RU2155823C1

RU2155823C1 - Process of installation of cathode lining in aluminum electrolyzer

Info

Publication number: RU2155823C1
Application number: RU99117362A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Солонин; Владимир Кузьмич Никитенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Запорожский производственный алюминиевый комбинат"
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2000-09-10

Abstract

FIELD: production of aluminum. SUBSTANCE: invention deals with prolongation of service life of electrolyzer up to 8-10 years due to prevention of crack formation caused by thermal expansion of members of cathode sections in hearth blocks. This is achieved by use of suspension composed of ceramic substances resistant to melting and having porosity not higher than 30% in joints. EFFECT: prolonged service life of electrolyzer. 1 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано при футеровки катодного узла алюминиевых электролизеров. The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum, and can be used for lining the cathode assembly of aluminum electrolysis cells.

Известен способ монтажа катодной футеровки алюминиевого электролизера, при котором катодную футеровку выкладывают из обожженных угольных блоков, а швы между ними заполняют подовой углеродной массой методом набойки при помощи пневмоинструмента /Справочник металлурга по цветным металлам.- Производство алюминия. -М., 1971. С. 240-242/. There is a method of mounting the cathode lining of an aluminum electrolyzer, in which the cathode lining is laid out from burnt coal blocks, and the seams between them are filled with a hearth carbon mass using a tapping method using a pneumatic tool / Metallurgical Handbook of Non-Ferrous Metals. - Aluminum production. -M., 1971.P. 240-242 /.

Недостатком способа является то, что при коксовании углеродной массы, заполняющей швы, она дает усадку, и по усадочным щелям жидкий металл и электролит попадают под угольную футеровку, в результате чего ухудшается сортность получаемого металла и уменьшается срок службы электролизеров. Кроме того, данный способ трудоемок, трудно поддается механизации /"Цветные металлы. ", 1985, N 6, С. 46/ и при его использовании в атмосферу выделяются различные углеводороды. The disadvantage of this method is that during coking of the carbon mass that fills the seams, it shrinks, and along the shrinkage cracks the liquid metal and electrolyte fall under the coal lining, as a result of which the grade of the obtained metal worsens and the service life of the electrolytic cells decreases. In addition, this method is time-consuming, difficult to mechanize / "Non-ferrous metals.", 1985, N 6, S. 46 / and when it is used, various hydrocarbons are released into the atmosphere.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ монтажа катодной футеровки электролизера для получения алюминия по А.С. СССР N1397544, кл. C 25 C 3/06, включающий установку обожженных угольных блоков, заполнение межблочных швов суспензией глинозема в кислоте и термообработку. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed method and selected as a prototype is a method of mounting a cathode lining of an electrolyzer to produce aluminum according to A.S. USSR N1397544, class C 25 C 3/06, including the installation of fired coal blocks, filling the interblock seams with a suspension of alumina in acid, and heat treatment.

В результате проведенных испытаний на 19 опытных электролизерах, где суспензия для заполнения междублочных швов подины готовилась из глинозема марки ГКИ (Глинозем Керамический Измельченный), выявлен недостаток данного технического решения, заключающийся в том, что из-за относительно высокой пористости материала (35-36%), заполняющего междублочные швы, он не обладает достаточной жесткостью в процессе эксплуатации электролизера. В результате того что в подовом блоке заделаны стальные катодные стержни, а сталь имеет коэффициент линейного расширения на порядок выше, чем углерод, происходит (из-за недостаточной жесткости швов) образование трещин в подовых блоках и электролизер выходит из строя. При этом срок службы опытных электролизеров оказался примерно одинаковым по сравнению с обычными электролизерами с набивными межблочными швами. As a result of tests carried out on 19 experimental electrolyzers, where the suspension for filling the interunit seams of the hearth was prepared from alumina of the GKI grade (Alumina Ceramic Ground), a drawback of this technical solution was revealed, consisting in the fact that due to the relatively high porosity of the material (35-36% ), filling the interblock seams, it does not have sufficient rigidity during the operation of the cell. As a result of the steel cathode rods being fixed in the hearth block and the steel having a linear expansion coefficient an order of magnitude higher than carbon, cracks in the hearth blocks occur (due to insufficient stiffness of the seams) and the cell breaks down. At the same time, the service life of the experimental electrolytic cells was approximately the same compared to conventional electrolyzers with printed interblock seams.

Задачей изобретения является: увеличение срока службы алюминиевых электролизеров за счет сохранения жесткости материала, заполняющего межблочные швы подины, в процессе обжига и эксплуатации. The objective of the invention is: to increase the service life of aluminum electrolysis cells by maintaining the rigidity of the material filling the interblock seams of the hearth during firing and operation.

Указанная задача достигается тем, что в способе монтажа катодной футеровки алюминиевого электролизера, включающем в себя установку обожженных угольных блоков, заполнение междублочных швов суспензией и термообработку, дисперсная фаза суспензии состоит из керамических веществ, стойких к воздействию расплава ванны, а высушенный материал швов имеет пористость не более 30%. This problem is achieved by the fact that in the method of mounting the cathode lining of an aluminum electrolyzer, which includes installing burnt coal blocks, filling inter-block seams with suspension and heat treatment, the dispersed phase of the suspension consists of ceramic materials that are resistant to molten bath, and the dried material of the seams has a porosity not over 30%.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом объясняется следующим: дисперсная фаза суспензии представляет собой смесь не менее двух фракций керамических материалов, отличающихся между собой по крупности, что дает возможность получить необходимую пористость материала швов. The causal relationship between the set of essential features of the proposed method and the achieved technical result is explained by the following: the dispersed phase of the suspension is a mixture of at least two fractions of ceramic materials that differ in size, which makes it possible to obtain the necessary porosity of the weld material.

Новым является то, что межблочные швы заполняются суспензией из керамических веществ, стойких к воздействию расплава ванны, при пористости высушенного материала швов не более 30%. New is that interblock joints are filled with a suspension of ceramic materials that are resistant to molten bath, with porosity of the dried joint material not more than 30%.

Предлагаемый способ монтажа катодной футеровки алюминиевого электролизера осуществляют следующим образом: на теплоизоляционный цоколь устанавливают боковые углеродные блоки и подовые углеродные блоки с заделанными в них катодными стержнями, при этом оставляют зазоры 2-20 мм как между подовыми блоками, так и между ними и боковой футеровкой. Все эти зазоры заполняют суспензией, в которой в качестве дисперсной фазы используют керамические вещества, стойкие к воздействию расплава ванны (например, SiC, B₄C, TiB₂ и др.). После чего катодную футеровку просушивают с помощью внешнего источника тепла, при этом пористость высушенного материала швов не должна превышать 30%.The proposed method for mounting the cathode lining of an aluminum electrolytic cell is carried out as follows: lateral carbon blocks and hearth carbon blocks with cathode rods embedded in them are installed on the heat-insulating base, leaving 2-20 mm gaps both between the hearth blocks and between them and the side lining. All these gaps are filled with a suspension in which ceramic substances resistant to the melt of the bath (for example, SiC, B ₄ C, TiB ₂ , etc.) are used as the dispersed phase. After that, the cathode lining is dried using an external heat source, while the porosity of the dried weld material should not exceed 30%.

Пример. Example.

Проводили лабораторные испытания по определению стойкости различных составов суспензий и различной пористости отливок из них к воздействию расплава алюминиевого электролизера (алюминия и фтористых солей) в поляризованной ячейке. Laboratory tests were conducted to determine the resistance of various compositions of suspensions and various porosity of castings from them to the effects of a molten aluminum electrolyzer (aluminum and fluoride salts) in a polarized cell.

Брали графитовые тигли диаметром 100 мм с толщиной стенок 15 мм, высотой 170 мм с толщиной дна 60 мм. В центре дна тиглей делали сквозное отверстие диаметром 20 мм. Это отверстие заполняли суспензией с дисперсной фазой различных составов. Дисперсионной средой во всех случаях служил раствор HNO₃. После полного удаления влаги определяли пористость материала, заполняющего отверстие в дне тигля, по формуле:
П = (ρ_и-ρ_к) 100/ρ_и,
где П - пористость, %;
ρ_и и ρ_к - соответственно истинная и кажущаяся плотности материала, г/см³.They took graphite crucibles with a diameter of 100 mm with a wall thickness of 15 mm, a height of 170 mm and a bottom thickness of 60 mm. A through hole with a diameter of 20 mm was made in the center of the bottom of the crucibles. This hole was filled with a suspension with a dispersed phase of various compositions. The dispersion medium in all cases was a solution of HNO ₃ . After complete removal of moisture, the porosity of the material filling the hole in the bottom of the crucible was determined by the formula:
P = (ρ _and -ρ _k ) 100 / ρ _and ,
where P is the porosity,%;
ρ _and and ρ _to - respectively, the true and apparent density of the material, g / cm ³ .

Тигли помещали в печь и нагревали до 1000^oC, при этом наплавляли слой алюминия 25 мм и электролита 50 мм, взятого из промышленного электролизера. В расплав электролита погружали графитовый цилиндр диаметром 30 мм и подключали его к положительному полюсу источника постоянного тока, при этом графитовый тигель подключали к отрицательному полюсу этого источника тока. Через эту лабораторную электролизную ячейку пропускали в течение 1 часа ток силой 15 А. После этого графитовый цилиндр извлекали из расплава и на поверхность материала заливки, через расплав устанавливали вольфрамовый пруток диаметром 3.8 мм, посредством которого на поверхность заливки передавалась механическая нагрузка величиной 94 кг/см². Деформацию (продавливание) материала заливки замеряли после 10 минут действия механической нагрузки при помощи измерительной мессуры с точностью 0.01 мм. По величине деформации судили о стойкости данного состава отливки к действию расплава электролизной ванны. Результаты испытаний приведены в таблице.The crucibles were placed in an oven and heated to 1000 ^° C., while a layer of aluminum 25 mm and an electrolyte 50 mm from an industrial electrolyzer were deposited. A graphite cylinder with a diameter of 30 mm was immersed in the electrolyte melt and connected to the positive pole of the direct current source, while the graphite crucible was connected to the negative pole of this current source. A current of 15 A was passed through this laboratory electrolysis cell for 1 hour. After that, the graphite cylinder was removed from the melt and onto the surface of the casting material, a tungsten rod with a diameter of 3.8 mm was installed through the melt, by means of which a mechanical load of 94 kg / cm was transferred to the casting surface. ² . The deformation (punching) of the pouring material was measured after 10 minutes of mechanical stress using a measuring mass with an accuracy of 0.01 mm. The strain was judged on the resistance of this composition of the casting to the action of the melt of the electrolysis bath. The test results are shown in the table.

Данные испытаний свидетельствуют о том, что достаточной стойкостью к деформации обладают керамические материалы, стойкие к воздействию расплава электролизной ванны, при их пористости не более 30%. При дальнейшем увеличении пористости стойкость материала швов к деформации резко снижается (образцы 1, 3, 6, 7). Так при изменении пористости от 24% (обр.4) до 30% (обр.5) среднее увеличение деформации на 1% пористости составляет 3 мкм (или 18.75% относительно 16 мкм), при дальнейшем увеличении пористости от 30% (обр.5) до 32% (обр.6) на каждый процент пористости деформация увеличивается на 15 мкм (или 44.1% относительно 34 мкм). The test data indicate that ceramic materials that are resistant to the melt of the electrolysis bath, with their porosity of not more than 30%, have sufficient resistance to deformation. With a further increase in porosity, the resistance of the weld material to deformation sharply decreases (samples 1, 3, 6, 7). So, when the porosity changes from 24% (Sample 4) to 30% (Sample 5), the average increase in strain by 1% of porosity is 3 μm (or 18.75% relative to 16 μm), with a further increase in porosity from 30% (Sample 5) ) up to 32% (Sample 6) for each percentage of porosity, the strain increases by 15 μm (or 44.1% relative to 34 μm).

По сравнению с прототипом предлагаемый способ монтажа катодной футеровки алюминиевого электролизера позволяет увеличить срок службы электролизеров до 8-10 лет за счет исключения образования трещин в подовых блоках, вызванных термическим расширением элементов катодных секций. Предлагаемый способ предполагает использовать в качестве дисперсной фазы суспензии не только глинозем, но и другие более стойкие в расплаве электролизной ванны вещества. Compared with the prototype, the proposed method for mounting the cathode lining of an aluminum electrolyzer can increase the service life of electrolytic cells up to 8-10 years by eliminating the formation of cracks in the hearth blocks caused by thermal expansion of the elements of the cathode sections. The proposed method involves the use of not only alumina as a dispersed phase of the suspension, but also other substances that are more stable in the melt of the electrolysis bath.

Средний срок службы электролизеров с катодной футеровкой, смонтированной по способу прототипа (19 ванн), составил 38.6 мес., при этом все они уже выведены из эксплуатации, а три опытных электролизера с катодной футеровкой, смонтированной по предлагаемому способу, уже имеют средний срок службы (на 01.07.99) 44 мес. и продолжают находиться в эксплуатации. The average service life of electrolytic cells with a cathode lining mounted by the prototype method (19 baths) was 38.6 months, all of them have already been decommissioned, and three experimental electrolytic cells with a cathode lining mounted by the proposed method already have an average service life ( on 01.07.99) 44 months and continue to be in operation.

Claims

A method of mounting a cathode lining of an aluminum electrolytic cell, including installing burnt coal blocks, filling inter-block seams with a suspension, and heat treatment, characterized in that the dispersed phase of the suspension consists of ceramic materials that are resistant to molten bath, and the dried joint material has a porosity of not more than 30%.