности их набивки, соответствующей качественным показателям подовых блоков, что обеспечивает максимальную физико-химическую прочность подины, приближенно соответствующей монолитной подине. Это обеспечивает повышение срока службы электролизера. Способ формирования подины алюминиевого электролизера включает установку подовых блоков в катодный кожух, заполнение и уплотнение межблочных и периферийных швов углеродсодержащей подовой массой. Межблочные швы уплотняют послойно до плотности, обеспечивающей показатель ультразвукового контроля подовой массы на уровне среднего значения показателя ультразвукового контроля подовых блоков, а периферийные швы уплотняют на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов, при этом заполнение и уплотнение межблочных и периферийных швов осуществляют послойно с использованием шаблонов и/или измерительных приборов, причем на боковые поверхности смежных блоков перед набойкой швов подовой массой наносят слой поверхностно-активных веществ. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано при монтаже катодной части алюминиевого электролизера.

Для безаварийной и длительной работы алюминиевого электролизера его подина должна быть достаточно прочной и однородной по физико-механическим свойствам. Поскольку подина современного электролизера формируется из десятков углеродистых блоков, то ее работоспособность зависит от качества подовых блоков и межблочных швов. Разрушение межблочных и периферийных швов при эксплуатации приводит к преждевременному выходу из строя подины и остановке электролизера.

Прочность швов зависит не только от прочности спекания используемой подовой массы с подовыми блоками, но и от степени ее уплотнения в процессе набивки межблочного пространства подины. Конечная плотность подовой массы и однородность ее уплотнения по всей высоте шва, достигаемые в процессе набивки, являются важнейшими параметрами монтажа катодной подины. Таким образом, выбор оптимальной плотности набойки подовой массы и оперативный послойный контроль ее плотности непосредственно при набойке являются актуальной задачей.

Известен способ монтажа подины алюминиевого электролизера, включающий установку подовых секций, их жесткую фиксацию по отношению друг к другу и к бортовой футеровке точечно, послойную засыпку межблочных и периферийных швов подовой массой с последующим ее уплотнением, по патенту РФ №2200212 (С 25 С 3/06, от 23.04.2001 г.). Способ монтажа подины алюминиевого электролизера. Данное техническое решение выбрано за прототип как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату.

В данном изобретении качество набивки межблочных швов обеспечивается за счет жесткой фиксации блоков между собой и к бортовой футеровке. На этапе монтажа и пуска электролизера данное решение может положительно сказаться на формировании подины. Но с выходом ванны на режим эксплуатации, который характеризуется нестабильностью протекания процесса электролиза как во времени, так и в пространстве, конкретно по площади подины, подовые блоки испытывают переменные термомеханические напряжения, вызывающие разрушение блоков. Наличие дополнительной жесткой фиксации блоков с помощью жаропрочного и химически стойкого бетона усугубляет ситуацию.

В настоящее время известен и широко используется в производстве неразрушающий метод контроля - ультразвуковой метод, информативным параметром которого является скорость (время) прохождения ультразвуковых колебаний. Данный метод позволяет оперативно контролировать не только качественные показатели подовых блоков, но и плотность подовой массы непосредственно при ее набивке.

Использование ультразвукового метода для контроля подовых блоков и подовых швов положено в основу предлагаемого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы электролизера.

Техническим результатом способа является повышение качества межблочных и периферийных швов за счет обеспечения оптимальной плотности их набивки, соответствующей качественным показателям подовых блоков, что обеспечивает максимальную физико-химическую прочность подины, приближенно соответствующей монолитной подине.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования подины алюминиевого электролизера, включающем установку подовых блоков в катодный кожух, набивку межблочных и периферийных швов послойным заполнением и уплотнением углеродсодержащей подовой массой, межблочные швы уплотняют до плотности, обеспечивающей показатель ультразвукового контроля подовой массы на уровне среднего значения показателя ультразвукового контроля подовых блоков, а периферийные швы уплотняют на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов, при этом заполнение и уплотнение межблочных и периферийных швов осуществляют послойно с использованием шаблонов и/или измерительных приборов, причем на боковые поверхности смежных блоков перед набойкой швов подовой массой наносят слой поверхностно-активных веществ.

Техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно, что основным видом разрушений, предопределяющим выход катода из строя, является деформация подины, сопровождающаяся раскрытием межблочных швов (как правило, центральных), разрушением подовых блоков по перевязке при использовании парных (длинных и коротких) подовых блоков, а при использовании моноблоков преимущественно торцевых швов. Отрицательное воздействие термомеханических нагрузок, возникающих в подине при ее обжиге, пуске и в процессе эксплуатации электролизера, можно значительно снизить за счет оптимального подбора плотности межблочных швов в зависимости от термомеханических свойств соответствующих блоков. В этом случае и блоки, и шов будут адекватно реагировать на термомеханические изменения в подине.

Что касается межблочных и периферийных швов, то снизить их разрушающее воздействие на подины можно за счет оптимального уплотнения массы в швах. Под воздействием вибрации уплотняемая угольная масса приобретает большую подвижность за счет уменьшения коэффициента внутреннего трения среды. В результате этого угольная масса приобретает свойство текучести, что позволяет ей заполнить как межблочный шов, так и уплотнить боковую поверхность блоков. Однако внешнее воздействие на массу должно быть лимитировано достижением оптимальной плотности набойки, так как холоднонабивная подовая масса (ХНПМ) даже до обжига подины является структурированной системой и избыточное механическое воздействие может лишь ухудшить качество шва из-за разрушения структуры пеко-коксовой композиции, а недостаточное уплотнение привести к низкому уровню термомеханических свойств.

В предлагаемом решении для контроля качества межблочного шва, как и для подовых блоков в вышеупомянутой заявке, эффективно использовать ультразвуковой контроль. Авторами проведены исследования и получены практические результаты о влиянии плотности набивки подовой массы на ее показатель ультразвукового контроля, а также установлена зависимость оптимальной плотности набойки ХНПМ от времени прохождения ультразвука в подовом блоке. Эта зависимость может носить как линейный, так и нелинейный характер для всех поставщиков блоков и подовой массы, при этом соотношения абсолютных величин исследуемых показателей для различных поставщиков различные. Поэтому для каждого конкретного поставщика комплектующих частей подины электролизера (блоки, подовая масса) необходимо предварительно провести испытания с целью получения указанной выше зависимости. Так, например, на чертеже приведена данная зависимость для ХНПМ и подовых блоков ЧЭЗа. Основой выбора плотности набивки межблочных швов являются данные по ультразвуковому контролю используемого набора блоков, для которого рассчитывается среднеарифметическое значение данного показателя, и по соответствующему графику определяется оптимальная плотность набойки межблочных швов. Периферийные швы рекомендуется уплотнять на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов для снижения горизонтальных токов в подине.

Авторы предлагают осуществлять контроль плотности набивки шва послойно с использованием шаблонов и/или измерительных приборов. Этим обеспечивается равномерность набойки по высоте шва.

Данный подход к формированию межблочных и периферийных швов принципиально отличается от прототипа. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Для определения соответствия критерию «изобретательский уровень» был проведен поиск по технической и патентной литературе. Анализ отобранной информации показал, что принципиально отдельные признаки объекта защиты известны:

1) послойность в набойке межблочных и периферийных швов также известна и является общепринятой практикой, зафиксированной в заводских технологических инструкциях на монтаж и капитальный ремонт электролизеров, но послойного контроля качества набойки ультразвуком не выявлено;

2) использование шаблонов и/или измерительных приборов контроля также широко распространено в технике.

При этом такие признаки формулы изобретения, как подбор оптимальных термомеханических свойств подовых швов к подовым блокам, а также понижение плотность набойки периферийных швов на 0,5-15% являются новыми признаками.

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлен способ, характеризующийся признаками, тождественными всей совокупности отличительных признаков заявленного способа, направленной на достижение технического результата.

Таким образом, известные признаки в совокупности с неизвестными позволяют достичь технический результат более высокого уровня, а именно: реализовать идею оптимального подбора термомеханических свойств блоков и межблочных швов, техническим результатом чего является создание приближенно монолитной и равномерно термонагруженной подины.

В формуле изобретения заявлено абсолютное значение величин, касающихся плотности набойки периферийных швов, а именно: «...периферийные швы уплотняют на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов».

Заявленный интервал обосновывается следующим:

- прослабление периферийного шва осуществляется с целью улучшения токораспределения по катоду за счет сокращения горизонтальных токов и компенсации расширения подовых блоков. Эффект в токораспределении наблюдается уже при снижении плотности набивки шва на 0,5% по сравнению с межблочными швами. Снижение плотности набивки ниже 15% приводит к снижению термомеханической прочности периферийного шва, что повышает вероятность его преждевременного разрушения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для конкретного завода, использующего в монтаже катода подовые блоки и подовую массу конкретных поставщиков, определяется зависимость (в виде графика) оптимальной плотности набойки ХНПМ от времени прохождения ультразвука в подовых блоках. В описании приведена графическая зависимость для ХНПМ производства ЧЭЗа. Применительно к ней будет рассмотрен пример реализации способа на ИркАЗе.

Пример

Для монтажа катодной части электролизера С8БМ взято 30 подовых блоков, прошедших контроль ультразвуком. Время прохождения ультразвука в блоках колеблется от 220 до 280 мкс. Для данного набора блоков рассчитано среднеарифметическое значение показателя ультразвукового контроля, равное 260 мкс. Из приведенного графика для массы ЧЭЗа оптимальная плотность набойки межблочных швов ˜ 1,58 т/м.

Согласно утвержденной на ИркАЗе «Технологической инструкции по набойке подин электролизеров массой подовой холоднонабивной» (ТИ 25-48-03-2003) набойка осуществляется послойно восемью или девятью слоями. Для каждого слоя для визуального контроля уплотнения массы созданы шаблоны. По завершении уплотнения очередного слоя осуществляют ультразвуковой контроль плотности набойки с применением приспособления, изготовленного на базе универсального ультразвукового прибора «Пульсар - 1.0» (изготовитель - научно-производственное предприятие «КАРАТ»).

Набойка периферийного шва осуществляется таким же образом с изменением лишь плотности набойки, а именно: на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов.

Рекомендуемый способ формирования подины обеспечивает подину с максимальной термомеханической прочностью для любого конкретного набора блоков, причем без каких-либо капитальных затрат, при незначительном увеличении трудозатрат.

Испытания заявляемого способа показали, что по сравнению с электролизером-прототипом срок службы опытного электролизера увеличится на 5-20%, а также снизится выход низкосортного металла, расход электроэнергии сократится приблизительно на 2%.

1. Способ формирования подины алюминиевого электролизера, включающий установку подовых блоков в катодный кожух, набивку межблочных и периферийных швов послойным заполнением и уплотнением углеродсодержащей подовой массой, отличающийся тем, что межблочные швы уплотняют до плотности, обеспечивающей показатель ультразвукового контроля подовой массы на уровне среднего значения показателя ультразвукового контроля подовых блоков, а периферийные швы уплотняют до плотности на 0,5-15% ниже плотности межблочных швов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на боковые поверхности смежных блоков перед набойкой швов наносят слой поверхностно-активных веществ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение и уплотнение межблочных и периферийных швов подовой массой осуществляют с использованием шаблонов и/или измерительных приборов.