Способ подготовки катодного устройства перед обжигом алюминиевого электролизера

Изобретение относится к способам подготовки алюминиевых электролизеров к обжигу и пуску, в том числе после капитального ремонта. Способ подготовки катодного устройства перед обжигом алюминиевого электролизера включает установку металлического кожуха, формирование огнеупорного цоколя с последующим монтажом подовых секций и боковой футеровки, набивку швов углеродной массой, при этом перед монтажом подовых секций и боковой футеровки огнеупорный цоколь по всему объему нагревают до температуры не менее 100°С до полного удаления свободной влаги из всего объема огнеупорного цоколя, причем нагрев огнеупорного цоколя осуществляют снизу через днище металлического кожуха, либо сверху, либо одновременно снизу через металлический кожух и сверху. Обеспечивается повышение срока службы электролизера. 5 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к способам подготовки алюминиевых электролизеров и к обжигу и пуску, в том числе после капитального ремонта.

Задачей подготовки к обжигу и пуску алюминиевого электролизера является создание таких условий, при которых воздействие нагрева на катодное устройство в этот период обеспечило бы качественное формирование межблочных швов и минимальную температурную деформацию футеровки катодного устройства в целом.

Процесс подготовки к пуску считается законченным, когда прогрев анодного и катодного устройств приближается к температурам, близким к эксплуатационным (см. М.М.Ветюков, А.М.Цыплаков, С.Н.Школьников «Электрометаллургия алюминия и магния», Москва, Металлургия, 1987 г., стр.112-115 и «Справочник металлурга по цветным металлам», Производство алюминия, Москва, Металлургия, 1971 г., стр.238-247).

К недостаткам известных способов подготовки к пуску алюминиевого электролизера следует отнести следующее. В процессе нагрева катодного устройства под его угольными блоками создается значительное давление, которое образуется за счет летучих веществ, выделяющихся в процессе коксования периферийных и межблочных швов, а также, в основном, за счет паров воды, которые образуются из свободной влаги, содержащейся в огнеупорных материалах и связующих растворах, из которых выполняется футеровка. Под свободной влагой понимается химически не связанная вода, содержащаяся в материалах футеровки. Количество влаги в них колеблется в широких пределах и зависит как от времени года, когда проводится, например, капитальный ремонт, так и от характера и свойств самих огнеупорных материалов и растворов для их кладки, а также от влажности воздуха в период проведения монтажных работ. Нельзя также не учитывать характер хранения огнеупорных материалов, используемых при монтаже катодного устройства. Особенно большое количество свободной влаги содержится при формировании верхнего теплоизоляционного ряда цоколя из насыпных материалов с использованием влагоемких растворов. Из вышесказанного следует, что какие бы высокие требования по качеству не предъявляли к футеровочным материалам, используемым при монтаже катода, общее количество свободной влаги в футеровке катодного устройства в период подготовки электролизера к обжигу остается значительным. Парадокс заключается в том, что при общепринятой технологии монтажа катодного устройства чем качественнее выполняются работы на стадии набивки швов подины подовой массой (а это очень трудоемкая операция), тем больше создаются благоприятные условия для разрушения подины в период обжига и пуска электролизера.

Были проведены исследования на пусковых электролизерах, в результате которых было обнаружено, что общее количество свободной влаги, содержащейся в футеровке, колеблется от 400 до 800 литров. Можно себе представить величину разрушающих напряжений, возникающих от данного количества влаги при нагреве замурованной катодной футеровки до температур, близких к эксплуатационным (960°С и выше), учитывая, что 1 литр воды при переходе в пар занимает объем в 1600 литров, т.е. количество пара составляет от 640 до ˜1300 м³. При традиционном прогреве катода пар не имеет свободного выхода в атмосферу.

На наш взгляд, основной причиной выхода электролизера из строя, особенно в начальный период эксплуатации, является раскрытие межблочных швов из-за деформации подины («вспучивание» подовых блоков), что, в основном, происходит в процессе нагрева в период обжига и пуска электролизера.

В процессе нагрева катодного устройства пары воды и газы, образовавшиеся при обжиге межблочных швов, в значительном количестве накапливаются в теплоизоляционной футеровке, конденсируясь в зонах низких температур, т.к. снизу металлическое днище - непроницаемо, а сверху - подина ванны загерметизирована. При этом стойкость угольных материалов и огнеупоров от такого контакта снижается.

В начальный период разогрева катодного устройства часть выделившейся влаги в виде пара поступает в нижние холодные слои цоколя, где происходит ее конденсация. Поэтому в районе днища катода образуется зона пониженного давления газа по отношению к верхним слоям цоколя, в результате чего поток перегретого пара и газа направляется вниз. В нижних слоях теплоизоляционного цоколя, прилегающих к днищу, образуется застойная зона, где создаются условия для длительного контакта паров воды и воды с огнеупором, что ведет к ухудшению их теплоизоляционных свойств и к значительному снижению механической прочности нижних слоев, например, диатома. Вода присутствует в катодной футеровке в течение примерно 5 суток с начала нагрева. Огнеупорные материалы, находясь под действием влаги и высокой температуры, резко снижают свою механическую прочность. Особенно подвержены разрушению кирпичи из диатома (в нормальных условиях их прочность составляет 4-7 кг/см², а при наличии влаги и температуры снижается до 1 кг/см² и менее), что приводит практически к разрушению нижних слоев и просадке футеровки по всей ее высоте. Если учесть, что водяной пар под давлением обладает значительным разрушающим воздействием, прочность катодной подины резко снижается. В итоге трудно добиться значительного увеличения срока службы электролизеров за счет совершенствования конструкции катодного устройства и технологии его пуска без вывода влаги из катодной футеровки в процессе обжига и пуска электролизных ванн.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Способ подготовки алюминиевого электролизера к пуску», а.с. СССР №1588807, МКИ С25С 3/06 от 22.02.88 г.

Сущность известного способа заключается в том, что в процессе нагрева электролизера осуществляют удаление образующихся газов из объема полностью смонтированного катодного устройства через отверстия, выполненные в его днище.

При всех достоинствах данного способа он обладает и недостатками, главным из которых является сложное конструктивное обеспечение удаления газов через днище катодного устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы электролизера.

Техническим результатом данного предложения является снижение разрушающего воздействия на подину парогазовой смеси, образующейся в процессе термической обработки электролизера перед его обжигом и пуском.

Технический результат достигается тем, что в способе подготовки катодного устройства перед обжигом алюминиевого электролизера, включающем установку металлического кожуха, формирование цоколя из огнеупорных материалов с последующим монтажом подовых секций и боковой футеровки, набивку швов угольной массой перед монтажом подовых секций и боковой футеровки, огнеупорный цоколь по всему объему нагревают до температуры не менее 100°С до полного удаления свободной влаги из всего объема огнеупорного цоколя. При этом нагрев цоколя из огнеупорных материалов осуществляют снизу через днище металлического кожуха, или сверху, или одновременно снизу и сверху, причем температуру нагрева цоколя предпочтительно поддерживают в пределах 200-400°С, а контроль за удалением свободной влаги осуществляют по влажности с помощью гигрометров или психрометров.

Техническая сущность данного предложения сводится к максимальному удалению из катодного устройства парогазовой смеси, образующейся в процессе термической обработки электролизера перед его обжигом.

Отличие предлагаемого технического решения от прототипа заключается в том, что:

- перед монтажом подовых секций и боковой футеровки, а также набивки углеродной массой межблочных швов огнеупорный цоколь по всему объему нагревают до температуры не менее 100°С до полного удаления свободной влаги из всего объема огнеупорного цоколя;

- нагрев огнеупорного цоколя осуществляют через днище металлического кожуха, или сверху, или одновременно снизу и сверху;

- контроль за влажностью при полном удалении свободной влаги осуществляют при помощи гигрометров или психрометров.

В этом заключается соответствие технического решения критерию изобретения «новизна». Сравнение предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и с другими решениями в этой области из патентной и научно-технической информации показывает, что общеизвестен поверхностный нагрев цоколя для качественной связи с угольной подушкой (см. «Справочник металлурга по цветным металлам», Производство алюминия, М.: Металлургия, 1971 г., стр.240).

Однако неизвестно удаление газообразных продуктов сразу же после монтажа цоколя из огнеупорных материалов путем нагрева всего его объема до температуры не менее 100°С до полного удаления влаги из всего объема катодного устройства.

Также неизвестен нагрев огнеупорного цоколя через днище металлического кожуха.

Также неизвестен одновременный нагрев огнеупорного цоколя снизу через металлическое днище кожуха и сверху цоколя.

В этом заключаются существенные отличия предлагаемого решения от всех известных технических решений.

Совокупность же остальных признаков как известных, так и неизвестных, заявленных в отличительной части формулы изобретения, позволяет достичь поставленную выше задачу и получить технический результат более высокого уровня, а именно:

- снизить разрушающее воздействие газообразной влаги на подину электролизера;

- снизить время обжига катодного устройства на 10-15% относительно существующей технологии обжига;

- увеличить средний срок службы электролизера от 6 месяцев до 1 года.

В этом заключается соответствие технического решения критерию изобретения - «изобретательский уровень».

В результате выше перечисленного достигается значительный экономический эффект. Так, по данным Иркутского алюминиевого завода увеличение срока службы по заводу только за 1 месяц дает годовую экономию средств в размере 6 млн. руб.

Параметры нагрева огнеупорного цоколя выбраны из условия того, что при температуре 100°С и выше идет процесс парообразования. Максимальная температура нагрева огнеупорного цоколя в 400°С обусловлена тем, что выше этой температуры будут возникать температурные деформации катодного кожуха.

В промышленных условиях способ подготовки катодного устройства перед обжигом алюминиевого электролизера может осуществляться следующим образом.

После выполнения всех операций после установки металлического кожуха и формирования огнеупорного цоколя в соответствии с технологическими инструкциями, действующими на заводах, ведут нагрев цоколя:

- путем нагрева снизу цоколя через металлическое днище катодного устройства при помощи нагревательных устройств (электрических тенов, газовых горелок и т.д.).

- путем нагрева цоколя сверху при помощи нагревательных устройств (электрических тенов, газовых горелок и т.д.);

- путем одновременного нагрева цоколя как снизу через металлическое днище катодного устройства, так и сверху при помощи нагревательных устройств (электрических тенов, газовых горелок и т.д.). Нагрев всего объема цоколя осуществляют до температур свыше 100°С, предпочтительно до температур 200-400°С.

Продолжительность процесса нагрева определяется временем полного удаления свободной влаги. Контроль влажности удаляемой газовой фазы из-под укрытия контролируется гигрометрами или психрометрами. В зависимости от скорости нагрева и температур нагрева время по удалению свободной влаги составляет от 2 до 4 суток. После удаления свободной влаги из огнеупорного цоколя окончательно формируется подина и боковая футеровка, а затем производят окончательный обжиг с последующим пуском электролизера.

Предлагаемая технология проста в освоении и приемлема для всех типов электролизеров.

1. Способ подготовки катодного устройства перед обжигом алюминиевого электролизера, включающий установку металлического кожуха, формирование цоколя из огнеупорных материалов с последующим монтажом подовых секций и боковой футеровки, набивку швов угольной массой, отличающийся тем, что перед монтажом подовых секций и боковой футеровки нагревают огнеупорный цоколь по всему объему до температуры не менее 100°С до полного удаления свободной влаги из всего объема огнеупорного цоколя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев цоколя из огнеупорных материалов осуществляют снизу через днище металлического кожуха.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев цоколя из огнеупорных материалов осуществляют сверху.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что нагрев цоколя из огнеупорных материалов осуществляют одновременно снизу и сверху.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру нагрева цоколя предпочтительнее поддерживают в пределах 200-400°С.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль за удалением свободной влаги осуществляют по влажности, контролируемой гигрометрами или психрометрами.