Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО АНОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С САМООБЖИГАЮЩИМСЯ АНОДОМ И ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к производству алюминия электролитическим способом в электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом и предназначено для формирования вторичного анода при перестановке анодных штырей.

Для формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера используют анодную массу, состоящую из частиц твердого наполнителя (нефтяной, пековый кокс, антрацит) и каменноугольного пека в качестве связующего. При нагреве каменноугольного пека происходит его коксование с выбросом смолистых веществ и бенз(а)пирена. Соответственно при снижении количества или замене каменноугольного пека в анодной массе достигается определенное снижение выбросов. Одним из мероприятий по снижению количества каменноугольного пека является раздельная загрузка основной анодной массы и специальной анодной массы, загружаемой под токоподводящий штырь алюминиевого электролизера. Такую анодную массу принято называть подштыревой. При вынимании штыря из тела анода образуется лунка с температурой в нижней ее части более 800°C. При попадании подштыревой анодной массы на дно лунки происходит ее быстрое плавление и коксование с залповым выбросом смолистых веществ, большая часть которых не улавливается существующими системами газоочистки. Таким образом, при относительной небольшой доле подштыревой анодной массы (6-8 масс.%, от всей анодной массы) происходит выделение 60-80% загрязняющих атмосферу вредных веществ.

Известны способы формирования анода с целью снижения выбросов смолистых и улучшения условий труда, основанные на частичной замене анодной массы материалами неуглеродного происхождения или послойного формирования анода.

По способу [патент на изобретение №2040592, м.кл. C25C 3/12, 1995.07.25] на дно подштыревой лунки помещают глиноземсодержащее сырье, поверх него засыпают углеродную пробку.

По способу [патент на изобретение №2148107, м.кл. C25C 3/12, 2000.04.27] поверхность анода вокруг переставляемых штырей за 12-24 ч до их перестановки подсушивают дополнительной загрузкой корректировочной анодной массы с пониженным содержанием связующего. Для сохранения формы подштыревой лунки в нее устанавливают пробку из неферромагнитного материала диаметром, равным диаметру штыря. Пробку извлекают после расплавления анодной массы перед установкой штыря.

По способу [патент на изобретение №RU 2068461, м.кл. C25C 3/12, 1996.10.27] анод формируется периодической загрузкой брикетов углеродистой массы на предварительно очищенную поверхность анода с коэффициентом текучести 2,6-3,2, а на нее загружают массу с коэффициентом текучести 1,1-1,5.

К недостаткам способов-аналогов относятся использование неуглеродных материалов, имеющих низкую электропроводность, приводящих к формированию неоднородного вторичного анода и загрязнению алюминия-сырца нежелательными примесями. Кроме того, способы-аналоги не позволяют существенно снизить выбросы смолистых веществ, т.к. процент замещения анодной массы другими материалами невелик и сохраняется высокое содержание каменноугольного пека при периодической загрузке брикетов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ получения алюминия [Япония заявка №53-42283, 1978.11.10], согласно которому на поверхности анодной массы поддерживается слой нерасплавленных брикетов, обеспечивающих температуру поверхности анода менее 130°C и включающий приготовление подштыревой массы из наполнителя и связующего и загрузку подштыревой массы в подштыревые отверстия после извлечения анодных штырей. При этом лунка, образующаяся при извлечении штыря, не затягивается жидкой анодной массой.

Недостатком данного способа является необходимость загрузки в подштыревую лунку анодной массы с повышенным содержанием каменноугольного пека, следовательно, снижения выбросов смолистых веществ и бенз(а)пирена не происходит.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение выбросов смолистых веществ и бенз(а)пирена.

Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, включающем приготовление подштыревой массы из наполнителя и связующего, загрузку подштыревой массы в подштыревые отверстия после извлечения анодных штырей, согласно заявляемому изобретению, при подготовке подштыревой массы в качестве связующего используют нефтекаменноугольный пек с удельной плотностью 1,25-1,30 г/см³, преимущественно 1,27-1,29 г/см³, и содержанием бенз(а)пирена не более 7 мг/г пека, при этом содержание связующего в подштыревой массе составляет 30-40%, преимущественно 32-36%.

Техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При формировании самообжигающегося электролизера с верхним токоподводом происходит выделение смолистых веществ и бенз(а)пирена за счет коксования каменноугольного пека, входящего в состав анодной массы, загружаемой в верхнюю часть анода и в подштыревую лунку. Согласно данным исследования [Аншиц А.Г. и др. «Сравнительная оценка эмиссии канцерогенных веществ при использовании средне- и высокотемпературных пеков» // Химия в интересах устойчивого развития, 2001, №9, с.345-352] до 80% смолистых веществ и бенз(а)пирена выделяется в процессе перестановки токоподводящих штырей. При этом доля используемой подштыревой массы составляет всего 6 масс.% от всей анодной массы, загружаемой в электролизер. Таким образом, заменой каменноугольного пека только в подштыревой анодной массе достигается существенное снижение выбросов смолистых веществ и бенз(а)пирена. При этом не требуются значительные материальные вложения, как, например, при полном переводе всего анода на некаменноугольное связующее.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что для подштыревой анодной массы используют связующее с низким содержанием бенз(а)пирена не более 7 мг/ г пека, при этом физико-механические характеристики вторичного анода соответствуют стандартным характеристикам анода за счет ограничения плотности связующего 1,25-1,30 г/см³. Использование связующего с плотностью менее 1,25 г/см³ приведет к формированию пористого вторичного анода с низкой электропроводностью и высокой газопроницаемостью. Это повлечет повышенный расход электроэнергии и анодной массы. Использование связующего с плотностью более 1,30 г/см³ нежелательно, т.к. увеличение плотности происходит за счет появления более высококонденсированных ароматических соединений, например дибенз(а,h)антрацена, бенз(ghi)перилена, канцерогенная токсичность которых превышает токсичность бенз(а)пирена [Trygve Eidet, Morten Sorlie. PAH Emissions from Soderberg with Standard and РАН-reduced Binder Pitches. Light Metals, 2004, p.527]. Использование подштыревой анодной массы с содержанием связующего менее 30% при формировании вторичного анода приведет к техническим трудностям при установке токоподводящих штырей на заданную высоту и плохому контакту штырь-анод за счет низкой пластичности анодной массы. Использование подштыревой анодной массы с содержанием связующего более 40% отрицательно повлияет на механическую прочность сцепления штырь-анод, удельное сопротивление вторичного анода.

Технический результат достигается за счет:

- использования связующего нефтекаменноугольного пека с удельной плотностью 1,25-1,30 г/см³, преимущественно 1,27-1,29 г/см³, и содержанием бенз(а)пирена не более 7 мг/г пека;

- приготовления подштыревой анодной массы с содержанием связующего 30-40%, преимущественно 32-36%;

- формирования вторичного анода с использованием приготовленной подштыревой анодной массы.

Таким образом, заявляемый способ производства анодной массы для самообжигающегося анода соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ подтверждается проведением расчетов.

Пример 1. При использовании стандартного каменноугольного пека с удельной плотностью 1,32 г/см³ и содержанием бенз(а)пирена 10 мг/г пека готовят стандартную анодную массу и подштыревую анодную массу с содержанием связующего 40%. При эксплуатации анода на каменноугольном пеке выбросы смолистых и бенз(а)пирена с поверхности анодной массы составляют 20%, а выбросы при загрузке подштыревой массы 80% от всего объема.

При замене только в подштыревой анодной массе каменноугольного пека на связующее, например нефтекаменноугольный пек, с удельной плотностью 1,27 г/см³ и содержанием бенз(а)пирена 5 мг/г пека выбросы бенз(а)пирена уменьшатся в 2 раза, т.е. с 80% до 40%. Таким образом, общие выбросы с анода уменьшатся на 40% и изменится соотношение между выбросами с поверхности анода и при перестановке штырей. Это соотношение составит 34% и 66% соответственно.

Пример 2. При приготовлении подштыревой анодной массы используют связующее, например нефтекаменноугольный пек, с удельной плотностью 1,27 г/см³ и содержанием бенз(а)пирена 5 мг/г пека, при этом количество связующего уменьшают с 40% до 35%. Если при 40% связующего подштыревая анодная масса дает 66% выбросов, то 35% этого же связующего дадут 58%, т.е. произойдет дополнительное снижение выбросов на 8%.

Таким образом, использование предлагаемого способа формирования анода при замене и одновременном снижении количества связующего в подштыревой массе позволяет снизить общее количество вредных выбросов смолистых веществ и бенз(а)пирена на 40+8=48%.