3.4. Футеровка катодного кожуха
Основу катодной футеровки алюминиевой ванны составляют угольные катодные блоки, подводящие ток стальные стержни (блюмсы), соединенные с блоками с помощью чугунной заливки или специальной склеивающей пасты. Заделка блюмсов может быть однопазовая или двухпазовая (рис. 3.8).
В последнем варианте заделки, применяемом для электролизеров большой мощности, удается заметно снизить перепад напряжения в подине.
Катодные блоки изготавливают из углеродных материалов, в основе которых лежит электрокальцинированный (прокаленный в электрических печах сопротивления) антрацит и связующий материал – каменноугольный пек. Углеродная масса смешивается, прессуется на прошивных прессах или формуется на вибромашинах. Полученные «зеленые» блоки обжигают при температуре 1150-1200°С, после чего они приобретают свойства термической устойчивости, сопротивления агрессивному воздействию расплавленного электролита и алюминия, а также необходимую электрическую проводимость.
а) б)
Рис.3.8. Однопазовая (а) и двухпазовая (б) схемы заделки токоподводящих стержней в угольные катодные блоки
В последние годы в состав шихты стали вводить добавки искусственного графита, что повышает электропроводность катодных блоков и способствует их устойчивости против пропитки электролитом, «разбухания» материала. На отечественных предприятиях производят блоки с добавкой 25-30% графита, испытываются блоки с 50 и 70% графита.
Некоторые зарубежные предприятия стремятся полностью заменить антрацит на графит и в качестве наполнителя используют 100% графита (графитовые блоки). Другие предприятия производят блоки из нефтяных «игольчатых» коксов, затем обжигают их и графитизируют, доводя содержание графита почти до 100% (графитизированные блоки).
Подобные усовершенствования дают возможность снизить удельное электрическое сопротивление (УЭС) с 30-50 мкОм·м у блоков рядового состава до 18-20 мкОм·м у графитовых блоков и до 12-13 мкОм·м у графитизированных. Относительное расширение («разбухание») в электролите при этом снижается соответственно с 1,0 до 0,3 и 0,03 %. Последний фактор предохраняет подину от деформации и способствует повышению срока службы электролизера.
Препятствием для широкого использования графитовых катодных блоков является их низкая устойчивость к истиранию. Так, например, средний за износ год работы подины на основе графитизированных блоков электролизёра мощностью 350 кА составил 53 мм. При этом зависимость износа от анодной плотности тока не установлена (С.Vanvoren, Pechiney). Поэтому большая часть специалистов склоняется к тому, что рациональнее использовать блоки с 70-80% графита (остальное антрацит), что повышает их устойчивость к истиранию.
В качестве бортовой футеровки используют боковые угольные блоки толщиной 200 мм, произведенные на основе антрацита. Однако все шире используются плиты толщиной 65-100 мм на основе термостойкого материала - карбида кремния. Несомненным преимуществом карбидокремниевых плит является то обстоятельство, что они не электропроводны и исключают работу ванны «в борта». Они не окисляются в агрессивной среде, практически не пропитываются электролитом. Толщина карбидокремниевых плит в 2-3 раза меньше толщины угольных блоков, что позволяет уменьшить размеры и массу электролизера.
Цокольная часть катодного устройства выкладывается из огнеупорного и теплоизоляционного кирпича, как показано на рис. 3.9. Для кожухов без днища нижнюю часть цоколя выкладывают тремя-четырьмя рядами красного кирпича, верхнюю - тремя рядами огнеупорного шамотного кирпича, т.к. температура в этой части цоколя составляет 700-900ºС. Ниже располагается бетонный фундамент и выравнивающая подсыпка на его поверхности (рис. 3.9,а).
Цокольная часть катодного кожуха с днищем отличается большей сложностью, т.к. требует более тщательной тепловой изоляции днища кожуха (рис. 3.9,б). Для этого используются целый ряд специальных материалов и так называемая дифференцированная система футеровки. На дне металлического кожуха размещается тонкий слой выравнивающей подсыпки из дробленого шамота или крупнозернистого песка. На него укладывают 2-3 ряда (130-200 мм) теплоизоляционного кирпича, например диатомита.
В последние годы всё большее распространение получают легковесные крупногабаритные плиты из силиката кальция или вермикулита, имеющие коэффициент теплопроводности не более
0,15 Вт/(м·К). Следует отметить очевидные преимущества вермикулитовых плит, которые являются не только прекрасным теплоизоляционным материалом, но и термически устойчивы до 900-1000ºС, более устойчивы против смачивания и пропитки электролитом. Большие размеры плит (например, 1000×2000 мм) позволяют ускоренно вести футеровочные работы.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис.3.9 Огнеупорная и теплоизоляционная футеровка катодного кожуха алюминиевого электролизера: а - футеровка кожуха без днища: 1-стальной кожух; 2-цоколь; 3-бетонный фундамент; 4-анкерные лапы; 5-электроизоляционная втулка; 6-анкерный колодец; 7-подсыпка; 8 -красный кирпич; 9- огнеупорный шамотный кирпич; б – дифференцированная футеровка катодного кожуха с днищем: 1-выравнивающая подсыпка; 2- теплоизоляционный кирпич; 3-шамот; 4-СБС; 5-угольные блоки; 6-чугунная заливка; 7-катодный стержень; 8-набойка из подовой массы; 9-бортовая засыпка; 10-бровка; 11-бортовые плиты; 12-выравнивающий слой засыпки бортовых плит; 13-фланцевый лист | |
Поверх слоя теплоизоляции укладывается ряд легковесного шамотного кирпича и далее 2-3 слоя шамота. Если для теплоизоляции используются вермикулитовые плиты, то поверх их можно устанавливать 3 слоя шамота.
В последние годы находит применение специальный сорт шамотного кирпича, называемого «барьерный». Этот кирпич отличается низкой пористостью (особенно сквозной или проходной), которая составляет менее 14%, и низкой проницаемостью для расплава электролита и металла. За счет высокого содержания муллита 3Al2O3 ·SiO2 (более 30%) «барьерный» кирпич химически более устойчив к воздействию фтористых соединений.
На поверхности огнеупорной кладки накатывается слой подовой массы (угольная подушка) или помещается слой так называемой сухой барьерной смеси (СБС), состоящей из смеси глинозема, силикатов, оксида кальция и магния. Иногда применяют дроблёное стекло. Этот слой также выполняет барьерные функции для расплава и одновременно служит выравнивающим слоем под катодные блоки.
На большинстве предприятий используют упомянутую выше дифференцированную теплоизоляционную футеровку цоколя. Задача такой футеровки состоит в том, чтобы не допустить мощные горизонтальные потоки тепла вдоль катодных блоков и блюмсов, имеющих высокую теплопроводность. С этой целью теплоизоляционный кирпич выкладывается по всей периферии катодной части, включая цоколь и торцевую часть катодных блоков. Тем самым удается избежать охлаждения угольной подины, образования длинных, уходящих под анод настылей.
В самом цоколе теплоизоляционный кирпич выкладывается ступенькой, как это показано на рис 3.9,б. Что касается центральной части подины, то её тепловая изоляция обеспечивает сохранение достаточной температуры рабочей поверхности (950-960ºС).
Катодные блоки размещаются на угольной подушке или на слое СБС таким образом, что концы блюмсов выступают наружу через окна в катодном кожухе. Блоки по длине имеют два размера, например 2200 и 1600 мм. В один ряд укладываются два блока разной длины, чтобы в сумме получить 3800 мм. Укладка ведется в перевязку, т.е. два соседних блока имеют разную длину. Это позволяет иметь центральный шов по длинной оси ванны не сплошной, а в перевязку, что обеспечивает дополнительную прочность подины.
На электролизерах большой мощности используют длинные сплошные катодные блоки и соответственно сплошные блюмсы. Такой блок укладывается от борта до борта, а набивного шва по центру подины в них удается избежать. Преимущество сплошных блоков очевидно как с точки зрения прочности подины, так и более равномерного распределения тока в ней. В последние годы сплошные блоки находят все большее применение также на электролизерах средней и малой мощности. Трудность заключается в процедуре установки сплошных блоков. Они не умещаются в кожух по длине и кожухи приходится делать разъёмными с одной из продольных сторон.
После установки катодных блоков по периферии цоколя выкладывают пояс из шамотного кирпича (бровку), тщательно подгоняя кирпич к выступающим над цоколем блюмсам. Назначение бровки – создание плотной среды вокруг катодных стержней, препятствующей проникновению воздуха к угольной футеровке и просачиванию расплава к катодным стержням. Бровка служит также основанием для установки боковых плит. В ряде случаев бровка делается составной: наружная стенка выкладывается из теплоизоляционного кирпича, внутренняя со стороны блока – из шамота. Это усиливает тепловую изоляцию в направлении наибольших тепловых потоков.
На бровку устанавливаются бортовые плиты. Если это угольные боковые блоки, то между ними и стенкой кожуха помещается заливка огнеупорным бетоном или засыпается молотый шамотный порошок. Карбидокремниевые плиты наклеиваются к стенке кожуха с помощью пасты, содержащей аналогичные плитам компоненты. Пространство между бровкой и подовыми блоками заполняется набоечной массой в виде периферийного шва.
Ширина шва между подовыми блоками составляет, как правило, 30-40 мм. Швы набиваются углеродной подовой массой и обжигаются перед пуском ванны или в процессе её обжига в серии, что превращает подину в монолит. Подовая масса изготовляется смешением прокаленного антрацита (наполнитель) и каменноугольного пека (связующий материал). Для снижения температуры размягчения набиваемой массы и проведения набойки при низких температурах применяют добавку легкоплавких масел. Последний фактор очень важен, т.к. позволяет производить набойку швов без предварительного подогрева. Такая масса носит название холоднонабивной. Если используют блоки с высоким содержанием графита, то применяют другой сорт набоечной массы, содержащей графитовый компонент.
В верхней части кожуха, над бортовыми плитами устанавливается толстая стальная пластина – фланцевый лист, предохраняющий бортовой блок от механического воздействия инструментом или обрабатывающей техникой. Фланец крепится к кронштейнам, приваренным к кожуху.
Когда подина полностью смонтирована, для снижения перепада напряжения в контакте алюминий-угольный блок поверхность подины можно обработать веществами, способствующими смачиванию угля алюминием. Это позволяет уменьшить перепад напряжения в контакте жидкий алюминий-подина на 30-50 мВ. Для этого готовятся пасты на основе боридов и карбидов титана и циркония, которые тонким слоем наносятся на подину. В отечественной промышленности это направление еще не получило должного развития, но достаточно успешно развивается рядом американских и австралийских фирм.