подина алюминиевого электролизера

Формула изобретения

1. Подина алюминиевого электролизера, включающая подовые секции, огнеупорный и теплоизоляционный слой, отличающаяся тем, что огнеупорный слой выполнен из демонтированной огнеупорной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой – из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитглиноземном расплаве не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно.

2. Подина по п.1, отличающаяся тем, что теплоизоляционный слой электролизера выполнен из высокопористого графита.

3. Подина по п.2, отличающаяся тем, что в качестве высокопористого графита использован пенококс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к конструкции подин алюминиевых электролизеров.

Известна подина алюминиевого электролизера, включающая герметизирующий слой из углеродистых войлочных материалов, а основание выполнено углеграфитовым (А.с. 1708935, МПК С 25 С 3/08. Б.И. 4, 1992 г.).

Однако недостатком известного технического решения является невозможность полного предотвращения проникновения расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава в теплоизоляционный цоколь, поскольку основание подины выполнено из углеграфитовых плит, соединенных между собой швами из углеродистой массы, которые являются, как и само основание, источником частичного проникновения вышеуказанных расплавов в теплоизоляционный цоколь.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является подина алюминиевого электролизера, содержащая огнеупорный и теплоизоляционный слой. В качестве огнеупорного слоя использована жаропрочная химически стойкая железобетонная плита силикатного состава, а теплоизоляционный слой выполнен из материалов с коэффициентом теплопроводности менее 0,25 Вт/мград (А.с. 1585385, МПК C 25 C 3/08. Б.И. 30, 1990 г.).

Однако данное техническое решение не позволяет решить проблему повышения сортности алюминия в силу проникновения в процессе электролиза в расплав алюминия элементов железа и кремния. Процесс поступления элементов железа и кремния в расплав алюминия связан с достаточно высокой растворимостью огнеупорного слоя силикатного состава (железобетонной плиты) в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве, определяющей снижение сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также снижения срока службы электролизера.

Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы алюминиевого электролизера, повышении сортности алюминия по содержанию кремния и железа, а также в расширении сырьевой базы за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки.

Для решения поставленной задачи заявляемая подина алюминиевого электролизера содержит огнеупорный и теплоизоляционный слой, причем огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно. В качестве материала, из которого выполнен теплоизоляционный слой, использован высокопористый графит (пенококс).

По отношению к прототипу у предлагаемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: огнеупорный слой выполнен из демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм, а теплоизоляционный слой - из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве менее 0,03-0,05 мм/сутки соответственно.

Применение демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров в виде порошка фракции менее 2 мм при транспортировке и укладке в подину электролизера вызывает значительное пылеобразование, загрязняя окружающую среду.

Применение порошка крупнее фракции 20 мм приводит к существенному росту пористости огнеупорного слоя и, как следствие, повышает скорость протекания расплава алюминия и криолитоглиноземного расплава через огнеупорный слой (табл. 1). (Таблицы 1-4 приведены в конце описания). Увеличение размера частиц порошка более 20 мм приводит к резкому увеличению степени пропитки как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземного расплава. Повышение скорости пропитки порошка огнеупорного слоя увеличивает поступление агрессивных расплавов в теплоизоляционный цоколь и, как следствие, способствует снижению срока службы алюминиевого электролизера.

Несмотря на применение в качестве огнеупорного слоя химически стойкого железобетонного материала, степень пропитки огнеупорного слоя как расплавом алюминия, так и криолитоглиноземным расплавом по прототипу значительно выше степени пропитки огнеупорного слоя по заявляемому решению в пределах размера порошка демонтированной отработанной углеродной футеровки электролизеров от 2 до 20 мм.

Демонтированная отработанная углеродная футеровка электролизеров в виде порошка фракции 2-20 мм представляет собой смесь измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала, в частности пенококса, имеющего единую химическую составляющую - углерод. В настоящее время в известных технических решениях в катоде электролизеров в большинстве случаев используется как углеродистая, так и теплоизоляционная футеровка на основе силикатов(до 60% SiO₂). Применение теплоизоляционной футеровки в виде высокопористого графита, в частности пенококса, исключает загрязнение расплава алюминия кремнием и железом, имеющее место, например в прототипе, при использовании теплоизоляционной футеровки на основе силикатов. Сравнительный анализ химического состава расплава алюминия по содержанию примесей кремния и железа в предлагаемом устройстве подины в сравнении с прототипом приведен в табл.

Проверку химического состава расплава алюминия проводили в лабораторных условиях, моделируя подину электролизера по известному и предлагаемому устройству путем реализации процесса электролиза алюминия в графитовых тиглях. Анализ данных табл. 2 свидетельствует о существенном снижении содержания кремния и железа в алюминии по предлагаемому устройству подины в сравнении с известным, что приводит к повышению сортности алюминия.

Сравнительный анализ скорости коррозии подины по известному и предлагаемому виду ее устройства свидетельствует о существенном преимуществе предлагаемого технического решения.

Сравнительный анализ свойств предлагаемого материала с известным материалом для теплоизоляции катода свидетельствует о преимуществе пористого графита по основным физико-механическим свойствам (табл.4), уступая незначительно известному материалу по коэффициенту теплопроводности. Однако теплофизические свойства пористого графита находятся в диапазоне требуемых значений по коэффициенту теплопроводности и сопоставимы, например, со свойствами шамотных теплоизоляционных материалов (коэффициент теплопроводности-0,15-0,52 Вт/мград), широко применяемых для теплоизоляции цоколя электролизера.

Минимальная скорость коррозии высокопористого графита (пенококса) определяет безусловное увеличение срока службы электролизеров. Сравнение прогнозируемых расчетных сроков службы электролизеров в зависимости от различной скорости коррозии материалов в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве свидетельствует о преимуществе использования материалов со скоростью коррозии в вышеуказанных расплавах не более 0,03 и 0,05 мм/сут соответственно, дающих максимальный срок службы электролизеров из числа известных материалов

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами: обеспечивает повышение сортности алюминия за счет снижения содержания в расплаве алюминия кремния и железа, увеличивает срок службы электролизеров за счет резкого снижения скорости коррозии теплоизоляционного слоя, расширяет сырьевую базу за счет утилизации демонтированной отработанной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже представлен продольный разрез подины алюминиевого электролизера.

Подина состоит из угольных подовых блоков 1, огнеупорного слоя 2 из демонтированной отработанной углеродистой футеровки электролизеров фракции 2-20 мм и теплоизоляционного слоя 3, состоящего из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сутки соответственно.

Использование предложенного устройства подины алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.

Пример. На металлическое днище после подсыпки порошка отработанной демонтированной углеродной футеровки укладывают теплоизоляционный слой из материалов со скоростью коррозии в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве не более 0,03-0,05 мм/сут соответственно, в частности из высокопористого графита. Высокопористый графит в виде блоков укладывается в два слоя, после чего кожух электролизера заполняют порошком фракции 2-20 мм из демонтированной отработанной углеродной футеровки. Уплотнение порошка ведут либо катками, либо виброплитой. Затем на поверхность цоколя устанавливают подовые блоки. Средний срок службы предлагаемой подины составит по расчетам 58 мес, в то время как по прототипу - 40мес. Более высокий срок службы электролизера по предлагаемому варианту в сравнении с прототипом определяется высокой коррозионной стойкостью материала теплоизоляционного слоя в виде высокопористого графита, а также использованием в качестве огнеупорного материала отработанной демонтированной углеродной футеровки, состоящей из измельченных углеграфитовых подовых блоков и теплоизоляционного цоколя в виде пористого графитового материала. Подобная композиция огнеупорного слоя, также обладающая высокой коррозионной стойкостью в расплаве алюминия и криолитоглиноземном расплаве - соответственно 0,08 и 0,12 мм/сут, способствует увеличению срока службы электролизеров.