АНОДОДЕРЖАТЕЛЬ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
ALUMINIUM ELECTROLYTIC CELL ANODE HOLDER

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к анодному устройству алюминиевых электролизеров.
Известен анододержатель алюминиевого электролизера, содержащий соединенные между собой алюминиевую штангу и стальную вилку и стальную втулку, установленную в кольцевой выборке, выполненной снаружи одного из концов алюминиевой штанги и соединенную с ней посредством сварки взрывом. При этом стальная втулка соединена со стальной вилкой посредством сварного соединения по периметру втулки (патент на полезную модель RU №115360, опубл. 27.04.2012). Полезная модель направлена на повышение надежности и долговечности конструкции, но не решает вопрос снижения тепловых и электрических потерь в анододержателе.
Наиболее близким к заявленному является анододержатель, размещенный в обожженном угольном блоке и соединенный с кронштейном, в котором крайние ниппеля расположены на расстоянии между их вертикальными осями, составляющем 0,55-0,60 длины обожженного угольного блока, а ниппельные гнезда выполнены диаметром, составляющим 0,12-0,15 длины и 0,25-0,31 ширины обожженного угольного блока (патент RU №2196193, опубл. 10.01.2003).
Недостатком известной конструкции является большой тепловой поток от электролизера и большие падения напряжения в самом анододержателе, что приводит к дополнительным потерям тепла в электролизере.
В основу изобретения положена задача разработать конструкцию анододержателя, способствующую повышению энергоэффективности электролизера.
Техническим результатом предложенного изобретения является снижение теплового потока от электролизера через анододержатель и снижение падения напряжения в самом анододержателе. За счет этого снижаются тепловые потери и повышается энергоэффективность электролизера в целом.
Указанный технический результат достигается за счет того, что анододержатель алюминиевого электролизера, содержащий кронштейн с двумя и более ниппелями, расположенными равномерно или с разным шагом вдоль продольной оси обожженного угольного блока и закрепленными в выполненных в нем ниппельных гнездах, в котором ниппели имеют сужения с площадью поперечного сечения, равной 0,3÷0,9 площади поперечного сечения ниппеля в заделке анодного блока, а сужения выполнены над поверхностью угольного блока на расстоянии от 0,01÷0,2 до 0,21÷0,9 расстояния от поверхности угольного анода до горизонтальной части кронштейна.
Сущность устройства иллюстрируется фигурой, на которой показан анододержатель 1 алюминиевого электролизера, содержащий кронштейн 2 с ниппелями 3, расположенными вдоль продольной оси обожженного угольного блока 4 и закрепленными в выполненных в нем ниппельных гнездах, где D - диаметр ниппеля в заделке анодного блока, d - диаметры сужения ниппелей, h - расстояние от поверхности анода до горизонтальной части кронштейна, h1 - нижняя граница сужения ниппеля, h2 - верхняя граница сужения ниппеля.
При сужении площади поперечного сечения ниппелей до 0,3÷0,9 площади поперечного сечения ниппеля в заделке анодного блока уменьшаются тепловые потери с анододержателей электролизера за счет снижения теплового потока через ниппели при уменьшении их сечения в месте сужения. Уменьшение теплового потока через анододержатель снижает температуру ниппелей, кронштейнов и анододержателя благодаря чему уменьшаются потери напряжения на них.
Нижняя граница сужения площади поперечного сечения ниппелей, равная 0,3 площади поперечного сечения ниппеля в заделке анодного блока, определена исходя из условий обеспечения необходимой механической прочности соединения обожженного угольного блока и ниппелей.
При сужении площади поперечного сечения ниппелей больше 0,9 площади поперечного сечения ниппеля технический результат, достигаемый за счет сужения поперечного сечения ниппеля, такой же, как при применении анододержателя без сужения сечения ниппелей, так как тепловой поток через ниппели снижается незначительно, а теплоотдача с этого участка ниппеля повышается за счет уменьшения сечения ниппеля. Снижение теплового потока через ниппели повышает энергоэффективность анододержателя, поскольку снижаются потери тепла с электролизера. Увеличение теплоотдачи с места сужения сечения ниппеля отрицательно влияет на энергоэффективность анододержателя, так как повышает потери тепла с ниппелей. При рассматриваемой величине сужения ниппелей эти два процесса уравновешиваются и увеличения энергоэффективности относительно анододержаетелей без сужения сечения в ниппелях не происходит.
Высота сужения площади поперечного сечения в ниппелях над поверхностью угольного блока, начинающегося на расстоянии h1, равном 0,01÷0,2 расстояния h от поверхности угольного блока, и заканчивающегося на расстоянии h2, равном 0,21÷0,9 расстояния h от поверхности анода до горизонтальной части кронштейна, выбрана исходя из результатов математического моделирования и обуславливается тем, что сужение необходимо выполнять на уровне глиноземной засыпки анодного блока.
При сужении площади поперечного сечения ниппелей выше глиноземной засыпки, то есть в воздухе, либо при выполнении сужения в горизонтальной части кронштейна падение напряжения в месте сужения сечения увеличивается, а конвективный теплообмен с окружающей средой остается неизменным. Например, в случае сужения сечения крайних ниппелей в воздухе на 0,5 площади поперечного сечения ниппеля в заделке анодного блока падение напряжения в ниппелях увеличивается на 1,5% относительно анододержателя без сужений, а потери тепла с поверхности анододержателя не изменяются. Таким образом, применение сужения площади поперечного сечения в ниппелях в этом случае негативно сказывается на энергоэффективности анододержателя.
В случае, если сужение сечения площади поперечного сечения в ниппелях выполняется на уровне глинозема, то напряжение в местах сужения сечения также увеличивается. Однако потери тепла с поверхности анододержателя уменьшаются за счет того, что температура анододержателя, находящегося на воздухе, снижается за счет снижения теплового потока через него, а места сужения сечения ниппелей укрыты глиноземом.