为用于原铝生产的还原槽的阴极组件设置内衬的方法(变体)与流程

本发明涉及有色冶金，特别是涉及用于原铝电解生产的加工设备，即用于内衬还原槽的阴极组件的方法。

已知一种用于内衬的方法，其包括在不同密度的两层中将隔热层安装在阴极组件壳中，包括连续填充和压实煅烧氧化铝：上层密度为1.2吨/m³至1.8吨/m³，下层密度为0.8吨/m³至1.1吨/m³；铺设耐火砖屏障；安装底块和侧块，随后用冷捣糊密封其间的接缝(a.с.suno.1183564，ipcс25с3/08，1985年10月7日公布)。

这种内衬方法的缺点包括：在高于1200℃的温度下预煅烧的深度煅烧氧化铝的高成本；由于电解质成分穿过耐火砖之间的接缝而引起的阴极组件中的温度场的不稳定性以及下方隔热层的热学和物理特性的变化，增加了还原槽运行的能耗；用于铺设耐火层的高劳动成本，以及由于由α-al2o3制成的隔离层的高导热系数导致的更高的热损失。

已知一种为用于原铝生产的还原槽的阴极组件安装内衬的方法，该方法包括安装2层或3层硅藻土和蛭石板的隔热层；安装由柔性石墨箔制成的阻隔材料与钢板的组合；铺设耐火砖；安装底块和侧块，然后用冷捣糊密封其间的接缝。(j.c.chapman和h.j.wilderlightmetals，第1卷(1978)303)。

这种内衬方法的缺点是与钢板组合的柔性石墨箔不能作为长期的阻隔。具体而言，根据还原槽的剖析结果，钢板仅在覆盖阴极组件区域的仅仅10％的外周完好。在其余的区域，其受到损伤。

就其技术特征而言，最接近所要求保护的方法是一种为用于铝生产的还原槽的阴极组件安装内衬的方法，该方法包括：用由非石墨碳或者与非石墨碳预混的铝硅酸盐或铝粉组成的隔热层填充阴极组件壳体；通过填充铝粉形成耐火层，然后通过振动压实以获得不超过17％的表观孔隙率；安装底块和侧块，然后用冷捣糊将它们之间的接缝密封(专利ru2385972，ipcс25с3/08，2010年4月10日公布)。

这种内衬方法的缺点在于，由于非石墨碳或者与非石墨碳预混的铝硅酸盐或铝粉的压实层的高导热系数，导致其伴随有经过还原槽的底部的强烈热损失，引起能耗增加和还原槽使用寿命的缩短。

本发明基于提供一种有助于降低还原槽运行的能耗并延长其使用寿命的内衬方法的构思。

本发明的目的在于提供具有改善的阻隔性质的阴极还原槽的内衬，以优化还原槽基底的内衬材料的热学和物理特性，以减缓冰晶石-氧化铝熔融物的成分渗透，并且减少拆解后要处理的内衬材料的废弃物。

第一实施方式的所述技术效果是通过如下方式实现的：在为用于铝生产的还原槽的阴极组件设置内衬的方法中，该方法包括：用隔热层填充阴极组件壳体，形成耐火层，然后将层压实，安装底块和侧块，然后用冷捣糊密封其间的接缝，将由致密有机物质制成的弹性元件放置在隔热层和耐火层之间。

根据第一实施方式的本发明的方法使用帮助实现所要求的技术效果的特定特征而完成。

耐火层的孔隙率可以在15％至22％的范围内变化，并且隔热层的孔隙率可以在60％至80％的范围内变化。

第二实施方式的所述技术效果是通过以下方式实现的：在为用于铝生产的还原槽的阴极组件设置内衬的方法中，该方法包括：用隔热层填充阴极组件壳体，形成耐火层，然后将层压实，安装底块和侧块，然后用冷捣糊密封其间的接缝，在隔热层和耐火层之间放置柔性石墨箔，并在柔性石墨箔下放置由致密有机物质制成的弹性元件。

根据第二实施方式的本发明的方法使用有助于实现期望的要求的技术效果的特定特征而完成。

作为柔性石墨箔，可以使用通过轧制富集的结晶石墨而制造的密度为1g/cm³且气体渗透率不大于10^-6cm³·cm/cm²·s·atm的箔。另外，可以在柔性石墨箔的顶部安装由致密有机物质制成的弹性元件。

根据第一和第二实施方式的本发明的方法补充了有助于实现所要求的技术效果的特定区别特征。

作为由致密有机物质制成的弹性元件，可以使用厚度为阴极宽度的(2.5÷4)*10^-4的致密纤维板。

对所要求保护的方案的特征及类似物和原型的特征的比较分析表明，该方案符合“新颖性”要求。

通过研究以下附图可以更好地理解本发明的实质，其中图1显示评估放置在隔热层和耐火层之间的弹性元件在还原槽基底的元件高度上对材料的导热系数的影响的研究结果。图2显示评估耐火层密度对冰晶石抗性的影响的研究结果。图3显示在实验室环境中评估柔性石墨箔对侵蚀成分的耐受性的结果，图4显示已经在用于原铝生产的还原槽的阴极组件中使用六年的柔性石墨箔的状态。图5显示防止铝渗透进入隔热层的一片柔性石墨箔。从所示的数据可以看出，由于润湿角较小，所以铝作为平板“铺展”在箔上。

如果还原槽基底是通过成形或未成形内衬材料内衬的，必须满足所有与其结构相矛盾的要求。下层必须具有最高的可能孔隙率(受限于10％收缩的限制条件)，而直接布置在底块下方的顶部耐火层相反地必须具有最小孔隙率(在15％至17％的范围内)。当使用未成形材料时，隔热层和耐火层的同时压实必然会导致整个块体的压实，从而不利地影响下隔热层的热学和物理性质——其导热系数变高。安装由致密有机物质制成的弹性元件有助于重新分布这些层的相对收缩，并因此在需要时改变密度：上层的密度增加，下层的密度减小。

建议的层密度参数是最优的。作为压实耐火材料以获得超过22％的层孔隙率的结果，实现了渗透性的宏观结构，并且相互作用反应遍及整个材料，导致较差的热学和物理性质，并且缩短了还原槽的使用寿命。仅施加压实操作不可能获得孔隙率低于15％的层。

如果隔热层的孔隙率低于60％，则会降低基底的耐热性，增加热损失，在底面上形成了对铝生产过程造成障碍的结壳，从而增加了能耗并缩短了还原槽的使用寿命。大于80％的孔隙率增加了隔热层和所有布置在上面的结构元件的收缩，以及还原槽故障的风险。

对压实过程和压实材料的行为的实验使用由用于材料的矩形容器和用于材料压实的振动装置组成的实验室工作台进行。为了实验的目的，将隔热材料、特别是部分碳化的褐煤(pcl)填充并水平地平放在工作台上的矩形容器中。在隔热层的顶部填充干式阻隔混合物(dbm)的耐火层并调平，其中，在隔热层与耐火层之间放置由致密有机物质制成的弹性元件。为了防止混合物的挤出，在调平的dbm层的顶部铺设聚乙烯膜，在其上放置2.5mm的钢板和厚度为14mm的橡胶传送带。此外，在钢板的顶部安装振动装置vpu的局部单元，将整个块体压实。压实过程之后，拆卸工作台，改变隔热层和耐火层的压实程度。下表显示了vpu速率为0.44m/s时未成形材料的压实结果。

表

从所示结果可以看出，当在隔热层和耐火层之间使用中间弹性元件时，未成形材料的总收缩从70mm减小到65mm。

此外，耐火层dbm的收缩几乎翻倍(从22mm至39mm)，并且隔热层的收缩从48mm减小至22mm，这变得对内衬材料层的导热系数有利(图1)。除了隔热层厚度的增加和耐火层厚度的减小之外，还原槽基底的总耐热性增加。在这种情况下，更致密的上耐火层防止熔融氟化物盐的渗透。使用不同vpu速率的后续实验表明，在隔热层和耐火层之间安装由致密有机物质制成的弹性元件使得pcl层的密度从653kg/m3～679kg/m3降至618kg/m3～635kg/m3。在隔热层和耐火层之间使用弹性元件使得可以将使用(因此被再循环)的部分碳化的褐煤的量减少到9％。耐火层收缩的增加有利于减缓基材的液体电解质的浸渍过程，因为其导致孔隙数量和尺寸减小。

图2所示的数据表明，耐火层较高的密度将熔融氟化物盐与耐火材料的相互作用率降低到40％，这将对还原槽的使用寿命产生积极影响。用“s-175”型还原槽的未成形材料进行内衬的所述方法的工业测试已经证实了本发明方法的主要原理。

引入柔性石墨箔阻隔以及在隔热层和耐火层之间安装由致密有机物质制成的弹性元件保护了内衬材料的最敏感部分(隔热层)免于液态氟化物盐和熔融铝的渗透，并保持用于原铝生产的还原槽的稳定热平衡。由诸如具有阴极宽度的(2.5÷4)*10^-4厚度的纤维板等致密有机物质制成的弹性元件在安装过程中保护箔免受未成形内衬材料的锋利边缘的机械损伤，并且在启动和随后的使用过程中，有机物质片材的热分解产物保护箔不被内衬材料氧化。由致密有机物质制成的弹性元件被铺设在隔热层的顶部上，在弹性元件的顶部上，铺设柔性石墨箔。由致密有机物质制成的弹性元件形成坚固的基底，有助于保持箔的形状和性质，并实现所要求的技术效果。由弹性元件从顶部提供的额外箔保护进一步有助于保护箔。

为了在实验室设置中评估柔性石墨箔对阴极组件的容器中的侵蚀性成分的耐受性，进行了测试，其包括：对内衬材料1的样品进行车床加工并放入石墨坩埚2中，用小心地适配到石墨外壳壁的石墨箔3覆盖，并在石墨箔上放置氟化物盐4和铝5。所述组合允许在复合物中制造侵蚀性成分，诸如钠蒸气、氟化物盐和熔融铝等。用密封盖覆盖石墨坩埚，并放入竖炉сшол-80/12中。在加热4小时并在950℃下保持20小时后，将样品冷却并通过切开从坩埚中取出。已经确定柔性石墨箔具有很好的保护特性(图3)。

揭示的柔性石墨箔的密度参数是最优的。高于所要求的密度(1g/cm³)将导致箔成本增加并导致成本效益的损失，低于所要求的密度将导致气体渗透率增加(大于10^-6cm³·cm/cm²·c·atm)，其会使箔的保护性能劣化。高于纤维板的所要求的厚度(阴极组件宽度的4*10^-4)将导致成本上升并增加收缩风险，厚度低于阴极组件宽度的2.5*10^-4将不能保护箔免受未成形材料的锋利边缘的负面影响。

与原型相比，揭示的为用于原铝生产的还原槽的阴极组件安装内衬的方法的变体实现了通过基底中的热学和物理性质的改善的稳定性来降低还原槽运行的能耗并且增加还原槽的使用寿命。