книги из ГПНТБ / Вольфсон, Г. Е. Производство алюминия в электролизерах с обожженными анодами методический материал

Прокаливание нефтяного кокса часто производится непосредственно на нефтеперерабатывающих предприя­ тиях. При поставке прокаленного кокса на заводы, про­ изводящие электродную продукцию, на этих предприя­ тиях производится сушка кокса с целью удаления влаги.

Дроблению и размолу подвергаются и огарки, полу­ ченные в результате демонтажа отработанных в процес­ се электролиза анодов. После дозирования в определен­ ной пропорции шихта, состоящая из размолотого кокса и огарков, направляется в смесители — подогреватели порошков. Подогретая до 130—150° С шихта затем за­ гружается в смеситель непрерывного действия, где су­ хая часть шихты перемешивается со связующим—-ка­ менноугольным пеком, имеющим повышенную темпера­ туру размягчения. . Каменноугольный пек подается в смесители с помощью питателей-дозаторов из напорных баков, размещаемых при складе пека, куда пек посту­ пает в специальных железнодорожных полувагонах — битумовозах'или в цистернах.

Цель операции смешения — приготовление однород­ ной массы из нефтяного кокса и пека. В производстве анодов важное значение имеет однородность массы, до­ стигаемая при смешивании разнородных компонентов. В отличие от производства анодной массы, где количе­ ство связующего доходит до 30%, при производстве анодов количество связующего составляет всего 16— 18%. Меньшее количество применяемого связующего несколько увеличивает трудоемкость процесса смешения шихты. Поэтому при смешении прессуемых масс приме­ няются специальные смесители. Температура смешения ПО—150° С. Современные высокопроизводительные сме­ сители смешивают в час до 24 т зеленой массы.

На современных заводах зачастую при смешении ис­ пользуют твердый пек. В этих случаях непрерывное сме­ шение осуществляется по последовательной схеме в двух смесителях. В первый смеситель добавляется наря­ ду с подогретым до ПО—150° С коксом твердый пек, из­ мельченный до величины зерна не более 10 мм. В этом смесителе пек нагревается, расплавляется и предвари­ тельно смешивается с углеродистым материалом. Во втором смесителе производится окончательное смешение зеленой массы.

Из смесителей непрерывного действия готовая мас­

32

са передается на технологическую операцию прессова­ ния. В процессе прессования зеленой массы происходит физический процесс сближения, сцепления углероди­ стых частиц и заполнения промежутков между ними связующим. Масса приобретает большую плотность и механическую прочность, которые сохраняются зеленым электродом и после прекращения давления прессом.

Существуют два способа прессования анодов: 1) прессование в глухую матрицу, или способ штампов­ ки; 2) прессование методом вибрации. В производстве анодов долгие годы применялся первый способ прессо­ вания на специальных гидравлических прессах.

Прессование анодов производится при достаточно высоком удельном давлении до 500—600 кгс/см2. Про­ мышленностью выпускаются специальные гидравличе­ ские прессы усилием до 3600—5000 тс, на которых про­ изводится до 60—80 анодных блоков в час. До прессова­ ния на гидравлическом прессе массу охлаждают.

Постоянный рост единичной мощности электролизе­ ров требует по возможности укрупнения используемых при электролизе анодов. Увеличение габаритов анодов при гидравлическом способе прессования оказалось за­ труднительным из-за значительного роста требуемых усилий прессования, а следовательно, габаритов, стои­ мости гидравлических прессов и трудозатрат. В связи с этим в последние годы широкое распространение по­ лучил метод прессования анодов на специальных вибро­ установках.

Методом виброуплотнения можно производить бло­ ки любого желаемого размера, причем даже при крупно­ габаритном блоке достигается во всех направлениях од­ нородность внутренней структуры блока. Современные вибропрессы высокопроизводительны. Так, на карусель­ ной машине возможно выпускать в час до 80 крупнога­ баритных блоков. В отличие от гидравлического способа прессования при вибропрессовании массу перед прессо­ ванием не охлаждают, а охлаждают уже готовые зеле­ ные анодные блоки.

Заключительной технологической операцией произ­ водства обожженных анодов является обжиг, в процессе которого формируются эксплуатационные свойства ано­ дов. В процессе обжига связующие вещества (пек) пре­ вращаются в кокс. Зеленые спрессованные аноды пред-

ставляют собой блок, состоящий из мелких частиц кокса, сцементированных между собой каменноуголь­ ным пеком. Пек прочно прилипает к твердым поверхно­ стям частиц кокса, образуя между ними переходные слои, которые при обжиге затвердевают, превращаясь в кокс.

Механическая прочность обожженного анода нахо­ дится в прямой зависимости от количества образовав­ шегося кокса. Поэтому режим обжига должен обеспечи­ вать максимальное образование кокса из связующего и получение плотной и однородной структуры анода. Ано­ ды обжигают в специальных многокамерных печах.

Современные печи обжига высокопроизводительных цехов сооружаются, как правило, на 40—72 камеры. По конструкции эти печи подразделяются на две группы — открытые (без свода) и закрытые, со съемным сводом. Оба типа печей широко применяются в электродной промышленности, и выбор типа печи зависит от степени освоенности той или иной конструкции, а также от име­ ющихся средств механизации.

Специализированные печи для обжига анодов рабо­ тают на интенсифицированном режиме обжига 180— 220 ч. Общая продолжительность цикла обжига и ох­ лаждения 360—420 ч; температура обжига анодов 1000— 1200° С. Аноды в каждой камере располагаются в кассе­ тах; в каждой камере по 4—5 кассет. Аноды в кассетах пересыпаются литейным или нефтяным коксом. В каче­ стве топлива для печи применяют, как правило, природ­ ный газ.

Печи обслуживаются специальными мостовыми кра­ нами, оборудованными приспособлениями для одновре­ менного захвата нескольких анодов, загрузки, разгрузки и переработки пересылочного кокса. Обожженные аноды после выгрузки из печей и охлаждения транспортируют­ ся на склады или непосредственно в цех монтажа и де­ монтажа анодов. Краткое описание технологической ли­ нии монтажа и демонтажа анодов приводится в других разделах книги.

На производство каждой тонны обожженных анодов расходуется около 960 кг нефтяного кокса, около 180 кг каменноугольного пека, около 150 кг отходов электро­ лизного производства — огарков. Затраты электроэнер­ гии составляют 200 кВт-ч, газа — 250 м3.

34

Конструкции применяемых для производства алюми­ ния электролизеров с непрерывным самообжигающимся анодом описаны в специальной литературе. В настоящей глаЬе более подробно описываются конструкции электро­ лизеров с обожженными анодами (многоанодные).

Такой тип электролизеров стали применять в миро­ вой алюминиевой промышленности при становлении этой новой отрасли производства. Постепенно мощность этих электролизеров увеличивалась в результате повышения силы тока за счет увеличения суммарной площади анод­ ных блоков и размеров катода.

Электролизер с обожженными анодами на 40 кА по­ казан на рис. 3.

Ванна имеет жесткий прямоугольный кожух, склепан­ ный или сваренный из листа и швеллеров. Кожух за­ креплен на фундаменте с помощью анкерных болтов. На фундаменте из нескольких рядов огнеупорного кирпича выложен цоколь ванны, на поверхность которого нанесен слой углеродистой массы (подушка). На угольную по­ душку установлены катодные блоки, промежутки между которыми заполнены углеродистой массой. Каждый ка­ тодный блок в нижней своей части имеет паз, в который вставлен токоподводящий катодный стальной стержень, скрепленный с блоком чугуном. Выходящие через окна в кожухе концы катодных стержней с помощью гибких пакетов подсоединены к катодной ошиновке электроли­ зера.

Угольные катодные блоки с токоподводящими катод­ ными стержнями, сцементированные углеродистой подо­ вой массой, образуют подину электролизера. Стойкость подины зависит от многих факторов, однако при хоро­ шем качестве ее монтажа, правильном режиме эксплуа­ тации электролизера, начиная с периода обжига, и проч­ ном кожухе подины электролизеров служат до 8 лет.

Боковая поверхность рабочего пространства (шахты) электролизера футерована специальными угольными бо­ ковыми плитами и теплоизолирована с помощью огне­ упорного кирпича, а иногда и асбеста.

Анодное устройство электролизера на 40 кА состоит из 15—16 обожженных угольных анодов размером 400Х Х550Х400^мм, которые с помощью алюминиевых анододержателей и клиновых зажимов крепятся к анодной шине.

36

Анод (рис. 4) представляет собой угольный блок, в два гнезда которого вставлены стальные ниппели, скреп­ ленные с помощью болтов с алюминиевым анододержа-

вала и винтового подъемно­ го механизма анодная рама вместе с закрепленными на них анодами может перемещаться в вертикальном нап­ равлении.

Описанный выше электролизер не имеет никакого вентиляционного укрытия. Поэтому при эксплуатации электролизеров с предварительно обожженными анода­ ми без укрытия хотя и отсутствуют вредные для здо­ ровья трудящихся продукты обжига анодов — пековые погоны, атмосфера корпусов загрязнена выделяющимися в процессе электролиза фтористым водородом и пылью.

Описанная выше конструкция электролизера эксплуа­ тировалась долгие годы на первенце алюминиевой про­ мышленности нашей страны — Волховском алюминиевом заводе. Постепенно конструкция этого электролизера претерпела значительную модернизацию. В настоящее время такой электролизер работает на силе тока около 50 кА. Электролизер оснащен двенадцатью анодами,

38

женными анодами на силу тока от 30—40 кА до 200 кА и даже выше.

Электролизеры эти — различных габаритов в зависи­ мости от величины используемой при электролизе силы тока. С повышением силы тока габариты электролизера, как правило, растут в большей мере, чем сила тока, так как для сохранения теплового равновесия с ростом силы тока уменьшается величина рабочей плотности тока, т. е. удельной амперной нагрузки на единицу площади ано­ да, катода или электролита.

На электролизерах с обожженными анодами плот­ ность тока может варьироваться в более широких пре­ делах, чем для электродов с самообжигающимся анодом. Это вызвано специфическими особенностями распределе­ ния теплопотерь от анодного узла электролизера, где 65% всех теплопотерь составляют теплопотери от слоя глинозема, засыпанного на аноды. В связи с этим в за­ висимости от толщины слоя глиноземной засыпки изме­ няется величина теплопотерь анодным узлом, а значит, и рабочая плотность тока. Большей толщине глинозем­ ной засыпки соответствует при этом минимум теплопо­ терь анодным узлом, минимум удельного расхода элект­ роэнергии, а также более низкая плотность тока.

Конструкции электролизеров различаются также га­ баритами используемых анодов, методом крепления анододержателей к аноду и анодной ошиновке, конструкци­ ями кожухов, катодного устройства, системой укрытия и газоотсоса, сечением и распределением тока в катодной и анодной ошиновке.

На рис. 6 показаны электролизеры с обожженными анодами одного из заводов фирмы «Алюсюисс», Швей­ цария. Эти электролизеры не имеют укрытия. Выделяю­ щиеся в процессе электролиза вредные газы и пыль под­ вергаются очистке в сооружениях «фонарной газоочист­ ки», смонтированных на кровле корпуса. Электролизеры в корпусе размещаются в два ряда. Особенностью кон­ струкции анодного узла этих электролизеров является соединение ниппеля и угольного анода специальной пас­ той вместо более распространенного метода крепления с помощью чугуна.

Современный электролизер с обожженными анодами на силу тока 150—160 кА отечественной конструкции по­ казан на рис. 7.

40