Результат интеллектуальной деятельности: УКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к элементу конструкции укрытия пространства над расплавом электролизера для производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов.

Важнейшим определяющим фактором работоспособности электролизера является герметичность укрытия над расплавом. Герметичность укрытия электролизера непосредственно связана с себестоимостью производства алюминия за счет влияния на тепловой и энергетический баланс, расход сырья, экологию.

Основное назначение первичного укрытия электролизера:

1) обеспечение теплового баланса;

2) минимизация газообразных выбросов;

3) стабилизация технологических режимов;

4) минимизация потерь сырья.

Площадь криолитоглиноземной корки для укрытия рабочего пространства электролизера с инертными анодами больше в три раза по сравнению с обычной ванной. Криолитоглиноземная корка не может обеспечить герметизацию электролизера на такой большой площади ввиду прочности, пористой структуры, протекающих химических реакций и нестабильности поверхностной целостности.

Учитывая описанные факторы, необходимо герметизировать электролизер с инертными анодами, используя первичное укрытие из материала, устойчивого к воздействию агрессивной атмосферы и газообразным фторсодержащим соединениям, к воздействию капель расплава и механических нагрузок. Укрытие должно обеспечивать низкую газопроницаемость, целостность, теплоизоляцию, прочность. Материал укрытия и принципиальная схема закрепления укрытия должны быть универсальными для всех типов электролизеров.

Известен патент US 5582695, МПК С04В 7/32, С04В 14/04, С04В 14/02, С04В 14/30, опубл. 10.12.1996. Изобретение относится к элементам конструкции алюминиевых электролизеров, находящихся в контакте с газовой фазой, в частности к укрытиям и анодным кожухам. Данный патент направлен, как отмечено в описании, на решение проблем герметизации пространства борт-анод электролизера с самообжигающимся анодом, в частности замена на «искусственное» укрытие действующего криолитоглиноземного укрытия, состоящего из чугунного (стального) газосборного колокола и криолитоглиноземной корки. Предлагаемое «искусственное» укрытие выполнено цельно или в комбинированном виде из огнеупорного бетона следующего состава: 15-30 мас.% гидравлического бетона, 5-10 мас.% микрокремнезема, 65-80 мас.% глинозема.

Существенным недостатком данного решения является следующее.

В процессе эксплуатации материал укрытия контактирует с парогазовой фазой электролизера, содержащей не только фтор и серосодержащие соединения, согласно данным патента. Материал укрытия для электролизера должен быть коррозионностойким в парагазовой фазе электролизера, содержащей соединения фтора, серы в присутствии окислителей СО, СО₂, О₂, HF, что позволит использовать укрытие на электролизерах с анодом Содерберга, обожженными и инертными анодами. Предлагаемый в патенте материал не является абсолютно инертным и в ходе эксплуатации пропитывается парами электролита ввиду пористости материала. В ходе пропитки бетона происходит разрушение кристаллических и цементных связей, что приводит к разрушению изделия.

Также известен способ конструкционного укрытия электролизера, использующегося в патенте US №2006124471 A1, МПК С25С 3/14, опубл. 15.06.2006. Изобретение относится к элементам конструкции укрытия и системы питания алюминиевых электролизеров, в частности рассматривается вопрос создания изоляционного укрытия над электролитом алюминиевого электролизера при работе на низких температурах. Одним из условий производственной технологии является образование гелеподобного слоя на поверхности электролита, что обеспечивается помощью изоляции поверхности электролита конструкцией «искусственного» укрытия с высокими теплоизоляционными свойствами. Укрытие электролизера состоит из центральной секции, расположенной в центральном пролете, между анодами, по всей длине ванны. Центральная секция укрытия закреплена на газоходной балке в зафиксированном перемещении, может состоять из нескольких секций, ход укрытия не предусмотрен. Боковые секции укрытия электролизера являются подвижными, могут быть выполнены в виде нескольких боковых секций, каждая двигается независимо друг от друга и от центрального укрытия. Укрытие электролизера выполнено из керамического материала (например, глинозем).

Существенным недостатком данного решения является следующее.

Центральная секция укрытия не имеет возможности изменять свое положение и способа демонтажа без изменения рабочего положения анодов. Также до демонтажа центральной секции необходимо демонтировать питатели глинозема.

Другим существенным недостатком является материал укрытия:

- керамика подвержена разрушению при воздействии от перепадов температур и механических повреждений.

Известен патент US №2005230265, МПК С25С 3/08, B01D 59/40, B01D 59/00, С25С 3/00, С25С 5/04, С25С 7/00, опубл. 20.10.2005. Изобретение относится к элементам конструкции алюминиевых электролизеров, находящихся в контакте с парогазовой фазой электролизера, в частности к конструкции укрытия верхней части электролизеров с анодами обожженными или инертными. Данный патент направлен на решение проблем тепловых потерь электролизера, а именно снижение величины теплового потока в окружающую среду от укрытия, снижение теплозатрат на растворение обрушенного в расплав укрытия, снижение теплопотерь за счет стабилизации теплового баланса и сохранения формы рабочего пространства. В данном патенте, так же как в предлагаемом решении, искусственное укрытие расплава электролита выполнено в виде независимо перемещающихся секций.

По технической сущности, по количеству сходных существенных признаков данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа).

В техническом решении прототипа секции «искусственного» укрытия над расплавом электролита выполнены в виде подвесных конструкций. По месту расположения укрытия разделяют на периферийные и центральные. Секции укрытия по периферии выполнены в виде подвесных изделий, двигающихся независимо друг от друга, от центральной секции укрытия и от анодов. Секция укрытия центрального пространства электролизера выполняется сплошным изделием или несколькими секциями. Центральное укрытие располагается по всей длине электролизера, секции укрытия крепятся на подвесных крепежах и перемещаются относительно расплава независимо от анодов. Конструкция центрального укрытия обеспечена технологическими люками и отверстиями, что позволяет проводить технологические операции, обеспечивать питание ванны сырьем, выполнять работу с анодным массивом. Конструкция периферийного и центрального укрытия предполагает подъем и замену укрытия без нарушения установки анодов по горизонту, иными словами, воздействие на укрытие не повлияет на стабильность токовой нагрузки. В качестве материала укрытия предлагается использовать материалы, стойкие в атмосфере кислорода и фторидов, например керамику или композиционные материалы из каркаса на основе никель титановых сплавов и теплоизолятора.

Существенным недостатком данного решения является следующее.

Данное устройство «искусственного» укрытия конструктивно не является универсальным для применения в электролизерах с обожженными анодами и анодом Содерберга.

Центральное укрытие имеет крепление, позволяющее перемещать укрытие независимо от анодов, оно не позволяет без воздействия на аноды и стабильность работы электролизера провести замену укрытия в случае выхода из строя. Учитывая материал, из которого сделаны секции укрытия, можно говорить о необходимости проведения периодической замены секций укрытия. Другим существенным недостатком является материал укрытия:

- керамика подвержена разрушению при воздействии от перепадов температур и механических повреждений;

- композиционный материал подвержен окислению под воздействием фтор кислородной атмосферы.

Задачей изобретения является создание универсального секционного «искусственного» укрытия над расплавом электролита в электролизерах с инертным, обожженным анодом и анодом Содерберга, коррозионностойкого и эрозионностойкого в агрессивной парогазовой среде электролизеров.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение герметичности укрытия, надежности и безопасности конструкции, снижение энергозатрат.

Технический результат достигается тем, что в укрытии электролизера для производства алюминия, контактирующем с парогазовой фазой в процессе работы электролизера, выполненном в виде центральных и периферийных секций, установленных с возможностью перемещения относительно друг друга, центральные и периферийные секции выполнены из коррозионностойкого и эрозионностойкого материала, содержащего 80,0-99,0 мас.% фторфлогопита и 20,0-1,0 мас.% огнеупорного наполнителя.

Центральные секции укрытия могут быть жестко закреплены на каждой анодной штанге, а периферийные секции могут быть выполнены в виде выпуклых створок, жестко закрепленных на верхней поверхности катода с возможностью съема и опирающихся на центральную секцию укрытия. Кроме того, в качестве огнеупорного наполнителя могут быть использованы следующие химические соединения: глина, фторид кальция, рутил, алюмосиликат натрия, фторапофилит, нефилин, оливин, фторид магния, шпинель.

На торцевой и боковые стыки центральных и периферийных укрытий может быть нанесен слой герметика в виде слоя глинозема, кроме этого на центральной секции укрытия могут быть выполнены отверстия.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем:

Укрытие изготавливается в виде крупногабаритных изделий плитообразной формы (Фиг. 1). Укрытие располагается над верхней поверхностью анода таким образом, чтобы не соприкасаться с расплавом электролита и состоит из секций. Одна полноценная секция укрытия состоит из центральной секции 1 и периферийной 2. Центральная секция 1 укрытия крепится непосредственно на анодной штанге с помощью выступов, при этом расстояние от поверхности укрытия до расплава электролита выбирается исходя из типа и технологических параметров электролизера. Выбранное расстояние выдержано с учетом возможности кратковременного воздействия наплесков электролита на рабочую поверхность укрытия, при изменении межполюсного расстояния электролизера. В центральных секциях укрытия выполнены отверстия под дозаторы глинозема, расположенные согласно карте питания электролизера. Периферийная секция 2 укрытия располагается таким образом, что одна ее сторона опирается на центральную секцию укрытия, а вторая сторона опирается на верхнюю поверхность катода (как то фланец, бровка, футеровка). Периферийная секция равна по ширине центральной секции и имеет форму параболы, что позволяет оперативно снимать укрытие с ванны, для проведения технологических операций. Таким образом, центральные и периферийные секции укрытия образуют секцию укрытия одного анода по глухой или лицевой стороне, а количество секций укрытия соответствует количеству анодов. Любая секция укрытия двигается вместе с анодом и может изменять свое положение независимо от соседних секций укрытия и соседних анодов. Укрытие электролизера находится в постоянном контакте с газоводушной средой электролизера и периодическим контактом с расплавом электролита, поэтому оно изготавливается из коррозионностойкого и эрозионностойкого материала, стойкого в агрессивной парогазовой среде электролизера с обожженными, самообжигающимися или инертными анодами. Используемый материал укрытия не подвергается пропитке и смачиванию криолитоглиноземным расплавом. В качестве материала для изготовления укрытия могут быть использоваться фторфлогопит или глиноземные суспензии. Независимое перемещение укрытия обеспечивает герметизацию рабочего пространства электролизера с инертными анодами, простоту и мобильность проведения технологических операций. Любую секцию укрытия можно демонтировать независимо от других, заменив его новым изделием.

Одним из факторов варьирования при использовании в качестве материала укрытия фторфлогопита является химический состав агломерата по основному компоненту KMg₃(Si₃Al)O₁₀F₂*, так как при изменении химической чистоты материала меняются физико-химические свойства материала, а соответственно механическая прочность, теплопроводность и коррозионная, эрозионная стойкость материала. При использовании материала фторфлогопит в качестве укрытия необходимо использовать материал с содержанием основного компонента фторфлогопит в диапазоне 80-99%, что обеспечивает универсальность использования материалов для электролизеров разного типа. Помимо герметизации, теплоизоляции рабочего пространства над расплавом электролизера фторфлогопит обеспечивает чистоту расплава и алюминия. Наличие конструкционных технологических отверстий в центральной секции укрытия обеспечивает технологическую применимость укрытия для осуществления питания электролизера, демонтажа и монтажа укрытия, проведения технологических операций. В качестве герметизации стыков секций укрытия используется глинозем, обладающий обособленным химическим сродством с материалом фторфлогопит. Наличие сквозных технологических отверстий по торцам центральной секции укрытия в области центра электролизера обеспечивает отвод газовоздушной смеси электролизера в систему газоудаления.

Подготовка электролизера с заявляемым укрытием осуществляется следующим образом.

Из заготовок изделий путем механической обработки изготавливаются центральные и периферийные секции укрытия. Далее на полученных секциях согласно разметке расположения и позиционирования в электролизере вырезаются требуемые отверстия. Затем секции укрытия размещаются на установленных или устанавливаемых анодах в следующей последовательности: центральная секция, послепериферийная. Укрытие из материала фторфлогопит можно ставить в действующий электролизер, так как материал стоек к термоударам.

Укрытие электролизера по предлагаемому решению отличается повышенной надежностью, обеспечиваемой не только коррозионной и эрозионной стойкостью материала укрытия, но и независимой конструкционной особенностью секционного укрытия, которое позволяет в кратчайшее время обеспечить доступ в любую часть электролизера без существенного вмешательства в технологический процесс. Также свойства материала исключают термическое расширение материала укрытия, что позволит укрытию беспрепятственно перемещаться вдоль соседних укрытий.

Простота изготовления предлагаемого укрытия обусловлена легкостью обработки предлагаемого материала укрытия (фторфлогопит), простотой крепежной системы на штанге анода, позволяющей, используя прочность изделия и форму площадки крепежа путем опоры центрального укрытия, обеспечить работоспособность секции.

В настоящее время проведены длительные лабораторные и крупнолабораторные испытания заявляемого укрытия из материала фторфлогопит, выполненные согласно предлагаемому техническому решению, испытания доказали работоспособность и эффективность предлагаемого технического решения.