Катодное устройство алюминиевого электролизера

Изобретение относится к цветной металлургии, к конструкции катодного устройства электролизера для получения алюминия и направлено на его совершенствование. Техническим результатом является повышение срока службы катодного устройства, снижение затрат на монтаж-демонтаж. Оно состоит из пространственного силового каркаса, образованного продольными силовыми элементами и поперечными силовыми элементами, футерованной металлической ванны, снабженной окнами для вывода катодных стержней. Ванна установлена внутри силового каркаса, и продольные борта ванны сопряжены с внутренними стенками поперечных силовых элементов посредством клиновидных компенсаторов, а между днищем металлической ванны и нижними элементами силового каркаса установлены термоизоляционные прокладки. Продольные борта ванны в зоне окон для вывода катодных стержней выполнены с изгибом внутрь, торцевые борта ванны выполнены вертикально по всей высоте и снабжены силовой балкой, в которой выполнены отверстия. Между горизонтальными силовыми поясами балки установлены дополнительные вертикальные ребра, образующие в совокупности с силовой балкой вентиляционные каналы. По периметру ванны сверху прикреплен фланцевый лист с вертикально установленными с наружной стороны ребрами. В составе футеровки ванны выполнены компенсационные слои из деформируемого материала, например, из керамовермикулита: слой между стенками ванны и нижней частью боковой футеровки, слой между стенками ванны и нижней частью футеровки подины. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к конструкции электролизеров для получения алюминия, и направлено на совершенствование катодного устройства.

Основными задачами совершенствования конструкции катодного устройства являются: повышение срока эксплуатации катодного устройства за счет снижения деформирующих усилий, воздействующих на элементы металлоконструкции, и повышение прочности футеровки металлической ванны.

Известно катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее металлическую ванну с днищем, смонтированную внутри каркаса, и снабженное элементами, выполненными в виде металлических накладок, расположенных ниже уровня катодных стержней, а также элементами связи, размещенными между поперечными рамами каркаса, причем, верхние края элементов связи закреплены на уровне каркаса, а нижние - на расстоянии от верха каркаса, обеспечивающем гарантированный зазор для беспрепятственного удаления из каркаса ванны с выступающими катодными стержнями (А.с. СССР № 1705413, С 25 С 3/08, 1992 г., [1]).

Использование известного решения позволит снизить трудоемкость демонтажа, сократить сроки капитального ремонта, обеспечить повторное использование каркаса.

К недостаткам известного решения следует отнести следующее:

- выполнение жесткого крепления ванны к силовому каркасу, как по продольным, так и по торцевым сторонам приводит к значительным конструктивным деформациям каркаса под воздействием термических напряжений уже в течение первой компании, что негативно скажется как на работе ванны, так и на последующих работах по демонтажу, монтажу при капитальном ремонте;

- ремонт катодного устройства осуществляется с обязательным разрушением отдельных узлов металлоконструкции;

- стенки ванны и ее днище имеют непосредственный контакт с каркасом, что является причиной возникновения дополнительных термических напряжений в каркасе, а также увеличивает теплопотери электролизера.

Известен катодный кожух алюминиевого электролизера, включающий прямоугольный короб с горизонтальными торцевыми и продольными поясами жесткости, в котором между поясами жесткости и коробом установлены дистанционные прокладки (А.с. СССР № 802402, С 25 С 3/08, 1981 г., [2]).

Недостатки известного решения:

- сложен монтаж, так как геометрическая форма ванны практически повторяет внутренний контур каркаса с небольшим зазором;

- возможно заклинивание короба при возникновении термических напряжений и его локальные деформации;

- затруднен демонтаж стенок короба из-за "приваривания" дистанционных прокладок к поясам жесткости.

Известен катодный кожух алюминиевого электролизера, включающий пространственный силовой каркас, сопрягаемый с обшивкой стенок ванны. В катодном кожухе поверхности сопрягаемых элементов выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов указанных элементов конструкций (патент РФ №2053315, С 25 С 3/08, 1996 г., [3]).

По технической сущности, конструктивному исполнению, наличию сходных, существенных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Данное техническое решение направлено на снижение вероятности зажатия ванны в силовом каркасе, а также на снижение деформационных нагрузок на каркас, обусловленных наличием термических напряжений, возникающих в футерованной ванне.

В данном устройстве упрощается монтаж-демонтаж катодного устройства, сокращается продолжительность капитального ремонта.

Вместе с тем, при такой установке ванны в силовой каркас не решается проблема снижения деформационных нагрузок на каркас и ванну в области подовых блоков, в результате чего возможно "приваривание" ванны к каркасу по сопрягаемым поверхностям. Также, увеличиваются теплопотери электролизера за счет непосредственного контакта стенок ванны с каркасом.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение срока службы катодного устройства алюминиевого электролизера, а также снижение капитальных и трудовых затрат на его монтаж-демонтаж.

Техническим результатом является снижение деформационных нагрузок термического происхождения на силовые элементы конструкции катодного устройства, повышение ремонтопригодности отдельных конструктивных узлов, а также возможность использования силового каркаса в нескольких кампаниях.

Технический результат достигается тем, что в катодном устройстве алюминиевого электролизера, включающем пространственный силовой каркас, образованный продольными и поперечными силовыми элементами, и сопряженную с ним футерованную металлическую ванну, снабженную окнами для вывода катодных стержней, и в котором сопрягаемые поверхности выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов сопрягаемых элементов, продольные борта ванны сопряжены с поперечными силовыми элементами каркаса посредством клиновидных компенсаторов, установленных с возможностью перемещения, причем, сопрягаемые поверхности силовых элементов каркаса выполнены под углом, превышающим угол трения скольжения не менее, чем на 5%, при этом, продольные борта ванны в зоне окон для вывода катодных стержней выполнены с изгибом внутрь, а торцевые борта ванны выполнены вертикальными и снабжены горизонтальными перфорированными силовыми балками и вертикальными ребрами, образующими вентиляционные каналы, а ванна снабжена фланцевым поясом с наружными вертикальными ребрами. Кроме того, поперечные силовые элементы могут быть выполнены в виде контрфорсов или шпангоутов, а клиновидные компенсаторы - полыми и/или перфорированными, при этом катодное устройство может быть снабжено прокладками из термоизоляционного материала, установленными под днищем металлической ванны, а футерованная металлическая ванна снабжена компенсационными элементами, выполненными из деформируемого материала.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Катодное устройство алюминиевого электролизера независимо от конструкции силового каркаса в процессе обжига, пуска и эксплуатации электролизера испытывает значительные термические нагрузки, следствием которых является деформация футеровки ванны и элементов металлоконструкции. Предлагаемое техническое решение направлено на снижение деформирующих нагрузок на элементы футеровки и металлоконструкции электролизера, а значит позволяет осуществлять монтаж-демонтаж электролизера с минимальной деформацией металлоконструкции и возможностью использования ее в нескольких кампаниях. Эта задача в предлагаемом изобретении решается комплексно:

- во-первых, снижаются усилия деформации, воздействующие на силовой каркас, что обусловлено возможностью перемещения ванны относительно каркаса, а значит снижением горизонтальной составляющей деформирующих сил. Для этого использованы элементы сопряжения силового каркаса и футерованной металлической ванны в виде клиновидных компенсаторов;

- во-вторых, возникающие термические деформирующие усилия снижаются интенсификацией отвода тепла от металлоконструкций катодного устройства за счет особенностей конструктивного выполнения отдельных элементов и узлов, а именно:

- ванна снабжена фланцевым поясом с наружными вертикальными ребрами;

- горизонтальные силовые балки по торцам ванны выполнены с перфорацией;

- торцевые борта ванны снабжены дополнительными ребрами;

- горизонтальные силовые балки по торцам ванны в купе с дополнительными ребрами образуют вентиляционные каналы, обеспечивающие интенсификацию естественного охлаждения металлоконструкций;

- клиновидные компенсаторы выполнены полыми и/или перфорированными, что устраняет возможность локального перегрева ванны и силового каркаса в местах установки компенсаторов;

- установка прокладок из термоизоляционного материала между днищем металлической ванны и элементами силового каркаса, что предотвращает возможность "приваривания" ванны к каркасу и устраняет локальный перегрев;

- в-третьих, возникающие в футерованной ванне термические деформирующие напряжения частично гасятся за счет увеличения прочности катодного кожуха в наиболее напряженной зоне - зоне окон для вывода катодных стержней. Упрочнение ванны обеспечивается выполнением изгиба в продольных ее бортах;

- в-четвертых, сопрягаемые поперечные силовые элементы каркаса выполнены под углом, превышающим угол трения скольжения материалов сопрягаемых элементов не менее, чем на 5%;

- в-пятых, деформационные нагрузки, возникающие из-за температурного расширения материалов футеровки, в значительной мере снижаются за счет использования в составе футеровки компенсационных элементов в виде слоев, выполненных из огнеупорного, деформируемого материала, например, керамовермикулита.

Заявленный в формуле изобретения интервал превышения угла трения скольжения сопрягаемых с металлической ванной поверхностей внутренних стенок поперечных силовых элементов каркаса обусловлен следующим.

В процессе монтажа при установке ванны в силовой каркас выполнением поперечных силовых элементов каркаса наклонными и выполненными под углом, превышающим угол трения скольжения не менее, чем на 5%, обеспечивается свободное перемещение ванны в каркасе.

В процессе обжига, пуска и эксплуатации электролизера на металлическую ванну воздействуют, в основном, горизонтальные силы, деформирующие ванну. Для сокращения факторов, препятствующих перемещению ванны в каркасе, в процессе демонтажа, а конкретнее, для снижения сил трения по поверхностям сопряжения элементов конструкции, наклон поперечных силовых элементов каркаса выполнен с превышением угла трения скольжения. При достаточно высокой чистоте сопрягаемых поверхностей, что может быть обеспечено дополнительной механической обработкой, допускается минимальное превышение угла трения скольжения, то есть 5%, а при использовании металлопроката без механической обработки с низким качеством поверхности превышение угла может достигать значения выше 5%.

Широкий интервал превышения угла трения скольжения обусловлен также различным сочетанием материалов сопрягаемых элементов, особенностями конструктивного решения катодного устройства, величиной силовых нагрузок, возникающих в ванне. В каждом конкретном случае данный угол просчитывается конструкторами.

Ближайший аналог и предлагаемое техническое решение характеризуются следующими общими признаками:

- наличием пространственного силового каркаса, сопрягаемого с футерованной металлической ванной;

- выполнением сопрягаемых поверхностей с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов сопрягаемых элементов.

В представленной авторами формуле изобретения заявляются следующие отличительные от прототипа признаки:

- продольные борта ванны сопряжены с силовым каркасом посредством клиновидных компенсаторов, установленных с возможностью перемещения;

- сопрягаемые поверхности силовых элементов каркаса выполнены под углом, превышающим угол трения скольжения не менее, чем на 5%;

- продольные борта ванны в зоне окон для вывода катодных стержней выполнены с изгибом внутрь;

- по периметру ванны сверху прикреплен фланцевый пояс с вертикально установленными с наружной стороны ванны ребрами;

- торцевые борта ванны выполнены вертикальными, снабжены горизонтальными перфорированными силовыми балками и дополнительными вертикальными ребрами, которые в совокупности с балками образуют вентиляционные каналы.

Наличие в предлагаемом техническом решении признаков, отличных от признаков ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности "новизна".

С целью определения "уровня техники" был проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. Проведенный анализ показал, что принципиально отдельные признаки объекта защиты известны:

- известна установка футерованной металлической ванны с наклонными стенками внутри силового каркаса с ответными наклонными стенками [1].

В предлагаемом решении поперечное сечение ванны имеет следующий вид: в верхней части стенки ванны выполнены вертикальными, а в нижней - наклонными;

- известна установка дистанционных прокладок между торцевыми и продольными поясами жесткости кожуха и наружными стенками кожуха для снижения теплопередачи от стенок кожуха на пояса жесткости [2].

В предлагаемом решении прокладки для снижения теплопередачи от ванны к силовому каркасу устанавливаются свободно под днищем металлической ванны;

- известен катодный кожух алюминиевого электролизера, содержащий силовой каркас, выполненный в виде железобетонной плиты с прикрепленными к ней вертикальными стойками, и установленную внутри каркаса футерованную металлическую ванну, в котором обшивка ванны связана с вертикальными стойками клиньями, а с плитой через теплоизоляционные прокладки (патент РФ № 2155824, С 25 С 3/08, 2000 г. [4]).

В известном решении клинья между силовым каркасом и обшивкой ванны используются как установочные, фиксирующие элементы, обеспечивающие жесткую установку ванны в силовом каркасе, а в предлагаемом решении клинья - компенсационные подвижные элементы катодного устройства, обеспечивающие снижение деформирующих нагрузок на ванну и силовой каркас за счет способности ванны к перемещению;

- известно катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее металлический кожух, выполненный в виде прямоугольного короба с продольными и поперечными стенками и днищем, футерованный теплоизоляционными и огнеупорными слоями, снабженное металлическими плитами, установленными между теплоизоляционным и огнеупорным слоями футеровки поперечных стенок кожуха, причем, металлические плиты выполнены переменного сечения, высотой больше высоты слоя огнеупорной футеровки и снабжены в верхней части более развитой поверхностью, выполненной из съемных элементов (а.с. СССР 456851, C 22 d 3/02, 1975 г.) [5].

Использование теплоотводящего элемента приведенной конструкции не технологично и громоздко. В предлагаемом решении использование фланцевого пояса, снабженного наружными вертикальными ребрами, не только не создает дополнительных помех в процессе технологической обработки ванны, но и значительно усиливает металлический кожух ванны;

- известен катодный кожух электролизера, содержащий металлический прямоугольный кожух с днищем, поперечные стенки которого усилены горизонтальным поясом жесткости, размещенным на уровне подины электролизера, в котором верхняя часть поперечных стенок кожуха снабжена вертикальными ребрами, жестко соединенными со стенками и поясом жесткости, внешние кромки ребер снабжены листами с образованием каналов между этими листами, ребрами и стенкой, а в верхней и нижней частях стенок каналов выполнены щели для прохода охлаждающего агента-воздуха (А.с. СССР № 555170, С 25 С 3/08, 1977 г.) [6].

В данном решении теплоотводящие вертикальные ребра, расположенные в верхней части кожуха по его продольным бортам, являются конструктивной частью охлаждающих каналов. Расположение таких многофункциональных ребер в торцевой части в сочетании с перфорацией силовых балок, как это выполнено в предлагаемом решении, гораздо эффективнее;

- известен катодный кожух алюминиевого электролизера, содержащий короб, поперечные стенки которого жестко соединены вертикальными ребрами и с наружными листами с образованием каналов между листами, ребрами и стенкой короба, который снабжен стержневыми элементами, закрепленными на наружных листах и внутренними листами, причем вертикальные ребра выполнены по всей высоте стенки, листы жестко соединены с вертикальными ребрами и жестко соединены с листами с образованием горизонтальных решетчатых поясов жесткости и дополнительно может быть снабжен стержневыми элементами, соединяющими решетчатые пояса жесткости с образованием жесткой пространственной стержневой решетки, причем вертикальные ребра жесткости выполнены составными (А.с.№№1560634, 1669997, С 25 С 3/08, 1990, 1991 гг.) [7, 8].

Конструкция каналов охлаждения в данной конструкции сложна, громоздка и малоэффективна при наличии дополнительных наружных вертикальных листов;

- известно катодное устройство алюминиевого электролизера, в котором между бортовой футеровкой и опорными элементами, на которые установлена бортовая футеровка, расположен слой сжимаемого материала (патент РФ №2096531, С 25 С 3/10, 1997 г.) [9].

В отличие от известного решения в предлагаемом решении сжимаемый (деформируемый) слой расположен в наиболее термонапряженной зоне футеровки.

В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся идентичными или эквивалентными признаками предлагаемому решению, а именно:

- сопрягаемые поверхности силовых элементов каркаса выполнены под углом, превышающим угол трения скольжения не менее, чем на 5%;

- продольные борта ванны в зоне окон для вывода катодных стержней выполнены с изгибом внутрь;

- торцевые борта ванны выполнены вертикальными и снабжены горизонтальными перфорированными силовыми балками;

- горизонтальные перфорированные силовые балки, вертикальные торцевые борта и дополнительные вертикальные ребра образуют вентиляционные каналы;

- ванна снабжена фланцевым поясом с наружными вертикальными ребрами.

Учитывая вышеизложенное и принимая во внимание то, что использование совокупности известных и неизвестных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение в объеме, представленном в формуле изобретения, позволяет выйти на новый уровень в разработке новых перспективных конструкций катодной части алюминиевых электролизеров, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 показана продольная сторона катодного устройства, на фиг.2 - торцевая сторона катодного устройства с поперечным разрезом для изображения футеровки металлической ванны, на фиг.3 показан фрагмент торцевой стороны в аксонометрии для объемного изображения вентиляционных каналов, образованных горизонтальными перфорированными силовыми балками и дополнительными вертикальными ребрами.

Предлагаемое катодное устройство алюминиевого электролизера состоит из пространственного силового каркаса, образованного продольными силовыми элементами 1 и поперечными силовыми элементами 2, а также футерованной металлической ванны 3, снабженной окнами для вывода катодных стержней 4. Ванна 3 установлена внутри силового каркаса, и продольные борта ванны сопряжены с внутренними стенками поперечных силовых элементов 2 посредством клиновидных компенсаторов 5. Между днищем металлической ванны 3 и нижними элементами силового каркаса установлены термоизоляционные прокладки 6. Продольные борта ванны 3 в зоне окон для вывода катодных стержней 4 выполнены с изгибом внутрь, торцевые борта ванны 3 выполнены вертикально по всей высоте и снабжены силовой балкой 7, в которой выполнены отверстия 8. Между горизонтальными силовыми поясами балки 7 установлены дополнительные вертикальные ребра 9, образующие в совокупности с силовой балкой вентиляционные каналы 10. По периметру ванны 3 сверху прикреплен фланцевый лист 11 с вертикально установленными с наружной стороны ребрами 12.

В составе футеровки ванны 3 выполнены компенсационные слои из деформируемого материала, например, керамовермикулита, слой 13 между стенками ванны 3 и нижней частью боковой футеровки 14, слой 15 между стенками ванны 3 и нижней частью футеровки подины 16.

Монтаж предлагаемого катодного устройства осуществляется следующим образом.

Устанавливают и монтируют основные элементы 1, 2 пространственного силового каркаса. На нижние горизонтальные внутренние поверхности силовых элементов каркаса устанавливают прокладки 6 из теплоизоляционного материала, на которые устанавливают металлическую ванну 3. Установку ванны в силовой каркас производят с использованием клиновидных полых перфорированных компенсаторов 5. После установки ванны выполняют ее футеровку.

Предлагаемое катодное устройство работает следующим образом.

При обжиге подины катодного устройства происходит термическое расширение материалов футеровки, что вызывает возникновение термических напряжений в ванне. Термические напряжения передаются от футеровки к металлической ванне и далее на пространственный силовой каркас. Горизонтальная составляющая напряжений нагретых подовых блоков и футеровки достигает компенсационных слоев соответственно 13, 15. Под воздействием возникающих усилий компенсационные слои деформируются, снижая деформационные нагрузки на металлическую ванну и на силовой каркас. Вертикальная составляющая деформации будет стремиться переместить футерованную металлическую ванну, заполненную расплавами алюминия и электролита, вверх, то есть в зону меньших силовых нагрузок. Клиновое сопряжение ванны с силовым каркасом обеспечивает подвижность сопрягаемых элементов конструкции, таким образом, клин работает как компенсатор деформаций, воздействующих на силовой каркас.

Заявленное конструктивное выполнение элементов и узлов, как металлической ванны, так и силового каркаса, а также использование клинообразных компенсаторов (полых и/или перфорированных) и прокладок из теплоизоляционного материала, установленных под днищем ванны, позволяют значительно снизить деформацию, как ванны, так и силового каркаса, интенсификацией теплоотвода предотвратить перегрев катодного устройства, устранить локальные перегревы.

В настоящее время заявляемое катодное устройство проходит опытно-промышленное испытание на электролизере с силой тока 300 кА на одном из алюминиевых заводов РФ. Предварительные результаты эксплуатации подтверждают эффективность разработанной конструкции и ее работоспособность. В ближайшее время электролизеры с заявленным катодным устройством будут установлены в новых строящихся цехах алюминиевых заводов.

1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее пространственный силовой каркас, образованный продольными и поперечными силовыми элементами, и сопряженную с ним футерованную металлическую ванну с окнами для вывода катодных стержней, в котором сопрягаемые поверхности выполнены с углом наклона не менее угла трения скольжения материалов сопрягаемых элементов катодного устройства, отличающееся тем, что продольные борта ванны сопряжены с поперечными силовыми элементами каркаса посредством клиновидных компенсаторов, установленных с возможностью перемещения, причем сопрягаемые поверхности силовых элементов каркаса выполнены под углом, превышающим угол трения скольжения не менее чем на 5%, при этом продольные борта ванны в зоне окон для вывода катодных стержней выполнены с изгибом внутрь, а торцевые борта ванны выполнены вертикальными и снабжены горизонтальными перфорированными силовыми балками и вертикальными ребрами, образующими вентиляционные каналы, а ванна снабжена фланцевым поясом с наружными вертикальными ребрами.

2. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные силовые элементы каркаса выполнены в виде шпангоутов.

3. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные силовые элементы каркаса выполнены в виде контрфорсов.

4. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что клиновидные компенсаторы выполнены полыми.

5. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что клиновидные компенсаторы выполнены перфорированными.

6. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено прокладками из термоизоляционного материала, установленными под днищем металлической ванны.

7. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что футерованная металлическая ванна снабжена компенсационными элементами, выполненными из деформируемого материала.