Електролізер для виробництва металу

1. Електролізер для виробництва металу електролітичним відновленням металовмісного матеріалу, розчиненого в розплавленій сольовій ванні, який містить кожух і футерівку на внутрішній стороні цього кожуха, причому футерівка включає в себе подову катодну футерівку і бокову футерівку з множиною проточних каналів, розташованих впритул до внутрішньої поверхні кожуха, для пропускання через них текучого охолоджуючого середовища, при цьому проточні канали проходять вздовж бортів кожуха і сполучені з насосними засобами, що забезпечують протікання текучого охолоджуючого середовища через ці проточні канали. 2. Електролізер за п. 1, в якому ті борти, вздовж яких проходять проточні канали, включають подовжні сторони і торці електролізера. 3. Електролізер за п. 1, в якому проточні канали забезпечені впуском і випуском. 4. Електролізер за п. 3, в якому впуск передбачений в більш гарячій ділянці електролізера, ніж випуск. 5. Електролізер за п. 1, в якому проточні канали розміщені у вигляді щонайменше двох рядів кана 2 (19) 1 3 85764 4 стороні цього кожуха, причому футерівка включає в себе бокову футерівку і подову футерівку, здійснення циркуляції охолоджуючого текучого середовища через охолоджуючі проточні канали, виконані в боковій футерівці впритул до внутрішньої поверхні кожуха, для відведення тепла від згаданої ванни та утворення охолоді матеріалу, що твердне, на боковій футерівці, підтримки охолоді на боковій футерівці шляхом регулювання протікання охолоджуючого текучого середовища через охолоджуючі проточні канали. Даний винахід стосується електролізера для виробництва алюмінію і, зокрема, пристрою та способу для підтримки і керування тепловим потоком через бокову стінку електролізера. Електролізери для виробництва алюмінію містять електролізну ванну з катодом та анодом, звичайно виконаний з множини попередньо випалених вуглецевих блоків. Оксид алюмінію подають в кріолітову ванну, в якій цей оксид алюмінію розчиняється. Під час процесу електролізу алюміній одержується на катоді і утворює шар розплавленого алюмінію на дні (подині) електролізної ванни, при цьому кріолітова ванна плаває поверх цього шару алюмінію. На анодах одержується кисень, спричиняючи їх витрати шляхом утворення газоподібних монооксиду вуглецю та діоксиду вуглецю. Робоча температура кріолітової ванни знаходиться звичайно в межах від 930°C до приблизно 970°C. Електролізна ванна складається із зовнішнього сталевого кожуха з вуглецевими катодними блоками, розташованими на шарі ізоляційного та вогнетривкого матеріалу вздовж подини ванни. Ці вуглецеві катодні блоки з'єднані з електричними шинами за допомогою струмознімних стрижнів і гнучких алюмінієвих провідників. Хоча точна конструкція бокових стінок змінюється, але в будьякому випадку впритул до сталевого кожуха передбачена футерівка, яка містить поєднання вуглецевих блоків та вогнетривкого матеріалу. Під час роботи електролізера на бокових стінках електролізної ванни утворюється кірка або охолодь із застиглої ванни електроліту. Хоча товщина цього шару може змінюватися в ході роботи електролізера, утворення цієї кірки є критично важливим для роботи електролізера. Якщо кірка стане дуже товстою, це буде впливати на роботу електролізера, оскільки кірка буде наростати на катоді і порушувати розподіл катодного струму, що впливає на магнітне поле. З іншого боку, якщо шар застиглої ванни стає дуже тонким або зовсім відсутній в деяких місцях, то ванна електроліту буде агресивно впливати на бокову футерівку електролізної ванни, що, зрештою, призведе до руйнування цієї бокової футерівки. Якщо агресивний вплив на бокову футерівку дійде до такої міри, що ванна електроліту буде впливати на бокові стінки (борти) сталевого кожуха, то електролізер повинен бути вимкнений в зв'язку з ризиком витікання металу і ванни електроліту з електролізера. Таким чином, керована утворення охолоді є істотним для хорошої роботи електролізної ванни і тривалого терміну служби вогнетривкої футерівки всередині електролізера. Більше того, керування термодинамічним функціонуванням електролізера і, зокрема, потоком тепла з ванни електроліту через бокову футерівку є істотним для керованої утворення охолоді всередині електролізера. Згідно з останніми удосконаленнями технології тепло відводять від електролізера через сталевий кожух електролізної ванни, використовуючи пристрої пасивного перенесення тепла, такі як охолоджуючі ребра, в спробі збільшити площу поверхні, доступної для перенесення тепла від бокових стінок електролізної ванни. Тепло, яке повинне бути відведене від електролізера, залежить від величини струму, що проходить через електролізер, і напруги електролізера. Якщо відбувається збільшення струму або напруги, то в цьому випадку кількість тепла, яка повинна бути витягн ута через бокову стінку для підтримки відповідної товщини охолоді, утвореної на внутрішній стінці вогнетривкого матеріалу, буде збільшуватися і часто може виходити за межі конструктивних можливостей пасивних елементів охолоджування на стінці електролізера. Відповідно, мета даного винаходу полягає у створенні засобу, за допомогою якого термодинамічними умовами в електролізері можна активно керувати для забезпечення можливості утворення і підтримки охолоді на внутрішній поверхні вогнетривкого матеріалу бокової стінки. Згідно з одним аспектом винаходу запропонований електролізер для виробництва металу електролітичним відновленням металовмісного матеріалу (наприклад, оксиду алюмінію, який називається глиноземом), розчиненого в розплавленій сольовій ванні, який містить кожух і футерівку на внутрішній стороні цього кожуха, причому футерівка включає в себе подову катодну футерівку і футерівку бокових стінок (бокову футерівку) з множиною проточних каналів, розташованих впритул до внутрішньої поверхні кожуха, для пропускання через них текучого середовища, при цьому проточні канали проходять вздовж бортів кожуха і сполучаються із насосними засобами для протікання текучого середовища через ці проточні канали. У контексті винаходу, бокові стінки електролізера є подовжніми боковими стінками і торцевими стінками електролізера. Заявник виявив, що при виконанні проточних каналів суміжними внутрішній поверхні кожуха тепло може бути витягнуте з електролізера з достатньою для підтримки охолоді із застиглого матеріалу ванни на достатній товщині інтенсивністю для того, щоб захистити вогнетриви бокових стінок. Під час роботи електролізера магнітні поля, 5 85764 наведені електричним струмом, спричиняють переміщення розплавленого металу всередині електролізера. Це переміщення розплавленого металу створює всередині електролізера більш гарячі ділянки, тим самим збільшуючи в цих ділянках потребу в тепловіддачі для підтримки достатньої товщини застиглого матеріалу ванни на бокових стінках електролізера. Ці потоки розплавленого металу можуть також призвести до ерозії гребеня застиглої ванни і, таким чином, оголенню вогнетривкої бокової стінки доти, доки достатня кількість тепла не буде відведена від електролізера в цій ділянці для підтримки товщини застиглої охолоді. Тому в одному переважному варіанті винаходу електролізер забезпечують щонайменше двома рядами (пучками) охолоджуючих проточних каналів вздовж кожного подовжнього борта кожуха, причому кожний ряд охолоджуючих проточних каналів охолоджує визначену частину електролізера. В одному переважному варіанті винаходу кожний ряд охолоджуючих каналів витягує тепло з приблизно половини кожної подовжньої сторони електролізера. Кожний ряд охолоджуючих каналів також проходить вздовж щонайменше частини торцевої стінки і примикаючи до відповідної подовжньої сторони. Описані вище охолоджуючі проточні канали здатні пропускати будь-яке текуче середовище, здатне перенести тепло, проведене через вогнетрив. Хоча охолоджуючі рідини дають простір для більшого відведення тепла від електролізера, вони також означають підвищення ризику, пов'язаного з використанням рідини поблизу з розплавленим металом, і вартості обслуговування рідких систем. Отже, є переважним, щоб охолоджуюче текуче середовище, що проходить через проточні канали, було газом, а переважно -повітрям. Насосні засоби, що використовуються для забезпечення протікання охолоджуючого текучого середовища в о холоджуючі канали, можуть являти собою повітронагнітальний вентилятор (повітродувку) або газовий насос іншого типу. У випадку рідини може використовуватися будь-який гідравлічний насос, який звичайно є в розпорядженні. Напрямок потоків розплавленого металу всередині електролізера визначається конструкцією електричних шин (ошиновки) і наведеним магнітним полем. На вихідній по потоку стороні електролізера розплавлений метал звичайно прямує до середини подовжньої стінки. Це є причиною того, що центр вихідної по потоку подовжньої стінки є більш гарячим, ніж зовнішні кінці. Відповідно, є переважним, щоб охолоджуюче текуче середовище, що надходить в охолоджуючі проточні канали на вихідній по потоку стороні, входило через впуски, що знаходиться по суті в центральній ділянці або поруч з центральною ділянкою електролізера, яка відповідає короткій осі електролізера, і виходило через випуски поруч з відповідними торцями електролізера. На вхідній по потоку стороні електролізера наведені в розплавленому металі потоки відносять розплавлений метал від центральної ділянки еле 6 ктролізера. Відповідно, на вхідній по потоку стороні електролізера охолоджуюче текуче середовище входить в о холоджуючі проточні канали по впусках, розташованих поруч з відповідними торцями електролізера, і виходить з проточних каналів по випусках, що знаходяться по суті в центральній ділянці або поруч з центральною ділянкою подовжньої сторони електролізера. У переважному варіанті винаходу нагріте після проходження через проточні канали повітря може обмінюватися теплом з глиноземом або з псевдозріджуючим газом, що транспортує глинозем до електролізера. Короткий опис креслень Фіг.1(а) являє собою вигляд в розрізі варіанту реалізації кожуха відповідно до винаходу; Фіг. 1(b) являє собою вигляд в перспективі бокової футерівки та охолоджування у варіанті за Фіг.1(а); Фіг. 1(с) являє собою вигляд в перспективі внутрішніх проточних каналів згідно з варіантом за Фігурами 1(а) та 1(b); Фіг.2 та 3 являють собою схематичні вигляди двох можливих напрямків потоків текучого середовища через проточні канали на вхідній і вихідній по потоку стороні електролізера. Докладний опис варіантів реалізації Повинно бути зрозумілим, що винахід, розкритий та охарактеризований в даному описі, розповсюджується на всі альтернативні комбінації двох або більше індивідуальних ознак, що згадуються або є очевидними з тексту або креслень. Всі ці різні комбінації складають різні альтернативні аспекти винаходу. На вигляді електролізера в розрізі, показаному на Фіг.1, електролізна ванна містить множину сталевих контрфорсів 10 і сталевий кожух 12. а також внутрішню вогнетривку футерівку, що містить ізоляційний шар 14 подини і бокову футерівку 19 та 20. Відповідним чином футерівка складається з матеріалу, який має здатність протистояти корозійним впливам електроліту та розплавленого алюмінію, а також має прийнятно хороші властивості у відношенні питомої електро- та теплопровідності. Бокова футерівка містить множину блоків, які виконані з таких матеріалів, як карбід кремнію 19 і вуглецеві матеріали 20. На ізоляцію подини спирається катод 22, з'єднаний з струмознімним стрижнем 24, який відводить струм від катода. У варіанті реалізації, показаному на Фігурах 1 (b) та 1 (с), внутрішні проточні канали 26 передбачені такими, що проходять горизонтально вздовж бокової стінки електролізера. Між блоком 19 та проточними каналами 26 передбачена маса з теплопровідного матеріалу для забезпечення хорошого теплового контакту між цими проточними каналами і блоком 19 бокової стінки. Проточні канали 26 забезпечені трубопроводами 28, 29 та 48 текучого середовища, які транспортують текуче середовище до проточних каналів і від проточних каналів 26, як показано на Фіг. 2. Це текуче середовище може бути або рідиною, або газом. Хоча рідини можуть бути привабливими з точки зору теплопровідності, введення рідини у високотемпературне оточуюче середовище означає значне 7 85764 збільшення загрози безпеки і збільшує імовірність вибуху рідин, що приходять в контакт з рідким металом. Більше того, рідини будуть представляти небезпеку ураження електричним струмом, оскільки потенціали на електродах електролізера буде важко підтримувати відділеними. Таким чином, хоча при використанні рідин можуть мати місце деякі переваги, переважним є легко доступний газ, такий як повітря. При роботі електролізера внутрішні проточні канали можуть бути приведені в дію таким чином, що температура поверненої всередину електролізера поверхні бокової футерівки 19 та 20 є трохи нижче температури розплавленої ванни електроліту. Таким чином, в зв'язку з різницею температур, створеною охолоджуючою дією текучого середовища, що протікає через внутрішні проточні канали 26, на розплавлену ванну електроліту, на внутрішній стороні бокової футерівки утворюється тверда стійка охолодь. Ця охолодь сприяє захисту бокової футерівки від розплавленої ванни електроліту і значно збільшує термін служби бокової футерівки. На Фіг.2 показаний повітряний насос 32, що подає повітря у вп ускні трубопроводи 28 та 29 текучого середовища. Ці тр убопроводи подають його у вп ускні колектори 38 та 40, які знаходяться в сполученні текучим середовищем з внутрішніми проточними каналами 26 всередині бокової футерівки електролізера на внутрішній стороні кожуха 12 електролізної ванни. Впускні колектори 38, 40 прокладені до середини подовжньої сторони на приблизно короткій осі електролізера і направляють текуче середовище, що надходить в проточні канали, до відповідних торців електролізера. Текуче середовище проходить навколо секції бокової футерівки і збирається по випускних колекторах 42 та 44 на торцях електролізера. Колектори 42 та 44 сполучаються з відповідними випускними трубопроводами 48 текучого середовища, які об'єднуються разом і проходять до теплообмінника 50. У цьому теплообміннику нагріте повітря, що виходить, передає тепло відповідному середовищу, такому як псевдозріджуюче повітря для перенесення глинозему, що подається до електролізера. Це передане тепло нагріває глинозем, що подається, перед його доданням в електролізер. У конструкції, показаній на Фіг. 2, впускні колектори 38, 40 показані такими, що направляють охолоджуюче текуче середовище до центра електролізера, а потім текуче середовище проходить через внутрішні проточні канали і виходить на відповідних торцях електролізера через випускні колектори 42, 44. При альтернативних шляха х проходження текучого середовища, показаних на Фіг.3, текуче середовище, що охолоджує вхідн у по потоку сторону електролізера, подається по впускних трубопроводах 11 та 13 і надходить через встановлені на торцях електролізера впускні колектори (43, 45), які направляють текуче середовище до випускних колекторів 51 в центральній ділянці вхідної по потоку сторони електролізера. Ця центральна ділянка приблизно відповідає положенню короткої осі електролізера. У варіанті реалізації за Фіг. З 8 вихідна по потоку сторона електролізера має впускні колектори (38) в або біля центральної ділянки електролізера, які направляють текуче середовище через внутрішні проточні канали до випускних колекторів (47, 49) на відповідних торцях електролізера. Гаряче повітря з випускних колекторів 47, 49 та 51 спрямовується до теплообмінника 50 через випускні трубопроводи 48 текучого середовища. Незважаючи на те, що винахід був проілюстрований відносно невеликої кількості проточних каналів 26 і впусків 38, 40, 43 та 45. фа хівці в даній галузі техніки зрозуміють, що могла бути використана будь-яка кількість проточних каналів і впусків, причому їх поперечні перерізи і місцеположення вздовж бокової стінки варіюються для того, щоб «пристосувати» до передбачуваних гарячих ділянок вздовж бокової стінки та усун ути їх. Для досягнення оптимального відведення тепла застосування внутрішніх проточних каналів не повинно бути обмежене довгими сторонами електролізера і може бути також реалізоване на коротких сторонах електролізера. Також було б можливо розташувати внутрішні проточні канали у вертикальному, а не горизонтальному напрямку. Також фахівцям в даній галузі техніки було б зрозумілим, що, контролюючи температуру газу на його вході в проточні канали і виході з проточних каналів 26. може бути визначений показник того тепла, яке відведене від електролізера, і кількість відведеного тепла скорельоване з товщиною утвореної охолоді. Було б також зрозуміло, що. продовжуючи контролювати збільшення температури текучого середовища між впуском і випуском, може бути визначений показник наявності потенційно можливих проблем, що стосуються товщини футерівки електролізера і стану охолоді. Температура текучого середовища і тенденції його зміни можуть бути використані як регульований параметр процесу для регулювання об'єму текучого середовища в каналах шляхом збільшення або зменшення швидкості повітряного насоса або, альтернативно, шляхом регулювання витрати текучого середовища через ряд демпферів в системі трубопроводів. Оскільки все тепло, що відводиться через бокову стінку, проходить головним чином через канали текучого середовища, то менше тепла випромінюється із зовнішньої поверхні кожуха 12 електролізної ванни. Це забезпечує можливості для додаткового керування балансом тепла з електролізної ванни за допомогою забезпечення ізоляції на зовнішній стороні кожуха електролізної ванни. Під час роботи електролізерів бувають випадки, коли електроживлення електролізерів тимчасово уривається. Для того, щоб перешкодити твердненню вмісту електролізерів під час цих перерв в постачанні електроенергією, кожух електролізної ванни може бути забезпечений шаром ізоляції 52, який може бути розташований впритул до зовнішньої поверхні кожуха електролізної ванни для збереження тепла всередині електролізера, причому потік текучого середовища під час перерви в постачанні електроенергією зупиняється. Оскільки 9 тепло через бокову футерівку відводиться головним чином через проточні канали 26, ця ізоляція 85764 10 може утворювати постійно закріплену деталь на борту кожуха електролізної ванни. 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85764 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601