Устройство для крепления бортовых блоков алюминиевого электролизера

 

Использование: изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, к конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера. Сущность: в катодном устройстве защитный слой, расположенный между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков, выполнен в виде металлической заливки и жестко соединен с фланцевыми листами и бортовыми блоками. Соединение защитного слоя осуществлено посредством выполненных в теле бортовых блоков стержневых наклонных элементов с углом наклона относительно верхней грани бортовых блоков 30 - 75^o, при этом соотношение длины стержневых элементов к их диаметру составляет 2 - 4 : 1. На фланцевых листах может быть дополнительно размещена металлическая заливка, жестко соединенная с защитным слоем. В качестве материала заливок использован алюминий или его сплав. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к электролитическому получению алюминия, к конструкции катодного устройства алюминиевого катализатора.

Известно устройство для крепления бортового угольного блока алюминиевого электролизера, включающее выполненные в виде фигурной металлической отливки фланцевые плиты, установленные сверху на бортовые угольные блоки и скрепленные посредством крепежных элементов со стенками металлического катодного кожуха.

Недостатком данного устройства является то, что в процессе работы алюминиевого электролизера в зазор между фланцевыми плитами и бортовыми блоками проникает расплав электролита, а это приводит к интенсивному разрушению и окислению бортовых блоков, изменению теплофизических свойств бортовой футеровки, проникновению расплава к стенкам катодного кожуха и его прорыву, что отрицательно сказывается на сроке службы бортовой футеровки алюминиевого электролизера и его тепловом режиме.

Наиболее близким является устройство для крепления бортовых блоков алюминиевого электролизера, включающее стенки катодного кожуха, прикрепленные к ним фланцевые листы и защитный слой (набойка) подовой массы, расположенный между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков.

Недостатком данного устройства является то, что наличие защитного слоя (набойки) подовой массы между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков не препятствует проникновению расплава электролита между указанными элементами, так как в процессе работы алюминиевого электролизера происходит окисление и разрушение защитного слоя подовой массы, проникновение расплава электролита между фланцевыми листами и бортовыми блоками происходит также вследствие деформация фланцевых листов под действием высоких температур и расплава электролита, а это приводит к интенсивному окислению и разрушению бортовых блоков, изменению теплофизических свойств бортовой футеровки, что отрицательно сказывается на сроке службы бортовой футеровки и тепловом режиме алюминиевого электролизера. Кроме того, заполнение пространства между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков подовой массой связано со значительными трудозатратами.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для крепления бортовых блоков алюминиевого электролизера, обеспечивающее устранение проникновения расплава электролита между фланцевыми листами и бортовыми блоками, надежную защиту бортовых блоков от окисления и разрушения, а также упрощение операций, связанных с выполнением защитного слоя между фланцевыми листами и бортовыми блоками, что позволит увеличить срок службы бортовой футеровки алюминиевого электролизера, улучшить его тепловой режим и снизить трудозатраты на монтаж устройства.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для крепления бортовых блоков алюминиевого электролизера, включающем стенки катодного кожуха, прикрепленные к ним фланцевые листы и защитный слой между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков, последний выполнен в виде металлической заливки и жестко соединен с фланцевыми листами и бортовыми блоками. Соединение защитного слоя осуществлено посредством выполненных в теле бортовых блоков стержневых наклонных элементов с углом наклона относительно верхней грани бортовых блоков 30-75^о, при этом соотношении длины стержневых элементов к их диаметру составляет 2-4:1. На фланцевых листах может быть дополнительно размещена металлическая заливка, жестко соединенная с защитным слоем. В качестве материала заливок использован алюминий или его сплав.

Выполнение защитного слоя, расположенного между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков, в виде металлической заливки и жесткое его соединение с фланцевыми листами и бортовыми блоками обеспечивает жесткость и монолитность соединения фланцевых листов, защитного слоя и бортовых блоков, что исключает образование зазоров между фланцевыми листами и защитным слоем и между защитным слоем и бортовыми блоками и тем самым устраняет проникновение расплава электролита между указанными элементами. Жесткое соединение защитного слоя с фланцевыми листами и бортовыми блоками устраняет деформацию фланцевых листов, вызванную воздействием на них высоких температур и расплава электролита, так как этому препятствует жесткое соединение фланцевых листов с жесткой металлической заливкой, которая в свою очередь жестко соединена с бортовыми блоками, что также препятствует образованию зазора между фланцевыми листами и защитным слоем и устраняет проникновение расплава электролита между перечисленными выше элементами. Наличие защитного слоя, выполненного в виде металлической заливки, жесткое его соединение с фланцевыми листами и бортовыми блоками обеспечивает условия интенсивного отвода тепла от зоны электролита, что обеспечивает условия для образования устойчивого, нужных размеров гарниссажа на внутренних боковых гранях бортовых блоков, а также в зоне размещения защитного слоя. Наличие устойчивого гарниссажа на внутренних боковых гранях бортовых блоков и в зоне размещения защитного слоя предохраняет бортовую футеровку от разрушения и препятствует проникновению расплава электролита между фланцевыми листами и бортовыми блоками. Это обеспечивает сохранение теплофизических свойств бортовой футеровки. Кроме того, гарниссаж на внутренних боковых гранях бортовых блоков служит теплоизоляцией и играет роль своеобразного терморегулятора алюминиевого электролизера: при увеличении степени перегрева электролита над температурой его плавления толщина гарниссажа будет уменьшаться и увеличиваются тепловые потери за счет уменьшения теплового сопротивления боковых стенок и, наоборот, при снижении степени перегрева электролита размеры гарниссажа будут возрастать и увеличивается тепловое сопротивление, что способствует улучшению теплового режима алюминиевого электролизера.

Снижение трудозатрат на монтаж устройства при выполнении защитного слоя в виде металлической заливки достигается тем, что заполнение пространства между фланцевыми листами и бортовыми блоками осуществляется расплавленным металлом и при этом исключаются затраты труда, связанные с выполнением набивки подовой массы между фланцевыми листами и бортовыми блоками. Кроме того, следует отметить что при заполнении расплавленным металлом указанного пространства одновременно осуществляется соединение защитного слоя с фланцевыми листами и бортовыми блоками.

Таким образом, выполнение защитного слоя, расположенного между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков, в виде металлической заливки и жесткое его соединение с фланцевыми листами и бортовыми блоками позволяет увеличить срок службы бортовой футеровки алюминиевого электролизера, улучшить его тепловой режим и снизить трудозатраты на монтаж устройства.

Соединение защитного слоя, выполненного в виде металлической заливки, с бортовыми блоками осуществлено посредством выполненных в теле бортовых блоков стержневых наклонных элементов с углом наклона относительно верхней грани бортовых блоков 30-75^о при соотношении длины стержневых элементов к их диаметру 2-4:1. Соединение защитного слоя, выполненного в виде металлической заливки, с бортовыми блоками посредством стержневых наклонных элементов обеспечивает жесткость и монолитность соединения защитного слоя с бортовыми блоками, что исключает возможность отрыва защитного слоя от бортовых блоков и обеспечивает хороший их контакт, необходимый для условий интенсивного отвода тепла.

Величина угла наклона стержневых элементов относительно верхней грани бортовых блоков и соотношение их размеров определены, исходя из механической прочности самих бортовых блоков и надежности крепления защитного слоя к бортовым блокам.

Выполнение стержневых элементов в теле бортовых блоков с углом наклона относительно их верхней грани менее 30^о приводит к снижению механической прочности бортовых блоков из-за трещин и сколов, образующихся при выполнении отверстий под стержневые элементы, что отрицательно сказывается на жесткости и монолитности соединения защитного слоя с бортовыми блоками. Увеличение угла наклона стержневых элементов относительно верхней грани бортовых блоков более 75^о, приводит к уменьшению усилия, воспринимаемого стержневыми элементами, которое вытекает из условия прочности стержня, работающего на изгиб 0,6 где Р воспринимаемая нагрузка, кг; d диаметр стержня, мм; l длина стержня, мм; предел прочности металла на растяжение, кг/мм²; угол наклона стержня относительно верхней грани блока, ^о, из которого видно, что при увеличении угла наклона усилие, которое может воспринять стержень без разрушения (отрыв от металлической заливки) уменьшается и при увеличении угла наклона стержневого элемента относительно верхней грани бортового блока более 75^о величина воспринимаемого без разрушения усилия уменьшается на 65% Величина соотношения длины стержневых элементов к их диаметру определена, исходя из условий надежности крепления защитного слоя к бортовым блокам и условий отвода тепла от них. При соотношении длины стержневых элементов к их диаметру менее 2:1 не обеспечивается надежное крепление защитного слоя к бортовым блокам, что, во-первых, приводит к образованию зазора между указанными элементами, в который проникает расплав электролита и это приводит к разрушению бортовых блоков, и, во-вторых, нарушается контакт между бортовыми блоками и защитным слоем, необходимый для обеспечения условий отвода тепла от зоны электролита. При соотношении длины стержневых элементов к их диаметру более 4: 1, во-первых, снижается механическая прочность бортовых блоков из-за большого сечения металла в бортовых блоках, и, во-вторых, при этом возникают условия охлаждения зоны расплавленного металла, что приводит к образованию осадков на подине алюминиевого электролизера и нарушение режима работы электролизера.

Размещение на фланцевых листах дополнительной металлической заливки, жестко соединенной с защитным слоем, во-первых, обеспечивает условия интенсивного отвода тепла от зоны электролита, так как металлическая заливка является дополнительным средством регулирования теплопередачи, и, во-вторых, снижает деформацию фланцевых листов, так как ей препятствует размещение фланцевых листов между жестко соединенными между собой металлической заливки и защитного слоя, выполненного также в виде металлической заливки, и который в свою очередь жестко соединен с бортовыми блоками, и, в-третьих, обеспечивает надежное крепление защитного слоя к фланцевым листам. Это обеспечивает устранение зазоров между фланцевыми листами и защитным слоем и между защитным слоем и бортовыми блоками, что устраняет проникновение расплава электролита между фланцевыми листами и бортовыми блоками и обеспечивает хороший контакт бортовых блоков с защитным слоем, что также способствует интенсивному отводу тепла и образованию защитного гарниссажа.

Использование алюминия или его сплава в качестве материала заливок объясняется тем, что они обладают хорошими теплопроводящими свойствами, имеют сравнительно низкую температуру плавления, являются легко доступными и в достаточном количестве, а также то, что их использование положительно сказывается на сортности выпускаемого металла.

На фиг1 изображен поперечный разрез предлагаемого устройства; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 поперечный разрез устройства с дополнительной металлической заливкой на фланцевых листах; на фиг.4 поперечный разрез устройства с наклонным расположением бортовых блоков.

Устройство для крепления бортовых блоков алюминиевого электролизера включает стенки катодного кожуха 1, прикрепленные к ним фланцевые листы 2 и защитный слой 3 между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков 4, выполненный в виде металлической заливки и жестко соединенный с фланцевыми листами и бортовыми блоками. Защитный слой соединен с бортовыми блоками посредством выполненных в теле бортовых блоков стержневых наклонных элементов 5. На фланцевых листах дополнительно размещена металлическая заливка 6, жестко соединенная с защитным слоем, размещенным между фланцевыми листами и бортовыми блоками.

Промышленная применимость устройства подтверждается нижеприведенным примером практического осуществления.

После установки по периферии катодного кожуха алюминиевого электролизера бортовых блоков осуществлялась установка фланцевых листов по всему его периметру и их крепление стенкам катодного кожуха. После чего через отверстия, выполненные во фланцевых листах, в пространство между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков заливался расплавленный металл с использованием асбесто-металлической опалубки. В качестве металла использовался алюминий. При заполнении пространства между фланцевыми листами и бортовыми блоками осуществлялось также заполнение расплавленным металлом (алюминием) отверстий, выполненных наклонно в верхней грани бортовых блоков, при этом их длина составляла 90 мм, диаметр 30 мм, а угол наклона относительно верхней грани блоков составлял 60^о, что обеспечивало надежное крепление защитного слоя к бортовым блокам, при этом также осуществлялось заполнение расплавленным металлом отверстий во фланцевых листах, через которые осуществлялось заполнение расплавленным металлом пространства между фланцевыми листами и бортовыми блоками, что обеспечивало крепление защитного слоя к фланцевым листам. При этом отверстия имели коническую форму с обратным конусом. Могут быть использованы также и цилиндрические отверстия, но в этом случае необходимо, чтобы количество заливаемого в эти отверстия металла превышало количество металла, необходимого для заполнения этих отверстий. Это возможно также и в случае использования конических отверстий. Отверстия, выполненные в верхних гранях бортовых блоков, располагались в шахматном порядке, чем обеспечивалось сохранение механической прочности бортовых блоков и равномерное распределение стержневых элементов в теле бортовых блоков, что не мало важно для условий отвода тепла и образования защитного гарниссажа. Количество отверстий при этом составляло пять, при следующем их расположении: три отверстия располагались вдоль внутренней стороны бортовых блоков, и 2 вдоль внешней стороны бортовых блоков. Толщина защитного слоя составляла 35 мм, при этом теплоотдача увеличивалась в 2,2 раза, а плотность теплового потока достигла 7350 кк/м² ч.

В процессе работы алюминиевого электролизера на боковых гранях бортовых блоков наблюдался устойчивый защитный гарниссаж, толщина которого превышала толщину гарниссажа на бортовых блоках контрольных алюминиевых электролизеров в 2 раза. В период работы алюминиевых электролизеров не наблюдалось разрушение бортовой футеровки и прорывов расплава. Это свидетельствовало об устранении проникновения расплава электролита между фланцевыми листами и бортовыми блоками и о надежной защите бортовых блоков, а также об улучшении теплового режима электролизера.

В качестве дополнительного средства регулирования теплопередачи, а также для более надежного соединения фланцевых листов с защитным слоем, использовалась дополнительная алюминиевая заливка, толщиной 25 мм, расположенная на фланцевых листах и соединенная с защитным слоем с помощью металла, залитого в отверстия, выполненные во фланцевых листах. Выполнение заливки на фланцевых листах, а также ее соединение с защитным слоем осуществлялось одновременно с заполнением пространства между фланцевыми листами и бортовыми блоками с использованием асбесто-металлической опалубки. Это обеспечивало жесткое и монолитное крепление защитного слоя с фланцевыми листами и создание устойчивого, нужных размеров гарниссажа на боковых гранях бортовых блоков.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ БОРТОВЫХ БЛОКОВ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, включающее стенки катодного кожуха, прикрепленные к ним фланцевые листы и защитный слой между фланцевыми листами и верхней гранью бортовых блоков, отличающееся тем, что защитный слой выполнен в виде металлической заливки и жестко соединен с фланцевыми листами и бортовыми блоками.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитный слой соединен с бортовыми блоками посредством выполненных в теле бортовых блоков стержневых наклонных элементов с углом наклона относительно верхней грани бортовых блоков 30 - 75^o, при этом соотношение длины стержневых элементов к их диаметру составляет 2 - 4 : 1.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на фланцевых листах дополнительно размещена металлическая заливка, жестко соединенная с защитным слоем.

4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что в качестве материала заливок использован алюминий или его сплав.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

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: 02.06.2003

Извещение опубликовано: 20.10.2004        БИ: 29/2004

---