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 D
C, 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 Р
С. 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 Fe2
03
, 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 анодамисостоит 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.
 Рис. 5.12. Анодный блок.
/ — угольный обожженный блок: 2 — гнездо с чугунной заливкой: 3 — токоподводящий ниппель: 4 — кронштейн; 5 — алюминиевая несущая и токоподводящая штанга.
Анодная рама и ее перетяжка.Анодная рама является важнейшим элементом анодного устройства, несушим всю массу анода, которая на современных ваннах достигает почти 100 т. На всех типах электролизеров анодная рама вместе с подъемными механизмами монтируется на опорной конструкции, которая, в свою очередь, опирается на катодный кожух, а в двухэтажных корпусах может монтироваться также и на специальных стойках, закрепленных на своих фундаментах.
На электролизерах с БТ на раме крепится только анод, а на электролизерах с ВТ и ОЛ на раме монтируется также анодная ошиновка, и поэтому она перемещается вместе с рамой. В некоторых конструкциях анодная ошиновка служит и анодной рамой.
При выливке металла и по мере сгорания анода рама вместе с анодом перемешается вниз до крайнего нижнего положения, а затем должна быть поднята вверх — эта операция на практике носит название перетяжки анодной рамы. При выполнении данной операции анод должен оставаться на месте. Рассмотрим последовательность перетяжки анодной рамы на электролизерах разных типов.
Перетяжка рамы на электролизерах с БТ.На электролизерах этого типа подвеска анодной рамы к опорной конструкции, как правило, осуществляется через полиспастный механизм. Масса анода с БТ передается на анодную раму следующим образом (см. рис. 5.9). Штыри б, расположенные на нижнем горизонте, опираются на серьги 7, которые через специальные прорези подвешены к ребрам 5. На некоторых заводах вместо сережек применяют клинья, которые вставляются в прорези ребер. Таким образом, масса анода через серьги (или клинья) передается на анодную раму.
Когда рама опускается до крайнего нижнего положения анод с помощью нескольких (8—10 шт.) временных тяг (типа талрепа) подвешивают к опорной конструкции. Для этого один конец тяги закрепляется за головку штыря, расположенного во втором ряду, а второй — за крюк, закрепленный на опорной конструкции через электроизоляционные прокладки. Затем, поочередно натягивая талрепы, подвешивают анод на временные тяги и извлекают сережки (или клинья). После этого устанавливают серьги под второй ряд штырей, включают механизм подъема анода и начинают подъем анодной рамы, а анод при этом висит на временных тягах. Когда рама поднимется настолько, чтобы серьги вплотную подошли ко второму ряду штырей, проверяют и при необходимости поправляют серьги или клинья, убеждаются (по натяжке талрепов), что масса анода воспринята анодной рамой и только после этого демонтируют временные тяги.
Перетяжка рамы на электролизерах сВТ. Подъем рамы из крайнего нижнего положения выполняют с помощью основного механизма подъема анода при одновременной работе вспомогательного механизма. Основной механизм смонтирован на опорных стойках и служит для перемещения анода и подъема анодной рамы, а вспомогательный механизм, расположенный на анодной раме, — для подъема анодного кожуха и поддержания в неизменном положении анода при подъеме анодной рамы. Скорость перемещения основного и вспомогательного механизмов одинакова Подъем анодной рамы должен производиться до перестановки штырей.
При перетяжке анодной рамы анод подвешивают на анодном кожухе, причем могут быть использованы два варианта. Временные зажимы (16—18 шт.) устанавливают на анодных штырях над специальными площадками, расположенными на анодном кожухе, и надежно закрепляют их. Если при этом ослабить контактные зажимы, прижимающие токоведущие штыри к анодной шине, анод не просядет, так как будет висеть на временных зажимах. Второй вариант заключается в том, что на анодный кожух устанавливается переносной портал, к верхней части которого с помощью тяг закрепляются штыри. И в этом случае, при ослаблении контакта между анодной шиной и штырями, анод не просядет, поскольку будет висеть на временных тягах.
После подвески анода одним из рассмотренных способов зачитают контактную часть штыря на высоту от существующего положения до места нового контакта штыря с анодной ошиновкой, ослабляют все зажимы, прижимающие штыри к анодной ошиновке, и одновременно включают основной и вспомогательный механизмы. Основной механизм перемещает анодную раму вверх, а вспомогательный — анодный кожух вниз. Но, так как вспомогательный механизм расположен на движущейся вверх анодной раме, положение анодного кожуха по отношению к неподвижному катодному устройству будет оставаться неизменным. В процессе перемещения анодной рамы контакт между штырем и анодной шиной будет скользящим и поэтому возможны на некоторых штырях искрения.
После подъема рамы в крайнее верхнее положение надежно затягивают контактные зажимы, а затем демонтируют временные зажимы или переносные порталы.
|
