Результат интеллектуальной деятельности: КАТОДНЫЙ КОЖУХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, а именно к конструктивным элементам алюминиевых электролизеров.

Известен катодный кожух, включающий футеруемую внутри металлическую ванну с продольными стенками, торцевыми стенками и днищем, установленную внутри жесткого каркаса, образованного поперечными цельносварными шпангоутами, горизонтальные торцевые пояса жесткости, усиленные горизонтальными и вертикальными ребрами с листом обвязки, и опорные площадки для анодного устройства электролизера, расположенные на первых от торцов шпангоутах продольных сторон (патент РФ №2131486, МПК С25С 3/08, 1999).

Недостатками известного катодного кожуха является то, что во время работы электролизера из-за слабой теплоотдачи в окружающую среду стенками катодного кожуха его бортовая футеровка слабо защищена либо не защищена гарнисажем.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности по обоим вариантам является катодный кожух алюминиевого электролизера, включающий футеруемую внутри металлическую ванну с продольными стенками, торцевыми стенками и днищем, установленную внутри жесткого каркаса, образованного поперечными цельносварными шпангоутами, горизонтальные торцевые пояса жесткости, состоящие из вертикальных и горизонтальных ребер жесткости и листа обвязки. Горизонтальные торцевые пояса жесткости закреплены с образованием зоны разрыва в горизонтальной плоскости от торцевой стенки кожуха и ширина их составляет от 1/3 до 2/3 ширины торцевой стенки кожуха. К нижней части вертикальных ребер жесткости от низа листа обвязки присоединена металлическая накладка, заходящая на торцевую стенку. Между вертикальными ребрами установлены дополнительные вертикальные ребра охлаждения высотой, равной высоте бортового блока футеровки. Дополнительные вертикальные ребра охлаждения установлены в количестве от 1 до 4. Ширина металлической накладки составляет 100-200 мм, а толщина - 6-20 мм (патент РФ №2230834, МПК С25С 3/08, 2004).

Недостатком катодного кожуха - прототипа, является плохая теплоотдача в окружающую среду с продольных стенок катодного кожуха, вследствие чего температура продольных стенок превышает 400°С. Бортовая футеровка по продольным стенкам слабо защищена либо не защищена гарнисажем. Это приводит к разрушению бортовой футеровки по продольным стенкам и, как следствие, прорыву расплава через борта ванны.

Задачей изобретения по обоим вариантам является увеличение сроков службы электролизеров и увеличение технико-экономических показателей электролизера путем устранения проблемы малой толщины гарнисажа на бортовой футеровке катодного устройства по продольным сторонам катодного кожуха.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в катодном кожухе алюминиевого электролизера, включающем футеруемую внутри металлическую ванну с продольными стенками с окнами для блюмсов, торцевыми стенками, днищем и фланцем, установленную внутри жесткого каркаса, образованного поперечными цельносварными шпангоутами, и с установленными по продольным стенкам металлической ванны катодного кожуха между шпангоутами вертикальными стальными ребрами охлаждения, согласно заявляемому изобретению длина вертикальных ребер охлаждения составляет 0.2-1.0, а ширина 0.05-0.4 расстояния от верха окна для блюмса до фланца.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в катодном кожухе алюминиевого электролизера, включающем футеруемую внутри металлическую ванну с продольными стенками с окнами для блюмсов, торцевыми стенками, днищем и фланцем, установленную внутри жесткого каркаса, образованного поперечными цельносварными шпангоутами, и с установленными по продольным стенкам металлической ванны катодного кожуха между шпангоутами вертикальными стальными ребрами охлаждения, согласно заявляемому изобретению вертикальные ребра охлаждения установлены так, что низ ребра расположен от верха окон для блюмсов на расстоянии не более 0.6 расстояния от верха окна для блюмса до фланца, а верх ребра расположен от низа фланца на расстоянии не более 0.8 расстояния от верха окна для блюмса до фланца.

Проблема, связанная с малой толщиной защитного гарнисажа или его отсутствием на бортовой футеровке катодного устройства, вытекает из того, что во время работы алюминиевого электролизера в летнее время или при попытке увеличения его мощности наблюдается дисбаланс температурного поля электролизера. А именно, недостаточная теплоотдача в окружающую среду продольными и/или торцевыми стенками катодного кожуха приводит к увеличению температуры стенок кожуха и бортовой футеровки катодного устройства, в результате температура бортовой футеровки может приблизиться или сравняться с температурой ликвидуса криолит-глиноземного расплава, а соответственно произойдет уменьшение толщины защитного гарнисажа или его полное исчезновение. Далее произойдет физическое и/или химическое разрушение бортовой футеровки, что в дальнейшем может привести к прорыву расплава через борта ванны и, как следствие, к выходу электролизера из строя либо к локальному ремонту или ремонту на ходу.

Задача решается путем внесения изменений в конструкцию катодного кожуха либо путем учета заявляемого изобретения на стадии проектирования катодного устройства.

Размеры ребер охлаждения лежат в пределах следующих значений: длина составляет 0.2-1.0 расстояния от верха окна для блюмса до фланца; ширина составляет 0.05-0.4 расстояния от верха окна для блюмса до фланца. Длина ребра более чем 1.0 расстояние от верха окна блюмса до фланца неэффективна, так как при этом увеличится металлоемкость кожуха, а эффект теплоотвода продольными стенками практически не изменится. Длина ребра менее чем 0.2 расстояния от верха окна для блюмса до фланца неэффективна, так как при этом не будет обеспечиваться необходимый теплоотвод от продольных стенок. Ширина ребер охлаждения выбрана на основе математического моделирования тепловых полей. Ребра охлаждения с шириной меньше указанного диапазона теряют свою функциональность, а превышение ширины ребра, указанного диапазона, приведет к увеличению металлоемкости кожуха без увеличения эффективности теплоотвода через продольные стенки.

Ребра охлаждения устанавливаются на продольные стенки так, что низ ребра находится от верха окон для блюмса на расстоянии не более 0.6 расстояния от верха окна для блюмса до фланца, а верх ребра находится от низа фланца на расстоянии не более 0.8 расстояния от верха окна для блюмса до фланца. Данные параметры расположения ребер охлаждения определены на основе математического моделирования теплового поля электролизера и отступление за рамки указанных диапазонов приведет к потере функциональности ребер охлаждения.

Устройство поясняется чертежом, на котором: 1 - продольная стенка катодного кожуха, 2 - поперечные цельносварные шпангоуты, 3 - вертикальные ребра охлаждения; 4 - фланец; 5 - окна для блюмса; 6 - катодный кожух; 7 - металлическая ванна; 8 - днище металлической ванны, А - расстояния от верха окна для блюмса до фланца. На чертеже не показаны торцевые стенки металлической ванны.

Вертикальные стальные ребра охлаждения устанавливаются на катодном кожухе в количестве 1-10 штук между шпангоутами по продольным сторонам металлической ванны катодного кожуха. Количество ребер определяется необходимой степенью теплоотвода через продольные стенки. Математическое моделирование термоэлектрических полей электролизера показало, что это количество варьируется от 1 до 10 штук в зависимости от размеров ребер охлаждения, плотности тока электролизера, технологии ведения электролиза, климатических условий эксплуатации и т.д. Большее число ребер с позиции теплоотдачи уже неэффективно.

Установка вертикальных стальных ребер охлаждения по обоим вариантам позволит обеспечить необходимый тепловой баланс электролизера и создать нужную толщину защитной бортовой настыли. Техническое решение было использовано в электролизере повышенной мощности.