ГАЗОСБОРНЫЙ КОЛОКОЛ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Область техники
Полезная модель относится к области металлургии цветных металлов, а именно к электролизному производству алюминия, и может быть использована для улавливания газов от электролизеров «Содерберг» с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом.
Уровень техники
Электролизеры типа «Содерберг» известны более полувека, в них выпускается первичный алюминий-сырец. Основными недостатками применения электролизеров данного типа являются: устаревшая конструкция, увеличенная трудоемкость и выпуск низкосортного первичного алюминия. Сорность выпускаемого алюминия на данном типе электролизеров зависит от применяемых материалов и сырья, которые могут передавать в расплавленный электролит Fe, Si и других примесей. Основными материалами «поставщиками» Fe и Si для расплава в электролизере являются изделия из черных металлов (сталь, чугун), а именно анодные штыри, анодная рама, секции газосборного колокола (ГСК), инструмент, применяемый для технологической обработки.
С развитием технических возможностей, разработкой материалов и совершенствованием конструкции электролизеров появляются новые конструкции укрытий электролизера с целью улучшения герметизации подколокольного пространства, а также улучшения стойкости. В настоящее время известны изобретения (Патент RU2582421, опубл. 27.04.2016), где укрытие электролизера для производства алюминия, контактирующее с парогазовой фазой в процессе его работы, содержит центральные и периферийные секции, установленные с возможностью перемещения относительно друг друга, при этом центральные и периферийные секции выполнены из коррозионностойкого и эрозионностойкого материала, содержащего 80,0-99,0 мас. % фторфлогопита и 20,0-1,0 мас. % огнеупорного наполнителя.
Данное огнеупорное покрытие должно исключить окисление поверхности секций и переход материала секций в электролит. Данный способ имеет существенные недостатки: обмазка повреждается в процессе установки секций на анодный кожух, вследствие чего огнеупорный материал попадает в расплав электролита, загрязняет его и способствует повышенному пенообразованию в электролизере. Известно устройство для аспирации анодных газов на электролизере с верхним токоподводом, содержащее секции газосборного колокола, установленного у анода, при этом в колоколе у нижней части анода параллельно и на расстоянии не более 5 см от боковой поверхности анода установлены пластины, препятствующие попаданию выплескиваемого электролита на секции газосборного колокола и в канал для эвакуации газа (Патент RU2484184, опубл. 10.06.2013). Применение известного устройства не оказывает практического эффекта, так как коррозионная среда в подколокольном пространстве разъедает поверхность жаропрочных/жаростойких материалов, а также данные сплавы имеют высокую хрупкость, что влияет на период эксплуатации и стоимость применения данных секций.
Наиболее близким созданному газосборному колоколу (прототипом) является газосборный колокол алюминиевого электролизера (патент RU2151825, опубл. 27.06.2000), выполненный из навесных секций, крепящихся с помощью кронштейнов к горизонтальному поясу анодного кожуха и имеющих наружные наклонные, средние горизонтальные и внутренние стенки, при этом внутренние стенки секций выполнены опирающимися в анодный кожух, а во внутреннем пространстве секций выполнены вертикальные ребра, жестко соединенные с их стенками, при этом кронштейны жестко соединены с горизонтальными стенками секций в их средней части, а центр тяжести секций смещен относительно узла их крепления на анодном кожухе в сторону их наружных стенок. Прототип имеет следующие недостатки:
во внутреннем пространстве секций выполнены вертикальные ребра, которые под воздействием коррозионной среды и температуры подколокольного пространства сгорают в первую очередь и отдают в расплав электролизера больше Fe и Si; дополнительно внутренние ребра снижают скорость потока газов в горелки, в связи с этим замедляется процесс отвода и дожигания образованных газов, что снижает эффективность системы газоудаления.
секции изготавливаются из чугуна, который повышает нагрузку на узел крепления анодного кожуха и, следовательно, при разогревании секции деформируют анодный узел крепления и нарушают герметичность подколокольного пространства;
конструктивная особенность секций не позволяет наиболее эффективно отводить тепло от внешней поверхности секций, вследствие чего они перегреваются и локально прогорают.
конструкция секций не обеспечивает изоляции узла, на котором крепятся секции, от воздействия температуры и коррозии образованных газов в подколокольном пространстве, вследствие чего горизонтальный поясок анодного кожуха локально выходит из строя.
В заявляемой полезной модели, по сравнению с прототипом есть следующие отличия и преимущества:
внутренняя поверхность секций колокола не содержит ребер, углов, препятствующих газовым потокам, а имеет плавные переходы с внутренней стороны горизонтальной полки к основной стенке, обеспечивающие плавное направление газовых потоков, что позволяет не повышать температуру подколокольного пространства и не способствовать увеличению газопроницаемости через стыки между секциями колокола;
внутренняя поверхность секций содержит горизонтальную полку с толщиной до 2-4 раза больше, чем толщина пояска анодной рамы с целью снижения воздействия температуры и коррозии и продления срока службы поясок анодной рамы, на который навешиваются секции;
применение ребер на внешней поверхности секций способствует не только созданию конструктивной прочности, но и созданию дополнительной площади для отведения температуры от поверхности секции с целью снижения риска перегрева и прогара;
созданная конструкция секций снижает температуру внешней поверхности всего газосборного колокола и повышает срок его службы.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение сортности получаемого алюминия-сырца за счет исключения попадания в расплав железа и кремния.
Техническая задача выполняется за счет того, что газосборный колокол алюминиевого электролизера выполнен из навесных секций, крепящихся посредством кронштейнов к горизонтальному пояску анодного кожуха и имеющих наклонные стенки, согласно заявляемой полезной модели на внешней поверхности стенок секций размещены вертикальные ребра жесткости, при этом навесные секции c ребрами выполнены в виде монолитных изделий из алюминия.
Колокол дополнительно содержит горизонтально расположенную полку, закрепленную на внутренней поверхности навесных секций и размещенную под пояском анодного кожуха, при этом толщина горизонтальной полки превышает толщину пояска анодного кожуха в 2-4 раза.
Навесные секции с ребрами жесткости и горизонтальной полкой могут быть выполнены в виде монолитных или сборных изделий из алюминия.
Стенки секций боковыми фланцами соединены друг с другом посредством разъемных соединителей через отверстия, выполненные на боковых фланцах стенок секций.
Угол наклона основной стенки секций может составлять 40-70 градусов относительно горизонтальных полок.
Толщина стенок секций между ребрами жесткости может достигать в 1,5-2 раза большей толщины стенок секций между боковыми фланцами и крайними ребрами.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена секция ГСК под устройство автоматической подачи глинозема (АПГ), а также разрезы А-А и Б-Б фиг. 1; на фиг. 2 изображена секция ГСК прямая и разрез А-А фиг. 2; на фиг. 3 изображен общий вид ГСК в разрезе.
Полезная модель, представленная на фигурах, состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - стенка навесной секции;
2 - полка навесной секции;
3 - боковые фланцы навесной секции;
4 - ребра жесткости;
5 - кронштейн;
6 - отверстия.
Устройство работает следующим образом
Газосборный колокол выполняет функции сбора и дожигания образованных газов в алюминиевом электролизере при производстве алюминий-сырца. ГСК позволяет сконцентрировать газы в определенных местах подколокольного пространства, дожечь их и направить продукты сгорания в систему газоочистки. Каждая секция колокола имеет основную стенку (1) расположенную под положительным углом (от 45° до 70°) относительно полки навесной секции (2), которая способствует изоляции пояска анодного кожуха электролизера от коррозии, а также выступает тепловым элементом, отводящим температуру от пояска с целью продления его срока службы. Секции имеют вертикальные боковые фланцы (3), способствующие плотному прилеганию между собой секций для создания герметичного подколокольного пространства. Секции содержат ребра жесткости (4), расположенные на внешней поверхности основной стенки (1) навесной секции, ребра жесткости (4) позволяют сохранять геометрические размеры секций при воздействии подколокольной температуры, а также способствуют созданию дополнительных плоскостей для охлаждения естественной или искусственной конвекцией и предотвращению перегревания/оплавления секций. Секции содержат кронштейн (5), расположенный в верхней части секций для их фиксации на пояске анодного кожуха относительно анодной рамы алюминиевого электролизера и соседних секций. На вертикальных фланцах (3) расположены отверстия (6), которые необходимы для размещения стягивающих инструментов (пальцев с резьбовым соединением, пальцев с клиновым соединением и т.д.). Секции выполнены из первичного (марки А5, А7Э, А85 и др.) или вторичного (марки АВ87, АВ97, АК5М2) алюминия или алюминиевого сплава, например, с кремнием, марганцем или магнием, вследствие чего вес ГСК меньше до 75%, чем у секций из черных металлов. Температура внешней поверхности алюминиевых секций ниже (до 100°С), чем на секциях из черных металлов. Алюминиевые секции позволяют выдерживать температуру подколокольного пространства до 600°С и могут обеспечить расстояние колокол-электролит ±4-6 см, что способствует повышению герметичности подколокольного пространства. При этом не требуется утеплять верхнюю поверхность ГСК и обрабатывать внутренние поверхности подколокольного пространства ГСК специальными красками и покрытиями, а трудоемкость изготовления и крепления алюминиевых секций ниже до 60% по отношению с аналогичными секциями, выполненными из черных металлов.
Во время работы алюминиевый газосборный колокол естественным образом покрывается в подколокольном пространстве защитным слоем застывшего электролита, который создает покрытие, предотвращающее секции от расплавления и локального перегрева. Конструкция алюминиевого колокола помогает выдерживать необходимый технологический тепловой баланс электролизера.