Влияние конструктивных и технологических решений на срок службы электролизеров со шпангоутными и контрфорсными катодными кожухами

С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак, В.А.Козлов, В.Г.Скворцов, А.И.Огурцов

На электролизерах с самообжигающимися анодами на силу тока 160 кА проектным решением были использованы металлоконструкции катодного кожуха контрфорсного типа [1]. Металлическая обечайка, выполненная из стали Ст3 толщиной 8 мм, с продольных сторон охватывается контрфорсами. Верхние части контрфорсов прижимаются к металлической обечайке, нижние - упираются в торцы бетонных балок. В средней части контрфорсы стягиваются цилиндрическими шпильками, закрепленными на днище обечайки.

Наличие тонкостенной стальной обечайки, не составляющей единую конструкцию с охватывающими элементами (контрфорсами) является главной причиной пластической деформации катодных контрфорсных кожухов под действием температурных нагрузок и давления футеровки.

В отличие от контрфорсных, шпангоутные кожуха имеют металлическую обечайку из стали толщиной 16…20 мм, охватываемую металлическими шпангоутами. Шпангоуты либо приварены к металлической обечайке, либо часть шпангоутов объединена в единый съемный каркас или раму [2]. Шпангоутные катодные кожуха под воздействием температурных нагрузок и под давлением футеровки находятся в состоянии упругопластической деформации [3].

На рисунке 1 показано сечение катодного устройства алюминиевого электролизера со шпангоутным кожухом. Шпангоутный кожух выполнен в двух модификациях: с наклонными продольными стенками (рисунок 1а) и с вертикальными продольными стенками (рисунок 1б). В металлоконструкции катодного кожуха (1) бортовые стенки защищены с помощью угольных блоков (2). Продольные швы между бортовыми угольными блоками и катодными секциями (3) герметизируется с помощью подовой массы (4). Полость между блюмсами (5) в колодце катодного устройства и под самими блюмсами заполняется бетоном (6). По периметру стенки кожуха до верхней кромки блюмсов устанавливаются муллито-кремнеземистые плиты (7). Кладка цоколя состоит из ряда шамотного кирпича (8), ряда высокоглиноземистого кирпича (9), прокладки из муллито-кремнеземистого картона (10), двухрядов пенодиатомитового кирпича (11), ряда из силикаткальциевых блоков (12) и слоя шамотного заполнителя (13). Между катодными секциями и цоколем укладывается сухая барьерная смесь (14).

Промышленное внедрение шпангоутных катодных кожухов на одном из заводов, использующих электролизеры с самообжигающимися анодам, началось в 1995 году, путем постепенного замещения катодных устройств с контрфорсными кожухами. Всего в период 1995-2002 годов было введено в эксплуатацию около 2000 шт. катодных устройств со шпангоутными кожухами.

На рисунке 2 представлен средний срок службы отключаемых шпангоутных ванн (рисунок 2а) и контрфорсных ванн (рисунок 2б) в течение 1995-2002гг. Для удобства восприятия кривая 2а аппроксимирована полиномом второго порядка, кривая 2б - полиномом 4 порядка. График отражает постепенный рост среднего срока службы шпанго-утных ванн от 10 месяцев до 42 месяцев. Скачкообразный вид кривой срока службы электролизеров со шпангоутными катодными кожухами объясняется внесением значительных изменений в их конструкцию в период освоения технологии электролиза на таких типах ванн. Например, существенный рост среднего срока службы, как, например, в середине 1996 года (рисунок 2а), а затем его резкое снижение говорит о неудачных решениях, заложенных в конструкции катодного устройства, неправильной технологии обжига, пуска или технологического обслуживания электролизеров, введенных в эксплуата-цию в начале 1995 года.

На рисунке 2б видно, что диапазон отклонений среднего срока службы контрфорсных ванн от аппроксимационной кривой существенно меньше, чем для шпангоутных ванн. При малом количестве испытуемых ванн выход из строя одной или нескольких ванн приводит к значимой величине отклонения кривой, отражающей средний срок службы отключаемых ванн. В случае большого количества рассматриваемых ванн диапазон колебаний на кривой уменьшается (рисунок 2б). Исходя из этого, следует, что корректным становится сравнение по среднему сроку службы ванн различного типа в том случае, когда количество эксплуатируемых ванн становится сопоставимо близким.

На рис. 3 приведены численные значения среднего срока службы шпангоутных и контрфорсных кожухов по годам пуска.

Данные рис. 2 и рис. 3 иллюстрируют постепенное освоение в масштабе завода конструкций электролизеров со шпангоутными катодными кожухами и подвигают к формулированию условий корректности сравнения срока службы электролизеров: сопоставление близких по количеству выборок электролизеров; выбор интервалов времени, для которых сроки службы действующих электролизеров каждой выборки близки между собой.

В условиях большого количества конструктивных и технологических изменений, что неизбежно при внедрении новых технических решений, и дефицита времени для принятия решений, возможна оценка среднего срока службы на основе анализа процента выхода электролизеров из строя до 2-х лет.

В таблице приводятся данные по проценту выхода из строя со сроком службы до двух лет катодных устройств со шпангоутными и контрфорсными катодными кожухами. Чем меньше процент выхода из строя, тем лучше техническое решение, и наоборот.

Промышленные испытания показали, что самым существенным фактором, влияющим на срок службы шпангоутных ванн, является конфигурация блюмса и способ его заделки. Выполненные нами расчеты напряженного состояния подовых блоков показали, что блюмсы сечением 150х150 мм снижают вероятность разрушения подового блока [4]. По совокупности электрических и прочностных характеристик были рекомендованы блюмсы сечением 150х180 мм [5]. В промышленных условиях были испытаны следующие виды сечений блюмсов: 230х115, 190х115, 150х150, 150х180. Блюмсы с поперечным сечением 230х115 и 190х115 мм испытывались как с заливкой чугуном, так и с набивкой подовой массой. Более поздние испытания блюмсов сечением 150х150 мм и 150х180 мм выполнялись только с заделкой подовой массой.

По данным п. 1 таблицы видно, что на шпангоутных ваннах наибольший процент выхода из строя (21,6%) наблюдается у блюмсов с сечением 230х115 мм, затем у блюмсов с размером сечения 190х115 мм. Лучший результат показали испытания блюмсов с размером поперечного сечения 150х150 мм - 8,9%.

Для контрфорсных кожухов влияние размера сечения блюмса менее выражено, и лучший результат показали испытания блюмсов 190х115 мм. В данном случае речь идет о блюмсах залитых чугуном в паз подового блока, имеющего тот же размер, как паз под блюмс 230х115 мм. Таким образом, увеличение объема заливки чугуна и, как следствие, увеличение усадочных явлений при его застывании, благоприятно сказались на сроке службы контрфорсных ванн.

Различие во влиянии размера поперечного сечения блюмсов на срок службы шпангоутных и контрфорсных ванн объяснимо. Для катодных кожухов шпангоутного типа характерно большое обжатие подовых блоков со стороны кожуха. Наличие блюмса с размером поперечного сечения - 230х115 мм, приводит к возникновению трещин, выходящих из скругления паза и распространяющихся почти горизонтально нижней опорной плоскости подового блока [4]. Многочисленные наблюдения катодных футеровок при демонтаже показывали, что подина электролизеров со шпангоутным кожухом в подавляющем большинстве случаев имела сплошную горизонтальную трещину на уровне верхней грани блюмсов. Переход на блюмсы с сечением 150х150 и 150х180 мм в значительной степени снизил число подобного рода разрушений и увеличил срок службы шпангоутных ванн.

Анализ данных показывает, что в случае использования катодных секций с заливкой блюмсов чугуном в шпангоутных катодных кожухах, выход ванн из строя составляет 19,4%, а при заделке набивной массой - 9,1%. Для контрфорсных кожухов способ заделки блюмсов практически не влияет на процент выхода из строя.

Разница в упругом обжатии футеровки со стороны кожуха при различных его конструкциях очень наглядно просматривается на примере использования сплошных подовых блоков или блоков с центральным швом. Для шпангоутных кожухов, характерно упругое обжатие подовых блоков. Для них не имеет значения, есть или нет центральный шов. Напротив, у контрфорсных кожухов, у которых нет упругого обжатия подовых блоков, при наличии центрального шва выход из строя составляет 11,2%, а со сплошными подовыми блоками - 6,5%. Это значит, что у контрфорсных кожухов центральный шов является зоной проникновения металла и электролита.

Вопросы герметичности при фильтрации электролита и металла играют существенную роль при выборе конструкции бровки. Бровка из кирпича, на которую опираются бортовые блоки и через которую проходят блюмсы, очень сложно герметизируется при укладке из кирпича. Бетонная бровка обладает гораздо большей герметичностью в местах выхода блюмсов из кожуха. Результаты испытаний показывают, что наличие бетонной бровки не улучшает срок службы контрфорсных ванн (п.4 таблицы), но улучшает показатели по сроку службы шпангоутных ванн.

В случае шпангоутных ванн, бетонная бровка является дополнительным компенсатором с длительным периодом формирования компенсирующих свойств. В момент обжига и пуска высокие прочностные характеристики бетона служат основой для передачи усилий от температурного расширения подовых блоков на стенки катодного кожуха. При этом металлоконструкция кожуха приводится в упруго-напряженное состояние. Герметизирующие свойства бетона предотвращают проникновение к блюмсам и боковым стенкам кожуха расплавленного металла и электролита через периферийный шов. В ходе эксплуатации электролизера, когда ежегодно возрастает давление от подовых блоков в результате внедрения щелочных металлов, медленное снижение прочностных свойств бетона служит дополнительным компенсирующим фактором, предотвращающим возникновение критических напряжений в подовых блоках.

Различие во влиянии на срок службы катодных устройств прослеживается и в выборе материала "подушки" под подовыми блоками. Традиционно в контрфорсных ваннах применились "подушки", изготавливаемые сначала из горяченабивной подовой массы, затем из холоднонабивной подовой массы. Считалось, что после спекания угольная подушка защитит цоколь от протечек металла и электролита.

В последнее десятилетие в мировой практике интенсивно внедрялась "подушка" из сухой барьерной смеси (СБС). Главными компонентами СБС являются порошки кремнезема и глинозема. Предполагается [6], что компоненты электролита, проникая в СБС, образуют химические соединения типа нефелина и альбита, которые образуют дополнительный стекловидный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии химически агрессивных компонентов в цоколь. Не ставя под сомнение предложенный механизм функционирования СБС, по данным п. 5 таблицы можно наблюдать, что насыпные "подушки" никак не увели-чили срок службы контрфорсных ванн. В тоже время применение СБС существенно улучшило показатели по сроку службы шпангоутных ванн.

Для шпангоутных ванн существенным фактором, влияющим на срок службы электролизной ванны, являются различия по высоте и длине подовых блоков. Различия по высоте приводят к ступенчатому рельефу подины катодного устройства. Выступающие подовые блоки в большей степени берут токовую нагрузку, что приводит к увеличенному внедрению натрия. В условиях упругого обжатия шпангоутных кожухов это приводит к дополнительным нагрузкам на отдельные подовые блоки и преждевременному выходу их из строя. Использование СБС позволяет уже на стадии монтажа выравнивать рельеф подины таким образом, чтобы выступы по высоте подовых блоков были минимизированы.

Различия по длине создают ступенчатую границу кромок подовых блоков в колодце катодного устройства. Если в относительно пластичных контрфорсных кожухах выступы подовых блоков не сказываются на сроке службы, то в шпангоутных кожухах выступающие подовые блоки воспринимают дополнительную жесткую реакцию со стороны стенок кожуха и разрушаются в первую очередь.

Процессы фильтрации компонентов электролита к цоколю катодного устройства, дальнейшая пропитка, разрушение, последующее давление кристаллизации в существенной степени зависят от материалов, из которых изготовлен цоколь.

Традиционно кладка цоколя осуществлялась из трех рядов пенодиатомитового и двух рядов шамотного кирпича (п. 6.1 таблицы). Желание заменить один ряд шамотного кирпича более дешевым красным кирпичом привело к возрастанию выхода из строя шпанготуных кожухов и не сказалось на сроке службы контрфорсных ванн (п. 6.2 таблицы).

Установка одного ряда шамотного кирпича и одного ряда высокоглиноземистого кирпича вызвано существующей в мировой практике тенденцией [7]. Считается, что в первую очередь на пути просачивающихся компонентов расплава необходимо устанавливать материал с преобладающим содержанием окиси кремния (шамотный кирпич), а во вторую - высокоглиноземистый материал (высокоглиноземистый кирпич). Такое сочетание материалов обеспечивает запирающие свойства при фильтрации легкоплавких компонентов электролита (фториды алюминия) и более высокоплавких компонентов (фториды натрия).

Последовательная замена материалов в цоколе шпангоутных кожухов снизила досрочный выход из строя до уровня 8,7%. В контрфорсных кожухах эти мероприятия не улучшили показатели.

Существенным техническим изменением в конструкции цоколя является использование в нижнем ряду кладки плит из силиката кальция (п. 6.4 в таблице). Главными задачами плит из силиката кальция являются снижение теплопотерь от днища и постепенное компенсирующее действие на вертикальные перемещения подовых блоков. Плиты из силиката кальция при пуске достаточно хорошо сохраняют свою форму, но в ходе эксплуатации постепенно разрушаются и превращаются в насыпной материал. Там, где в первую очередь возникают перемещения подовых блоков, там процесс превращения в насыпной материал протекает в первую очередь В результате рельеф нижнего слоя плит из силиката кальция как бы превращается в отпечаток вертикальных перемещений подовых блоков. Этот процесс в значительной мере снижает наблюдаемый при эксплуатации подъем подины.

Недооценка влияния температурных расширений кладки цоколя может быть причиной преждевременного выхода электролизеров из строя. На первых этапах промышленного внедрения шпангоутных катодных кожухов применялась конструкция с наклонными стенками. В этом случае в нижней части боковой стенки было сложно при монтаже выложить кирпичную кладку с зазором. В результате на большой группе катодных устройств цоколь был выложен вплотную к металлоконструкции кожуха. Отсутствие температурного зазора для кладки цоколя приводило к вертикальному расширению самой кладки и, как следствие, к повышенному выходу из строя электролизеров со шпангоутными кожухами (п. 7.1 в таблице).

Последующая установка вдоль кладки цоколя муллитокремнеземистых плит улучшила ситуацию на шпангоутных кожухах (пункт 7.3), но ухудшила на контрфорсных. Это опять говорит о том, что на контрфорсных кожухах нет необходимости устанавливать дополнительные компенсаторы напряжений на цоколе.

Разница в качестве подовых блоков характеризуется через показатели натриевой деформации КС (тест Раппопорта). Известно, что качественные подовые блоки (с высокими механическими характеристиками, низкой пористостью, электросопротивлением и т.д.), обладают меньшим линейным расширением. Из данных пункта 8 таблицы видно, что при использовании более качественных подовых блоков производства КНР вместо отечественных блоков производства НовЭЗ и ЧЭЗ увеличивается срок службы электролизеров. Это характерно и для шпангоутных и для контрфорсных конструкций катодных кожухов алюминиевых электролизеров.

На первый взгляд малообъяснимыми и противоречивыми являются результаты влияния подовых масс на срок службы электролизеров (п. 9 таблицы). Определенный интерес представляет предварительный анализ влияния подовых масс на срок службы ванн по имеющемуся к настоящему моменту опыту промышленного использования. В 1979-1981гг. на КрАЗе, БрАЗе, ДАЗе, ТадАЗе одновременно устанавливалось большое количество электролизеров с импортными подовыми блоками производства ФРГ и Японии. В результате на всех заводах в среднем на 0,5 года срок службы электролизеров оказался меньше, чем для аналогичных ванн с отечественными подовыми блоками.

Импортные блоки имеют очень незначительную степень линейной деформации при обжиге. К данным блокам необходимо подбирать малоусадочные подовые массы, а лучше, подовые массы с объемным расширением при коксовании. В обсуждаемом эксперименте на всех заводах малодеформируемые импортные блоки использовались с высокоусадочными подовыми массами отечественного производства. Как следствие, интенсивные протечки по периферии на обжиге и пуске, привели к существенному снижению срока службы электролизеров.

В нашем случае подовые массы производства Франции относятся к массам с объемным расширением, а подовые массы производства КНР - к сильно усадочным массам. Отсюда процент выхода из строя катодных устройств с подовыми массами производства Франции существенно меньше, чем производства КНР, как для шпангоутных ванн, так и для контрфорсных. Близки по показателям выхода из строя шпангоутные и контрфорсные ванны с использованием подовой массы ЧЭЗ (пункт 9.1 в таблице).

Анализ влияния на срок службы способов обжига показывает, что на самообжигающихся анодах неудачными оказались испытания с обжигом на коксовой "подушке" (п. 10.5 таблицы) как для шпангоутных, так и для контрфорсных ванн. Традиционно считалось, что для контрфорсных ванн благоприятным типом обжига является обжиг с формовкой анода. Как правило, подобный обжиг использовался на вновь вводимых в эксплуатацию корпусах Из данных таблицы видно, что при данном обжиге контрфорсные ванны показывают всего 5,8% выхода из строя . Близки по своим показателям для контрфорсных кожухов способы обжига на металле, на алюминиевых пластинах, алюминиевой стружке. Общей чертой всех перечисленных способов пуска является зона первичного тепловыделения в центре анода, и постепенное распространение тепла к периферии катодного устройства. Такие условия теплопередачи приемлемы для контрфорсных кожухов, т.к. в данном случае тонкостенные металлические кожуха достаточно быстро воспринимают тепловую нагрузку и расширяются синхронно с расширением угольной и кирпичной частями футеровки.

В случае шпангоутных кожухов толстостенные и массивные элементы шпангоутного кожуха требуют для своего синхронного температурного расширения более длительного нагрева. В этом случае оптимальным является газовый обжиг с помощью горелок, устанавливаемых по продольным сторонам катодного устройства. Он имеет основную зону тепловыделения по периферии. Это позволяет создать лучшие условия для постепенного и синхронизированного обжига угольной части катодного устройства и нагрева самой металлоконструкции шпангоутного кожуха.

Таким образом, на электролизерах с самообжигающимися анодами катодные устройства с контрфорсными и шпангоутными кожухами должны иметь разные конструктивные решения, используемые материалы и технологию обжига и пуска. Срок службы более 70 месяцев на электролизерах со шпангоутными кожухами может быть обеспечен при использовании блюмсов с сечением 150х180 мм с заделкой угольной пастой, сплошных подовых блоков, бетонной бровки, сухой барьерной смеси, использованием в цоколе высококремнеземистых, высокоглиноземистых, силикаткальциевых огнеупорных материалов, малоусадочной подовой массы и применением газового обжига.

Библиографический список

РЕФЕРАТ

Опыт промышленной эксплуатации на 2000 электролизеров с самообжигающимися анодами показывает, что катодные устройства с контрфорсными и шпангоутными кожухами должны иметь разные конструктивные решения, используемые материалы и технологию обжига и пуска.

Срок службы более 70 месяцев на электролизерах со шпангоутными кожухами может быть обеспечен при использовании блюмсов сечением 150х180 мм с заделкой уголь-ной пастой, сплошных подовых блоков, бетонной бровки, сухой барьерной смеси, использованием в цоколе высококремнеземистных и высокоглиноземистых силикаткальциевых огнеупорных материалов, малоусадочной подовой массы и применением технологии газового обжига.