ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА, СОДЕРЖАЩЕГО ФТОРИСТЫЕ СОЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Область техники
Техническое решение относится к электрометаллургии, а конкретно к электролитическому получению легких металлов: алюминия, магния.
Уровень техники
Алюминий получают электролизом расплава электролита (фтористых солей) в электролизерах постоянного тока. Перед запуском новой ванны электролизера, ванну предварительно прогревают, с целью обжига подовой массы, которой набиты швы между угольными блоками, затем в ванну заливают необходимое количество расплавленного электролита. Электролит заранее наплавляют в действующих электролизерах, ваннах-матках (Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В. и др. Металлургия алюминия, Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1999, С. 216-217). Недостатком данного способа плавления электролита является снижение производительности электролизеров, ванн-маток, увеличение расхода электроэнергии на производство алюминия ввиду того, что основная часть подводимой электроэнергии идет на расплавление излишнего, специально загруженного в электролизер электролита для пусковых электролизеров, а не на процесс электролиза.
Известна печь с солевым обогревом для плавки магниевых ломов (патент SU №1254830, F27B 19/02, опубл. 10.05.96), включающая футерованный кожух с установленные через футеровку в шахте печи электродами, электроды установлены в печи на расстоянии от подины, равном 0,18 0,25 глубины шахты печи, и выполнены выступающими над футеровкой печи в шахту на 0,06 0,15 толщины футеровки. Печь дополнительно снабжена резервными электродами, число которых равно количеству рабочих электродов. Токоподводы установлены в выемках наружной футеровки. Недостатком печи данной конструкции является низкий срок службы печи, быстрый износ футеровки из-за наличия резервных электродов. Кроме того, конструкция токоподвода не обеспечивает равномерный прогрев расплава по высоте шахты печи.
Известна печь с солевым обогревом для плавки лома легких металлов (патент SU №1313088, F27B 14/00, опубл. 20.06.96), содержащая футерованный кожух с электродами, установленным и в футеровке стен с выводом в рабочее пространство ванны печи. Футеровка ванны печи выполнена в виде сплошной бетонной рубашки, футеровка подины из муллитового кирпича, контактирующая с расплавом, а стен из доменного кирпича. Недостатком печи является недостаточный срок службы футеровки ванны печи в месте прохода электродов.
Известен электропечной агрегат (патент РФ №2089803, кл. F27B 3/08, приоритет от 21.02.1996 г.), содержащий дуговую электропечь с электропроводной подиной и четное количество расположенных сверху печных электродов и равное числу электродов количество источников питания. Работа печи характеризуется развитым дуговым режимом и уменьшением токов шихтовой проводимости. Недостатком данного электропечного агрегата является развитый дуговой режим работы, что приведет к испарению фтористых солей при температурах дугового разряда.
Известна электрическая печь с солевым обогревом (патент на полезную модель №74696, F27B 14/00, опубл. 10.07.2008), состоящая из кожуха печи с футеровкой из теплоизоляционного и огнеупорного слоев, стационарными электродами, выведенными через футеровку торцами в рабочее пространство на расстоянии от подины 0,1-0,15 высоты ванны. Печь снабжена дополнительными электродами, установленными в проемах перекрытия ванны печи. Недостатком конструкции печи является низкий срок службы футеровки стен ванны печи из муллитового кирпича и неравномерный прогрев расплава в нижней части ванны печи.
Известна электродуговая плавильная печь (патент РФ №2227881, F27B 3/08, опубл. 27.04.2004), содержащая расположенный подовый проводник под проводящей частью шихты ванны напротив электродов, подключенных к силовому трехфазному трансформатору, с организацией под электродами концентрированного ионизированного пространства в ограниченном объеме, который обеспечивает более устойчивый режим нагрева и плавления металла.
По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Недостатком печи данной конструкции является то, что основной режим работы печи - дуговой, а это недопустимо при плавлении электролита, ввиду повышенной летучести электролита (фтористых солей) при температурах выше 1000°С. В условиях дугового разряда это приведет к значительному испарению криолита (фтористых солей).
В основу технического решения положена задача, направленная на повышение стабильности работы электролизеров.
Техническим результатом является повышение производительности электролизеров.
Раскрытие технического решения
Поставленная цель предлагаемого технического решения достигается за счет того, что электролит (фтористые соли) для пуска ванн наплавляется в специальной электрической печи, расположенной в корпусе электролиза. Напряжение подается от трансформатора к угольному электроду и к угольному токоподводу, вмонтированному в подину ванны печи. Расплав электролита образуется за счет протекания тока от угольного электроду к угольной подине через загруженный в печь электролит. Расплав электролита периодически сливают из печи через отверстие в футеровки ванны.
При ведении электролиза алюминия в расплаве электролита (фтористых солей) электрическое напряжение на участке анод-катод составляет 4,3-4,5 В, сила тока 160000 А (соотношение тока к напряжению 37200-35500). При попадании не растворившихся в электролите твердых частиц (электролита или углерода) происходит разрыв контакта между анодом и электролитом по границе соприкосновения анода с электролитом и на поверхности анода возникают искровые разряды («анодный эффект»). Разряды проводят к росту напряжения до 15-30 В (соотношение тока к напряжению 5300 при напряжении 30 В, и 10700 при напряжении 15 В) и, если не устранить это явление, к испарению (потерям, изменению состава) электролита и к дальнейшему нарушению режима электролиза алюминия (Черкасова К.С. Производство алюминия, ГОУ СПО Братский индустриальный техникум, Братск, 2008, С. 9). Исходя из изложенного: дуговой режим работы печи начинает развиваться, для электролизеров на силу тока 160000 А, в интервале отношения тока электрода к напряжению 5300-10700.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели пояснена на фигуре 1. Печь для плавления электролита (фтористых солей) включает в себя: стальной кожух (1) с теплоизоляционным покрытием, огнеупорную футеровку (2) с защитным слоем (3) от воздействия расплавленных фтористых солей, выполненным из карбидокремниевых плит, угольную футеровку подины с элементами подвода тока к подине (4), угольный электрод с механизмом перемещения электрода (5). На уровне подины ванны печи имеется отверстие (6) для слива расплавленного электролита (8). Электрическое питание печи осуществляется от печного трансформатора: к токоподводу (7) угольного электрода (5) и к подводу тока (9) к подине ванны печи (4).
Работа устройства
Плавление электролита осуществляется следующим образом. В печь на подину загружается электролит или другая смесь фтористых солей и небольшое количество токопроводящих материалов, например, алюминиевая стружка. Печь включают под напряжение в режиме сопротивления. После расплавления алюминия и получения электролита в жидком виде электрический ток, проходящий через жидкий электролит, нагревает расплав, поэтому, во избежание перегрева, постоянно загружаются свежие порции электролита до полного заполнения шахты ванны печи жидким расплавом. После заполнения ванны и достижения необходимой температуры производится слив расплава, и расплав в ковше перемещается для заливки в пусковой электролизер. При сливе расплава в ванне печи оставляется небольшое количество расплава для последующего цикла наплавления электролита. Наличие в ванне печи расплавленного электролита не приводит к перегреву электролита и его испарению, ускоряет следующий цикл плавления. Во время работы, когда электрод постоянно погружен в расплав, исключается работа печи в дуговом режиме. Расплавление электролита ведется при соотношении тока к напряжению 5300-10700. Данное отношение тока электрода к напряжению исключает ведение процесса плавления электролита с развитым дуговым режимом.
Проведенные испытания печи показали достаточный уровень прогрева электролита. Пуск новых ванн прошел без отклонений от действующей нормативной документации по пуску новых ванн. Электролизеры, ранее использовавшие как ванны-матки, сохранили стабильный выпуск алюминия.
Плавление электролита в отдельной печи позволило повысить производительность электролизера в период запуска электролизеров в работу. Производительность электролизеров с силой тока 160000 А, при работе электролизера в режиме ванны-матки, составила 1154 кг в сутки. При работе электролизера в стационарных режимах производительность электролизера составила 1245 кг алюминия в сутки; в среднем, производительность электролизеров в течение длительного периода (наплавления электролита в ваннах-матках) составила 1230 кг алюминия в сутки. Повышение производительности электролизеров составила в сутки 15 кг алюминия.
Плавление электролита и других фтористых солей в одноэлектродной электрической печи переменного тока в режиме электрического сопротивления с соотношением тока электрода к напряжению в интервале 5300-107000, обуславливает новизну технического решения и соответствует критерию «существенное отличие».