Анодное устройство электролизёра

Анодное устройство 

Анод электролизера предназначен для подвода тока в междуполюсное пространство для осуществления процесса электролиза. Анодное устройство состоит из: угольного анода: подъемного механизма, служащего для перемещения анода по мере его сгорания или при выливке металла из ванны; ошиновки: опорной конструкции, которая может монтироваться на катодном кожухе или на специальных стойках, опирающихся на фундамент. Самообжигающиеся и обожженные аноды. По типу анода все электролизеры подразделяются на два больших класса: электролизеры с обожженными анодами (OA) и электролизеры с самообжигаюшимися анодами (СОА). По способу подводу тока к самообжигающимся анодам они подразделяются на аноды с боковым (БТ) и верхним (ВТ) токоподводом. Современные электролизеры с OA оснащены верхним токоподводом, но на заре развития алюминиевой промышленности использовались электролизеры с непрерывными предварительно обожженными блочными анодами, к которым ток подводился сбоку.

Анодное устройство — самый сложный в конструктивном отношении узел электролизера, и поэтому здесь приведены лишь основные сведения об устройстве и особенностях технологии.

   Подробнее об анодах можно прочитать в многочисленных источниках, посвященных этим вопросам.

   Электролизеры небольшой мощности вплоть до начала 30-х годов были оснащены одним или несколькими предварительно обожженными анодами, которые по мере сгорания заменялись новыми.

   В начале 30-х годов начался новый этап в развитии конструкций электролизеров, когда, используя патент Содер-берга, были созданы самообжигающиеся аноды, число которых на ванне доходило до трех. Но в настоящее время электролизеры с самообжигаюшимися анодами оснащены одним анодом, сила тока на которых достигает 160 кА. В алюминиевой промышленности СНГ этот тип электролизеров доминирующий, и на них производится более 60 % всего первичного алюминия.

   Первой промышленной конструкцией с самообжигаюшимися непрерывными анодами были электролизеры, ток к аноду которых подводился сбоку стальными штырями, забитыми в неспеченную его часть. Эта конструкция (БТ), непрерывно совершенствуясь, начала конкурировать с электролизерами с обожженными анодами (OA) и получила широкое распространение благодаря значительно меньшим капитальным и эксплуатационным затратам. Электролизерами этого типа оснащены все российские алюминиевые заводы, введенные в эксплуатацию до конца 50-х годов: Уральский (УАЗ), Новокузнецкий (НКАЗ, цех № I), Богословский (БАЗ), Кандалакшский (КАЗ) и Надвоицкий (НАЗ). В настоящее время электролизеры БТ работают на силе тока до 90 кА.

Однако трудозатраты при обслуживании анодов БТ с ростом силы тока непропорционально возрастали, что привело к созданию новой конструкции анода, ток к которым подводится сверху через вертикальные, периодически переставляемые штыри. Конструкция электролизера с верхним токоподводом (ВТ) в России начала широко применяться с конца 50-х годов и ими оснащены Новокузнецкий (НКАЗ, цех № 2), Волгоградский (ВгАЗ), Иркутский (ИркАЗ), Красноярский (КрАЗ) и Братский (БрАЗ) алюминиевые заводы. В настоящее время на российских заводах такие электролизеры работают на силе тока до 160 кА.

   Переход на электролизеры с анодами Содерберга способствовал удешевлению производства алюминия, так как были исключены дорогостоящие переделы прессования и обжига анодов. Но вместе с тем появился новый источник выделения вредностей в атмосферу — смолистые вещества из анода.

   Параллельно с развитием конструкций электролизеров совершенствовалось и производство обожженных анодов, применение которых предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых веществ и меньшего расхода электроэнергии. Кроме того, одним из основных достоинств электролизеров с OA является возможность увеличения силы тока, что в сочетании с указанными преимуществами делает применение этой системы ванн наиболее перспективной. Сейчас в России электролизеры с OA установлены в двух корпусах КрАЗа и полностью оснащены Волховский (ВАЗ) и Саянский (СаАЗ) алюминиевые заводы, причем на последнем успешно работают электролизеры на силу тока 255 кА и прошли испытания ванны на 300 кА. Начата установка таких электролизеров на УАЗе и НАЗе.

Рассмотрим конструкцию самообжигающегося анода с боковым токоподводом (рис. 5.9). Такие аноды формуются из анодной массы, которая состоит из различных по размерам частиц электродного кокса (пекового или нефтяного), и в качестве связующего используется каменноугольный пек, являющийся продуктом переработки каменноугольной смолы — побочного продукта в производстве кокса. Состав, технологические характеристики анодной массы подробно рассмотрены во многих источниках. Брикеты анодной массы загружаются в обечайку (на рис. 5.9 не показана), которая изготавливается из алюминиевого листа толщиной до 1 мм и вставляется внутрь анодного кожуха до подины. Под действием тепла, выделяющегося в процессе электролиза, анодная масса расплавляется и заполняет все внутреннее пространство обечайки. Нижняя часть анода за счет высокой температуры превращается в спеченный токопроводящий монолит 1 высотой в центре анода 900— 1300 мм, а его верхняя граница (конус спекания) имеет температуру около 600 ^DC, при которой пек полностью превращается в кокс. Выше конуса спекания расположена зона 2, в которой происходит коксование пека с образованием полукокса, и температура ее верхней поверхности составляет около 400 ^РС. Над этой зоной расположена жидкая анодная масса 3 (ЖАМ), высота которой достигает 400—600 мм, а температура се поверхности находится в пределах 90—140 °С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ток к самообжигаюшимся анодам подводится с помощью токопроводящих штырей, установленных сбоку (БТ) или сверху (ВТ). Самообжигающиеся аноды вне зависимости от типа подвода тока имеют три зоны, но у конструкции анодного кожуха, системы токоподвода и эксплуатации анодов есть свои особенности, которые рассматриваются ниже. Основным недостатком СОЛ является наличие в них жидкого пека, из которого даже при относительно невысокой температуре (70— 100 °С) выделяются смолистые соединения,содержащие полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), и некоторые из них (особенно бенз(а)пирен) обладают канцерогенными свойствами. Это — одна из основных причин наметившейся тенденции к переходу на обожженные аноды.

   Обожженные аноды изготавливаются из того же сырья, что и СОА, но содержат несколько меньше пека.Анодное устройство электролизера с обожженными анодами состоит из расположенных в два ряда отдельных блоков, общее количество которых определяется силой тока. Эти аноды более электропроводны, чем СОА, и при их эксплуатации не выделяются смолистые соединения, поскольку они предварительно удаляются в процессе обжига анодов в специальных печах.

   Получение алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава связано не только с большим расходом электроэнергии, но и со значительным расходом угольных анодов (420—575 кг/т алюминия), что составляет 20—25 % себестоимости алюминия. Отечественными и зарубежными исследователями уделяется большое внимание созданию не расходуемых анодов, большие промышленные эксперименты по созданию инертных анодов проводятся за рубежом .

   Инертный анод должен удовлетворять следующим основным требованиям: обладать термической стойкостью и не растворяться в расплаве О>торидов при температуре до 1000 °С; иметь хорошую электрическую проводимость, быть коррозионно стойким и не загрязнять алюминий примесями.

   Многие фирмы предлагают изготавливать анод на основе SnOj с добавками различных оксидов: в частности,

фирма "Алюсюисс" предлагает использовать оксиды меди или сурьмы в количестве 0,5—2,0 % для повышения механической прочности и электрической проводимости, в результате чего электросопротивление анода может составить 0,004 Ом см. В одном из институтов Китая на электролизерах с инертными анодами на базе Sn0₂ с добавками Fe₂0₃, CuO, SbO, получен

выход по току около 90 %, а падение напряжения в аноде при плотности тока около 1 А/см³ составило всего 0,25 В. В Технологическом институте алюминиевой промышленности в Норвегии проводились испытания инертных анодов на основе SnO, с добавками 2 % Sb_?0₃ и из смеси порошков феррита никеля и меди, но степень коррозии таких анодов оказалась неудовлетворительной. Поиски в этом направлении продолжаются в исследовательских центрах ведущих компаний мира и, учитывая уже полученные результаты, этим анодам принадлежит будущее.

   В настоящее же время в отечественной и зарубежной практике используются электролизеры с анодами БТ, ВТ и OA. 
 

Аноды с верхним токоподводом (ВТ). Электролизеры с анодами ВТ работают на силе тока до 175 кА и являются в России доминирующей конструкцией — на них получают более 60 % всего алюминия. Анодное устройство электролизера ВТ (рис. 5.11) представляет собой угольный анод б, сформированный внутри анодного кожуха 5. В нижней части анодного кожуха расположен газосборный колокол, под которым собираются выделяющиеся при электролизе газы. Внутрь анодного кожуха — в отличие от анодов БТ — не вставляется обечайка, а анод формуется непосредственно в стальном кожухе. Кожух вместе с анодом по мере его сгорания опускается, и во избежание подплавления газосборных колоколов кожух периодически поднимается при помощи вспомогательного механизма, который смонтирован на той же конструкции, что и анодная ошиновка. При средней скорости сгорания анода 1,5 см в сутки перетяжку анодного кожуха желательно осуществлять не реже одного раза в двое суток. Проведены испытания, и на некоторых сериях смонтированы автоматические устройства, позволяющие поднимать анодный кожух ежедневно, что улучшает качество боковой поверхности анода, а также герметизацию корки и снижает выбросы газов в атмосферу.

В анодный кожух 5 загружается анодная масса 4, а подвод тока к аноду осуществляется составными штырями 3 диаметром 120-128 мм, расположенными, как правило, в четыре ряда и на двух горизонтах. По мере сгорания анода штыри, находящиеся на нижнем горизонте, извлекаются из тела анода, а в образовавшиеся подштыревые отверстия затекает жидкая анодная масса 8. В результате воздействия высокой температуры (особенно в нижней части анода) коксование жидкой массы идет с большой скоростью, что, с одной стороны, приводит к выделению большого количества летучих соединений, ухудшающих атмосферу в корпусе, а с другой — качество образующегося вторичного анода 7 намного хуже основного анода — он очень порист, механически не прочен и имеет низкую электрическую проводимость. Несмотря на то что суммарная площадь поперечного сечения штырей составляет около 4 % площади анода, площадь вторичного анода значительно превышает эту величину (за счет окисления вторичного анода диоксидом углерода), из-за чего качество подошвы анода с ВТ заметно хуже, чем у анодов с ВТ. Именно это обстоятельство приводит к образованию большого количества угольной пены, а расход анода с ВТ примерно на 35—60 кг/т алюминия выше, чем на анодах с БТ.

   Анодные штыри в настоящее время выполняют составными — верхняя часть, которая с помошью зажима 2 (см рис. 5.11) контактирует с анодной шиной /, изготавливается из алюминия, а нижняя, которая запекается в теле анода, стальная. Это позволяет снизить потери энергии в штырях и улучшить распределение магнитного поля в аноде вследствие магнитного разрыва, образованного алюминиевыми штангами. Но и до настоящего времени находятся в эксплуатации штыри, полностью выполненные из стали, но имеющие в верхней части приваренный сектор из медной пластины для улучшения контакта межу анодной шиной И штырем. Общее количество штырей зависит от силы тока и обычно составляет 64—72 шт. Общая длина анодных штырей равна 2000—2500 мм, а длина токоведущей части зависит от положения анодной рамы.

Анодное устройство с обожженными анодами состоит из двух рядов анодных блоков, ширина и длина которых на современных электролизерах достигают 700 и 1450 мм соответственно. Высота блока обычно не превышает 600 мм. Общее количество блоков зависит от силы тока. В процессе производства в анодном блоке 1 (рис. 5.12) выполняют цилиндрические гнезда, в которые вставляют и заливают чугуном 2 стальные

токоподводящие ниппели 3, соединенные сверху стальным кронштейном 4. К последнему присоединяется алюминиевая штанга 5, которая винтовым зажимом прижимается к анодной шине. Таким образом, то ко подводящая штанга одновременно выполняет и роль несущей конструкции. Методы крепления штанги к кронштейну различны: сварные, сборные болтовые, клиновые и т.п.

   Количество ниппелей зависит от длины блока и обычно составляет 2—4 шт. Глубина гнезда в блоке имеет большое значение, так как от нее зависят перепад напряжения в этом контакте и высота несгорсвшей части анода (огарок), т.е. расход анодов. Ее глубина тем больше, чем дороже электроэнергия, но обычно составляет около 100 мм.

   Ввиду небольшой высоты и высокой температуры (аноды на ваннах с OA утепляют, полностью засыпая их сверху глиноземом) перепад напряжения и окисляемость поверхности в таком аноде меньше, чем на СОА, что является одним из решающих преимуществ электролизеров с OA.