Патент на изобретение №2245397

(54) УСТРОЙСТВО КАТОДНОЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в конструкции электролизеров для получения алюминия электролизом расплавленных солей. Техническим результатом изобретения является упрочнение подины, уменьшение толщины слоя металла на подине и межполюсного расстояния, снижение скоростей циркуляционных потоков катодного металла, снижение токовых потерь. Катодное устройство содержит футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков с каналами прямоугольного сечения. На поверхности подины выполнено электропроводное смачиваемое алюминием покрытие, каналы выполнены длиной, равной ширине шахты катодного устройства, шириной, равной 1,1-2,2 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока, и образованы боковыми продольными поверхностями углеродистых блоков и углеродистыми блоками боковой катодной футеровки. Электропроводное смачиваемое алюминием покрытие выполнено из диборида титана. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в конструкции электролизеров для получения алюминия электролизом расплавленных солей.

В промышленных электролизерах подина катодного устройства выполнена, как правило, из угольных материалов и имеет горизонтальную поверхность без выступов и впадин. В процессе электролиза от взаимодействия магнитного поля с горизонтальными токами в металле образуются циркуляционные потоки, отрицательно влияющие на технико-экономические показатели: потери металла, снижение выхода по току, повышение расхода электроэнергии.

Известен электролизер для получения алюминия (патент Швейцарии №643600 С 25 С 3/08, опубл. 15.06.1984 г. [1]), в котором для устранения вредного влияния циркуляционных потоков на подине размещают слой насыпных материалов с размером частиц >0,1 мм, толщиной 20-50 мм из TiB₂, TiC, TiN, ZrB₂, ZrN или смеси этих материалов. Уровень металла поддерживают на 1-3 мм выше слоя насыпных материалов, подина может быть изготовлена наклонной, на ней могут устанавливаться проницаемые для жидкого металла перегородки, разделяющие жидкий алюминий на отсеки, один из которых в нижней части подины оставляют свободным от насыпных материалов для извлечения из него жидкого алюминия.

Недостатки известного решения: использование дефицитных и дорогостоящих материалов (нитриды, бориды, карбиды титана и циркония), усложняется процесс чистки подины от осадков, зарастание подины.

Известен электролизер для получения алюминия, включающий анод, катод и сменные элементы из проводящего огнеупорного материала (патент Франции №2508496 С 25 С 3/06, опубл. 31.12.82 г. [2]), в котором для подавления циркуляционных потоков металла на катоде размещают сменные элементы из электропроводящего огнеупорного материала. При этом катодный блок имеет промежуточную инертную опору и активные элементы из проводящего материала, например TiB₂, которые соединены с опорой, но могут быть отделены от нее. Плотность опоры и активных элементов выше плотности жидкого алюминия. Активные элементы могут иметь форму ползунков с плоской головкой, снабженной ребрами и вертикальным отростком, и расположены в отверстиях, выполненных в опоре.

Недостатки известного электролизера: сложность монтажа, значительные материальные и трудозатраты при монтаже и обслуживании электролизеров.

Известен электролизер для получения алюминия, содержащий футерованный катодный кожух с подиной из углеродистых блоков, в котором с целью повышения выхода алюминия по току за счет снижения скорости циркуляционных потоков катодного металла, подина выполнена с каналами, образованными продольными гранями двух соседних углеродистых блоков, глубиной 0,08-0,2 и шириной верхнего основания 0,1-0,5 высоты блока (А.с. СССР №1444401, С 25 С 3/06, 1988 г. [3]).

Скорость циркуляции катодного металла снижается с 6-10 см/с до 1-2 см/с, что сопровождается увеличением выхода алюминия по току на 2-3%.

По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение принято в качестве ближайшего аналога.

Недостатки известного решения: снижение стойкости подины по межблочным швам, снижение эффективного срока службы из-за зарастания каналов осадком.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение срока службы электролизера за счет повышения стойкости подины и повышения эффективности процесса электролиза.

Техническими результатами являются: упрочнение подины без снижения электропроводности, уменьшение толщины слоя металла на подине и межполюсного расстояния, снижение скоростей циркуляционных потоков катодного металла, снижение токовых потерь за счет улучшения токораспределения в подине.

Технические результаты достигаются тем, что в катодном устройстве алюминиевого электролизера, содержащем футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков с каналами прямоугольного сечения, на поверхности подины выполнено электропроводное смачиваемое алюминием покрытие, каналы прямоугольного сечения выполнены длиной, равной ширине шахты катодного устройства, шириной, равной 1,1-2,2 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока, и образованы боковыми продольными поверхностями блоков и углеродистыми блоками боковой катодной футеровки.

Электропроводное смачиваемое алюминием покрытие выполнено из диборида титана.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Известно, что в промышленных электролизерах при эксплуатации наблюдаются отрицательные явления, снижающие технико-экономические показатели процесса электролиза. В результате взаимодействия магнитного поля с горизонтальными токами в металле возникают поперечные электромагнитные силы, являющиеся причиной образования циркуляционных потоков. Следствием существования таких потоков, которые тем сильнее, чем больше мощность электролизера, являются значительные колебания поверхности металла, окисление корольков металла, замешанных в электролит, что приводит к снижению выхода по току (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия, “Металлургия”, М., 1970 г., с.220 [4]).

В предлагаемом решении для снижения интенсивности циркуляционных потоков уменьшают силу взаимодействия магнитного поля с токами в металле, уменьшая высоту “активного” слоя металла в шахте катодного устройства электролизера путем выполнения каналов в подине. Выполнение на подине защитного электропроводного смачиваемого алюминием слоя, например из диборида титана, дает следующие результаты: повышение стойкости подины за счет снижения и предотвращения проникновения натрия в угольные блоки, улучшение токораспределения в подине, уменьшение падения напряжения в катоде, возможность уменьшения межполюсного расстояния. Использование совокупности получаемых технических результатов позволит повысить выход алюминия по току и срок службы электролизера.

Размеры выполняемых каналов позволяют производить их чистку и повысить срок их эффективной работы.

Выполнение каналов глубиной более 0,4 высоты углеродистого блока нецелесообразно из-за вероятности снижения стойкости подины и снижение срока службы электролизера.

По торцам шахты каналы выполнены более глубокими, что обеспечивает технологичную выливку металла из электролизера. В зависимости от конструктивных особенностей электролизеров, размеров углеродистых блоков, количество каналов, ширина и глубина каналов, в заявляемых пределах, могут изменяться.

Покрытие выполнено из электропроводного смачиваемого алюминием материала, например из диборида титана, и может быть нанесено различными способами при монтаже катодного устройства, а предпочтительнее, в процессе электролитического получения алюминия, путем загрузки компонентов (материала) покрытия в электролизер с расходными материалами, образования в процессе электролиза необходимых соединений (TiВ₂, ZrB₂, TiC) и высаживания их на угольную подину.

От ближайшего аналога предлагаемое решение отличается следующим:

– на всей поверхности подины выполнено электропроводное, смачиваемое алюминием, покрытие;

– дном каналов являются поверхности углеродистых блоков и верх межблочных швов, а не межблочный шов;

– размеры выполняемых каналов: длина, равная ширине катодного устройства, ширина, равная 1,1-2,2 ширины углеродистого блока, глубина, равная 0,2-0,4 высоты углеродистого блока.

Вышеуказанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения “новизна”.

Сравнительный анализ предлагаемого решения с ближайшим аналогом и другими известными решениями в данной области выявил следующее:

– известно выполнение на подине катодного устройства сменных элементов из электропроводящего огнеупорного материала, например ТiВ₂ [2];

– известно выполнение на подине каналов, образованных продольными гранями двух соседних углеродистых блоков, глубиной 0,08-0,2 и шириной верхнего основания 0,1-0,5 высоты блока [3];

– известно нанесение на углеродистые катоды покрытия из огнеупорных боридов из суспензии, состоящей из полученных заранее частиц борида в коллоидном носителе, которые сушат и нагревают для упрочнения (Патент РФ №2135643, С 25 С 3/06, 1999 г. [5]);

– известен способ создания и сохранения защитных поверхностей на углеродных катодах в электропечах для выплавки алюминия, в котором создают и сохраняют на углеродистых блоках катодного устройства защитный слой из борида титана, а источниками бора и титана в электролизере является шихта (Патент США №5618403, С 25 С 3/08, 1997 г. [6]);

– известна подина алюминиевого электролизера, в которой катодные блоки в верхней части по всей их длине имеют паз с наклонными стенками и глубиной до 1/4 полной высоты блока (А.с. СССР №281825, C 22 D 3/02, 1970 г. [7]).

Не выявлено в процессе поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся совокупностью признаков, идентичных или эквивалентных совокупности признаков предлагаемого решения и дающих при их использовании аналогичные или более высокие технико-экономические результаты, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения “изобретательский уровень”.

На фиг.1 показан поперечный разрез катодного устройства. На фиг.2 показан продольный разрез катодного устройства.

Устройство катодное состоит из металлического катодного кожуха 1, снабженного теплоизоляционной и огнеупорной футеровкой 2, боковой и торцевой футеровкой из углеродистых блоков 3 и углеродистых блоков подины 4. Углеродистые блоки 4 соединены между собой, с боковой и торцевой углеродистой футеровкой углеродистой подовой массой, которой заполнены межблочные 5 и периферийные 6 швы.

Каналы в подине образованы поверхностями углеродистых блоков подины 4, боковой и торцевой футеровками из углеродистых блоков 3 и швами 5, 6.

Подина из углеродистых блоков (также и каналы) снабжена огнеупорным электропроводным покрытием из диборида титана 7, получаемым в процессе пуска электролизера с использованием борсодержащего сырья, образующего с титаном, поступающим с сырьем, диборид, высаживающийся на подине. Поддержание такого покрытия в рабочем состоянии осуществляется подачей в работающий электролизер борсодержащих соединений.

Предлагаемая конструкция катодного устройства алюминиевого электролизера обеспечит:

1) снижение скорости циркуляционных потоков катодного металла;

2) снижение отрицательного для процесса взаимодействия магнитного поля с горизонтальными токами в металле;

3) улучшение токораспределения и снижение токовых потерь в подине;

4) уменьшение межполюсного расстояния.

Вышеуказанные технические результаты позволят снизить на 300-400 кВтч расход электроэнергии и на 1,5-2% повысить выход по току, повысить срок службы подины на 6-8 месяцев.

Формула изобретения

1. Катодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее футерованный катодный кожух и подину из углеродистых блоков с каналами прямоугольного сечения, отличающееся тем, что на поверхности подины выполнено электропроводное смачиваемое алюминием покрытие, каналы прямоугольного сечения выполнены длиной, равной ширине шахты катодного устройства, шириной, равной 1,1-2,2 ширины углеродистого блока, глубиной, равной 0,2-0,4 высоты углеродистого блока, и образованы боковыми продольными поверхностями углеродистых блоков и углеродистыми блоками боковой катодной футеровки.

2. Катодное устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводное смачиваемое алюминием покрытие выполнено из диборида титана.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.07.2005

Извещение опубликовано: 27.12.2006 БИ: 36/2006