Анодное устройство алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом

 

В анодном устройстве алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, содержащем две коаксиальных трубы, жестко и вертикально закрепленных на контрфорсах, величина заглубления наружной трубы в спеченную часть анода составляет 0,037-0,23 высоты спеченной части. Разность уровней нижних концов коаксиальных труб составляет 0,036-0,14 высоты спеченной части анода. Наружная труба снабжена теплоотводящей втулкой. Нижняя граница втулки не достигает спеченной части, а верхняя сообщается с атмосферой. Высота футеровочного слоя вертикального канала составляет 0,7-0,9 высоты спеченной части анода с уровнем верхней границы в промежутке между нижними границами коаксиальных труб. Такая конструкция позволяет повысить производительность электролизера и срок его службы, снизить расход электроэнергии, фторсолей и трудозатрат. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия электролизом криолито-глиноземных расплавов, и может быть использовано в конструкции электролизеров с самообжигающимся анодом.

Особенностью электролизеров с самообжигающимся анодом с верхним токоподводом (САВТ) является наличие моноблочного анода с габаритными размерами, сопоставимыми с размером межэлектродного расстояния (МЭР) в пропорции 140:1. В то же время на электролизерах с предварительно обожженными анодами (ОА) этот параметр составляет 14,0:1, то есть ≈ в 10 раз меньше.

Поскольку указанное соотношение определяет режим тепломассообмена в расплаве электролита, то в электролизерах САВТ градиент концентрации растворенного глинозема в сечениях "Центр МЭР - борт", температурный градиент в тех же сечениях намного выше чем в электролизерах ОА, что, как известно, снижает производительность электролизера, способствует разряду натрия на катоде и внедрению металлического натрия в угольную подину, снижает срок службы электролизера, увеличивается расход электроэнергии и трудозатрат на получение тонны алюминия; сырьевой материал в электролизерах САВТ поступает "от борта к кромке анода" и далее в центр МЭР, а в электролизерах ОА - в центр МЭР непосредственно (при наличии устройств АПГ), поэтому в электролизерах САВТ режим тепломассообмена в МЭР осуществляется только за счет газовой гидродинамики тепломассопереноса в направлениях "борт-центр МЭР" и обратно.

Следовательно, задача поступления глинозема и фторсолей непосредственно в центр МЭР (в проекции анода) является основным направлением повышения срока службы и производительности электролизера, снижения расхода электроэнергии, фторсолей и трудозатрат электролизеров САВТ. Одним из путей решения задачи поступления материальных потоков в электролит в проекции самообжигающегося анода является создание сквозных вертикальных отверстий в аноде, защищенных от воздействия температур и анодных газов и не вызывающих ухудшения качества анода.

Известно анодное устройство алюминиевого электролизера для создания вертикального канала с поверхностью, футерованной защитным слоем из порошкообразных окислов, которое содержит самообжигающийся анод, состоящий из неспеченной и спеченной частей, двух коаксиальных вертикальных труб, нижние концы которых расположены ниже верхней границы спеченной части анода, и жестко закрепленных на горизонтальных контрфорсах анодного кожуха, порошкообразный дисперсный материал, загружаемый в зазор между коаксиальными трубами для футеровки внутренней поверхности вертикального канала защитным слоем, образующимся при спекании порошкообразных окислов с газами коксования. (Авторское свидетельство СССР N 1786194, G 25 C 3/00, 07.01.1993) К недостаткам известного устройства следует отнести: 1. Заглубление нижнего конца трубы на большую глубину в спеченную часть анода, как показала практика испытаний, приводит к мощному обжатию нижнего конца наружной трубы, тем самым невозможности подъема анодного кожуха (припеканию) и деформации нижнего (горячего) конца трубы. В результате устройство становится неработоспособным.

2. Наличие трубы, заглубленной в спеченную часть анода, приводит к дополнительному нагреву неспеченного анода за счет теплопроводности трубы. Это вызывает потери летучих углеводородов, расслоение анода с седиментацией кокса с отделением связующего, что вызывает ухудшение качества анода, технико-экономических показателей электролиза и невозможность дальнейшей эксплуатации устройства.

3. Защитный слой из порошкообразных материалов, выполненный на всю высоту анода, как показывают длительные испытания устройства, имеет прерывистый характер за счет "зависания" порошка в нижней части зазора вследствие воздействия (пропитки) смолистых возгонов пека и адгезии, за счет этого порошкообразного материала на поверхности труб. Это приводит к ухудшению качества (монолитности) защитного слоя, разрушению анода, возрастанию трудозатрат по обслуживанию, и, в конечном счете, невозможности эксплуатации устройства.

Цель предлагаемого изобретения - повышение производительности электролизера и срока его службы, снижение расхода электроэнергии, фторсолей и трудозатрат за счет повышения работоспособности устройства путем создания надежного защитного футеровочного слоя на поверхности сквозного отверстия в аноде.

Поставленная цель достигается тем, что в анодном устройстве алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, содержащим анодный кожух с заключенным внутри него самообжигающимся анодом и контрфорсами верхнего пояса жесткости, вертикальную наружную трубу и коаксиально расположенную в ней внутреннюю трубу, жестко и вертикально закрепленные на контрфорсах, входящие нижним концом в спеченную часть анода и перемещающиеся вместе с кожухом, дисперсный порошкообразный материал в зазоре коаксиальных труб для образования защитного слоя на поверхности сквозного отверстия, величина заглубления наружной трубы в спеченную часть анода составляет 0,037 - 0,23 высоты спеченной части, разность уровней нижних концов коаксиальных труб составляет 0,036 -0,14 высоты спеченной части анода, наружная труба снабжена теплоотводящей втулкой, например, алюминиевой или медной, причем нижняя граница втулки не достигает спеченной части анода, а верхняя сообщается с атмосферой, высота футеровочного слоя вертикального накала составляет 0,7 -0,9 высоты спеченной части анода с нижней границей, расположенной в расплаве электролита, и уровнем верхней границы в промежутке между нижними границами коаксиальных труб.

Устройство дополнительно может быть снабжено трубой-течкой, расположенной в полости между коаксиальными трубами для подачи футеровочного материала в зону формирования защитного слоя.

Величина заглубления наружной трубы в спеченную часть анода в пределах 0,037 - 0,23 высоты спеченной части получена опытным путем и обусловлена следующим. При заглублении более 0,23 высоты спеченной части происходит припекание трубы к аноду, разогрев и смятие нижнего конца трубы и выход ее из строя.

При заглублении менее 0,037 высоты спеченной части невозможно практически обеспечить, одновременно режим поддержания высоты спеченной части, подъема анодного кожуха и исключить вероятность подтека жидкой анодной массы в отверстие.

Разность уровней нижних концов коаксиальных труб обусловлена необходимостью удержания футеровочного материала в форме трубы на период пропитки его алюминиевыми возгонами и, с другой стороны, предотвращает припекание материала к нижнему концу трубы и также получена опытным путем. Большая разность приводит к "зависанию" материала и появлению разрывов в защитном слое при подъеме анодного кожуха, меньшая разность не позволяет удержать футеровочный материал в форме трубы на период пропитки его смолистыми возгонами и последующего коксования (цементации) защитного слоя на поверхности сквозного отверстия.

Наличие тепдоотводящей втулки компенсирует избыточное тепло, подводимое в неспеченную часть анода наружной трубой и излучением от расплава электролита, что улучшает качество анода и работоспособность устройства.

Высота футеровочного слоя и расположение его верхней границы в промежутке между нижними границами коаксиальных труб получена в результате экспериментов на ОАО "Братский алюминиевый завод" и обусловлена необходимостью создания работоспособного устройства и сплошного, непрерывно формирующегося защитного слоя в режиме полной автономии, без участия человека. Так, выход верхнего уровня защитного слоя за указанные пределы приводит или к "зависанию" материала защитного слоя или к обрушению его. В любом случае при отклонении от указанных пределов защитный слой нарушается, что приводит к выгоранию анода и выходу его из строя. Устройство становится неработоспособным.

Применение трубы-течки в промежутке между коаксиальными трубами обеспечивают подачу футеровочного материала именно в зону формирования защитного слоя и обеспечивает поддержание уровня верхней границы слоя в защитных пределах в автономном режиме за счет сил гравитации и угла естественного откоса порошкообразного материала.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен фрагмент анодного устройства с самообжигающимся анодом.

Устройство содержит анодный кожух 1 с горизонтальными контрфорсами 2, с заключенным в нем самообжигающимся анодом, коаксиальные трубы 3, 4, жестко закрепленные фланцами на контрфорсах 2 в вертикальном направлении. Футеровочный материал 5 загружают в пространство между коаксиальными трубами 3, 4, для чего может быть применена труба-течка 6, соединенная с бункером (на чертеже не показан), нижние концы коаксиальных труб 3, 4 погружены в спеченную часть 7 анода, причем наружная труба 3 погружена на заданную высоту Y.

Снаружи наружной трубы 3 выполнена теплоотводящая втулка 8, расположенная в зоне "неспеченная часть 9 анода - атмосфера".

Устройство работает следующим образом. При периодическом подъеме анодного кожуха 1 труба 3 формирует сквозное отверстие в спеченном аноде 7, имеющем высоту "X". В пространство между трубами 3, 4 загружают порошкообразный футеровочный материал 5 через трубу-течку 6 с поддержанием (за счет уровня расположения нижнего конца течки 6 и угла естественного откоса загружаемого материала) верхнего уровня порошкообразного сырья между нижними границами труб 3, 4 (уровень X) при условии периодического подъема анодного кожуха 1 в процессе электрохимического расхода анода 7. Избыточное тепло, подводимое в неспеченную часть анода 9 трубой 3, отводят втулкой 8 в атмосферу.

Пример реализации. На самообжигающихся анодах трех промышленных электролизеров силой тока 156 кА типа С-8Б (варианты "A", "B", "C") в соответствии с чертежом монтируют устройства и формируют сквозное отверстие с футеровкой его внутренней поверхности порошкообразным дисперсным материалом с верхним уровнем последнего в зазоре труб 3, 4, равным Z, B, J. При этом соотношение высоты футеровочного слоя и высоты спеченной части анода составляет по вариантам: Z - 0,9, B - 0,68, J - 0,93.

Исходные данные устройств, состав футеровочного материала, параметры анодов и результаты испытаний в течение 6 месяцев отражены в таблице.

Как следует из полученных результатов, заглубление наружной трубы в спеченную часть анода (параметры "Y") на величину менее 0,37 ее высоты (вариант "C") создает опасность прорыва связующего в сквозное отверстие. При параметре "Y" большем чем 0,23 высоты спеченной части анода (вариант "B") наблюдали периодическое припекание металлоконструкций устройства (труба 3) к телу анода. Это вызывает перегрузку приводов перемещения анодного кожуха, их преждевременный выход из строя, ухудшение качества анода (растрескивание), прерывность защитного слоя сквозного отверстия.

При разности высот коаксиальных труб (параметр Z) менее 0,036 высоты спеченной части анода (вариант "C") защитный слой не формируется.

Наличие алюминиевой теплоотводящей втулки вышеуказанного сечения во всех трех вариантах позволяет сохранить тепловое равновесие (температуру неспеченной части анода, высоту спеченной части анода) на участках реализации устройства для создания сквозного отверстия.

Следовательно, наличие технологического отверстия в аноде не ухудшает качество последнего.

Уровень футеровочного материала выше нижней границы наружной трубы (вариант B, B) приводит к зависанию футеровочного материала и прерывности защитного слоя, и при варианте "CY", когда уровень материала защитного слоя ниже нижней границы внутренней трубы, футеровочный материал высыпается весь на дно отверстия следствие нехватки времени на его пропитку смолистыми возгонами газов коксования, и защитный слой не образуется. Следовательно, предпочтительными являются параметры варианта "A" устройства для создания сквозного технологического отверстия в аноде.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать и эксплуатировать технологическое отверстие в самообжигающемся аноде без ухудшения качества анода. Использование же технологического отверстия для питания электролизера сырьем, устранение анодных эффектов, контроля технологического хода, отвода анодных газов позволяет повысить производительность электролизера, снизить расход электроэнергии, трудозатрат, фторсолей, увеличить срок службы электролизера.

Формула изобретения

1. Анодное устройство алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, состоящим из неспеченной и спеченной частей, содержащее анодный кожух с горизонтальными контрфорсами верхнего пояса жесткости, две коаксиальные трубы, жестко и вертикально закрепленные на контрфорсах, входящие нижним концом в спеченную часть анода, формирующие сквозное отверстие и перемещающиеся вместе с кожухом, и дисперсный порошкообразный материал в зазоре коаксиальных труб для образования защитного слоя на поверхности сквозного отверстия, отличающееся тем, что величина заглубления наружной трубы в спеченную часть анода составляет 0,037 - 0,23 высоты спеченной части.

2. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что разность уровней нижних концов коаксиальных труб составляет 0,036 - 0,14 высоты спеченной части анода.

3. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная труба снабжена снаружи теплоотводящей алюминиевой или медной втулкой, причем нижняя граница втулки не достигает спеченной части анода, а верхняя граница сообщается с атмосферой.

4. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что высота защитного слоя сквозного отверстия составляет 0,7 - 0,9 высоты спеченной части анода, слой имеет нижнюю границу, расположенную в расплаве электролита и верхнюю границу в промежутке между нижними границами коаксиальных труб.

5. Анодное устройство по любому из п.1 или 4, отличающееся тем, что в зазоре между коаксиальными трубами установлена труба-течка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3