АНОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ
ANODE DEVICE OF ALUMINIUM ELECTROLYSIS UNIT WITH BAKED ANODES

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом в электролизерах с обожженными анодами.
В настоящее время технический алюминий получают электролизом криолитоглиноземного расплава. Известно анодное устройство электролизера для получения алюминия, в котором анод выполнен из углеграфита, ток к нему подводят по токопроводящей штанге, на последней закреплен стальной кронштейн с ниппелями, помещаемыми в углубления на верхней плоскости анода, в виде обратного усеченного конуса, в стенках которого выполнены рифления в форме наклонных канавок. Ниппель выполнен круглого сечения с гладкими стенками, он помещается в углубления анода и место стыка заливается расплавленным чугуном, за счет чего создается механический и электрический контакты между анодом и ниппелем (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971. - 195 с.).
При работе такие аноды постепенно, примерно через тридцать суток обгорают и их заменяют на новые. Эта конструкция работоспособная, но не удобная при повторном использовании ниппеля. Для повторного использования ниппеля с него необходимо механически сбить сваренный со сталью анодный огарок и слой чугуна. Операция эта является трудоемкой, что значительно увеличивает время и затраты на монтаж и демонтаж соединения анод - ниппель. Кроме того, не всегда удается качественно провести указанную операцию и направить ниппель на повторное использование.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными углеграфитовыми анодами, включающее токоподводящую штангу, стальной кронштейн с ниппелями, жестко закрепленных электропроводящей массой в аноде, с дополнительной подвеской анода, выполненной в виде закрепленной на перекладине штанги и металлических лент, закрепленных верхними концами попарно с двух сторон на перекладине штанги, нижние концы лент изогнуты в виде цангового захвата со стяжным и распорным механизмом, установленными на каждой паре лент (Патент РФ №2231577, МПК С25С 3/12, опубл. 27.06.04).
Эта конструкция работоспособная, но токоподводящая штанга и дополнительный подвес из металлических лент изготовлены из стали, которая окисляется и загрязняет железом получаемый электролитический алюминий.
Основная задача изобретения заключается в исключении стальной штанги и дополнительного подвеса, а также исключения загрязнения технического алюминия, снижения материальных и трудозатрат на производство алюминия, сокращения расхода электроэнергии за счет уменьшения падения напряжения, исключения заливки чугуном и набивки электропроводящей массой, исключения трудоемких операций - удаления чугуна и огарков анода с ножек ниппеля.
Это достигается тем, что анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами, содержащее угольный блок, токоподводящую штангу и подвеску анода, выполненную в виде закрепленной на токоподводящей штанге перекладины и металлических лент, которые своими верхними концами попарно закреплены с двух сторон от штанги на перекладине, согласно изобретению металлические ленты выполнены в виде пакета из алюминиевой фольги со жгутами из стеклоткани, а перекладина и штанга выполнена из алюминия.
Угольный блок обожженного на верхней плоскости имеет выступ, в котором выполнены прямоугольные отверстия, через которые продеты пакет из алюминиевой фольги и жгуты из стеклоткани.
2
2
3
2
3
В качестве стеклоткани могут быть волокна SiO, AlO, AlO+MgO и др.
Длина, сечение пакета из алюминиевой фольги и жгутов из стеклоткани и их количество определяются технологическими требованиями.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На чертеже изображена предлагаемая конструкция анодного устройства, общий вид и вид сбоку.
Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами содержит углеграфитовый анод 1, над которым имеется выступ 2 с прямоугольными поперечными отверстиями 3, в эти отверстия продеты пакет алюминиевой фольги 4 и жгуты из стеклоткани 5. Пакет и жгуты прикреплены сверху алюминиевыми болтами 6 к алюминиевой перекладине 7, которая жестко закреплена с алюминиевой штангой 8. Пакет из алюминиевой фольги 4 выполняет роль токоподвода и свободно провисает между угольным анодом 1 и алюминиевой перекладиной 7.
Монтаж анодного устройства происходит следующим образом. Пакет алюминиевой фольги 4 и жгуты стеклоткани 5 определенной технологической длины и сечения протягиваются через прямоугольные отверстия 3 выступа 2 на угольном аноде 1. После этого анодное устройство, удерживаемое за штангу 8, переносится в электролизер и штанга 8 крепится к анодной шине.
При такой конструкции анодного устройства на монтаж и демонтаж потребуется всего лишь минута, при этом исключаются применения: стальной штанги, стальных ниппелей, заливки чугуна или забивки электропроводящей массой, сбивки сваренного со сталью чугуна и анодного огарка. Кроме того, улучшается электрический контакт, уменьшаются падение напряжения и изделия. Сначала рассмотрим применение различных материалов для токоподвода, а затем - для механического подвеса угольного анода.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
1
2
2
4
Расчет проведем на примере электролизера, потребляющего ток 130 кА, имеющего 16 обожженных анодов, через каждый из которых проходит ток I=130/16=8,1 кА. Падение напряжения на стальных штанге и ниппелях V=0,01B=10 мВ. Вес обожженного анода P=900 кг. Вес стальной штанги с тремя ниппелями Р=450 кг и ценой Ц=700$/шт.=1,75·10 руб/шт. Обожженный угольный анод в процессе работы обгорает снизу и его меняют через 30 дней.
В нашем предложении примем количество токоподводов и подвесов равным по 3 пары, т.е 6 штук на один анод в соответствии с чертежом. Длину токоподвода и подвеса принимаем равным l=1 м = 100 см = 1000 мм.
Расчет токоподвода к угольному обожженному аноду
В соответствии с законами электротехники в общем виде запишем для всех токоподводов одного анода
где σ - удельная электропроводность, R - электросопротивление проводника, S сечение проводника. Откуда находим сечение
Вес Р и стоимость С расходуемого токоподвода для всего анода равны
где d - плотность и Ц - цена материала.
В таблице 1 приведены свойства возможных материалов.
Таблица 1
Свойства веществ
вещество
σ·10-5 Ом-1см-1 при 20°С
σ·10-5 Ом-1см-1 при 900°С
плотность, г/см3
температура, °С
теплопроводность, кал/см·с·К (20°С)
КТР·106, К-1
цена
прочность на разрыв δв, кгс/мм2 при 20°С
плавления
кипения
$/т
руб/т
Fe
0,56
0,1
7,87
1539
3200
0,1
11,7
800
2·10<sup>4</sup>
30
Al
3,7
2,9
2,7
660
2500
0,52
24,6
2000
5·10<sup>4</sup>
фольга А1
1,5·10<sup>9</sup>
3,7·10<sup>10</sup>
стеклоткань
2,3
1000
8
200
200 (ткань)
Для токоподвода рассмотрели возможные материалы сталь и алюминий. Расчет провели для одного из шести алюминиевых токоподводов и для шести токоподводов на один обожженный анод в месяц. Анод служит 1 месяц. Стоимость стальных штанги из ниппелей не рассчитывали, а взяли коммерческую. Результаты расчета по указанным формулам приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты расчета токоподвода к обожженному аноду. Одного (1) и шести (6) токоподводов
№
вещество
сечение, S, см<sup>2</sup>
плотность, г/см<sup>3</sup>
Вес, Р, кг/мес.
Цена, руб/кг
Стоимость, С, руб/месяц
1
Fe
7,87
4,5·10<sup>3</sup>
1,75·10<sup>4</sup>
2
Al(1)
22
2,7
6
50
3·10<sup>2</sup>(0,0)
3
Al(6)
132
2,7
36
50
1,8·10<sup>3</sup>(0,0)
Al
В расчете токоподвода алюминия взята цена технического алюминия, а не цена алюминиевой фольги. Дело в том, что для токоподвода не требуется товарная алюминиевая фольга, а достаточны ее обрезки (или просто полученные ленты). Обрезки фольги не используют и продают их по стоимости технического алюминия 50 руб/кг (смотри таблицу). Надо еще отметить, что алюминиевая фольга, используемая в качестве токоподвода к аноду, не расходуется, а только переплавляется в электротехнический алюминий. Поэтому для собственного возвратного производства алюминиевого завода стоимость алюминия нулевая, C=0, что отмечено в круглых скобках стоимости алюминия в таблице 2. Здесь не рассчитывали стоимость алюминиевых штанги и ниппелей, так как они не расходуются, т.е. многоразового использования.
4
3
Отношение затрат на два материала для токоподвода сталь/алюминий = 1,75·10/1,8·10. Как видим, затраты на сталь на порядок больше, чем на алюминий. А если учесть, что алюминиевая фольга для алюминиевого завода почти ничего не стоит, то преимущество алюминия на 4 порядков, т.е. надо использовать алюминиевую фольгу.
Возможность применения стали в качестве токоподвода не вызывает сомнения. Например, рабочая температура токоподвода к обожженному угольному аноду находится в пределах 0-500-900°С. Температура плавления железа 1536°С. Следовательно, сталь находится в твердом состоянии при рабочих температурах анода и может быть использована в качестве токоподвода к обожженному угольному аноду.
Алюминий плавится при температуре 660°С, ниже рабочей температуры 900°С обожженного анода, т.е. алюминий не может служить токоподводом к угольному аноду. Однако нами предлагается использовать не слитки, а фольгу из алюминия, которые существенно отличаются по свойствам.
Алюминиевая фольга - это лист алюминия толщиной 0,05-0,1 мм, покрытый прочной оксидной пленкой оксида алюминия. Поэтому алюминиевая фольга представляет собой композиционный материал, в котором одна фаза - алюминий и вторая фаза - оксид алюминия. Фазы прочно соединены между собой (прочная адгезия на границе фаз). Алюминий плавится при температуре 660°С, а оксид алюминия - 2050°С. Температура сохранения формы фольги композиционного материала алюминий - оксид алюминия выше температуры плавления алюминия, и эта температура повышается от 660 до 2050°С тем выше, чем больше содержится оксида алюминия в композиционном материале. При толщине фольги 0,1 мм пакет фольги сохраняет свою форму до 1100°С. Следовательно, пакет из алюминиевой фольги может служить хорошим токоподводом к обожженному угольному аноду алюминиевого электролизера для его рабочих температур 900-1000°С.
Расчет механического подвеса к угольному обожженному аноду.
Для механического подвеса рассмотрим применение различных волокон, прочность на разрыв которых в 10-100 раз выше прочности объемных материалов. С учетом рабочих температур 0-900°С обожженного анода и перечисленных выше волокон для расчета выбираем и стеклоткань (жгуты). Углеграфитовая ткань сгорает при температурах выше 400°С, поэтому она не пригодна для работы на обожженном аноде. Прочность на разрыв алюминиевой фольги в процессе электролиза пока не будем учитывать из-за ее малости.
1
Для рассматриваемого электролизера вес обожженного анода равен P=0,9т=900 кг. Этот вес должен быть равен прочности Н на растяжение пучка волокон
Вес и стоимость волокна равны
4
3
С учетом времени работы анода до замены 1 месяц, цены Ц волокон, их удельной прочности δ, плотности d рассчитали стоимость С волокон, расходуемых в месяц в месяц на один анод электролизера. Результаты расчета приведены в таблице 3. Стоимость стальных штанги и трех нипперей не рассчитывали, а взяли коммерческую.
4
4
4
Отношение затрат на подвес из стали/стеклоткани = 1,75·10/1=10. Как видим, затраты на стеклоткань в 10 раз меньше, чем на сталь, т.е. для механического подвеса анода дешевле применять стеклоткань.
Применение стеклоткани не повлечет загрязнение электролитического алюминия, так как стеклоткань не попадает в расплав электролита, а она уходит на утилизацию вместе с угольным огарком.
4
Стоимость стальной штанги и ниппелей обожженного анода равна 1,75·10 руб/штуку, и они не расходуются. В предлагаемом способе расходуется только стеклоткань стоимостью 1 руб/штуку одного анода, а на весь электролизер 16 анодов, т.е. расход на стеклоткань составит 16 руб/(электролизер·месяц). Что очень мало, и такой расход можно не учитывать.
4
4
4
4
Таким образом, токоподвод дешевле изготавливать из алюминиевой фольги, а подвес - из стеклоткани. Отношение суммы затрат на алюминиевый токоподвод и подвес из стеклоткани к стоимости стальных штанги и ниппелей равно 16/1,75·10=1/1000. Как видим, применение токоподвода из алюминиевой фольги и механического подвеса из стеклоткани в 1000 раза дешевле, чем применение стальных штанги и ниппелей по стоимости материалов. Но есть и другие преимущества, которые рассмотрим ниже. Пока оценим экономический эффект по стоимости материалов от внедрения алюминиевого токоподвода и подвеса из стеклоткани. Например, на одном электролизере будет экономия 1,75·10-1=1,75·10 руб/(электролизер·месяц)=40 тыс.руб/(электролизер·месяц), а на 1000 электролизеров за 12 месяцев (год) составит 1,75·10·1000·12=210·10 руб/год=210 млн.руб/год. Это без учета экологии и других преимуществ.
Это только в первом приближении. Далее необходимо учитывать еще несколько преимуществ применения алюминиевой фольги и стеклоткани: не требуется заливка чугуном и его обивка, не требуется обивка угольных огарков, не требуется изготавливать и транспортировать анодные штанги и ниппеля, уменьшается падение напряжения на аноде и контакте фольга-анод, исключаются термические напряжения и трещины в угольном аноде, существенно повышается технологичность электролиза и др.
В итоге оказывается выгодным применение алюминиевой фольги и стеклоткани вместо стальной штанги и ниппелей.
Сечение пакетов алюминиевой фольги и жгутов стеклоткани определяется экономикой - затратами на них сечения могут быть увеличены в соответствии с требованиями технологии. Кроме того, повышается равномерность токовой нагрузки по подошве анода и она легко регулируется изменением сечения и количеством пакетов из алюминиевой фольги в площади обожженного анода и расположением пакетов по площади анода.