Катодное устройство алюминиевого электролизера

(СН) и Раул Йэого анн раз ция час 8,8)633055,ублик. 1977,ел УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ(53) 669.713,7 (О 56) Патент ФРГ Укл. С 25 С 3/06 о КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АП 10 МИНИЕВОЕКТРОЛИЗЕРАИзобретение относится к констям катодных устройств алюминиеэлектролизера, Цель изобретеповышение срока службы катод- устройства, На днище стальнойрасположена изоляция 2, обющая фундамент, и боковая изоля"На ней расположена нижняя5 углеродистой футеровки с заными или залитыми в нее желез1308201 Цель изобретения - повышение срока службы катодного устройства.На фиг.1 изображено схематически вертикальное сечение стенки элект ролизера, вид сбоку; на Фиг. 2 - вертикальный разрез через боковую область ячейки для электролиза расплава для получения алюминия," на Фиг. 3 - частичный вертикальный раз рез в области слоя с незначительной прочностью на сдвиг после первого растрескивания на Фиг, 4 - вырез по Фиг. 3 после растрескивания; на фиг.5 - вырез по Фиг. 3 и 4 после обра зования сквозной трещины в слое с незначительной прочностью на сдвиг,Ячейка для электролиза расплава для получения алюминия содержит наружную стальную ванну 1. В последней 25 заделаны нижняя изоляция 2 и боковая изоляция 3. На днище 4 ванны 1 расположена нижняя изоляция 2, образующая Фундамент, а на ней расположена нижняя часть 5 углеродистой Фу теровки с заделанными или залитыми в ней железными слитками 6, служащими катодом, На горизонтально ограниченной краевой эсне нижней части 5 углеродистой Футеровки расположен 35 слой 7 с. незначительной прочностью на сдвиг, толщина которого составляет приблизительно 8 см. Между слоем 7 и нижней частью 5 углеродистой ФуВнутри стальной ванны 1 размещены на уровне верхней области дна уг 1леродистой Футеровки поджатые хрустящие элементы" 10, опирающиеся навыпуклость стальной ванны 1,пХрустящие элементып 1 О оказываютрасширяющейся нижней части 5 углеродистой Футеровки постоянное независимое от пути сопротивление.Между боковой изоляцией 3 и верхней частью 8 углеродистой футеровкирасположен очень хорошо проводящийтеплослой, выполненный в виде приемной зоны 11, Последняя проходит ввертикальном направлении вниз за границы слоя 7 с незначительной прочностью на сдвиг и распространяетсячастично вдоль нижней части 5 углеродистой футеровки,На Фиг.2 боковая часть стальнойванны 1 замещена эластичной стеной12, Для этого можно использовать,например, ткани из углеродных волокон, комбинированные послойно в виде сэндвичструктуры" с металлическими пленками. Размещенные вне эласными блоками б, служащими катодом,На нижней части 5 углеродистой Футеровки находится слой материала 7 снизкой прочностью на сдвиг. Толщинаэтого слоя составляет 8 см. Междуслоями 7 и 5 расположена невидимаяподложка из углеродного войлока, Наслой 7 с незначительной прочностьюна сдвиг наклеена верхняя часть 8углеродистой футеровки. Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9,Этим обеспечивается изоляция бортаИзобретение относится к металлургии алюминия и направлено на совершенствование конструкции катодного устройства алюминиевого злектролизера. 5 1 ванны от воздействия кислорода. Внут"ри стальной ванны 1 размещены "хрустящие элементы" 10, Они оказываютсопротивление расширению нижней части 5 углеродистой Футеровки. Междубоковой изоляциеи 3 и верхней частью8 углеродистой Футеровки расположенслой 11, хорошо проводящий тепло.Срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера увеличиваетсяблагодаря повышеннойпрочности комби-,нированной футеровки . 7 з.п. ф - лы, 5 ил. теровки находится невидимая подложка из углеродного войлока, которая наклеена на нижннзо часть 7 углеродистой Футеровки.На слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наклеена верхняя часть 8 углеродйстой футеровки, которая выступает сбоку за границы нижней части, Самую верхнюю зону образуют каменные блоки 9, Этим обеспечивается изоляция борта ванны от воздействия кислорода,Качество углерода: чем вьппе степень графитизации, тем меньше увеличение объема.Разбухающая углеродистая футеровка нажимает на тепловую изоляцию итем самым на стальную ванну. Вследствие этого стальная ванна может испытывать необратимые доформации, которые нагружают на нее до пластического состояния стали и могут вызватьее растрескивание,По мере старения ячейки возрастает склонность углеродистого дна ккороблению, при котором образуютсятрещины. Жидкий алюминий может проникнуть через эти трещины и разрушить железные слитки, служащие катодом, которые отводят электрическийпостоянный ток. Разрушение футеровки ячейки может достигнуть такой степени, что жидкий алюминий вытекаетиз ячейки. В этом случае ячейку следует в общем преждевременно вывестииз действия, последствием чего является дорогостоящий ремонт. Кроме того, остановка ячейки связана с производственными потерями,Согласно изобретению в зоне электролита расположен горизонтально попериметру слой, разделяющий углеро 3 13082 тичной стены 12 поджатые "хрустящие элементы" 10 состоят (фиг.1) из пакетов вертикально расположенных пластически деформируемых труб, Неподвижная опора 13 подпирает "хрустящие элементы" 10, предотвращая их движение наружу, Между эластичной стеной 12 и боковой изоляцией 3 может быть расположен скользящий слой,иНа фиг. 3 показан блок 7 из вспененных углеродных волокон, обладающий незначительной прочностью на сдвиг, который наложен на углеродный войлок 14. Из-за различного расшире 5 ния нижней 5 и верхней 8 частейуглеродистой футеровки слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг поддался первому растрескиванию. В трещины попал жидкий электролит 15, кОтО рый частично затвердел.Согласно фиг, 3 слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг растрескивается один раз, а согласно фиг.4 - много раз. После неоднократного растрескивания упомянутого слоя углеродный войлок 14 частично растворился, а затвердевающий электролит продвинулся вперед в направлении наружу.На фиг.5 весь затвердевающий электролит проникнул через слой 7 с незначительной прочностью на сдвиг наружу и затвердел в приемной зоне 11.На фиг.3-5 показан эффект самоэа 35 лечивания заданного места разрыва на электролизерах с различными размерами отдельных деталей: ванна, содержащая расплавленный электролит и выделенный жидкий алюминий. может растрескиваться только в одном месте в области слоя 7 с незначительной прочностью на сдвиг. В этой области находится только расплавленный электролит, но металл в ней отсутствует. 45 Выходящий через трещины в слое 7 электролит затвердевает. Хотя он продвигается в возрастающей мере вперед в направлении наружу, однако, он всегда оказывает самозалечивающее действие, поскольку затвердевший материал предотвращает выход подтекаю- щего материала.Для получения алюминия путем электролиза расплава Окиси алюминия 55 последняя растворяется в расплаве фторида, состоящем большей частью из криолита, Выделяющийся на катоде алюминий собирается под расплавом 01 4фторида на угольном дне ячейки, причем поверхность жидкого алюминия образует катод, В электролит погружаются сверху аноды, состоящие в общепринятых способах из аморфного угле,рода, На угольных анодах образуется вследствие электролитического разложения окиси алюминия кислород, который соединяется с углеродом анодовв СО и СО. Электролиз осуществляетОся при температурах около 940-970 С,Во время эксплуатации объем углеродистой футеровки значительно увеличивается, Это увеличение объемаобусловлено проникновением компонентов электролита. Под такими компонентами подразумеваются, например, натрий или соли, из которых составленрасплав фторида, а также хиМическиесоединения, полученные известнымиреакциями из расплава фторида,Кроме того, известны в особенности два существенных влияющих фактора, которые управляют во время эксплуатации разбуханием катодного угля.Приложенная плотность тока: чемвыше плотность тока, тем больше увеЛичение объема,01 5 13082дистую Футеровку на нижнюю и верхнюючасти и состоящий из стойкого притемпературах до 1000 С и устойчивоого к действию электролита материала,прочность на сдвиг которого значительно меньше, чем прочность на сдвигуглеродистой Футеровки,Согласно этой конструкции боковая стена углеродистой Футеровки является разделенной. Электрическое Юполе между служащими катодом слитками и анодами проходит через дно инижнюю часть боковой стены углеродистой Футеровки, В противоположностьэтому через часть боковой стены углеродистой Футеровки, расположеннуюнад слоем с незначительной прочностьюна сдвиг, не протекает электрическийток, Благодаря этому, нижняя частьуглеродистой Футеровки разбухает значительно сильнее, чем ее верхняячасть, Образующиеся вследствие этогонапряжения воспринимаются тем, чтослой с незначительной прочностью насдвиг растрескивается, Поскольку этотслой должен быть расположен полностьюв зоне расплавленного электролита, вобразованные трещины не может попадать никакого жидкого алюминия,Место образования трещин в слое ЗОс незначительной прочностью на сдвиг,обозначенное как заданное место разрыва, является самозалечиваемам. Попадающий в трещину расплавленныйэлектролит охлаждается в наружной 35области стены настолько сильно, чтоон затвердевает и тем самым предотвращает вытекание электролита,Самозалечивание заданного места разрыва можно улучшить таким образом что непосредственно за слоем с незначительной прочностью на сдвиг, а также в области, примыкающей внизу углеродистой Футеровки расположена приемная зона из очень хорошо проводящего тепло материала которая распространяется по направлению к боковой стене наружной стальной .ванны, Благодаря этому, отданное попадающим в трещину электролитом тепло можно отвести более 6 ыстро, так что самозалечивание за счет затвердевания происходит также более быстро, Целесообразно расположить верхнее огра ничение упомянутой приемной зоны приблизительно на том же самом уровне, что и верхнее ограничение слоя с незначительной прочностью на сдвиг,Однако, толщина приемной зоны больше чем толщина слоя с незначительной прочностью на сдвиг преимущественно в два - три раза больше, Длябыстрого отвода тепла в приемной зоне очень подходят в особенности металлические материалы, например стальная шерсть или алюминиевые стружки.В целях получения трещин всегдав желаемой области, прочность насдвиг слоя, разделяющего углеродистую Футеровку на нижнюю и верхнюючасти, преимущественно по крайнеймере в пять раз меньше, чем прочностьна сдвиг углеродистой Футеровки.На практике толщина упомянутогослоя с незначительной прочностью насдвиг составляет 2-15 см преимущественно 5-10 см,Целесообразно построить разделяющий углеродистую Футеровку на двечасти слой из заранее изготовленныхблоков. Материалы этих блоков должны обладать термостойкостью, устойчивостью к действию электролита и незначительной прочностью на сдвиг, Напрактике можно использовать для изготовления упомянутых блоков вспененный углерод, вспененные керамическиематериалы и сжатые слои из углеродныхволоконСлой с незначительной прочностьюна сдвиг целесообразно наклеиватьвверху клеем на углеродистую Футеровку и накладывать внизу через углеродный войлок на углеродистую Футеровку. Толщина сжатого углеродноговойлока составляет преимущественно5-15 мм. Сжатый углеродный войлок всвою очередь наклеивается на нижнюючасть углеродистой футеровки,Если нижняя часть углеродистойФутеровки должна разбухать менеебыстро, то ее можно сильнее граФитизировать. Формула изобретения 1, Катодное устройство алюминиевого электролизера,включающее металлический кожух, боковую футеровку из углерода, подину и компенсационную зону, выполненную из двух материалов, деФормирующихся при незначительных и значительных нагрузках соответственно, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения срока службы катодного устройства, боковая Футеровка по высоте и по всему перимет 1308201ру выполнена иэ двух частей, соединенных слоем материала, с низкойпрочностью на сдвиг, стойкого в криолито-глиноземном расплаве при температуре до 1000 С, прочность на сдвиг 5окоторого составляет 0,02 - 0,1 отпрочности на сдвиг угольной футеровки,2. Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что высота слоя 1 Оматериала с низкой прочностью насдвиг составляет 2-15 см,3, Устройство по пп;1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что слойматериала с низкой прочностью па 15сдвиг выполнен из вспененного углерода, углеродистого волокна или вспененного керамического материала.4. Устройство по пп, 1 - 3, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что слой 20материала с низкой прочностью насдвиг соединен посредством клея сверхней частью боковой футеровки ипосредством слоя углеродного войлока - с нижней частью боковой футеровки.5. Устройство по п.4, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что высота слоя углеродного войлока составляет 5 15 мм.6. Устройство по пп,1-5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что за слоем материала с низкой прочностью на сдвиг по периметру электролиэера выполнен пояс из теплопроводного материала, например стальной ваты или алюминиевой стружки.7,- Устройство по п.б, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что высота пояса, заполненного теплопроводным материалом, составляет 2-3 высоты слоя материала с низкой прочностью на сдвиг.8, Устройство по пп. 1-7, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что нижняя часть боковой футеровки выполнена иэ материала, графитизированного больше, чем материал верхней части,1308201 иа,Составитель А,АрнольдТехред В.Кадар Зимокосов едактор А,Долин ект Тираж 613 ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 035, Москва, Х(-35, Рауптская наб