NO862132L - Elektrolysetank-toppkonstruksjon med stoettebunn. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et arrangement av støttebukktypen, ment til i sentrum eller et eller flere mellomliggende punkter, å understøtte toppkonstruksjonen til en Hall-Héroult elektrolysetank for fremstilling av aluminium.

Toppkonstruksjonen til en moderne elektrolysetank tildannes av en eller flere horisontale bjelker bestående av stål, båret på ben ved endene og som understøtter på den ene side de anodiske strømstigeledninger og den anodiske rammestruktur tildannet av aluminiumbjelker hvorfra anodene mates, og på den annen side aluminumoksyd-matesystemene (aluminiumoksyd-reservoaret, skorpeknuseanordninger, fordelings-doseringssystem), systemene for å kontrollere opp- og ned-bevegelsen til anodene og, i mange tilfeller, kanaler for bortføring av avløp, gass og støv som avgis fra tanken.

Bena bærer i endene metallhuset som utgjør den egentlige elektrolysetank. Dette arrangement har den fordel at rom gjøres tilgjengelig på de to lange sider av tanken via hvilke driften av anodeskifting gjennomføres, og også den fordel at man ikke overfører til toppkonstruksjonen tverr-termisk ekspansjon som opptrer i den generelle del av huset etter at tanken er bragt i drift etter, oppstarting.

Dagens tendens er å tilveiebringe konstant økning i enhetseffekten for tankene, noe som resulterer i en økning i lengden av huset, en lengde som nå kan være mellom 15 og 20 meter for tanker som arbeider ved 250 kA og derover.

I dette tilfellet medfører konstruksjonen av toppkonstruksjonen et vanskelig problem: den involverte prosedyre for regulering av tankene krever således ekstrem nøyaktig posisjonering av anodeplanet med henblikk på katodeplanet som utgjøres av sjiktet av flytende aluminium som forblir perfekt horisontalt (bortsett fra mindre lokale variasjoner på grunn av magnetiske effekter).

Anodene bæres av toppkonstruksjonen og denne må være av tilstrekkelig stivhet til å: - bære sin egen vekt; - bære den belastning som er nødvendig for å knuse skorpe dannet av størknet elektrolytt og som motstår vertikale bevegelser til anodene og som spesielt er hård i moderne tanker som bruker elektrolytter med en høy andel av AIF3; og - sikre at anode-katode-avstanden er konstant over hele tankens levetid (en avstand som er i størrelsesorden 40 mm).

For å gi et tilstrekkelig stivhetsnivå til toppkonstruksjonen i henhold til de ovenfor angitte kriterier, blir massen (bjelkenes tykkelse) og disses høyde øket. Høydeøkningen har konsekvenser for bygningens høyde og dermed også omkostningene. Dette setter derfor hurtig en begrensning ved denne utviklingslinje.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å løse stivhetsproblemet for toppkonstruksjonen i moderne høyeffekttanker for fremstilling av aluminum ved bruk av Hall-Héroult-prosessen og som arbeider ved strømstyrker som kan gå fra mer enn 200.000 og opp til 500.000 A og mer, uten derved å interferere med tankenes normale drift, noe som spesielt medfører periodiske endringer av anodene når disse er oppbrukt.

Foreliggende oppfinnelse angår en toppkonstruksjon for en tank for fremstilling av aluminium ved bruk av Hall-Héroult-prosessen ved elektrolyse av aluminumoksyd i smeltet kryolitt, idet tanken er tildannet av et stivt metallhus som innvendig er foret med en varmeisolasjon og som er utstyrt med en karbonholdig katode av langstrakt parallellepipedisk form og hvis to ender kalles hoder, og en toppkonstruksjon tildannet av minst en bjelke anordnet langs den lange lengde av huset og som spesielt understøtter den anodiske rammekonstruksjon som mates med strøm via positive innløpselementer og hvortil anodene er fiksert, idet bjelken hviler med endene på bærere anbragt ved de to hoder av tanken, hvorved toppkonstruksjonen karakteriseres ved at hver bjelke hviler på minst en mellomanordnet bukk. I tillegg er bærerbenet eller-bena til bukken fortrinnsvis anordnet i linje med ledere som fører strømmen fra den foregående tank, og disse bærere omfatter midler for ekspansjon derav' uavhengig av hylsteret. Bjelken kan være tildannet med henblikk på lengden ved et enkelt element eller ved et antall separate elementer.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene, der: Figur 1 er en konstruksjon i tverrsnitt av en moderne elektrolysetank av Pechiney-typen; Figurene 2 til 5 angår oppfinnelsen; for å overholde de involverte proporsjoner (husets bredde/lengde), er en del av lengden av toppkonstruksjonen skåret bort. Heller ikke er det vist arrangementer for å feste anodene, arrangementer for høyde juste ring av anodemontasjen og som ikke er en del av oppfinnelsen, og som ; " -i og for seg er velkjent for fagmannen. - : I figur 1 er de vesentlige komponenter ved elektrolysetanken: metallhuset 1, den indre utforing 2, katoden 3 og katodebjelken 4, Al-væskesjiktet 5, det smeltede kryolittbadet 6 dekket med en fast skorpe 7, anodene 8 som er båret av staver 9 og festet til anoderammestrukturen 10 og toppkonstruksjonen som tildannes av to stive bjelker 11 som i særdeleshet bærer den anodiske rammekonstruksjonen 10, anodeanordningen 8 og aluminiumoksydfordelings-doseringssystemet 12 hvis lokale lagringssilo 13 ofte er anordnet mellom de to bjelker 11, så vel som det ikke viste avløpssystem.

Figur 2 viser en utførelsesform av en toppkonstruksjon ifølge foreliggende oppfinnelse, og denne viser skjematisk konstruksjonen av den øvre del 15 av huset 1. De stive bjelker 11 som utgjør toppkonsentrasjonen er delt i to deler 11A og 11B, hvis utvendige ender er båret på bena 16A og 16B anordnet ved hvert hode av tanken, mens de sentrale ender er båret på bukken 17.

Det skal imidlertid være innenfor oppfinnelsens ramme at de stive bjelker er laget i en enkel lengde; bortsett fra transport- og anbringelsesspørsmål vil problemet lineær ekspansjon må tas med i betraktning når det gjelder utformingen av toppkonstruksjonen.

I figur 2 omfatter den ovenfor nevnte bukk i seg selv fire ben 18 som hviler på den øvre kant 15 av huset i den sentrale del av denne. Bæresystemet må' ta i betraktning det faktum at huset ekspanderer under drift, spesielt i tverretningen, og den utgjør derfor ikke i virkeligheten noe fast bærepunkt. Det er derfor nødvendig å tilveiebringe en beve- gelsesfrihet for en slik bærer i husets ekspansjonsretning, dvs. i den generelle retning av strømmen som passerer gjennom, linjen av tanker som er anbragt på tvers med henblikk på linjens akse, f.eks. ved hjelp av rullelagere som på hensiktsmessig måte er beskyttet fra slitasjestøv oppstått fra aluminiumoksyd eller andre elektrolyttbestanddeler. For å øke en slik beskyttelse er det helt i overensstemmelse med oppfinnelsens generelle prinsipper å tilveiebringe glide- eller rullelagre som tillater en frihet for relativ bevegelse for bæreren med henblikk på huset på nivået for kanten 15 eller noen cm eller dm over denne. Hensyn må også tas til mengdens rom som opptas av den positive innløpsdel som antydet ved 29 på siden av tanken (strøminnløpet fra den foregående tank i serien, forbundet med anodiske rammestruktur til tanken, der kun en del er vist).

Til slutt må man ta hensyn til driften av anoder som endrer seg og som også utføres på siden (kun en av anodene er i diagramform vist i tegningen, men det er minst ca. 20 på hver side i et høyeffektanlegg), idet det valgte arrangement fortrinnsvis er slik at bærerbenet eller -bena til toppkonstruksjonen er eller ble anbragt ved det samme poten-sielle nivå som strøminnløpsdelene fra oppstrømstanken.

Når toppkonstruksjonen deles i to uavhengige deler 11A og 11B som er anordnet på de respektive sider av mellombukken, er det ikke lenger noen bøyebelastning på eller ved bukken; i tillegg blir produksjon og transport og posisjonering av de to elementer forenklet på grunn av reduksjonen av lengde og vekt.

Endene av bjelkene 11A og 11B bæres fortrinnsvis på mellombukken 17 ved hjelp av midler som tillater lett relativ bevegelse for understøtningen av bjelkene på bukken. En enkel løsning i denne henseende består i å tillate at de sentrale ender av bjelkene 11A og 11B hviler fritt på den øvre del 19 av bukken 17.

Anoderammestrukturen 10 er fortrinnsvis også tildannet i to deler for å fordele ekspansjbnsfenomener på de respektive sider av sentrum av toppkonstruksjonen. En ekspansjonsskjøt som sikrer elektrisk kontakt, f.eks. en sløyfe av aluminiumstrimler eller andre ekvivalente midler,

anbringes så mellom de to ledebjelkedeler.

Konstruksjonen til den sentrale bukk 17 med fire ben gir den fordel at man oppnår et element som er stabilt i seg selv og som således kan tjene som bærer og forbindelsesledd for en toppkonstruksjon bestående av to uavhengige deler, og som også kan tjene som bærer for konstruksjoner for motorisering av oppover- og nedoverrettede bevegelser for anodene; den sentrale posisjon er fordelaktig med henblikk på fordeling av kreftene, overfor de to halvrammer som bæres av de to halvbjelker. ■ -

Som angitt ovenfor kan bena 18 til bukken bæres på den øvre kant av huset, men kan også også befinne på utvendige eller spesialiserte elementer, f.eks. et bærerlegeme eller på søyler av armert betong. Arrangementet som gjør det mulig å unngå problemer med tverrekspan-dering av huset, gjør det imidlertid nødvendig å øke det rom som tilveie-bringes mellom tankene og derfor økningen av bredden av bygningen, noe som har innvirkning på primæromkostningene.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen er vist i figur 3 og medfører undrsøkelse av hver halvdel av bjelkene 11A og 11B ved hjelp av to uavhengige bukker 20 med to ben, en for endene 124A og 11A og en for endene 24B eller 11B. I dette tilfellet og for å sikre stabilitet må hver bukk 20A og 20B være sveiset til henholdsvis bjelkene 11A og 11B ved punktet for bærerne 21A og 21B.

I de forskjellige konstruksjoner er det mulig å oppnå at den anodiske rammekonstruksjon eller konstruksjoner 10 løper gjennom åpninger 22 tilveiebragt i den øvre horisontale del av mellombukken. Imidlertid er slike åpninger ikke nødvendige hvis bukken 18 er anordnet under eller over den anodiske rammekonstruksjon 10.

Det skal nå henvises til figur 4 som viser en annen alternativ utførelses-form av oppfinnelsen der mellombukken har en form som minner om en A slik som antydet ved 25, idet bjelken 11 er båret på den horisontale tverrbjelken 26 i A-figuren. En spesielt fordelaktig konstruksjon involverer bruk av en bukk av to A-formede elementer som er klampet sammen og danner en stiv bukk, idet de to elementer befinner seg i en avstand fra hverandre slik at en strøminntaksdel 29 kan anordnes mellom dem, hvorved denne del 29 er forbundet med rammekonstruksjonen 10. I enkelte tilfeller kan det være nødvendig i en viss grad å fjerne anodene slik som 8A som anbringes på respektive sider av den A-formede bukk 25 for derved å lette gjennomføring av utslitte anoder. Å posisjonere bukken på punktet der minst en strøminnløpsdel 29 kommer fra den foregående tank er ellers helt forenelig med strukturene til bukkene med to eller fire ben som vist i figur 2 og 3.

Til slutt viser figur 5 ytterligere en utførelsesform av oppfinnelsen som er spesielt forenklet fordi den er redusert til en horisontal bærebjelke 27 som hviler på to ben 28 (det andre ben er ikke synlig i figur 5). Den horisontale bærebjelke 27 er vist som et firkantet rør, men kan også bestå av en hvilken som helst hensiktsmessig konfigurasjon, f.eks. kan den være i l-form, hvorved dimensjonene er basert på velkjente beregninger i forbindelse med materialstyrke.

I en slik utførelsesform er det også foretrukket å tilveiebringe en av strøminnløpsdelene 22 i linje med mellombærerne 27 og 28, dvs. i det vesentlige i det samme vertikalplan som bæreren, idet de fleksible folier 30 som gir elektrisk forbindelse mellom innløpsdelen 29 og anoderammestrukturen 10 er forbundet med rammekonstruksjonen 10 i det skraverte området 31 for å frigi den maksimale rommengde for driften som medfører utbytting av utbrukte anoder som antydet ved 8 og 8A.

Mer nøyaktig kan arrangementet karakteriseres ved å ta med i betraktning at vertikale tverrplan P (som er loddrett på hovedaksen AA' til tanken), går gjennom aksen X til strøminnløpsdelen, og det vertikale plan P' passerer gjennom aksen Y til den tilsvarende mellombukk, må være i det vesentlige sammenføyet med hverandre eller i det minste anordnet i liten avstand fra hverandre og i det vesentlige parallelle med hverandre slik at elementet av ben og positiv strøminnløpsdel opptar en minimal plassmengde.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med en spesiell situasjon der stive bjelker 11 er delt i to deler og båret på en sentral bukk, skal det være klart for fagmannen at oppfinnelsen også gjelder den situasjon der, for en tank av gitt størrelse, den stive bjelke 11 er delt i mer enn en del, f.eks. tre deler, som eventuelt kan være like og. som kan bæres på to mellomliggende bukker som har to eller fire ben. Slike tankkonstruk-sjoner kan derfor tildannes på modulær måte slik at deres maksimale lengde ikke lenger er begrenset ved vekten av bjelkene og de vanskelig-heter man må ta med i betraktning ved transport og posisjonering, og som kommer i tillegg til bjelkenes bøyelighet.

Til slutt gjør oppfinnelsen det mulig å ta med i betraktning virkningene av siging eller bøying av bjelken, og som skyldes differensialtermo-ekspansjonsfenomener. Således blir den horisontale bærebjelke slik som 26 eller 27 på bukken gjenstand for temperaturvariasjoner som avhenger av skorpens dekning av aluminiumoksydet. Den høyeste temperatur nås når man bytter ut en anode nær denne bjelke, denne utskifting forårsaker et brudd i den størknede elektrolyttskorpe slik at elektrolytten med en temperatur på ca. 930-960°C avgir direkte varmestråling til toppkonstruksjonen.

Den termiske gradient mellom den øvre og nedre del av bjelken gir en bøyning. Hvis denne bøyning er uforenelig med tankstyringen, er det nødvendig å redusere denne termogradient. Det å oppnå god kontroll av ekspansjonen gjør det mulig å forenkle bærerpunktene for bukken på huset hvis. ekspansjonsfenomenene er tilsvarende.....

For dette formål benytter man en eller flere av de følgende løsninger som virker på de forskjellige faktorer som forårsaker bøying av bjelken: a) Materialet: For bjelken er det mulig å benytte nikkelstål som har en ekspansjonsgrad som er halvparten av den til vanlig stål; b) Å fjerne varme ved sirkulering av luft; varme kan fjernes ved sirkulering av luft i og/eller rundt bjelken; c) Fjerning av varme ved Caloduc: Lukkede rør inneholdende et fluid ved grensen<*>til fordampningstemperaturen anordnes i kontakt med

den nedre del av bjelken i den ene ende og på utsiden av tanken i den andre ende. Varmen av den eksponerte del av bjelken fordamper

væsken, gassen stiger i røret og konsentrerer i den ytre del, noe som gir varmeavgang; d) Temperaturbalansering: En termisk bro kan installeres mellom den nedre del av bjelken og den øvre del av denne. Den må lages av et

materiale som er en god varmeleder slik som aluminium; og

e) Termisk duk: En reflekterende og/eller termisk isolasjonsduk som installeres under bjelken beskytter denne fra varmestråling forårsaket

av anodeutbytting.

Oppfinnelsen i de forskjellige ovenfor beskrevne former overvinner et av de mest alvorlige hindre mot konstruksjonen av tanker med en kapasitet på 500.000 A (og derover), og gir derfor meget attraktive tekniske og økonomiske fordeler.

Claims (15)

1. Toppkonstruksjon for en tank for fremstilling av aluminium ved bruk av Hall-Héroult-prosessen for elektrolyse av aluminiumoksyd i smeltet kryolitt idet tanken er tildannet via et stivt metallvarmeisolert hus av langstrakte parallellepipedisk form, hvis to ender kalles hoder, og en toppkonstruksjon tildannet av minst en bjelke anordnet langs lengdeaksen av huset ; og; ;. som spesielt ■ bærer den - anodiske -rammekonstruksjon og tilførselselementene for strømmen som kommer fra den foregående tank i serien, og anodene, og som hviler ved sine to ender på bærere anbragt ved tankens to hoder, karakterisert ved at hver stiv bjelke (11) i toppkonstruksjonen er båret på minst en mellomanordnet bukk utstyrt med ben.

2. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at bukken (17) omfatter fire ben (18) for å gi en konstruksjon som i seg selv er stabil.

3. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at bukken (17) består av to halv-elementer (20A, 20B) som hver er utstyrt med to ben slik som (23A og 23B).

4. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at bukken består av en enkelt horisontal bærebjelke (27) som bæres på to ben (28).

5. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at hver bjelke (11) er delt i minst to deler (11A, HB), hvis sentrale ender (24A, 24B) er båret på bukken (17) eller (20A, 20B).

6. Konstruksjon ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at, når bukken (17) består av to halve elementer (20A, 20B), de sentrale ender (14A, 24B) til de stive bjelker (11A, 11B) er fiksert, f.eks. ved sveising til halv-elementene som bærer dem.

7. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at bena (18) eller (23A, 23B) til bukken (17) bæres fritt på kanten (15) av huset.

8. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at bena (18) eller (23A, 23B) eller 28 til bukken 17 bæres ved kanten (15) av et hus ved hjelp av midler som tillater en relativ forskyvning slik som rullelagre eller lignende.

9. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at bena (18) eller (23A, 23B) eller 28 som bærer de ytre ender av de stive bjelker (11A, 11B) bæres langs kantene (15) til huset.

10. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at bena (18) eller (23A, 23B) eller 28 som bærer endene av de stive bjelker (11A, 11B) bæres på utsiden av kantene (15) til huset.

11. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at bena (18) eller (23A, 23B) eller 28 til bukken (17) er båret på kanten (15) av huset ved hjelp av midler som tillater relativ forskyvning, idet leggene ved oppstrøms- eller nedstrømssiden dreibart er forbundet på huskanten ved hjelp av en akse som er parallell med hovedaksen til tanken, og de motsatte ender på nedstrøms- eller oppstrømssiden er båret på huset.

12. Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at det vertikale tverrplan (P) som er loddrett på hovedaksen (AA') i tanken og som passerer gjennom aksen (Y) til innløpsdelen slik som ved (29) og de vertikale plan (P') som går gjennom aksen (Y) til den mellomanordnede bukk slik som ved (17, 25), i det vesentlige er sammenfallende.

13 . .... :.U .' ..: . -1:'; Konstruksjon ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at den horisontale bærebjelke slik som (26) eller (27) til mellombukken omfatter minst en anordning for å tilveiebringe beskyttelse fra termisk stråling fra elektrolysebadet.

14. Konstruksjon ifølge krav 13, karakterisert ved at midlene for å tilveiebringe beskyttelse fra stråling fra badet utgjøres av en termisk duk anordnet under den horisontale bærebjelke.

15. Konstruksjon ifølge krav 13, karakterisert ved at midlene for beskyttelse fra stråling fra badet . tildannes ved hjelp av hurtig fjerning av varme absorbert av den horisontale bærebjelke, idet disse midler velges blant luftsirkulasjon i og/eller rundt bjelken, bruk av varmefjerningskanaler og termiske broer av et metall som er en god leder (aluminium eller kopper) mellom den nedre del og den øvre del av bjelken.