Результат интеллектуальной деятельности: Анодное устройство электролизера для производства алюминия

Изобретение относится к металлургии алюминия и может быть использовано на заводах по производству алюминия, оснащенных электролизерами с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом.

Известна конструкция анодного устройства электролизера для производства алюминия, содержащая угольный анод с запеченными в него токоподводящими стальными штырями большой конусности, что позволяло при перестановке штыря не извлекать его из анода, а приподнимать и устанавливать на определенный горизонт.(Лысенко Л.Н. Труды ВАМИ. Госплан СССР, Госниипроект 1959 г, №42, с. 103-126). Недостатком этой конструкции является то, что при подъеме и установке штыря на более высокий горизонт, в щель между штырем и телом анода затекает анодная масса, обогащенная пеком. Это ухудшает качество вторичного анода (подштыревой пробки), увеличивает его реакционную способность (расход при электролизе) и объем выбросов вредных полиароматических углеводородов (ПАУ) в окружающую среду (ОС).

Известна конструкция анодного устройства электролизера для производства алюминия, содержащая угольный анод с запеченными в него составными сталеалюминевыми штырями, подводящими ток от анодной шины к аноду. Запеченная в анод стальная часть штыря состоит из цилиндрической и конической части, выполненной в виде усеченного конуса (Справочник металлурга по цветным металлам. Производства алюминия. Издательство «Металлургия», 1971, с. 179).

В этой конструкции алюминиевая штанга, соединяющая стальную часть штыря с анодной шиной, снижает падение напряжения и индукцию магнитного поля за счет уменьшения ферромагнитной массы анода. Однако при перестановке штырей на более высокий горизонт по мере сгорания анода в лунку затекает анодная масса обогащенная пеком, что вызывает те же отрицательные последствия - ухудшение качества вторичного анода, увеличение его расхода и объема вредных выбросов ПАУ.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция анодного устройства электролизера для производства алюминия, содержащая угольный анод с запеченными в него медными штырями, подводящими ток от анодной шины к аноду и расходуемыми по мере сгорания анода (Цыплаков A.M. и др. Алюминиевый электролизер с расходуемыми штырями, Труды ВАМИ №71, с. 75-84, Ленинград, 1970.) Эта конструкция принята в качестве прототипа.

Применение расходуемых медных штырей позволяет исключить операцию их перестановки и связанные с этим выбросы ПАУ в ОС, улучшить токораспределение в аноде, снизить его электросопротивление и расход энергии. Недостатком применения медных штырей является их дороговизна (~ в 10 раз дороже стали) и высокий их расход в процессе электролиза, что приводит к увеличению содержания меди до 2-3% вес. Алюминий с таким содержанием меди подлежит рафинированию с целью очистки от меди, что почти в 2 раза увеличивает его себестоимость.

В основу изобретения положена задача создания конструкции анодного устройства, обеспечивающей его эксплуатацию без перестановки штырей и исключающей недостатки прототипа.

Технической задачей изобретения является создание конструкции анодного устройства, позволяющей снизить объем вредных выбросов в ОС, улучшить технико-экономические показатели и снизить затраты труда на обслуживание анода.

Поставленная задача решается тем, что в известной конструкции анодного устройства электролизера для производства алюминия, содержащей угольный анод с запеченными в него штырями, подводящими ток от анодной шины к аноду, штыри изготовлены из сплава технического Al с Mn с содержанием Mn 20-42 мас. % и температурой плавления от 920 до 950°С с резьбой на концах штырей. Использование штырей из сплава Al-Mn с такой температурой плавления приводит к одновременному расходованию угольного анода и токоподводящих штырей путем их расплавления при опускании до электролита и перехода в катодный алюминий. Это исключает выполнение операции перестановки штырей и связанные с ней выбросы ПАУ на 30%, улучшает токораспределение в аноде, снижает падение напряжения, расход электроэнергии и анода. При этом, поскольку весь штырь выполнен из неферромагнитного сплава Al-Mn, индукция магнитного поля снижается, что дополнительно улучшает технико-экономические показатели работы электролизера. Высокая теплопроводность штыря из алюминиевого сплава обеспечит отвод тепла, снижение температуры и объема выбросов ПАУ испарением с поверхности анода. Использование штырей из сплава технического Al с Mn с температурой плавления менее 920°С приведет к более раннему его расплавлению, образованию глубоких лунок в аноде и более высокому его расходу. Температура более 950°С приведет к контакту твердого штыря с электролитом и его анодному растворению с уменьшением выхода алюминия по току. При содержании Mn менее 20 мас. % сплав обладает значительно меньшей температурой плавления, чем необходимо для сохранения требуемых механических свойств. При содержании Mn более 42 мас. % температура плавления сплава составляет более 950°С.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 показана конструкция анодного устройства, содержащая цилиндрические штыри из сплава Al-Mn 1, жидкую анодную массу 2, полукокс 3 и спеченную часть анода 4.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом. В соответствии с графиком перестановки штырей в лунку устанавливается цилиндрический штырь из сплава Al-Mn 1, закрепляется на анодной шине известным способом и расходуется вместе с анодом в процессе электролиза. Верхняя часть штыря имеет наружную резьбу для соединения с вновь соединяемым штырем. Новый штырь наращивается при опускании запеченного штыря до контакта с анодной шиной. Использование расходуемых штырей из сплава технического Al с Mn с содержанием Mn 20-42 мас. % приведет к увеличению содержания Mn в Al на ~ 0,06-0.12% при количестве штырей 50 шт диаметром 120 мм на электролизере с самообжигающимся анодом на силу тока 180 кА. Такое содержание Mn не превышает требований к сплавам для производства банок, листовой продукции и др. Снижение объема выбросов вредных веществ в окружающую среду, расхода электроэнергии и трудовых затрат на обслуживание анодов обеспечит экономию капитальных и операционных затрат более 1 млн. долл. США в расчете на один завод производительностью алюминия 250-300 тыс.т. в год