Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия



Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия
Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия

 


Владельцы патента RU 2593247:

Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)

Изобретение относится к способу футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами. В способе, включающем кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя, совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, перед засыпкой теплоизоляционный материал смешивают с мелкодисперсными органическими частицами. Обеспечивается снижение стоимости футеровочных материалов и сокращение энергозатрат за счет стабилизации теплофизических характеристик теплоизоляции катодного устройства электролизера. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к технологическому оборудованию для производства первичного алюминия электролизом, а именно к способам футеровки катодных устройств электролизеров.

Известен способ футеровки катодного устройства электролизера для получения первичного алюминия, включающий монтаж теплоизоляционного слоя в виде последовательной засыпки и уплотнения глубоко прокаленного глинозема в кожухе катодного устройства в два слоя с различной плотностью - верхнего с плотностью 1,2-1,8 т/м3, нижнего 0,8-1,1 т/м3, кладку барьера из огнеупорных кирпичей, монтаж подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой (Авторское свидетельство СССР №1183564, МПК C25C 3/08, опубл. 07.10.1985 г.).

Недостатками такого способа футеровки является высокая стоимость глубоко прокаленного глинозема, предварительно подвергаемого кальцинации при температурах более 1200°C, рост энергозатрат в процессе работы электролизера вследствие нестабильности температурных полей в катодном устройстве из-за проникновения компонентов электролита по межкирпичным швам огнеупорного слоя и изменения теплофизических характеристик нижерасположенного теплоизоляционного слоя, высокие трудозатраты при кладке огнеупорного слоя, а также более высокие тепловые потери из-за большого коэффициента теплопроводности уплотненного слоя из α-А12O3.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия, включающий кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку теплоизоляционного слоя в кожух катодного устройства, формирование огнеупорного слоя, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, в котором при засыпке теплоизоляционного слоя используют неграфитированный углерод или порошок алюмосиликатного или глиноземистого состава, предварительно перемешанный с неграфитированным углеродом, а формирование огнеупорного слоя осуществляют засыпкой порошка алюмосиликатного состава и его уплотнением вибропрессованием до получения кажущейся пористости огнеупорного слоя не более 17% (Патент РФ №2385972, МПК C25C 3/08, опубл. 10.04.2010 г.).

Недостатками такого способа футеровки являются повышенные энергозатраты при производстве алюминия вследствие высоких тепловых потерь катодного устройства электролизера из-за относительно высокого коэффициента теплопроводности уплотненного теплоизоляционного слоя из неграфитированного углерода или порошка алюмосиликатного или глиноземистого состава, предварительно перемешанных с неграфитированным углеродом.

В основу изобретения положена задача разработки способа футеровки, обеспечивающего снижение стоимости футеровочных материалов, сокращение энергозатрат при работе электролизера.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является улучшение теплофизических и экономических характеристик теплоизоляции катодного устройства электролизера.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающем кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя, совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, перед засыпкой теплоизоляционный материал смешивают с мелкодисперсными органическими частицами.

Предлагаемый способ дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению указанного технического результата.

При совместном уплотнении огнеупорного и теплоизоляционного слоев теплоизоляционный материал, смешанный с мелкодисперсными органическими частицами, уплотняют до плотности от 600 до 800 кг/м3. В качестве неграфитированного углерода используют полукокс бурого угля (ПБУ), вещественный состав которого на 94% состоит из углерода, пористостью 50-60%, а выход летучих веществ не превышает 7-10%. В качестве неграфитированного углерода может быть использован древесный уголь, вещественный состав которого на 95% состоит из углерода, пористость достигает 70-80%, а выход летучих 3-12%.

Гранулометрический состав засыпаемого ПБУ имеет не более 5% частиц менее 0,1 мм и не менее 10% частиц с размерами, превышающими 1 мм, что обеспечивает насыпную плотность не более 510 кг/м3.

В качестве мелкодисперсных органических частиц используют древесную муку или опилки с размерами частиц не более 1 мм при их содержании от 5 до 20% от общей массы теплоизоляционного слоя.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».

Применение способа футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающего кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода с мелкодисперсными органическими частицами, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя, совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, при этом уплотнение огнеупорного слоя, состоящего из порошка алюмосиликатного состава, проводят до получения кажущейся пористости огнеупорного слоя не более 17%, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой обусловлено следующими обстоятельствами.

Введение в полукокс бурого угля мелкодисперсных органических частиц обеспечивает снижение стоимости футеровочных материалов из-за более низкой цены древесной муки или тонкомолотых опилок по сравнению с полукоксом бурых углей. Так, в настоящее время цена мелкодисперсных органических частиц (древесной муки или опилок) в зависимости от их качества и способа их упаковки ниже стоимости полукокса бурого угля от 3 до 30 раз.

Сокращение энергозатрат при работе электролизера достигается повышением теплового сопротивления нижней части катодного устройства электролизера, а именно сокращением потерь теплоты теплопроводностью. Как известно, основными свойствами, влияющими на теплопроводность, являются не только общая пористость, но и размеры и формы пор, характер структуры и минералогический состав. Микропористые изоляционные материалы с порами менее 0,1 мкм имеют самую низкую теплопроводность в области низких и средних значений температур. Именно поэтому большое количество газовых оболочек, образующихся в результате пиролиза частиц древесной муки или тонкомолотых опилок, обеспечивают снижение тепловых потерь и сокращение размеров настылей на поверхности подовых блоков, затрудняющих прохождение электрического тока в катодном устройстве электролизера и увеличивающих энергозатраты при получении алюминия.

Однако высокая пористость теплоизоляционного материала обуславливает не только низкие значения коэффициента теплопроводности, но и снижение механической прочности. Поэтому наряду с низким значением коэффициента теплопроводности к слоям теплоизоляции предъявляются требования обеспечения необходимой прочности на сжатие под нагрузкой 1,5 МПа, при которой величина усадки не превышает 10%.

Специальными экспериментальными исследованиями деформационных и теплофизических свойств полукокса бурого угля и его смесей с мелкодисперсными древесными частицами были определены оптимальные соотношения между смесевыми компонентами, обеспечивающими минимальные коэффициенты теплопроводности при условиях допустимой усадки.

Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом. На фиг. 1 представлены результаты исследований коэффициента теплопроводности полукокса бурого угля и его смесевых композиций с мелкодисперсными органическими частицами (выгорающими добавками), а на фиг. 2 приведены значения относительной усадки смесей плотностью 600±2 кг/м3, обожженных при температуре 800°С.

Для оценки теплопроводности в лабораторных условиях использовался метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом МИТ-1 по ГОСТ 30256-94. Исследованию подверглись композиционные составы полукокса бурого угля (ПБУ) с древесными мелкодисперсными частицами (ДМЧ) или муки древесной (МД). Составы исследуемых смесей представлены в таблице 1.

На фигуре 1 приведены графики зависимости теплопроводности для составов ПБУ+ДМЧ и ПБУ+МД от степени уплотнения. Видно, что с увеличением количества выгорающих добавок коэффициент теплопроводности снижается. Так, при плотности 600 кг/м3 ввод 20% выгорающих добавок в виде древесной муки приводит к снижению коэффициента теплопроводности с 0,12 для ПБУ до 0,07 Вт/(мК), т.е. на 41%.

На фигуре 2 приведены деформационные графики, из которых следует, что относительная деформация смеси с плотностью 600±2 кг/м3, состоящей из 85% ПБУ и 15% ДМЧ, обожженной при Т=800°C и давлении 1,5 МПа, составляет 10%. При карбонизации выгорающих добавок, помимо нежелательных процессов - возможной обжиговой усадки и разупрочнения, следует ожидать уменьшения теплопроводности в смесях, по крайней мере, за счет увеличения пористости материала.

Действительно, например, для состава №6 при плотности 600 кг/м3 коэффициент теплопроводности при комнатной температуре λ=0,119 Вт/(мК), после термообработки при 800°C коэффициент теплопроводности уменьшается до λ=0,104 Вт/(мК).

Предлагаемые параметры являются оптимальными. Более высокое чем 20% содержание выгорающих добавок в смеси с плотностью от 600 до 800 кг/м3 может привести к недопустимой усадке неформованных материалов и повреждению конструкции катода электролизера, а содержание меньше чем 5% технически и экономически неоправданно. Плотность теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода и мелкодисперсных органических частиц, более 800 кг/м3 неоправданна из-за уплотнения межчастичных контактов ПБУ.

Фотографии, показывающие относительную усадку при насыпной плотности после термообработки при t=800°С - для состава БПК исходный (85%)+ДМЧ (15%), приведены на фигуре 3. При такой температуре происходит карбонизация (обугливание) древесных частиц, протекающая с большим уменьшением объема, вследствие этого идет процесс самоуплотнения и усадки смеси. Естественно полагать, что усадка, происходящая при термообработке, вследствие карбонизации ДМЧ будет зависеть от начальной плотности составов (степени уплотнения), поскольку от этого зависит и количество кислорода в смеси. Чем выше содержание ДМЧ, тем более высокую степень уплотнения необходимо обеспечить во избежание значительной усадки при термообработке, но с другой стороны, чрезмерное уплотнение смеси приведет к росту коэффициента теплопроводности.

Предлагаемый способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами по сравнению с прототипом позволяет снизить стоимость футеровочных материалов и сократить энергозатраты при работе электролизера за счет улучшения теплофизических свойств теплоизоляции в катодном устройстве электролизера.

1. Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающий кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя и совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, отличающийся тем, что перед засыпкой теплоизоляционный материал смешивают с мелкодисперсными частицами из древесной муки или опилок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при совместном уплотнении огнеупорного и теплоизоляционного слоев теплоизоляционный материал, смешанный с мелкодисперсными органическими частицами, уплотняют до плотности от 600 до 800 кг/м3.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неграфитированного углерода используют полукокс бурого угля или древесный уголь.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что древесная мука или опилки имеют размеры частиц не более 1 мм и их содержание составляет от 5 до 20 мас. %.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к катодному блоку и катоду алюминиевого электролизера. Катодный блок имеет базовый слой, содержащий графит, и размещенный на нем покровный слой, выполненный из графитового композитного материала, содержащего от 1 до 50% по весу твердого материала с температурой плавления по меньшей мере 1000°С и имеющего толщину от 50 до 400 мкм.

Изобретение относится к катодному блоку и катоду алюминиевого электролизера. Катодный блок для алюминиевого электролизера содержит основной слой из графита и расположенный на нем верхний слой, выполненный из углеродного композиционного материала, содержащего от 15 до менее чем 50 вес.% твердого материала с температурой плавления по меньшей мере 1000°C и имеющий толщину от 50 до 400 мкм.

Изобретение относится к электролизеру для получения алюминия (варианты) и способу получения алюминия в алюминиевом электролизере. Электролизер содержит анод, катодный узел, имеющий катодный блок с пазом в нем и токоотводящий подузел, по меньшей мере, частично расположенный в упомянутом пазе и выполненный с возможностью расширения в поперечном направлении с обеспечением сопряжения его с пазом посредством устройства осевого сжатия, прилегающего к концу токоотводящего подузла, выполненного с возможностью приложения осевой силы к концу токоотводящего подузла и расположенного полностью вне токоотводящего подузла.

Изобретение относится к укрытиям для улавливания газов, выделяющихся в процессе электролиза, электролизеров с обожженными анодами для производства алюминия. Укрытие содержит горизонтальный настил, выполненный с П-образными проемами для анододержателей, и П-образную раму, установленную по каждому П-образному проему с торцевой и боковых сторон соответственно, жестко закрепленную на торце П-образного проема уплотнительную планку, жестко закрепленные на боковых сторонах П-образного проема направляющие, в которых с возможностью перемещения закреплена П-образная рама.

Изобретение относится к способу изготовления катодного блока алюминиевого электролизера. Способ включает приготовление исходных материалов, содержащих два сорта кокса с различными характеристиками изменения объема, формование катодного блока, карбонизацию, графитизацию и охлаждение, во время которых в одном и том же температурном диапазоне первый сорт кокса имеет более сильные усадку и/или расширение, чем второй сорт кокса.

Изобретение относится к катодной подине, способу ее изготовления и применения в электролитической ячейке для производства алюминия. Катодная подина содержит по крайней мере два катодных блока и/или по крайней мере катодный блок и боковой облицовочный блок, размещенные на заданном расстоянии с образованием по крайней мере одного зазора, материал для межблочного соединения, представляющий собой по крайней мере одну предварительно уплотненную пластину из расширенного графита, заполняющий зазор с возможностью присоединения по крайней мере к одному катодному блоку.
Изобретение относится к способу получения катодного блока электролизера для получения алюминия. Способ включает заготовку исходных материалов, содержащих кокс и порошок твердого материала, как, например TiB2, а также, при необходимости, углеродсодержащего материала, перемешивание исходных материалов, формование катодного блока, карбонизацию, графитизацию и охлаждение, при этом графитизацию проводят при температурах от 2300 до 3000°C, в частности от 2400 до 2900°, причем второй слой получают с толщиной, составляющей от 10 до 50%, в частности от 15 до 45%, от общей толщины катодного блока.

Изобретение относится к способу футеровки катодного устройства при монтаже катодных устройств электролизеров для производства первичного алюминия. Способ включает засыпку порошкообразного материала в катодный кожух электролизера, разравнивание его с помощью рейки, укрытие засыпанного материала пылеизолирующей пленкой и уплотнение, осуществляемое в два этапа: предварительного статического и окончательного динамического воздействия путем последовательного перемещения рабочих органов статического и динамического уплотнения вдоль продольной оси катода алюминиевого электролизера через упругую прокладку, выполненную из не менее чем двух слоев: нижнего, предотвращающего выдавливание порошкообразного материала вперед по ходу движения и верхнего, обеспечивающего сцепление прокладки с рабочим органом статического уплотнения, при этом динамическое воздействие осуществляют виброблоком, соединенным с блоком статической обработки посредством упругих элементов с возможностью одновременного перемещения относительно горизонтальной и вертикальной осей.

Изобретение относится к конструкциям электролизеров для получения алюминия. Электролизер содержит катодное устройство, имеющее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, на угольной подине по периметру анода расположены тумбы, или поплавки, стойкие к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, причем верхняя поверхность тумбы или поплавка выступает выше уровня катодного алюминия и тумбы или поплавки можно перемещать и/или заменять при необходимости.
Изобретение относится к углеродному изделию, которое производят обжигом смеси, содержащей, по меньшей мере, кокс. Кокс представляет собой кокс с низкой графитируемостью.
Наверх