Устройство для гашения анодного эффекта

 

Изобретение относится к цветной металлургии , в частности к электролизу алюминия . Сущность: в самообжигающемся аноде, состоящем из жидкой и твердой частей , размещают вертикальные трубы, нижние концы котбрых находятся в твердой части анода. В верхней части трубы соединяют с источником сжатого воздуха. Вокруг труб коаксиально устанавливают загрузочные воронки, нижние концы которых заглубляют в жидкую часть анода. Загрузочную воронку закрепляют на анодном кожухе и подают в нее глинозем или его шихту с фторсолями, образующие защитный изолирующий слой, растворимый в электролите. Величина зазора между трубой и патрубком составляет 0,2-1,3 диаметра трубы. Трубы могут быть установлены с возможностью перемещения . В этом случае они жестко соединены с загрузочными воронками, нижние концы которых заглубляют в тв ердую часть анода. Трубы размещают в аноде со смещением относительно его осей. Изобретение позволяет быстро и качественно ликвидировать анодный эффект. 3 з.п.ф-лы, 4 ил. 3 табл. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<5>)s С 25 С 3/00, 3/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4893039/02 (22) 20.11.90 (46) 07,01.93. Бюл. ¹ 1 (71) Братский алюминиевый завод (72) В.Н.Деревягин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 623909, кл. С 25 С 3/06, 1977.

Авторское свидетельство СССР

N 537128. кл. С 25 С 3/00, 1975. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ АНОДНОГО ЭФФЕКТА (57) Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролизу алюминия. Сущность: в. самообжигающемся аноде, состоящем из жидкой и твердой частей. размещают вертикальные трубы, нижние концы которых находятся в твердой части анода. В верхней части трубы соедиИзобретение относится к области электрометаллургии алюминия, в частности к анодным устройствам алюминиевого электролизера.

Известно устройство для гашения анодного эффекта сжатым воздухом. содержащее трубу, нижний конец которой запечен в тело анода, а верхний связан с вентилем магистрали сжатого воздуха посредством клапана, Согласно другому техническому решению, расходуемые или нерасходуемые каналы и трубы размещены е теле анода по его продольной или поперечной осям в один или несколько рядов.

Недостатками известных устройств являются следующие:

„„Я2„„1786194 А1 няют с источником сжатого воздуха. Вокруг труб коаксиально устанавливают загрузочные воронки, нижние концы которых заглубляют в жидкую часть анода, Загрузочную воронку закрепляют на анодном кожухе и подают в нее глинозем или его шихту с фторсолями, образующие защитный изолирующий слой, растворимый в электролите.

Величина зазора между трубой и патрубком составляет 0,2 — 1,3 диаметра трубы, Трубы могут быть установлены с возможностью перемещения. В этом случае они жестко соединены с загрузочными воронками, нижние концы которых заглубляют в твердую часть анода. Трубы размещают е аноде со смещением относительно его осей. Изобретение позволяет быстро и качественно ликвидировать анодный эффект. 3 з,п.ф-лы, 4 ил.

3 табл.!

1. При длительном использовании уст- 4 ройства угольный материал нижней грани- CO цы анода вокруг нижней части каналов и 0 труб подвержен интенсивному выгоранию, а

В результате на рабочей поверхности анода образуются лунки и трещины, изменяется ф, картина распределения силовых линий тока, ухудшается кинетика электродных процессов, снижается эффективность гашения анодных эффектов за счет снижения удельного давления подаваемого воздуха в зоне образовавшейся лунки. Кроме того, газы проникают в верхние слои анода. Это приводит к ухудшению его качества, увеличению пористости за счет окисления и тем самым повышению расхода анодной массы, 2, Применительно к гашению анодных эффектов осевое расположение каналов или

1786194

40 труб в аноде снижает эффективность гашения, поскольку, как известно, анодный эффект протекает преимущественно ближе к периферии анода.

3. Применительно к электролизерам с верхним токоподводом и самообжигающимися анодами осевое расположение труб загромождает рабочую зону обслуживания анода, ухудшает условия работы персонала, Целью изобретения является повышение эффективности устранения анодных эффектов и снижение расхода анодной массы, Поставленная цель достигается тем, что устройство для гашения анодного эффекта в алюминиевом электролизере, содержащее самообжигающийся анод, заключенный в анодный кожух, трубы, вертикально установленные в аноде и соединенные в верхней части с источником сжатого воздуха или дисперсн ых материалов, загружаемых в электролит междуполюсного расстояния, дополнительно снабжено патрубками, размещенными коаксиально вокруг труб, заглубленными нижними концами в анод и жестко закрепленными на анодном кожухе, и приспособлениями для подачи глинозема или его шихты с фторсолями в зазор между трубой и патрубком. Величина зазора между трубой и патрубком составляет 0,2-1,3 диаметра трубы, причем трубы жестко сое- 30 динены с патрубками, нижние концы патрубков могут быть заглублены в анод ниже или выше верхнего уровня его спеченной части, Изоляционный слой из глинозема или его шихты с ингибирующими добавками, выполненный на поверхности вертикальных каналов или между наружной поверхностью запеченной трубы и анодом и образующийся при периодическом подъеме анодного кожуха, препятствует проникновению анодных газов и воздуха снизу к поверхности канала или в зазор между трубой и анодом. Формирование слоя на всю высоту анода обеспечивает прохождение мате- 45 риала защитного слоя через все значения температур самообжигающегося анода со скоростью, равной скорости сгорания анода, При этом защитный слой неподвижен относительно анода и запеченной трубы, В 50 зонах высоких температур защитный слоу подвержен обжатию вследствие объемного расширения материала трубы и материала. анода, В результате защитный слой, пропитанный смолистыми веществами, уплотняется и внедряется в пористую структуру скоксовавшегося анода, возрастает адгезия двух фаз, происходит спекание.

Плотное прилегание изолирующего слоя к аноду и трубе, во-первых, препятствует фильтрации газов внутри угольного материала к его поверхности, граничной с трубой, тем самым предотвращает выгорание близлежащих слоев анода, во-вторых, по достижении нижней границы анода происходит растворение защитного слоя в электролите. Следовательно. поВерхность каналов или анода вокруг трубы покрыта прочным изолирующим слоем по всей высоте анода, При этом часть Джоулева тепла в аноде расходуется на адгезию дисперсного материала на угле. Это снижает температуру вокруг канала или трубы и замедляет скорость реакции окисления, Наконец, применение электроизолирующего слоя устраняет протекание электрического тока по запеченной трубе, что также снижает выделение Джоулева тепла и образование трещин и лунок, появляется возможность применения алюминиевых труб, Все это в совокупности с медленным растворением небольших порций глинозема или шихты снижает расход анодной массы, а также улучшает газогидродинамику в приз ектродном слое и кинеТйЪу ведения процесса электролиза. ,Наличие наружно и футеровки устраняет обгорание нижнего конца запеченной трубы вплоть до некоторого заглубления его в электролит, что в совокупности с отсутствием выгоревшей лунки вокруг трубы повышает концентрацию (кумулятивность) струи подаваемого воздуха и тем самым его удельное давление по вертикали при гашении анодного эффекта (АЭ), Это значительно повышает эффектИвность гашения, позволяет снизить расход сжатого воздуха за счет снижения его рабочего давления, Ингибирующие свойства добавок фторсолей в шихте защитного материала повышают эффективность защиты близлежащих слоев углерода от окисления.

Толщину поперечного сечения защитного слоя определяют опытным путем. Так, для запеченной трубы диаметром 50 мм (оптимальный размер отверстия для гашения анодных эффектов методом пневмопульсаций и подачи сырья) максимальный диаметр выгоревших лунок на самообжигающемся аноде действующих электролизеров составляет 150 — 180 мм, что в пересчете на требуемую толщину защитного слоя соответствует

100-125 от номинального диаметра канала, Следовательно, максимальная толщина защитного слоя должна быть не более 1,3 диаметра трубы.

Минимальная толщина защитного слоя обусловлена необходимостью и достаточностью обеспечения электроизолирующих и футеровочных свойств, а также свойства ад1786194

10

30

45

55 газами гезии двух фаз для вертикальных каналов.

Для трубы диаметром 50 мм минимальная толщина слоя составит 10 мм, что, как показывают результаты испытаний, обеспечивает выполнение вышеуказанных функций и может быть реализовано конструктивно.

Для футеровки канала предпочтителен диапазон толщины слоя 20-60;ь от сечения канала, для футеровки запеченных труб диапазон 60-130 Д.

Вертикальные каналы или запеченные трубы размещены в аноде со смещением относительно его осей и не достигают его боковых граней, причем отношение ширины анода к расстоянию от оси трубы/канала до продольной боковой грани анода составляет (2,3 — 10):1, отношение длины анода и расстояния от оси трубы/канала до торцевой боковой грани анода составляет(3-7);1.

Смещение труб/каналов в плане анода относительно его осей обусловлено природой протекания анодного эффекта (преимущественно ближе к периферии анода), его локальным характером, спецификой образования волн металла в межэлектродном расстоянии, динамикой эвакуации газов, Изобретение поясняется чертежами.

На фиг, 1 представлено вертикальное сечение анодного устройства для запеченной трубы; на фиг. 2 — сечение анодного устройства для вертикального канала, образованного подвижной трубой; на фиг. 3— варианты выполнения нижнего конца патрубка; на фиг. 4 — расположение труб/каналов анода, в плане.

Устройство содержит самообжигающийся углеродосодержащий анод, состоящий иэ неспечен ной 1 и спеченной 2 частей.

Нижняя граница 3 спеченной части анода расположена ниже уровня 4 электролита, В аноде выполнены вертикальные сквозные отверстия в виде запеченной расходуемой трубы 5 (фиг, 1) или за счет подвижной трубы

5 (фиг, 2), нижним концом заглубленной в спеченную часть 2 анода.

В верхней части запеченная или подвижная труба 5 снабжены соосным наружным патрубком 6, выполненным коаксиально иэ трубы и имеющим диаметр больше диаметра запеченной или подвижной трубы 5.

В образовавшийся зазор 7 загружают порошкообразный дисперсный материал 8, поступающий через приемник 9 по патрубкэм 10, например, из системы ЦРГ (на чертеже не показана).

Наружный патрубок 6 жестко закреплен изолирующим кронштейном 11 на поперечном контрфорсе 12 анодного кожуха (последний не показан на чертеже), Патрубок 6 подвижной трубы 5 (фиг, 2) для большей жесткости, необходимой при поддергивании нижнего конца трубы 5 в спеченной части, установлен на продольной балке 13, жестко закрепленной между двумя контрфоосами 12, Нижний конец патрубка 6 заглублен в спеченной части 2 анода и расположен выше нижнего конца трубы 5.

Соосность обеспечена распорками 15, В случае запеченной трубы (фиг. 1) нижняя часть патрубка 6 расположена в неспеченной 1 части анода и содержит горизонтальную полочку 14. Соосность обеспечена кольцом 15, которое может быть также изолирующим, Устройство работает следующим образом.

В приемник 9 по трубам 10 загружают порошкообразный материал 8, B процессе электролиза анод срабатывается, Контрфорсы 12 путем подьема анодного кожуха перемещаю| вверх, При этом происходит перемещение вверх патрубка 6 относительно анода и запеченной трубы 5 (фиг. 1). Горизонтальная полочка 14 при подъеме создает свободное пространство (задир), которое стремится заполнить сыпучий материал 8, поступающий через щель 7.

Таким образом, по мере подъема анодного кожуха относительно анода формируют непрерывный слой 16 из дисперсных порошкообразных материалов между трубой 5 и анодом нэ всю его высоту.

Во втором случае (фиг. 2) подвижная труба 5 и патрубок 6 неподвижны относительно друг друга и перемещаются относительно анода. Дисперсный материал 8 по

u,åëè 7 при подьеме анодного кожуха под собственным весом за счет сыпучести опускается вниз, образуя непрерывный защитный изоляционный слой .16, который по выходе из патрубка 6 испытывает обжатие между спеченной 2 частью анода и трубой 5 за счет объемного расширения материала анода при коксовании, Это приводит к уплотнению слоя 16, проникновению дисперсных частиц порошкообразного материала в структуру анода, возникновению адгезии, спеканию и эа счет этого некоторому снижению температуры ближних слоев анода. Таким образом обеспечивают прочное прилегание слоя 16 к аноду и работоспособность устройства в целом путем предотвращения окисления поверхности канала

По достижении уровня 4 электролита защитный слой 16 растворяется, что способствует повышению эффективности устранения анодного эффекта и ведения процесса электролиза, предотвращает разгорание

1786194 лунки в нижней части канала, В этом случае повышается эффективность устранения АЭ также за счет возрастания кумулятивного эффекта струи подаваемого воздуха, На фиг. 3 изображены варианты выполнения нижнего конца патрубка 6, расположенного в неспеченной 1 части анода (в случае запеченной трубы), содержащего раструб 17 прямоугольного (фиг, 3 а) или конического (фиг. 3 б) сечения, Это позволяет создавать свободное пространство (разряжение) на нижней кромке патрубка 6 при его подъеме, что улучшает условия опускания столба глинозема, предотвращает зависание материала и увеличивает толщину защитного слоя без увеличения диаметра патрубка 6, Пример 1. В лабораторную печь (обжи го вую шахтную) помещают тигл и с анодной массой, погружают в нее отрезки стальной трубы диаметром 50 мм, покрытые снаружи слоем глинозема различной толщины. На одинаковом расстоянии от слоя глинозема запекают стальной стержень. Обжиг ведут до 1000 С. В процессе обжига измеряют электросопротивление цепи стальная труба — стальной стержень. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Как видно из результатов испытаний, толщина защитного слоя 5 и 7 мм (<20% диаметра трубы) не обеспечивает электроизолирующие свойства при температурах электропроводности анода. По-видимому, это обьясняется пропиткой защитного слоя на всю его толщину связующим анодной массы и его последующим коксованием. Пример 2. На промышленном электролизере типа С-8Б выполняют сквозное отверстие с помощью подвижной трубы и с формированием защитного слоя, выполненного из глинозема с добавкой 10 фторалюминия. Диаметр сквозного отверстия 79 мм, Ua другом электролизере запекают две стальные трубы диаметром

50 мм и формируют защитный слой из глинозема с помощью патрубка с прямоугольным раструбом, Гашение анодных эффектов производят по известному способу (решение по заявке М 4411007/2702/058203, кл. С 25 С 3/06, 3/20 от

14.04.88) на электролизере с запеченными трубами, Глинозем подают 12-кратной в сутки обработкой электролизеров с помощью

МНР-2.

В табл, 2 представлены осредненные данные по состоянию нижней границы анода вокруг сквозного отверстия и запеченных труб, технико-экономические показатели и результаты гашения анодных эффектов; ! — данные по запеченным трубам;

И вЂ” данные по сквозному отверстию;

 — — отношение толщины защитного о слоя к диаметру отверстия (трубы).

На фиг, 3 показано расположение

40 труб/каналов анода в плане: а — по продольной оси„;4у;-.г — со смещением относительно продольной-оси, где 1, Ь, hi, hg — соответственно длина и ширина анода, расстояния от оси трубы/канала до продольной и торцевой граней анода. Расположение труб между анодным кожухом. и анодом на чертеже не показано, 50

8 таол, 3 представлены исходные данные и осредненные оезультаты гашения анодных эффектов на электролизерах типа С-8Б по известному способу (решение по заявке hL 4411007/27-58203, кл. С 25 С

3/06, 3/20 от 14.04.88) при различном положении двух запеченных труб в плане анода.

Аналогично первому изобретению, глинозем в расплав подавали 12-кратной в сутки обработкой электролизеров с помощью

Приведенные в табл, 2 данные показывают, что использование заявляемого анод101 ного устройства позволяет; — улучшить рельеф подошвы анода в районе отверстий, постепенно растворить в электролите исходное сырье, такое, как глинозем и фторсоли, и тем самым повысить

15 " эффективность ведения процесса электролиза, что проявляется в некотором снижении температуры электролита. Кроме того, возрастает эффективность гашения АЭ на

24, снижается длительность их протекания на 90 с и расход. сжатого воздуха на

1,5 м /АЭ; — снизить падение напряжения в аноде на 5-10 MB за счет улучшения качества ано, да, что выражается в снижении конуса спе251 кания и в отсутствии перегрева штырей вокруг трубы; предотвратить выгорание материала анода вокруг отверстий, Все это: снижает расход связующего Йг"-заполнение пористой структуры анода йпредотвращает его протекание в зоне выгорания, тем самым снижается расход анодной массы на 3 кг/т алюминия; — обеспечить работоспособность устройства для подачи материалов через анод без снижения технико-зкономических показателей электролиза от его использования.

1786194

Таблица1

МНР-2, B каждом примере задействовано

2-5 злектролизеров.

Как видно, эффективными. с точки зрения гашения АЭ, являются соотношения

ht в диапазоне (2,3-10):1, I в диапазоне

"2 (3-7):1, как автоматическом, -.àê и в дистанционном режимах. Это можно обьяснить локальным характером и преимущественно периферийными протеканием АЭ. Низкая эффективность в примерах 5, 10, 11, 12 объ. ясняется снижением эффекта кумулятивности струи сжатого воздуха в вертикальном направлении, обусловленного положением запеченных труб, что также является условием появления значительных выбросов расплава из ванны, имевших место в примерах 5, 10, 11, 12, Судя по результатам испытаний, совокупность заявляемых по изобретению признаков обеспечивает высокую эффективность заявляемого устройства, позволяющего снизить расход анодной массы, повысить эффективность устранения анодных эффектов и ведения процесса электролиза по сравнению с известными техническими решениями, Формула изобретения

1. Устройство для гашения анодного эффекта, содержащее самооблигающийся анод, состоящий из жидкой и твердой частей, анодный кожух, вертикально размещенные в аноде трубы, нижние концы которых размещены в твердой части анода, а верхние соединены с источником сжатого воздуха или дисперсных частиц, о т л и ч а ющ е е с я тем. что, с целью повышения эффективности устранения анодных эффек5 тов и снижения расхода анодной массы, оно снабжено загрузочными воронками, размещенными коаксиально вокруг труб и закрепленными на анодном кожухе и заглубленными нижними концами в аноде, и

10 устройством для подачи глинозема или его шихты с фторсолями в зазоре между трубой и воронкой.

2,-Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что величина зазора между трубой

15 и воронкой составляет 0,2 — 1,3 диаметра трубы.

3. Уст ройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что трубы жестко соединены с воронками, нижние концы воронок заглубле20 ны в анод ниже верхнего .уровня его спеченной части. а трубы выполнены укороченными.

4. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что нижние концы воронок заглуб25 лены в анод выше верхнего уровня его спеченной части .

5. Устройство по и. 1, отл и ч а ю ш с я тем, что трубы размещены в анод о смещением относительно его осей, причем

30 расстояние от продольной грани анода до оси трубы составляет (0,1 — 0,4) ширины анода, а расстояние от торцовой грани анода до оси трубы составляет (0,1 — 0,3) длины анода, . 35

1786194

Таблица 2

По предлагаемому устройств

По прототипу

По базовому устОЙСТВ

Исходные данные и результаты — =0,6

В о — - 1.3

В

d — -0,2

В б

1. Наличие выгораний (лунок) в нижней части отверстий (среднее по 8 замерам), глубина, мм диаметр, мм

2. Наличие трещин вокруг отверстий(среднее по 8 замерам), глубина, мм диаметр, мм

3. Эффективность устранения АЭ, %

4. Длительность АЭ, с

5. Расход сжатого воздуха, м /АЭ

6, Температура электролита, С

7. Падение напряжения в аноде, MB

8, Разогрев штырей вокруг отверстий, трубы (цвет) 120*

180

130

120*

160

150

229

33Q

Я5

98,5

72,1

180

98,7

74,7

210

1,9

0,4

0,3

2,1

959,8

960,1

958,1

958,2

958,5

960,3

959,8

589

579

579

587 светлый светлый светлый светлый темнокрасн. темнокрасн. темнокрасн.

9, Высота конуса спекания в районе труб, отверстия, мм

10. Расход ан. массы, кг/т алюминия

123

120

120

110

112

122 „

573

578

573

571

577

579

I,* — гл бина л нки об словлена положением нижнего кон а по вижной т б

Таблица 3

Примеры положения труб

Способ устранения АЭ

Результаты испытаний/ос едненные

Примеры

Время

АЭ,с

К-во АЭ, li3T

Эффективностьь гашения

АЭ, Осевое (продольное)

Между продольной осьео и внутренним рядом штырей

Вместо штырей внутренних рядов

Вместо штырей наружных рядов

Между кожухом и ано ом

Автоматический

2,5:1

10:1

110

42,1

44,7

220

2,5:1

3.0:1

1,15:1

3,27;1

3,15:1

6,95:1

2,3:1

2,5:1

2,9:1

3,0:1

8:1

10:1

62,4

84,7

108

150

300

98, I

135

81,3

120

110:1 3:1-10:1

Примечание, у У У ц д ру ы относительно расплава.2. Положение запеченных труб для гашения АЭ одинаково во всех случаях и соответствует фиг. 4в, 3, Разогрев штырей по и, 8 тафлищ определяли визуально при их перестановке на верхний горизонт.

1786194

Продолжение табл. 3

Примеры положения труб

Результаты испытаний/ос е ненные

Ь2!

Способ Приустране- меры ния АЭ

Время

АЭ,с

h1

К-во АЭ, шт

Эффективность гашения

АЭ

2,5:1

10:1

110

50,4

53,9

Дистанционный

210

2:1

110

82,2

130

300

97.8

135

82,9

110

80

110:1

190

На поперечной оси анода*

2:1

230

2,9:1

20

210

Примечание:1,* В примере 11 расположение трубы — в цс тре пересечения осей анода (на чертеже не показано), т.е. гашение АЭ производили одной трубой; в автоматическом режиме

h> Л гашение не осуществляли. 2. Узкие диапазоны отношений Ь и в примерах 2, 3, 4 и 7, 8, 9 получены за счет постепенного перемещения незакрепленных на кожухе труб в плане анода в процессе эксплуатации.

12

Осевое (продольное)

Между продольной осью и внутренним рядом штырей

Вместо штырей внугренних рядов

Вместо штырей наружных рядов

Между кожухом и анодом

2.3:1

2,5:1

2,9:1

3,0:1

8:1

10:1

2,5:1

3,0:1

3,15:1

3,27:1

3,15:1

6,95:1

3,00:1

10:1

2,5:1

10:1

2,5:1

10;1

1786194

1786194

Составитель 8. Деревягин

Техред М.Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор А. Рожкова. Заказ 233 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ри ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101