Результат интеллектуальной деятельности: Анодный блок алюминиевого электролизера

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к анодному устройству алюминиевых электролизеров.

Известен Обожженный анод алюминиевого электролизера (RU 2239005 от 25.11.2002, опубл. 27.10.2004 Бюл. №30.

Техническим результатом изобретения является сохранение падения напряжения в электролите, связанного с ускоренным отводом газа из-под анода, и обеспечение требуемой циркуляции электролита в районах подачи глинозема. Технический результат достигается тем, что обожженный анод содержит анодный блок с одним или несколькими вертикальными каналами на его нижней рабочей поверхности. Вертикальные каналы выполнены с дифференцированным углублением по протяженности в виде участка с фиксированным равномерным углублением, равным 0,25-0,30 высоты блока, или с фиксированным углублением, равным 0,25-0,30 высоты блока и выполненным с наклоном до 3°, и сопряженного с ним участка с постепенным углублением до 0,75 высоты блока. Место сопряжения участков расположено в пределах 0,45-0,75 длины блока при расположении каналов вдоль его продольной оси или ширины блока при расположении каналов поперек его продольной оси. При использовании нескольких вертикальных каналов они расположены с шагом 0,35-0,5 от ширины блока при их расположении вдоль его продольной оси или с шагом 0,25-0,33 от длины блока при их расположении поперек его продольной оси.

Несмотря на достоинства известного устройства для изготовления таких анодов требуется сложная технология изготовления.

Известна практика использования предварительно обожженных анодов с углеродными анодными блоками, которые содержат одну или несколько канавок в их нижней части, чтобы способствовать удалению газовых пузырьков и препятствовать их накоплению, что должно привести к решению вышеназванных проблем и снизить расход энергии, как показано в Light Metals 2005 "Energy saving in Hindalco's Aluminium Smelter", S.C. Tandon & R.N. Prasad. Канавки позволяют сократить среднюю длину свободного пробега газовых пузырьков под анодом для выхода из межэлектродного пространства и, следовательно, уменьшить размер пузырьков, которые образуются под анодом.

Выгода от использования канавок уже изучена и доказана, например, в Light Metals 2007 p. 305-310 "The impact of slots on reduction cell individual anode current variation", Geoff Bearne, Dereck Gadd, Simon Lix или Light Metals 2007 p. 299-304 "Development and deployment of slotted anode technology at Alcoa", Xiangwen et al.

Также из нижеследующих документов известно:

- WO 2006/137739 использование меньших канавок (порядка от 2 до 8 мм), чем используемые обычно (порядка от 8 до 20 мм), чтобы оптимизировать полезную углеродную массу и поверхность обмена;

- US 7179353 использование анодного блока, имеющего канавки, выходящие лишь на одну боковую сторону анодного блока и, в частности, к центру электролизера, чтобы улучшить растворение глинозема.

Хорошо известно ограничение в использовании этих канавок вследствие того, что глубина канавок относительно нижней поверхности анодных блоков ограничена, чтобы не нарушить механическую и физическую целостность углеродных анодных блоков. При этом углеродные анодные блоки постепенно расходуются в ходе реакции электролиза на высоту, превышающую глубину канавок, так что продолжительность существования канавок в аноде меньше срока службы анода. Следовательно, в течение некоторого времени на протяжении срока службы анодов нижняя часть анодных блоков уже не имеет никакой канавки. В таком случае становятся заметными проблемы, упомянутые выше для анодов без канавок.

Проблема отвода анодных газов и, в частности, диоксида углерода (углекислый газ), которые, естественно, накапливаются в форме газовых пузырьков под нижней стороной анода, обычно, по существу, плоской и горизонтальной, что влияет на общую стабильность электролизера заявлена ив RU №2559381 от 21.07.2010, опубл. 10.08.2015 Бюл. №22,. Данный аналог можно взять за прототип.

Задачей изобретения является разработать обожженный анод алюминиевого электролизера, конструкция которого обеспечивала бы возможность уменьшения толщины газового слоя у нижней рабочей поверхности блока, равномерный и ускоренный сход газа с рабочей поверхности и возможность регулирования потоков сходящего газа практически в течение всего периода эксплуатации анода при сохранении достаточной механической прочности блока, что позволит сохранить снижение падения напряжения в электролите, связанного с ускоренным отводом газа из-под анода, и обеспечить требуемую циркуляцию электролита в районах подачи глинозема в период работы анода.

Достигается это введением в анод электропроводящего материала с сопротивлением, меньшим сопротивления угольной части анода, при этом электропроводящим материалом являются решетки, изготовленные из алюминиевых прутков диаметром 3…10 мм, которые наклонно размещают в аноде под углом 4…8° по отношению к горизонтальной поверхности таким образом, что верхний торец расположенный нижележащей решетки плотно контактирует с нижним торцом вышележащей решетки, при этом, верхний торец самой верхней решетки размещен от верхней кромки анода на расстоянии равном 0,20…0,25 высоты Н анода, нижний торец нижней решетки размещен на расстоянии от подошвы анода, равном 0,03…0,06 высоты Н анода, боковые и торцевые стороны решеток спрятаны вглубь анода на расстояние от боковых и торцевых стенок анода, равном 0,03…0,06 высоты Н анода, а газоотводящие канавки на подошве анода формируются в результате плавления введенных в анод алюминиевых решеток.

Целесообразность введения в анод электропроводящего материала с сопротивлением, меньшим сопротивления угольной части анода обеспечивает прохождение электрического тока через анод с более низким падением в нем напряжения.

Целесообразность использования для этих целей решеток размером ячейки от 50×50 до 100×100 мм, изготовленных из алюминиевых прутков диаметром 3…10 мм, обосновывается следующим. При плавлении алюминиевых прутков на подошве анода образуются канавки шириной от 3 до 10 мм и высотой от 2 до 5 мм, по которым анодные газы, образующиеся в результате окисления анода, движутся к боковым и торцевым сторонам анода, увеличивая циркуляцию электролита по всему его периметру. При этом под каждой ячейкой размером от 50×50 до 100×100 мм, в зависимости от общего габарита анода, образуется от 0,1 до 3,0% общего объема образующихся анодных газов, которые практически сразу же отводятся по газоотводящим канавкам в межанодное пространство.

Наличие на подошве анода канавок шириной до 10 мм и высотой до 5 мм увеличивает полезную площадь анода, контактирующую с электролитом, в среднем на 3…5%, что на такую же величину уменьшает плотность тока в аноде и, соответственно сопротивление последнего.

Размещение решеток под углом 4…8° по отношению к горизонтальной поверхности обеспечивает постепенное плавление прутков, по мере сгорания анода, а также исключает деформацию решеток при формовке анода.

Плотный электрический контакт между торцами смежных решеток обеспечивает минимальное падение напряжения при прохождении через них электрического тока.

Размещение верхнего торца самой верхней решетки на расстоянии от верхней кромки анода, равном 0,20…0,25 высоты Н анода обусловлено необходимостью исключения попадания в анодный огарок металлического алюминия, из которого изготовлены решетки. Как привило, высота анодного огарка составляет 0,1…0,2 первоначальной высоты анода и заявляемое ограничение высоты размещения обеспечивает полный переход расплавленного алюминия из анода в электролит и далее в слой прикатодного жидкого алюминия.

Размещение нижнего торца нижней решетки на расстоянии от подошвы анода, равном 0,03…0,06 высоты Н анода обусловлено тем, что в период обжига анода при температуре 1200…1400°С и выше исключается уход расплавленного алюминия из тела анода.

Удаление боковых и торцевых сторон решеток вглубь анода на расстояние от боковых и торцевых сторон анода, равное 0,03…0,06 высоты Н анода обосновывается следующим. Как правило, высота эксплуатируемых обожженных анодов находится в диапазоне 600…900 мм. Следовательно, в новом аноде боковые и торцевые стороны решеток защищены слоем угольного анода толщиной 3…5 мм. После установки анода в электролизер и его нагрева до рабочей температуры защитный слой окисляется, открывая таким образом газоотводящие канавки, образующиеся на подошве анода после плавления решетки.

Заявляемое устройство поясняется графически. На фиг. 1 изображен разрез А-А обожженного анода; на фиг. 2 - разрез Б-Б фиг. 1 - расположение сетки в аноде до его установки в электролизер; на фиг. 3 расположение газоотводящих канавок на подошве эксплуатируемого анода, где: 1 - обожженный анод; 2 - алюминиевые решетки; 3 - газоотводящие каналы на подошве анода; 4 - подпорные алюминиевые прутки.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На дно пресс-формы (на фиг. не показана), где происходит формовка анода 1, засыпается слой анодной массы высотой, равной 0,06…0,10 высоты Н анода. Далее на этот слой устанавливаются алюминиевые решетки 2, скрепленные между собой в торцах по принципу «елочка». Такое скрепление решеток обеспечивает возможность регулирования угла их наклона относительно горизонтальной поверхности. Фиксация решеток в пресс-форме под требуемым углом осуществляется с помощью вертикально устанавливаемых алюминиевых прутков 3. После фиксации решеток и проверки зазоров между ними и торцевыми и боковыми сторонами пресс-формы последняя заполняется анодной массой. После заполнения, анодная масса прессуется, ее насыпной объем уменьшается примерно в 2 раза. Таким образом, получается, что нижний торец нижней решетки оказывается защищенным слоем угольного анода толщиной 3…5 мм, который при обжиге анода исключает риск утечки из него расплавленного алюминия. При этом решетки вместе с прессуемой анодной массой движутся вниз, уменьшая свой угол наклона по отношению к горизонтальной поверхности от 8…16° до 4…8°. Деформируемые при этом подпорные алюминиевые прутки после установки анода в электролизер служат дополнительными проводниками тока.

После установки анода в электролизер и его нагрева до рабочей температуры защитный угольный слой на подошве анода, его боковых и торцевых сторонах окисляется, обнажая таким образом решетку. По мере плавления решетки на подошве анода образуются газоотводящие канавки 4, по которым образующиеся анодные газы удаляются из-под анода.

Техническим результатом изобретения является сохранение падения напряжения в электролите, связанного с ускоренным отводом газа из-под анода, и обеспечение требуемой циркуляции электролита в районах подачи глинозема.