010167 Область техники, к которой относится изобретение

010167
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электролизеру для производства алюминия и, в частности, к
устройству и способу для поддержания и управления тепловым потоком через боковую стенку электролизера.
Уровень техники
Электролизеры для производства алюминия содержат электролизную ванну с катодом и анодом,
обычно выполненную из множества предварительно обожженных углеродных блоков. Оксид алюминия
подают в криолитовую ванну, в которой этот оксид алюминия растворяется. Во время процесса электролиза алюминий получается на катоде и образует слой расплавленного алюминия на дне (подине) электролизной ванны, при этом криолитовая ванна плавает поверх этого слоя алюминия. На анодах получается кислород, вызывая их расходование путем образования газообразных монооксида углерода и диоксида углерода. Рабочая температура криолитовой ванны находится обычно в пределах от 930 до примерно 970°С.
Электролизная ванна состоит из внешнего стального кожуха с углеродными катодными блоками,
расположенными на слое изоляционного и огнеупорного материала вдоль подины ванны. Эти углеродные катодные блоки соединены с электрическими шинами посредством токосъемных стержней и гибких
алюминиевых проводников. Хотя точная конструкция боковых стенок меняется, но в любом случае
впритык к стальному кожуху предусмотрена футеровка, содержащая сочетание углеродных блоков и
огнеупорного материала.
Во время работы электролизера на боковых стенках электролизной ванны образуется корка или настыль из застывшей ванны электролита. Хотя толщина этого слоя может меняться в ходе работы электролизера, образование этой корки является критически важным для работы электролизера. Если корка
станет слишком толстой, это будет влиять на работу электролизера, поскольку корка будет нарастать на
катоде и нарушать распределение катодного тока, воздействующее на магнитное поле. С другой стороны, если слой застывшей ванны становится слишком тонким или совсем отсутствует в некоторых местах,
то ванна электролита будет оказывать агрессивное воздействие на боковую футеровку электролизной
ванны, что, в конечном счете, приведет к разрушению этой боковой футеровки. Если агрессивное воздействие на боковую футеровку дойдет до такой степени, что ванна электролита будет воздействовать на
боковые стенки (борта) стального кожуха, то электролизер должен быть выключен ввиду риска вытекания металла и ванны электролита из электролизера.
Таким образом, управляемое образование настыли является существенным для хорошей работы
электролизной ванны и длительного срока службы огнеупорной футеровки внутри электролизера. Более
того, управление термодинамическим функционированием электролизера и, в частности, потоком тепла
из ванны электролита через боковую футеровку является существенным для управляемого образования
настыли внутри электролизера.
Согласно последним усовершенствованиям технологии тепло отводят от электролизера через
стальной кожух электролизной ванны, используя устройства пассивного переноса тепла, такие как охлаждающие ребра, в попытке увеличить площадь поверхности, доступной для переноса тепла от боковых
стенок электролизной ванны. Тепло, которое должно быть отведено от электролизера, зависит от величины тока, проходящего через электролизер, и напряжения электролизера. Если происходит увеличение
тока или напряжения, то в этом случае количество тепла, которое должно быть извлечено через боковую
стенку для поддержания соответствующей толщины настыли, образованной на внутренней стенке огнеупорного материала, будет увеличиваться и часто может выходить за пределы конструктивных возможностей пассивных элементов охлаждения на стенке электролизера.
Соответственно, цель настоящего изобретения заключается в создании средства, посредством которого термодинамическими условиями в электролизере можно активно управлять для обеспечения возможности образования и поддержания настыли на внутренней поверхности огнеупорного материала боковой стенки.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту изобретения предложен электролизер для производства металла электролитическим восстановлением металлосодержащего материала (например, оксида алюминия, называемого
глиноземом), растворенного в расплавленной солевой ванне, содержащий кожух и футеровку на внутренней стороне этого кожуха, причем футеровка включает в себя подовую катодную футеровку и футеровку боковых стенок (боковую футеровку) с множеством проточных каналов, расположенных впритык
к внутренней поверхности кожуха, для пропускания через них текучей среды, при этом проточные каналы проходят вдоль бортов кожуха и сообщаются с насосными средствами для протекания текучей среды
через эти проточные каналы.
В контексте изобретения боковые стенки электролизера являются продольными боковыми стенками и торцевыми стенками электролизера.
Заявитель обнаружил, что при выполнении проточных каналов смежными внутренней поверхности
кожуха тепло может быть извлечено из электролизера с достаточной для поддержания настыли из застывшего материала ванны на достаточной толщине интенсивностью для того, чтобы защитить огнеупо-1-
010167
ры боковых стенок. Во время работы электролизера магнитные поля, наведенные электрическим током,
вызывают перемещение расплавленного металла внутри электролизера. Это перемещение расплавленного металла создает внутри электролизера более горячие области, тем самым увеличивая в этих областях
потребность в теплоотдаче для поддержания достаточной толщины застывшего материала ванны на боковых стенках электролизера. Эти потоки расплавленного металла могут также привести к эрозии гребня
застывшей ванны и, таким образом, обнажению огнеупорной боковой стенки до тех пор, пока достаточное количество тепла не будет отведено от электролизера в этой области для поддержания толщины застывшей настыли.
Поэтому в одном предпочтительном варианте изобретения электролизер снабжают по меньшей мере двумя рядами (пучками) охлаждающих проточных каналов вдоль каждого продольного борта кожуха,
причем каждый ряд охлаждающих проточных каналов охлаждает определенную часть электролизера. В
одном предпочтительном варианте изобретения каждый ряд охлаждающих каналов извлекает тепло из
приблизительно половины каждой продольной стороны электролизера. Каждый ряд охлаждающих каналов также проходит вдоль по меньшей мере части торцевой стенки, примыкая к соответствующей продольной стороне.
Описанные выше охлаждающие проточные каналы способны пропускать любую текучую среду,
способную переносить тепло, проведенное через огнеупор. Хотя охлаждающие жидкости дают простор
для большего отведения тепла от электролизера, они также означают повышение риска, связанного с
использованием жидкости поблизости с расплавленным металлом, и стоимости обслуживания жидкостных систем. Следовательно, является предпочтительным, чтобы проходящая через проточные каналы
охлаждающая текучая среда являлась газом, а предпочтительно воздухом. Насосные средства, используемые для обеспечения протекания охлаждающей текучей среды в охлаждающие каналы, могут представлять собой воздухонагнетательный вентилятор (воздуходувку) или газовый насос другого типа. В
случае жидкости может использоваться любой обычно имеющийся в распоряжении гидравлический насос.
Направление потоков расплавленного металла внутри электролизера определяется конструкцией
электрических шин (ошиновки) и наведенным магнитным полем. На выходной по току стороне электролизера расплавленный металл обычно направляется к середине продольной стенки.
Это является причиной того, что центр выходной по току продольной стенки является более горячим, чем наружные концы.
Соответственно, является предпочтительным, чтобы охлаждающая текучая среда, поступающая в
охлаждающие проточные каналы на выходной по току стороне, входила через впуски, находящиеся, по
существу, в центральной области или рядом с центральной областью электролизера, которая соответствует короткой оси электролизера, и выходила через выпуски рядом с соответствующими торцами электролизера.
На входной по току стороне электролизера наведенные в расплавленном металле потоки уносят
расплавленный металл от центральной области электролизера. Соответственно, на входной по току стороне электролизера охлаждающая текучая среда входит в охлаждающие проточные каналы по впускам,
расположенным рядом с соответствующими торцами электролизера и выходит из проточных каналов по
выпускам, находящимся, по существу, в центральной области или рядом с центральной областью продольной стороны электролизера.
В предпочтительном варианте изобретения нагретый после прохождения через проточные каналы
воздух может обмениваться теплом с глиноземом или с псевдоожижающим газом, транспортирующим
глинозем к электролизеру.
Краткое описание чертежей
фиг. 1(а) представляет собой вид в разрезе варианта реализации кожуха в соответствии с изобретением;
фиг. 1(b) - вид в перспективе боковой футеровки и охлаждения в варианте по фиг. 1(а);
фиг. 1(с) - вид в перспективе внутренних проточных каналов согласно варианту по фиг. 1(а) и 1(b);
фиг. 2 и 3 - схематические виды двух возможных направлений потоков текучей среды через проточные каналы на входной и выходной по току стороне электролизера.
Подробное описание вариантов реализации
Должно быть понятно, что изобретение, раскрытое и охарактеризованное в настоящем описании,
распространяется на все альтернативные комбинации двух или более индивидуальных признаков, упомянутых или являющихся очевидными из текста или чертежей. Все эти различные комбинации составляют различные альтернативные аспекты изобретения.
На виде электролизера в разрезе, показанном на фиг. 1, электролизная ванна содержит множество
стальных контрфорсов 10 и стальной кожух 12, а также внутреннюю огнеупорную футеровку, содержащую изоляционный слой 14 подины и боковую футеровку 19 и 20. Подходящим образом футеровка состоит из материала, который обладает способностью противостоять коррозионным воздействиям электролита и расплавленного алюминия, а также имеет приемлемо хорошие свойства в отношении удельной
электро- и теплопроводности. Боковая футеровка содержит множество блоков, которые выполнены из
-2-
010167
таких материалов, как карбид кремния 19 и углеродистые материалы 20. На изоляцию подины опирается
катод 22, соединенный с токосъемным стержнем 24, который отводит ток от катода.
В варианте реализации, показанном на фиг. 1(b) и 1(с), внутренние проточные каналы 26 предусмотрены проходящими горизонтально вдоль боковой стенки электролизера. Между блоком 19 и проточными каналами 26 предусмотрена масса из теплопроводного материала для обеспечения хорошего
теплового контакта между этими проточными каналами и блоком 19 боковой стенки. Проточные каналы
26 снабжены трубопроводами 28, 29 и 48 текучей среды, которые транспортируют текучую среду к проточным каналам и от проточных каналов 26, как показано на фиг. 2. Эта текучая среда может быть либо
жидкостью, либо газом. Хотя жидкости могут быть привлекательными с точки зрения теплопроводности,
введение жидкости в высокотемпературную окружающую среду означает значительное увеличение угрозы безопасности и увеличивает вероятность взрыва жидкостей, приходящих в контакт с жидким металлом. Более того, жидкости будут представлять опасность поражения электрическим током, поскольку
потенциалы на электродах электролизера будет трудно поддерживать отделенными. Таким образом, хотя
при использовании жидкостей могут иметь место некоторые преимуцества, предпочтительным является
легко доступный газ, такой как воздух.
При работе электролизера внутренние проточные каналы могут быть приведены в действие таким
образом, что температура обращенной внутрь электролизера поверхности боковой футеровки 19 и 20
является немного ниже температуры расплавленной ванны электролита. Таким образом, ввиду разницы
температур, созданной охлаждающим действием текучей среды, протекающей через внутренние проточные каналы 26, на расплавленную ванну электролита, на внутренней стороне боковой футеровки образуется твердая устойчивая настыль. Эта настыль способствует защите боковой футеровки от расплавленной ванны электролита и значительно увеличивает срок службы боковой футеровки.
На фиг. 2 показан воздушный насос 32, подающий воздух во впускные трубопроводы 28 и 29 текучей среды. Эти трубопроводы подают его во впускные коллекторы 38 и 40, которые находятся в сообщении текучей среды с внутренними проточными каналами 26 внутри боковой футеровки электролизера на
внутренней стороне кожуха 12 электролизной ванны. Впускные коллекторы 38, 40 проложены к середине продольной стороны на приблизительно короткой оси электролизера и направляют текучую среду,
поступающую в проточные каналы, к соответствующим торцам электролизера. Текучая среда проходит
вокруг секции боковой футеровки и собирается по выпускным коллекторам 42 и 44 на торцах электролизера. Коллекторы 42 и 44 сообщаются с соответствующими выпускными трубопроводами 48 текучей
среды, которые объединяются вместе и проходят к теплообменнику 50. В этом теплообменнике нагретый
выходящий воздух передает тепло соответствующей среде, такой как псевдоожижающий воздух для переноса подаваемого к электролизеру глинозема. Это переданное тепло нагревает подаваемый глинозем
перед его добавлением в электролизер. В конструкции, показанной на фиг. 2, впускные коллекторы 38,
40 показаны направляющими охлаждающую текучую среду к центру электролизера, а затем текучая среда проходит через внутренние проточные каналы и выходит на соответствующих торцах электролизера
через выпускные коллекторы 42, 44.
При альтернативных путях прохождения текучей среды, показанных на фиг. 3, текучая среда, охлаждающая входную по току сторону электролизера, подается по впускным трубопроводам 11 и 13 и
поступает через установленные на торцах электролизера впускные коллекторы (43, 45), которые направляют текучую среду к выпускным коллекторам 51 в центральной области входной по току стороны электролизера. Эта центральная область приблизительно соответствует положению короткой оси электролизера. В варианте реализации по фиг. 3 выходная по току сторона электролизера имеет впускные коллекторы (38) в или возле центральной области электролизера, которые направляют текучую среду через
внутренние проточные каналы к выпускным коллекторам (47, 49) на соответствующих торцах электролизера. Горячий воздух из выпускных коллекторов 47, 49 и 51 направляется к теплообменнику 50 через
выпускные трубопроводы 48 текучей среды.
Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано относительно небольшого количества
проточных каналов 26 и впусков 38, 40, 43 и 45, специалисты в данной области техники поймут, что могло быть использовано любое количество проточных каналов и впусков, причем их поперечные сечения и
местоположения вдоль боковой стенки варьируются для того, чтобы «приспособить» к предполагаемым
горячим областям вдоль боковой стенки и устранить их. Для достижения оптимального отвода тепла
применение внутренних проточных каналов не должно быть ограничено длинными сторонами электролизера и может быть также реализовано на коротких сторонах электролизера. Также было бы возможно
расположить внутренние проточные каналы в вертикальном, а не горизонтальном направлении.
Также специалистам в данной области техники было бы понятно, что, контролируя температуру газа на его входе в проточные каналы и выходе из проточных каналов 26, может быть определен показатель того тепла, которое отведено от электролизера, и количество отведенного тепла скоррелировано с
толщиной образованной настыли. Было бы также понятно, что, продолжая контролировать увеличение
температуры текучей среды между впуском и выпуском, может быть определен показатель наличия потенциально возможных проблем, касающихся толщины футеровки электролизера и состояния настыли.
Температура текучей среды и тенденции ее изменения могут быть использованы в качестве регулируе-3-
010167
мого параметра процесса для регулирования объема текучей среды в каналах путем увеличения или
уменьшения скорости воздушного насоса или, альтернативно, путем регулирования расхода текучей среды через ряд демпферов в системе трубопроводов.
Поскольку все тепло, отводимое через боковую стенку, проходит главным образом через каналы
текучей среды, то меньше тепла излучается с внешней поверхности кожуха 12 электролизной ванны. Это
обеспечивает возможности для дополнительного управления балансом тепла из электролизной ванны
посредством обеспечения изоляции на внешней стороне кожуха электролизной ванны.
Во время работы электролизеров бывают случаи, когда электропитание электролизеров временно
прерывается. Для того чтобы воспрепятствовать затвердеванию содержимого электролизеров во время
этих перерывов в снабжении электроэнергией, кожух электролизной ванны может быть снабжен слоем
изоляции 52, который может быть расположен впритык к наружной поверхности кожуха электролизной
ванны для сохранения тепла внутри электролизера, причем поток текучей среды во время перерыва в
снабжении электроэнергией останавливается. Поскольку тепло через боковую футеровку отводится
главным образом через проточные каналы 26, эта изоляция может образовывать постоянно закрепленную деталь на борту кожуха электролизной ванны.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Электролизер для производства металла электролитическим восстановлением металлосодержащего материала, растворенного в расплавленной солевой ванне, содержащий кожух и футеровку на
внутренней стороне этого кожуха, причем футеровка включает в себя подовую катодную футеровку и
боковую футеровку с множеством проточных каналов, расположенных впритык к внутренней поверхности кожуха, для пропускания через них текучей среды, при этом проточные каналы проходят вдоль бортов кожуха и сообщаются с насосными средствами для протекания текучей среды через эти проточные
каналы.
2. Электролизер по п.1, в котором те борта, вдоль которых проходят проточные каналы, включают
продольные стороны и торцы электролизера.
3. Электролизер по п.1, в котором проточные каналы снабжены впуском и выпуском.
4. Электролизер по п.3, в котором впуск предусмотрен в более горячей области электролизера, чем
выпуск.
5. Электролизер по п.1, в котором проточные каналы размещены в виде по меньшей мере двух рядов каналов вдоль каждой продольной стороны электролизера.
6. Электролизер по п.5, в котором каждый ряд каналов проходит вдоль части торца, прилегающей к
соответствующей продольной стороне.
7. Электролизер по п.5, в котором каждый ряд каналов включает более одного проточного канала.
8. Электролизер по п.1, причем этот электролизер является одним из электролизеров в электролизной серии и имеет входную по току сторону и выходную по току сторону по отношению к ходу общего
тока в этой электролизной серии.
9. Электролизер по п.8, в котором охлаждающие проточные каналы снабжены впуском и выпуском,
причем впуск в охлаждающие проточные каналы на выходной по току продольной стороне предусмотрен, по существу, в центральной области или рядом с центральной областью электролизера, а выпуски
предусмотрены на соответствующем торце или рядом с соответствующим торцом электролизера.
10. Электролизер по п.8, в котором охлаждающие каналы снабжены впуском и выпуском, причем
впуск в охлаждающие каналы на входной по току продольной стороне предусмотрен на соответствующих торцах или рядом с соответствующими торцами электролизера, а выпуски предусмотрены в центральной области или рядом с центральной областью входной по току продольной стороны электролизера.
11. Электролизер по п.1, в котором насосные средства прокачивают текучую среду через охлаждающие проточные каналы.
12. Электролизер по п.3, в котором охлаждающая текучая среда из выпуска охлаждающего проточного канала направляется в теплообменник для обмена теплом с металлосодержащим материалом, подаваемым в электролизер.
13. Способ производства металла в электролизере по п.1 электролитическим восстановлением металлосодержащего материала, растворенного в расплавленной солевой ванне, включающий в себя этапы
формирования расплавленной ванны с металлом из солевого расплава и растворенного металла в
электролизере, содержащем кожух и футеровку на внутренней стороне этого кожуха, причем футеровка
включает в себя боковую футеровку и подовую футеровку, осуществление циркуляции охлаждающей
текучей среды через охлаждающие проточные каналы, выполненные в боковой футеровке впритык к
внутренней поверхности кожуха, для отвода тепла от упомянутой ванны и образования настыли затвердевавшего материала на боковой футеровке,
поддержания настыли на боковой футеровке путем регулирования протекания охлаждающей текучей среды через охлаждающие проточные каналы.
-4-
010167
Фиг. 1(а)
Фиг. 1(b)
Фиг. 1(с)
-5-
010167
Фиг. 2
Фиг. 3
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-6-