Защитная футеровка емкости для рафинирования расплавленного алюминия - RU2051191C1
Код документа: RU2051191C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к резервуару для рафинирования расплавленного алюминия, конкретно к загнутой прокладке для такого резервуара.
В резервуарах для рафинирования алюминия рафинировочная камера часто представляет собой нагреваемую снаружи чугунную ванну. Если стенки ванны не имеют покрытия, то турбулентный расплавленный алюминий, присутствующий в ванне в процессах рафинирования, приводит к очень быстрому разложению чугуна, что сокращает срок службы стенки толщиной 11/2 дюйма (38,1 мм) до нескольких дней. Такое разложение чугуна приводит также к недопустимому загрязнению алюминия железом. Для замедления этого недопустимого процесса разложения чугунная ванна полностью обкладывается жаропрочными плитами и формами. На нагреваемых снаружи площадях стенки чугунной ванны эта обкладка выполняется из графита. Поскольку графит обладает гораздо более высокой теплопроводностью, чем какой-либо другой материал, стоек к воздействию расплавленного алюминия, он является единственным подходящим материалом для такого применения. Если обкладка ванны выполняется из другого более лучшего материала, с точки зрения теплопроводимости, например, из карбида кремния, дополнительное снижение температуры через обкладку ввиду ее более низкой теплопроводности приводит к более высокой температуре стенки ванны и частому быстрому износу чугуна вследствие образования трещин, вздутий и т.п.
Такая нагревостойкая обкладка не исключает контакта расплавленного алюминия со стенкой ванны. Очень трудно и практически невозможно выполнить обкладку, которая была бы полностью непроницаемой для жидкости. Не только сложно сделать это, но также и нецелесообразно по причинам теплопроводности. Расплавленный алюминий, занимающий пространство между обкладкой и стенкой ванны, обеспечивает отличный канал прохождения тепла между этими двумя частями. Если это пространство заполнить только газом, стенка ванны должна нагреваться до более высокой температуры, чтобы передать необходимое количество тепла внутрь рафинированного резервуара, что приводит к преждевременному износу чугунной ванны.
Если расплавленный алюминий, который проникает в пространство между огнеупорной обкладкой и стенкой ванны, находится в неподвижном состоянии, он будет вытеснять железо из чугунной ванны до тех пор, пока не станет насыщенным, а это составляет примерно 2-3% при нормальных рабочих температурах. При самых неблагоприятных обстоятельствах (с точки зрения стенки ванны) расплавленный алюминий будет вступать в реакцию с достаточным количеством железа, приводя к образованию алюминия, содержащего 42% железа. Этот уровень потребления железа составляет всего лишь незначительное удаление железа из стенки чугунной ванны. Значительные потери железа, с другой стороны, происходят, когда расплавленный алюминий имеет возможность входить и выходить из этого пространства. Если в обкладке имеются отверстия, такая циркуляция будет иметь место и определяться градиентами плотности тепловой энергии, градиентами плотности состава (алюминия с вытесненным железом, причем плотность железа является более высокой, чем чистого алюминия) и в наибольшей степени в процессе рафинирования гидравлическими силами, образуемыми вращающимися форсунками, применяемыми в таких процессах. Известно, что такие циркулирующие потоки приводят к вымыванию, то есть к образованию отверстий в стенке из серого чугуна толщиной примерно 38 мм за каких-то несколько недель. Такая циркуляция обычно происходит в тех случаях, когда расплавленный алюминий из рафинировочного пространства внутри резервуара проходит в пространство между обкладкой и стенкой ванны через какое-нибудь небольшое отверстие или щель между двумя частями.
Какая-то часть проблемы вымывания ванны обусловлена потерей графита вследствие окисления. Когда рафинировочная система находится в нерабочем состоянии и недостаточно хорошо инертна на внутренней стороне резервуара, определенная часть графитовых обкладочных плит выше уровня расплавленного алюминия будет разрушаться вследствие окисления. Это может быть ограничено путем тщательной изоляции рафинировочного пространства, но на практике это не делается на многих рафинировочных заводах. Как только некоторая часть какой-либо графитовой плиты подвергается окислению ниже рабочего уровня расплавленного алюминия в резервуаре, боковая стенка чугунной ванны больше не будет иметь защиты в этом месте. В то время как эта конкретная часть стенки ванны может быть покрыта достаточным количеством дросса для предотвращения фактического контакта между чугуном ванны и расплавленным алюминием, тем не менее расплавленный алюминий имеет большую входящую точку для прохождения в пространство за обкладкой. Если также имеется и выходная точка вследствие наличия зазоров между обкладочными плитами и формами, особенно тех, которые находятся у донной части рафинировочного резервуара, то может иметь место быстрая циркуляция расплавленного алюминия за обкладкой, приводя к нежелательному быстрому вымыванию чугунной стенки ванны.
Окисление графитовой обкладки выше незагруженного уровня может быть эффективно исключено путем покрытия этой части графитовой плиты неокисляющимся материалом, на который не воздействует расплавленный алюминий. Для этой цели хорошим материалом является связанный нитридом кремния карбид кремния. Стакан из этого материала можно разместить таким образом, чтобы он опирался на верх графитовой плиты и был прикреплен к чугунной ванне таким образом, что он будет удерживаться на месте на верху графитовой плиты и не сползать в резервуар. Это фиксирование служит также для прижатия графитовых плит книзу и исключения всплытия их вверх, когда резервуар весь заполняется расплавленным алюминием. Верхний конец графитовой плиты надежно удерживается или прижимается к стенке чугунной ванны. Стакан из карбида кремния, опирающийся на верх графитовой плиты, доходит донизу над внутренней поверхностью графитовой плиты мимо верхнего рабочего уровня расплавленного алюминия с тем, чтобы обеспечить защиту графита от окисления в рафинировочном пространстве выше уровня расплавленного алюминия в резервуаре.
Для исключения большинства каналов для протекания расплавленного алюминия в пространстве между графитовой обкладкой и стенкой и вытекания из него, дно, боковые стороны и по крайней мере один торец сосуда целесообразно обкладывать отдельными кусками графита без каких-либо сквозных отверстий. Боковые плиты и торцовая плита соединяются с данном плитой способом шпунтового соединения. Когда обкладка размещается в чугунной ванне именно таким образом, различные куски подгоняются близко друг к другу и к стенкам ванны и какие-либо зазоры между соединенными плитами заполняются цементом.
Когда рафинировочный резервуар нагревают до рабочей температуры, ванна расширяется в большей степени, чем обкладка, благодаря более высокому коэффициенту теплового расширения. В этом случае ванна уже не удерживает куски обкладки в близком контакте друг с другом. Поскольку графитовые боковые и торцевые плиты прижаты к стенкам ванны огнеупорными стаканами, эти графитовые плиты фактически расходятся на их верхних концах. Нижние концы графитовых плит удерживаются в контакте друг с другом благодаря шпунтовым соединениям с данной плитой. Это смещение приводит к появлению зазоров между боковыми плитами и торцевой плитой на их верхних концах, служащих каналом для прохождения расплавленного алюминия между рафинированным пространством в резервуаре и пространством между графитовой обкладкой и чугунной ванной. Шпунтовое соединение не может быть применено между задней графитовой плитой и боковыми графитовыми плитами, потому что такое соединение будет ограничивать необходимое движение наружу либо боковой, либо торцевой плиты во время нагрева. Такое ограничение будет приводить к разрыву шпунтового соединения, смещению огнеупорного стакана или разрушению графитовых плит. Следовательно, крайне необходимо обеспечить такое соединение, которое не приводило бы к образованию канала для потока расплавленного алюминия после необходимого смещения графитовых плит в процессе нагрева рафинировочного резервуара до рабочей температуры.
Целью изобретения является создание усовершенствованного соединения между боковыми графитовыми плитами и торцевыми плитами резервуара для рафинирования алюминия, создание соединения между упомянутыми боковыми графитовыми плитами и торцевой плитой, которое позволяло бы относительное смещение, как это требуется во время нагрева, с одновременным обеспечением надежной преграды для протекания расплавленного алюминия через это соединение.
Цель достигается расположением нагревостойкого листового элемента в вырезе, создаваемом в соединении между боковой графитовой плитой и торцевой графитовой плитой таким образом, что этот листовой элемент остается в упомянутом вырезе и исключает прохождение расплавленного алюминия через зазоры между упомянутыми плитами и их верхними концами, образующиеся при смещении плит в процессе нагрева рафинированного резервуара до рабочей температуры.
На фиг. 1 показана схема соединения между боковыми и торцевыми графитовыми плитами рафинировочного резервуара с нагревостойким листовым элементом, вставленным в него, после установки и перед нагревом до рабочей температуры; на фиг. 2 то же, после нагрева до рабочей температуры.
Жаропрочный листовой элемент, расположенный в вырезе в соединении между боковой графитовой плитой и торцевой графитовой плитой, не потребовался бы, если бы эти плиты оставались подогнанными плотно друг к другу (фиг. 1), после нагрева резервуара до заданной рабочей температуры с целью удерживания расплавленного алюминия с рафинированием его или без рафинирования. Однако графитовые плиты расходятся на их верхних концах после нагрева рафинировочного резервуара до рабочей температуры, а нижние концы плит удерживаются вместе за счет шпунтовых соединений. Следовательно, жаропрочный листовой элемент обеспечивает удобное и эффективное средство предотвращения прохождения расплавленного алюминия через зазор, образуемый между упомянутыми боковой и торцевой плитами.
Торцевая графитовая плита 1 имеет вырезанную часть 2 для опоры неокисляемого стакана. Боковая графитовая плита 3 плотно подогнана к торцевой плите 1 после сборки резервуара. Однако (фиг. 2) торцевая плита 1 и боковая плита 3 расходятся при нагреве до заданной рабочей температуры рафинирования. Жаропрочный листовой элемент 4 представлен на фиг. 1 в первоначально установленном виде в соединении между плитами, а на фиг. 2 проиллюстрировано его положение в рабочих условиях, когда он остается в таком положении, чтобы эффективно предотвращать прохождение расплавленного алюминия через зазор, образуемый в результате расхождения плит 1 и 3.
Для размещения листового элемента 4 в соответствующих местах, например, в середине толщины плит в месте соединения плит предусмотрены спаренные части 5 и 6 выреза. Части 5 и 6 имеют Y-образную конфигурацию с более узкими внутренними частями 5А и 6А, соответственно, и части 5В и 6В имеют большие размеры и обращены друг к другу. Такое устройство позволяет жаропрочному листовому элементу 4 удобно располагаться и удерживаться в вырезах.
Жаропрочный листовой элемент 4 имеет достаточную ширину для того, чтобы его противоположные концы оставались в пределах узких частей 5А и 6А после прохождения торцевой плиты 1 и боковой плиты 3 (фиг. 2). Таким образом жаропрочный листовой элемент 4 способен эффективно преграждать поток расплавленного алюминия через зазор между плитами в процессе очистки при рабочей температуре. С этой целью жаропрочный листовой элемент 4 должен быть достаточно широким и толстым для надежной насадки в узких вырезанных частях 5А и 6А, когда торцевая плита 1 и боковая плита 3 находятся в тесном контакте (фиг. 1), и оставаться по существу в таком же тесно посаженном положении, образуя надежную преграду для прохождения расплавленного алюминия несмотря на то, что обязательно будет иметь место прогибание вследствие смещения плит 1 и 3 (фиг. 2).
Части 5 и 6 выреза имеют одинаковые размеры относительно длины и ширины листового элемента 4, так что размещение листового элемента 4 в частях выреза обеспечивает надежный барьер для прохождения расплавленного алюминия, который выдерживается в условиях рабочей температуры. Внутренние более узкие части 5А и 6А конструкции (фиг. 1) имеют достаточную ширину, чтобы противоположные концы листового элемента 4 после возникновения положения под углом (фиг. 2) и, следовательно, выдвижения из противоположно расположенных внутренних концов частей 5А и 6А оставались в пределах частей 5А и 6А для поддержания надежного препятствия для прохождения расплавленного алюминия, несмотря на расхождение торцевой плиты 1 и боковой плиты 3. Для достижения плотной посадки жаропрочного листового элемента 4 в частях 5А и 6А целесообразно, чтобы последние практически имели такую же ширину, что и жаропрочный листовой элемент 4, благодаря чему обеспечивается достаточный зазор для размещения листового элемента 4 в частях 5А и 6А выреза. Части 5В и 6В целенаправленно увеличенных размеров частей 5 и 6 выреза, обращенные лицом друг к другу и состыкованные вместе, имеют большую ширину, чем части 5 и 6 выреза, благодаря чему обеспечивается необходимое смещение жаропрочного листового элемента 4 в частях 5 и 6 выреза, в частности, возможность расположения этого жаропрочного листового элемента 4 под углом после расхождения плит 1 и 3.
Размеры частей 5 и 6 выреза и теплостойкого листового элемента 4 должны быть такими, чтобы обеспечивать необходимое предотвращение прохождения расплавленного алюминия через зазор между боковыми и торцевыми плитами в процессе работы. В типичной конструкции части 5 и 6 выреза имеют ширину порядка 19 мм (3/4 дюйма), причем ширина внутренних более узких частей 5А и 6А составляет порядка 10 мм (3/8 дюйма), ширина увеличенных частей 5В и 6В также порядка 10 мм, что обеспечивает возможность расхождения боковых сторон Y-образных частей 5В и 6В под углом порядка 45о. В представленном варианте внутренние более узкие части 5А и 6А имеют толщину порядка 4,76 мм (3/16 дюйма). Для достижения надежной посадки теплостойкий Y-образный лист имеет толщину порядка 4,76 мм (3/16 дюйма), причем создается небольшой зазор для обеспечения его вхождения во внутренние более узкие части, а общая ширина составляет порядка 38 мм (1 1/2 дюйма), то есть приблизительно вдвое больше общей длины каждой отдельной части 5 или 6. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что практически размеры частей выреза, будь то предпочтительно Y-образной конфигурации, однозазорной конфигурации или какой-либо другой формы или конструкции и размеры теплостойкого листового элемента 4 будут определяться в зависимости от размеров и конструкции конкретного примененного рафинировочного резервуара и предполагаемого смещения соединительного узла, которое необходимо обеспечить при конкретном применении.
Части выреза в боковых и торцевых плитах удобно располагаются по всей высоте плит. Теплостойкий листовой элемент располагается по вертикали выше предполагаемого рабочего уровня расплавленного алюминия в резервуаре с тем, чтобы удерживать и/или рафинировать алюминий ниже точки, при которой расходятся плиты по мере нагрева. В общем целесообразно, чтобы теплостойкий листовой элемент доходил до низа плит.
Теплостойкий лист 4 должен быть стойким и к воздействию алюминия. В то время как в практике осуществления изобретения могут быть применены такие жесткие и хрупкие материалы, как формованный карбид кремния или окись алюминия, предпочтительно же иметь теплостойкий листовой элемент из гибкого материала для необходимого принятия изогнутого положения (фиг. 2) с одновременным обеспечением надежной преграды. Такой листовой материал выпускается ZIRCAR под маркой "Теплостойкий лист марки 100 ZIRCAR и может применяться при рабочих температурах до 1315о (2400оГ). Такие листы, представляемые как усиленный керамическими волокнами материал из окиси алюминия, содержащий порядка 75% окиси алюминия (Al2O3), 16% окиси кремния и 9% окисей других металлов, имеют крайне необходимые прочности на изгиб и сжатие в диапазоне высокотемпературных усиленных пластических материалов и сохраняют прочность и возможность применения при температурах гораздо выше уровня максимальных температур применения известных пластиков. В практике осуществления настоящего изобретения могут быть использованы и другие выпускаемые промышленностью материалы, например, формуемый в вакууме теплостойкий волоконный щит, выпускаемый фирмой Rex. Roto Corp и другими фирмами, и теплостойкий волоконный, выпускаемый фирмой 3МС Corp. под маркой "Nextel".
Предлагаемое изобретение обеспечивает дальнейший прогресс в технике рафинирования алюминия, дает возможность располагать графитовые боковые и торцевые плиты таким образом, что допускается их расхождение на верхних концах при нагреве до рабочей температуры с одновременным обеспечением надежного барьера для прохождения расплавленного алюминия через образующийся зазор между плитами. Таким образом, изобретение дает возможность продлить срок службы ванны таких рафинированных резервуаров достаточно приемлемым способом в технике рафинирования алюминия.
Реферат
Использование: совершенствование конструкции емкости для рафинирования алюминия электролизом. Сущность: снабжение предохранительными листовыми элементами, нагревостойкий листовой элемент располагают в вырезанных частях графитовых боковых и торцевых плит резервуара для содержания и рафинирования расплавленного алюминия. Этим обеспечивают надежный барьер для прохождения расплавленного алюминия через зазор, образующийся при расхождении плит в процессе нагрева емкости до рабочей температуры. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.
