3.3. Катодное устройство
Катодное устройство электролизера любого типа представляет собой ванну, выложенную из углеграфитовых подовых блоков и бортовых угольных или карбидокремниевых плит. Вся конструкция заключена в металлический кожух. Между стенками кожуха и блоками размещается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Специально изготовленные конструкционные материалы подины устойчивы против агрессивного воздействия расплавленного электролита и являются достаточно хорошими проводниками тока. Последнее обстоятельство особенно важно, т.к. подина служит одновременно и катодом.
В процессе электролиза происходит пропитка угольной и огнеупорной футеровок фтористыми солями, их разбухание и возникновение внутренних напряжений в конструкции катода. Для сохранения формы и функционального назначения катодного устройства металлический кожух ванны должен обладать устойчивостью против деформации, но иметь достаточную возможность компенсации расширения подины в процессе пропитки. С учётом этого требования конструкция катодных кожухов подразделяется на два типа: катоды с рамным кожухом, не имеющим днища, и катоды с кожухом, имеющим металлическое днище (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Конструкция катодных кожухов:
а- рамный кожух без днища: 1-кожух; 2-швеллерные балки; 3-анкерное крепление;
б- контрфорсный кожух с днищем: 1-кожух; 2-контрфорсная балка; 3- стягивающая шпилька; 4-распорная балка;
в- шпангоутный кожух с днищем: 1-кожух; 2-шпангоутное устройство; 3-распорная балка
Катодное устройство с кожухом рамного типа размещается на цоколе из нескольких рядов огнеупорного шамотного и красного кирпича. Назначение цоколя состоит в том, чтобы предохранить фундамент от высоких температур и создать необходимую тепловую изоляцию подины. Кожух крепится к фундаменту с помощью анкерных лап, которые удерживают кожух от смещения под воздействием вертикальных усилий, возникающих из-за расширения футеровки в результате пропитки фтористыми солями. Анкерное крепление – очень важный узел катодного устройства. Отрыв катодного кожуха от анкеров приводит к деформации катодного узла и быстрому выходу электролизёра из строя.
Катодными кожухами рамного типа (без днища) оснащаются преимущественно электролизеры БТ небольшой мощности и электролизеры ВТ на 120 –130 кА. Основным недостатком такой конструкции следует считать сложность капитального ремонта электролизера. При каждом ремонте разборка цоколя может производиться только на месте, занимая продолжительный период времени.
Более удобны с этой точки зрения катодные устройства, оснащенные кожухами с днищем. Применяют несколько конструкций кожухов с днищем: цельносварные контрфорсные, шпангоутные с вертикальными и наклонными стенками, рамно-шпангоутные. На рис.3.7,б,в приведена принципиальная схема кожухов контрфорсного и шпангоутного типа.
Основным элементом конструкции кожуха контрфорсного типа с днищем можно считать наличие вертикальных балок (контрфорсов), размещенных вдоль продольных стенок. Контрфорсы удерживают стенки кожуха от деформации. В своей средней части контрфорсы с помощью шпилек жестко соединены с днищем, а в нижней части между противоположно расположенными балками размещены распорные железобетонные балки. Верхняя часть контрфорсов упирается в борта стального кожуха, осуществляя обжатие их по всей длине продольной стенки.
Продольные и торцевые стенки кожуха сделаны в виде сплошного листа толщиной 8-10 мм и усилены по высоте продольными поясами жесткости. Сам кожух свободно, без жесткого крепления укладывается на опорные П-образные балки. Контрфорсы равномерно распределены между выходными окнами для блюмсов катодного кожуха, т.е. между выступающими концами блюмсов.
Отличие катодного кожуха шпангоутного типа состоит в том, что жесткость его конструкции обеспечивается системой шпангоутов, напоминающих ребра остова морских судов и имеющих большой момент сопротивления распирающим усилиям между противоположными стенками футерованного кожуха.
Бортовые стенки и днище в кожухах шпангоутного типа изготовлены из листовой стали толщиной 14-20 мм и сварены по всему периметру кожуха. Сами шпангоуты установлены с шагом, равным ширине подового блока (как и в контрфорсном кожухе). Верхняя часть шпангоутов по всему периметру кожуха связана с поясом жесткости, сделанным из стального профиля или листа. В некоторых конструкциях шпангоутные кожухи изготовляются с наклонными продольными стенками с углом наклона 15-22°, повторяя конфигурацию ванны с наклонной бортовой стенкой.
Достоинством кожухов шпангоутного типа можно считать повышенную жесткость их конструкции, что позволяет повышать единичную мощность алюминиевого электролизера и увеличивать срок службы до 80-90 мес. против 50-60 мес. с контрфорсными катодными устройствами. Однако чрезмерная жесткость конструкции кожуха может иметь и отрицательные последствия и способствовать разрушению подин. Использование шпангоутного кожуха следует совмещать с применением катодных блоков с высоким содержанием графита, имеющих низкий коэффициент теплового расширении, а также точно рассчитывать компенсационные засыпки.
Свободная установка кожухов на опорные балки позволяет существенно упростить капитальный ремонт с вывозом катодного устройства ремонтируемой ванны в специализированные ремонтные цехи.