RU2593247C1 - Method of lining of cathode device of electrolytic cell for aluminium production - Google Patents

Abstract

FIELD: metal processing.

SUBSTANCE: invention relates to method of lining of cathode device of electrolytic cell for aluminium production with unshaped materials. Proposed method comprises laying brick border along perimeter of inner side surface of metal enclosure, filling and horizontal alignment of heat-insulating material consisting of nongraphitic carbon, in case of cathode device, filling and horizontal alignment of refractory layer, joint compaction of fire-resistant and heat-insulating layers by vibration compaction, installation of hearth and on-board units with further sealing of joints between them with cold packed bottom mass before filling heat-insulating material is mixed with fine organic particles.

EFFECT: reduced cost of lining materials and reduced power consumption due to stabilisation of thermal characteristics of heat insulation of cathode device of electrolytic cell.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к технологическому оборудованию для производства первичного алюминия электролизом, а именно к способам футеровки катодных устройств электролизеров.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to technological equipment for the production of primary aluminum by electrolysis, and in particular to methods of lining cathode devices of electrolytic cells.

Известен способ футеровки катодного устройства электролизера для получения первичного алюминия, включающий монтаж теплоизоляционного слоя в виде последовательной засыпки и уплотнения глубоко прокаленного глинозема в кожухе катодного устройства в два слоя с различной плотностью - верхнего с плотностью 1,2-1,8 т/м³, нижнего 0,8-1,1 т/м³, кладку барьера из огнеупорных кирпичей, монтаж подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой (Авторское свидетельство СССР №1183564, МПК C25C 3/08, опубл. 07.10.1985 г.).A known method of lining the cathode device of the electrolyzer to produce primary aluminum, including the installation of a heat-insulating layer in the form of sequential filling and compaction of deep calcined alumina in the cathode of the device in two layers with different densities - the upper one with a density of 1.2-1.8 t / m ³ , lower 0.8-1.1 t / m ³ , laying a barrier of refractory bricks, installing hearth and airborne blocks with subsequent sealing of the joints between them with a cold-packed hearth mass (USSR Author's Certificate No. 1183564, IPC C25C 3/08, publ. 07.10. 1985).

Недостатками такого способа футеровки является высокая стоимость глубоко прокаленного глинозема, предварительно подвергаемого кальцинации при температурах более 1200°C, рост энергозатрат в процессе работы электролизера вследствие нестабильности температурных полей в катодном устройстве из-за проникновения компонентов электролита по межкирпичным швам огнеупорного слоя и изменения теплофизических характеристик нижерасположенного теплоизоляционного слоя, высокие трудозатраты при кладке огнеупорного слоя, а также более высокие тепловые потери из-за большого коэффициента теплопроводности уплотненного слоя из α-А1₂O₃.The disadvantages of this method of lining are the high cost of deeply calcined alumina, previously subjected to calcination at temperatures above 1200 ° C, the increase in energy consumption during operation of the electrolyzer due to the instability of temperature fields in the cathode device due to the penetration of electrolyte components along the bricks of the refractory layer and changes in the thermophysical characteristics of the downstream heat-insulating layer, high labor costs when laying the refractory layer, as well as higher heat New losses due to the large coefficient of thermal conductivity of the compacted layer of α-A1 ₂ O ₃ .

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия, включающий кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку теплоизоляционного слоя в кожух катодного устройства, формирование огнеупорного слоя, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, в котором при засыпке теплоизоляционного слоя используют неграфитированный углерод или порошок алюмосиликатного или глиноземистого состава, предварительно перемешанный с неграфитированным углеродом, а формирование огнеупорного слоя осуществляют засыпкой порошка алюмосиликатного состава и его уплотнением вибропрессованием до получения кажущейся пористости огнеупорного слоя не более 17% (Патент РФ №2385972, МПК C25C 3/08, опубл. 10.04.2010 г.).Closest to the claimed method according to the technical essence is a method of lining the cathode device of the electrolyzer to produce aluminum, including laying a brick edge along the perimeter of the inner side surface of the metal casing, filling the insulating layer into the cathode of the cathode device, forming a refractory layer, installing hearth and airborne blocks with subsequent sealing seams between them with a cold-packed hearth mass, in which, when filling the insulating layer, non-graphitized carbon or a powder of aluminosilicate or alumina composition pre-mixed with non-graphitized carbon, and the formation of the refractory layer is carried out by filling the powder of the aluminosilicate composition and compacting it by vibration pressing to obtain an apparent porosity of the refractory layer of not more than 17% (RF Patent No. 2385972, IPC C25C 3/08, publ. 04/10/2010).

Недостатками такого способа футеровки являются повышенные энергозатраты при производстве алюминия вследствие высоких тепловых потерь катодного устройства электролизера из-за относительно высокого коэффициента теплопроводности уплотненного теплоизоляционного слоя из неграфитированного углерода или порошка алюмосиликатного или глиноземистого состава, предварительно перемешанных с неграфитированным углеродом.The disadvantages of this method of lining are the increased energy consumption in the production of aluminum due to the high heat loss of the cathode device of the electrolyzer due to the relatively high coefficient of thermal conductivity of the densified heat-insulating layer of non-graphite carbon or powder of aluminosilicate or aluminous composition, pre-mixed with ungraphized carbon.

В основу изобретения положена задача разработки способа футеровки, обеспечивающего снижение стоимости футеровочных материалов, сокращение энергозатрат при работе электролизера.The basis of the invention is the task of developing a method of lining, which reduces the cost of lining materials, reducing energy consumption during operation of the electrolyzer.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является улучшение теплофизических и экономических характеристик теплоизоляции катодного устройства электролизера.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to improve the thermophysical and economic characteristics of the thermal insulation of the cathode device of the electrolyzer.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающем кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя, совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, перед засыпкой теплоизоляционный материал смешивают с мелкодисперсными органическими частицами.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of lining the cathode device of the electrolytic cell for producing aluminum with unformed materials, including laying a brick edge along the perimeter of the inner side surface of the metal casing, backfilling and horizontal alignment of the heat-insulating material consisting of non-graphite carbon into the cathode casing, backfilling and horizontal alignment of the refractory layer, joint sealing of the refractory and thermal insulation layers Hovhan, installation of bottom and side blocks, followed by jointing between them holodnonabivnoy hearth weight before backfilling insulating material is mixed with finely divided organic particles.

Предлагаемый способ дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению указанного технического результата.The proposed method is complemented by private distinctive features that contribute to the achievement of the specified technical result.

При совместном уплотнении огнеупорного и теплоизоляционного слоев теплоизоляционный материал, смешанный с мелкодисперсными органическими частицами, уплотняют до плотности от 600 до 800 кг/м³. В качестве неграфитированного углерода используют полукокс бурого угля (ПБУ), вещественный состав которого на 94% состоит из углерода, пористостью 50-60%, а выход летучих веществ не превышает 7-10%. В качестве неграфитированного углерода может быть использован древесный уголь, вещественный состав которого на 95% состоит из углерода, пористость достигает 70-80%, а выход летучих 3-12%.With the joint compaction of the refractory and heat-insulating layers, the heat-insulating material mixed with finely divided organic particles is compacted to a density of 600 to 800 kg / m ³ . As non-graphitized carbon, brown coal semi-coke (PBU) is used, whose material composition is 94% carbon, porosity 50-60%, and the yield of volatile substances does not exceed 7-10%. As non-graphitized carbon, charcoal can be used, whose material composition is 95% carbon, porosity reaches 70-80%, and the yield of volatiles is 3-12%.

Гранулометрический состав засыпаемого ПБУ имеет не более 5% частиц менее 0,1 мм и не менее 10% частиц с размерами, превышающими 1 мм, что обеспечивает насыпную плотность не более 510 кг/м³.The granulometric composition of the filled PBU has no more than 5% of particles less than 0.1 mm and not less than 10% of particles with sizes exceeding 1 mm, which ensures a bulk density of not more than 510 kg / m ³ .

В качестве мелкодисперсных органических частиц используют древесную муку или опилки с размерами частиц не более 1 мм при их содержании от 5 до 20% от общей массы теплоизоляционного слоя.As fine organic particles, wood flour or sawdust is used with particle sizes of not more than 1 mm and their content from 5 to 20% of the total mass of the heat-insulating layer.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates that the solution meets the criterion of "novelty."

Применение способа футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающего кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода с мелкодисперсными органическими частицами, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя, совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, при этом уплотнение огнеупорного слоя, состоящего из порошка алюмосиликатного состава, проводят до получения кажущейся пористости огнеупорного слоя не более 17%, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой обусловлено следующими обстоятельствами.Application of a method for lining a cathode device of an electrolytic cell for producing aluminum with unformed materials, including laying a brick edge along the perimeter of the inner side surface of a metal casing, filling and horizontal alignment of a heat-insulating material consisting of non-graphite carbon with finely divided organic particles, into a cathode casing, filling and horizontal leveling of a refractory layer, joint sealing of the refractory and heat-insulating layers casing, while compaction of the refractory layer, consisting of a powder of aluminosilicate composition, is carried out until the apparent porosity of the refractory layer is not more than 17%, installation of hearth and side blocks with subsequent sealing of the joints between them with a cold-packed hearth mass is due to the following circumstances.

Введение в полукокс бурого угля мелкодисперсных органических частиц обеспечивает снижение стоимости футеровочных материалов из-за более низкой цены древесной муки или тонкомолотых опилок по сравнению с полукоксом бурых углей. Так, в настоящее время цена мелкодисперсных органических частиц (древесной муки или опилок) в зависимости от их качества и способа их упаковки ниже стоимости полукокса бурого угля от 3 до 30 раз.The introduction of finely dispersed organic particles into the brown coal semi-coke provides a reduction in the cost of lining materials due to the lower price of wood flour or fine sawdust compared to brown coal semi-coke. So, at present, the price of finely dispersed organic particles (wood flour or sawdust), depending on their quality and method of packaging, is lower than the cost of semi-coke of brown coal from 3 to 30 times.

Сокращение энергозатрат при работе электролизера достигается повышением теплового сопротивления нижней части катодного устройства электролизера, а именно сокращением потерь теплоты теплопроводностью. Как известно, основными свойствами, влияющими на теплопроводность, являются не только общая пористость, но и размеры и формы пор, характер структуры и минералогический состав. Микропористые изоляционные материалы с порами менее 0,1 мкм имеют самую низкую теплопроводность в области низких и средних значений температур. Именно поэтому большое количество газовых оболочек, образующихся в результате пиролиза частиц древесной муки или тонкомолотых опилок, обеспечивают снижение тепловых потерь и сокращение размеров настылей на поверхности подовых блоков, затрудняющих прохождение электрического тока в катодном устройстве электролизера и увеличивающих энергозатраты при получении алюминия.The reduction of energy consumption during the operation of the electrolyzer is achieved by increasing the thermal resistance of the lower part of the cathode device of the electrolyzer, namely by reducing heat loss by thermal conductivity. As you know, the main properties that affect thermal conductivity are not only the total porosity, but also the size and shape of the pores, the nature of the structure and the mineralogical composition. Microporous insulation materials with pores of less than 0.1 μm have the lowest thermal conductivity in the range of low and medium temperatures. That is why a large number of gas shells formed as a result of pyrolysis of particles of wood flour or fine sawdust, reduce heat loss and reduce the size of deposits on the surface of the hearth blocks, which impede the passage of electric current in the cathode device of the electrolyzer and increase energy consumption when producing aluminum.

Однако высокая пористость теплоизоляционного материала обуславливает не только низкие значения коэффициента теплопроводности, но и снижение механической прочности. Поэтому наряду с низким значением коэффициента теплопроводности к слоям теплоизоляции предъявляются требования обеспечения необходимой прочности на сжатие под нагрузкой 1,5 МПа, при которой величина усадки не превышает 10%.However, the high porosity of the insulating material causes not only low values of the coefficient of thermal conductivity, but also a decrease in mechanical strength. Therefore, along with a low value of the coefficient of thermal conductivity, thermal insulation layers are required to provide the necessary compressive strength under a load of 1.5 MPa, at which the shrinkage does not exceed 10%.

Специальными экспериментальными исследованиями деформационных и теплофизических свойств полукокса бурого угля и его смесей с мелкодисперсными древесными частицами были определены оптимальные соотношения между смесевыми компонентами, обеспечивающими минимальные коэффициенты теплопроводности при условиях допустимой усадки.Special experimental studies of the deformation and thermophysical properties of brown coal semi-coke and its mixtures with finely divided wood particles have determined the optimal ratios between the mixed components that provide the minimum thermal conductivity under conditions of permissible shrinkage.

Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом. На фиг. 1 представлены результаты исследований коэффициента теплопроводности полукокса бурого угля и его смесевых композиций с мелкодисперсными органическими частицами (выгорающими добавками), а на фиг. 2 приведены значения относительной усадки смесей плотностью 600±2 кг/м³, обожженных при температуре 800°С.The invention is illustrated by the following graphic material. In FIG. 1 presents the results of studies of the thermal conductivity coefficient of brown coal semi-coke and its mixed compositions with finely dispersed organic particles (burnable additives), and in FIG. 2 shows the values of the relative shrinkage of mixtures with a density of 600 ± 2 kg / m ³ , annealed at a temperature of 800 ° C.

Для оценки теплопроводности в лабораторных условиях использовался метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом МИТ-1 по ГОСТ 30256-94. Исследованию подверглись композиционные составы полукокса бурого угля (ПБУ) с древесными мелкодисперсными частицами (ДМЧ) или муки древесной (МД). Составы исследуемых смесей представлены в таблице 1.To assess thermal conductivity in laboratory conditions, the method of determining thermal conductivity with a MIT-1 cylindrical probe according to GOST 30256-94 was used. The composition of the semi-coke of brown coal (PBU) with fine wood particles (DMCh) or wood flour (MD) was studied. The compositions of the studied mixtures are presented in table 1.

На фигуре 1 приведены графики зависимости теплопроводности для составов ПБУ+ДМЧ и ПБУ+МД от степени уплотнения. Видно, что с увеличением количества выгорающих добавок коэффициент теплопроводности снижается. Так, при плотности 600 кг/м³ ввод 20% выгорающих добавок в виде древесной муки приводит к снижению коэффициента теплопроводности с 0,12 для ПБУ до 0,07 Вт/(мК), т.е. на 41%.The figure 1 shows graphs of the dependence of thermal conductivity for the compositions PBU + DMCh and PBU + MD on the degree of compaction. It can be seen that with an increase in the number of burn-out additives, the coefficient of thermal conductivity decreases. So, at a density of 600 kg / m ^{3, the} introduction of 20% of burnable additives in the form of wood flour leads to a decrease in the thermal conductivity from 0.12 for PBU to 0.07 W / (mK), i.e. by 41%.

На фигуре 2 приведены деформационные графики, из которых следует, что относительная деформация смеси с плотностью 600±2 кг/м³, состоящей из 85% ПБУ и 15% ДМЧ, обожженной при Т=800°C и давлении 1,5 МПа, составляет 10%. При карбонизации выгорающих добавок, помимо нежелательных процессов - возможной обжиговой усадки и разупрочнения, следует ожидать уменьшения теплопроводности в смесях, по крайней мере, за счет увеличения пористости материала.The figure 2 shows the deformation graphs, from which it follows that the relative deformation of the mixture with a density of 600 ± 2 kg / m ³ consisting of 85% PBU and 15% DMC, calcined at T = 800 ° C and a pressure of 1.5 MPa, is 10%. In the case of carbonization of burnable additives, in addition to undesirable processes — possible calcining and softening, we should expect a decrease in thermal conductivity in the mixtures, at least by increasing the porosity of the material.

Действительно, например, для состава №6 при плотности 600 кг/м³ коэффициент теплопроводности при комнатной температуре λ=0,119 Вт/(мК), после термообработки при 800°C коэффициент теплопроводности уменьшается до λ=0,104 Вт/(мК).Indeed, for example, for composition No. 6 at a density of 600 kg / m ^3, the thermal conductivity coefficient at room temperature is λ = 0.119 W / (mK), after heat treatment at 800 ° C the thermal conductivity coefficient decreases to λ = 0.104 W / (mK).

Предлагаемые параметры являются оптимальными. Более высокое чем 20% содержание выгорающих добавок в смеси с плотностью от 600 до 800 кг/м³ может привести к недопустимой усадке неформованных материалов и повреждению конструкции катода электролизера, а содержание меньше чем 5% технически и экономически неоправданно. Плотность теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода и мелкодисперсных органических частиц, более 800 кг/м³ неоправданна из-за уплотнения межчастичных контактов ПБУ.The proposed parameters are optimal. A higher than 20% content of burn-out additives in a mixture with a density of 600 to 800 kg / m ³ can lead to unacceptable shrinkage of unformed materials and damage to the design of the cathode of the cell, and a content of less than 5% is technically and economically unjustified. The density of the heat-insulating material, consisting of non-graphite carbon and finely dispersed organic particles, more than 800 kg / m ^{3 is} unjustified due to the sealing of interparticle contacts of the PBU.

Фотографии, показывающие относительную усадку при насыпной плотности после термообработки при t=800°С - для состава БПК исходный (85%)+ДМЧ (15%), приведены на фигуре 3. При такой температуре происходит карбонизация (обугливание) древесных частиц, протекающая с большим уменьшением объема, вследствие этого идет процесс самоуплотнения и усадки смеси. Естественно полагать, что усадка, происходящая при термообработке, вследствие карбонизации ДМЧ будет зависеть от начальной плотности составов (степени уплотнения), поскольку от этого зависит и количество кислорода в смеси. Чем выше содержание ДМЧ, тем более высокую степень уплотнения необходимо обеспечить во избежание значительной усадки при термообработке, но с другой стороны, чрезмерное уплотнение смеси приведет к росту коэффициента теплопроводности.Photos showing the relative shrinkage at bulk density after heat treatment at t = 800 ° C - for the BOD composition, the initial (85%) + DMC (15%) are shown in Figure 3. At this temperature, carbonization (charring) of wood particles occurs with a large decrease in volume, as a result of which there is a process of self-compaction and shrinkage of the mixture. It is natural to assume that the shrinkage that occurs during heat treatment due to the carbonation of the DMP will depend on the initial density of the compositions (degree of compaction), since the amount of oxygen in the mixture also depends on this. The higher the content of DMC, the higher the degree of compaction must be ensured to avoid significant shrinkage during heat treatment, but on the other hand, excessive compaction of the mixture will lead to an increase in the thermal conductivity.

Предлагаемый способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами по сравнению с прототипом позволяет снизить стоимость футеровочных материалов и сократить энергозатраты при работе электролизера за счет улучшения теплофизических свойств теплоизоляции в катодном устройстве электролизера.The proposed method of lining the cathode device of the electrolytic cell for producing aluminum with unformed materials in comparison with the prototype allows to reduce the cost of the lining materials and reduce energy consumption during operation of the electrolyzer by improving the thermal properties of thermal insulation in the cathode device of the electrolyzer.

Claims (4)

1. Способ футеровки катодного устройства электролизера для получения алюминия неформованными материалами, включающий кладку кирпичной бровки по периметру внутренней боковой поверхности металлического кожуха, засыпку и горизонтальное выравнивание теплоизоляционного материала, состоящего из неграфитированного углерода, в кожух катодного устройства, засыпку и горизонтальное выравнивание огнеупорного слоя и совместное уплотнение огнеупорного и теплоизоляционного слоев вибропрессованием, установку подовых и бортовых блоков с последующей заделкой швов между ними холоднонабивной подовой массой, отличающийся тем, что перед засыпкой теплоизоляционный материал смешивают с мелкодисперсными частицами из древесной муки или опилок.1. A method of lining a cathode device of an electrolytic cell for producing aluminum with unformed materials, including laying a brick edge around the perimeter of the inner side surface of a metal casing, backfilling and horizontal alignment of a heat-insulating material consisting of non-graphite carbon, into a cathode casing, backfilling and horizontal leveling of the refractory layer and joint compaction of the refractory and heat-insulating layers by vibrocompression, installation of hearth and airborne blocks with subsequent by closing the joints between them with a cold-packed hearth mass, characterized in that before filling the heat-insulating material is mixed with fine particles of wood flour or sawdust. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при совместном уплотнении огнеупорного и теплоизоляционного слоев теплоизоляционный материал, смешанный с мелкодисперсными органическими частицами, уплотняют до плотности от 600 до 800 кг/м³.2. The method according to p. 1, characterized in that during joint sealing of the refractory and heat-insulating layers, the heat-insulating material mixed with finely divided organic particles is compacted to a density of 600 to 800 kg / m ³ . 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неграфитированного углерода используют полукокс бурого угля или древесный уголь.3. The method according to p. 1, characterized in that as non-graphitized carbon use semi-coke brown coal or charcoal. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что древесная мука или опилки имеют размеры частиц не более 1 мм и их содержание составляет от 5 до 20 мас. %. 4. The method according to p. 1, characterized in that the wood flour or sawdust have particle sizes of not more than 1 mm and their content is from 5 to 20 wt. %

Images