Способ перемещения анода и анодное устройство алюминиевого электролизера

 

Использование: изобретение относится к производству алюминия путем электролиза криолит-глиноземного расплава. сущность: способ перемещения анода алюминиевого электролизера включает вращение шпинделя в канале анода при резьбовом соединении шпинделя с анодом. Новым является то, что витки резьбы шпинделя расчленяют с образованием зубьев, канал анода выполняют гладкостенным, а резьбу в нем нарезают кромками зубьев в процессе вращения шпинделя. Анодное устройство алюминиевого электролизера включает пакет установленных один над другим углеродных блоков 2 и 3 с общими для блоков вертикальными каналами и размещенными в каналах шпинделями, нижние концы которых имеют расширение с резьбой. Новым является то, что верхняя часть каждого канала выполнена цилиндрической, высота профиля резьбы шпинделя в верхней части расширения возрастает вдоль шпинделя сверху вниз, а витки резьбы шпинделя рассечены пазом, ориентированным вдоль шпинделя. Внутренний диаметр резьбы расширения постоянен вдоль шпинделя. В нижней части расширения резьба выполнена с постоянным вдоль шпинделя внешним диаметром. Шпиндели пакета соединены с общим для них приводным валом. На свободную от резьбы часть шпинделя надет чехол, выполненный из ленты, огибающей шпиндель. Шпиндель выполнен разъемным и составлен из двух валов. Снизу каналы закрыты пробками, образованными углеродной стружкой. Приводной вал шпинделей через червячную передачу соединен с электродвигателем, установленным внутри полой вертикальной штанги. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к производству алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в расплаве криолита.

Известен способ перемещения анода алюминиевого электролизера, включающий вращение винтового штыря в самообжигающейся углеродной массе.

Известен также способ перемещения анода, включающий вращение шпинделя с резьбой на нижнем конце в отверстии анода, которое снабжено резьбой по всей длине отверстия. При этом анод выполнен из углеродной массы, подвергнутой предварительному обжигу.

Анодное устройство алюминиевого электролизера, используемое в известном способе, включает пакет установленных один над другим углеродных блоков с общими для блоков сквозными вертикальными каналами и с размещенными в каналах шпинделями, нижние концы которых имеют расширение с резьбой. Перемещение резьбы шпинделя по резьбе канала обеспечивает опускание пакета углеродных блоков в расплав по мере расхода углерода в анодной реакции.

Для осуществления известного способа необходимо, чтобы стыковка смежных блоков обеспечивала непрерывность геометрии резьбы. Однако известный способ не дает средства для выполнения этого условия. Каждый блок снабжен резьбой до стыковки. При сборке блоков в пакет смежные блоки разделены зазорами, в которых находится клей. Неизбежное отклонение зазора от заданного, например, на десятую долю шага резьбы, способно застопорить шпиндель на границе двух блоков, привести к разрушению резьбы отверстия и к сбою в перемещении анода. Применение известного способа осложнено также утечкой клея из зазора в резьбу.

Подобно известному предлагаемый способ включает вращение шпинделя с резьбой на нижнем конце в отверстии анода с резьбой. Новым является то, что стенки отверстия анода выполняют вначале с цилиндрической поверхностью без резьбы, витки резьбы шпинделя снабжают зубьями, а резьбу в отверстии анода нарезают кромками зубьев в процессе вращения шпинделя. Направление вращения шпинделя периодически меняют.

Предлагаемое анодное устройство алюминиевого электролизера включает пакет установленных один над другим углеродных блоков с общими для блоков сквозными вертикальными каналами и размещенными в каналах шпинделями, нижние концы которых имеют расширение с резьбой. Новым является то, что каждый канал в верхней его части имеет цилиндрическую поверхность, высота профиля резьбы шпинделя в верхней части расширения выполнена возрастающей вдоль шпинделя сверху вниз, витки резьбы шпинделя рассечены пазом, ориентированным вдоль шпинделя.

Внутренний диаметр резьбы расширения постоянен вдоль шпинделя. В нижней части расширения резьба выполнена с постоянным вдоль шпинделя внешним диаметром.

На свободную от резьбы часть шпинделя надет чехол, выполненный из ленты, огибающей шпиндель. Все шпиндели одного пакета соединены с общим для них приводным валом.

Нарезание резьбы в гладком отверстии анода зубьями резьбы шпинделя исключает заклинивание шпинделя на границе смежных углеродных блоков и разрушение этих блоков. Вращательные колебания шпинделя, накладывающиеся на однонаправленное вращение, снижают сопротивление вращению. Возрастание профиля резьбы шпинделя сверху вниз дополнительно снижает усилие резания при вращении шпинделя, увеличивает площадь электрического контакта шпинделя с углеродными блоками пакета. Продольный паз в резьбе шпинделя формирует режущие зубья и обеспечивает удаление угольной стружки из зоны электрического контакта.

Постоянство внутреннего диаметра резьбы расширения вдоль шпинделя и участок расширения с постоянным вдоль шпинделя внешним диаметром резьбы повышают прочность соединения шпинделя с пакетом блоков. Чехол изолирует шпиндель от клея, находящегося в зазорах между блоками. Такая защита от клея возможна благодаря нарезанию резьбы в процессе вращения шпинделя. Соединение шпинделей с общим приводным валом упрощает кинематическую схему анодного устройства в условиях секционирования анода.

На фиг. 1 изображено соединение анода с шпинделем; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 расположение резьбы шпинделя в отверстии анода; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 6 вариант выполнения режущей части шпинделя; на фиг. 7 и 8 варианты выполнения чехла; на фиг. 9 анодное устройство алюминиевого электролизера, общий вид; на фиг. 10 вид по стрелке Г на фиг. 9; на фиг. 11 привод шпинделей пакета; на фиг. 12 и 13 варианты углеродных блоков; на фиг. 14 и 15 разрез Д-Д на фиг. 13 до и после нарезания резьбы шпинделем.

Анодное устройство алюминиевого электролизера включает пакет 1 углеродных блоков 2 и 3, установленных один над другим. Блоки имеют отверстия 4 и 5. Отверстия смежных блоков образуют сквозные вертикальные каналы 6 в пакетах. В каналах каждого пакета размещены шпиндели 7-10. Нижний конец каждого шпинделя имеет расширение 11 с резьбой 12.

Каждый канал в верхней его части является гладкостенным, имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность 13. Профиль резьбы расширения шпинделя образован выступами 14 и впадинами 15. В верхней части 16 расширения высота профиля резьбы возрастает вдоль шпинделя сверху вниз. В частности, у витка 17 высота профиля ниже, чем у витка 18. Витки резьбы шпинделя рассечены тремя одинаковыми пазами 19, ориентированными вдоль шпинделя. Участки витков, расположенные между пазами, образуют зубья 20, кромки 21 которых служат для нарезания резьбы в углеродных блоках.

Внутренний диаметр резьбы шпинделя, являющийся диаметром геометрического места 22 впадин 15, постоянен вдоль шпинделя. В нижней части 23 расширения резьбы выполнена с постоянным вдоль шпинделя внешним диаметром, являющимся диаметром геометрического места 24 выступов 14. Вдоль этой части витки 25 и 26 резьбы имеют одинаковую высоту профиля, которая совпадает с высотой профиля витков 27 взаимной резьбы, которую расширение шпинделя нарезает в стенке канала 6. На свободную от резьбы часть 28 шпинделя одет чехол 29 в виде ленты с образованием зазора 30 между ее концами.

Шпиндели 7-10 соединены с общим для них приводным валом 31 с червяками 32-35, входящими в зацепление с червячными колесами 36-39 шпинделей. Картер 40 вала приварен к полой штанге 41 с двигателем 42, вал 43 которого снабжен червяком 44, сцепленным с червячным колесом 45 приводного вала.

Цапфы 46 приводного вала вставлены в отверстия 47 картера. Червячные колеса зафиксированы на шпинделях с помощью шплинтов 48. К верхним торцам 49 шпинделей прижаты контактные пружины 50, удерживаемые болтами 51. Штанга закреплена на токоведущей шине 52 с помощью зажима 53, включающего рычаг 54 и эксцентрик 55 на оси 56, вставленной в стенки 57 гнезда 58.

Пакет углеродных блоков имеет крышку 59 с штырями 60, служащими для фиксации блоков, составленных из двух частей 61 и 62, которые соединены клеем. Штыри входят в отверстия 63 блоков. Цилиндрические стенки каждого канала составлены из двух сводов 64 и 65, образованных частями блока. Зазор 30, образованный концами ленты чехла, обращен к одной из частей 61 блока с тем, чтобы граница 66 между частями блока была отделена лентой от шпинделя.

Возможны варианты выполнения анодного устройства. Шпиндель 67 имеет пазы 68 овального сечения (см. фиг. 6). Зубья 69, образованные витками резьбы, имеют вогнутую переднюю поверхность 70 и выпуклую заднюю поверхность 71, расположенную внутри цилиндра, огибающего витки 72 резьбы нижней части расширения шпинделя.

Чехол шпинделя может быть многослойным. Чехол 73 составлен из двух слоев 74 и 75 ленты (см. фиг. 7). Чехол 76 выполнен с перекрытием концов 77 и 78 ленты (см. фиг. 8).

Шпиндель 79 выполнен разъемным из верхнего вала 80 и нижнего вала 81, соединенных с помощью втулки 82 и штыря 83 (см. фиг. 10). Крышка 84 пакета имеет форму скобы, охватывающей блок 85 с боков. Для взаимной фиксации блоков их верхняя грань может быть выполнена с вогнутостью 86, а нижняя с выпуклостью 87.

Части 61 и 62 блока могут быть соединены слоем 88 вяжущей мастики, спекающейся в процессе работы анода.

Шпиндели пакета могут быть расположены в два ряда с приводом от одного вала, каждый червяк 32 которого находится в зацеплении с двумя червячными колесами 36 и 89, расположенными симметрично относительно этого вала. Выполнение шпинделя 79 разъемным позволяет использовать цельные углеродные блоки 90, надетые отверстиями 91 на нижний вал 81 шпинделя. При опускании блока в нем остается резьба 92, нарезанная шпинделем.

Торцы 93 и 94 чехла 29, которыми этот чехол смыкается со смежными чехлами, смещены относительно стыковочных поверхностей 95 блоков. Углеродные блоки 2, 3 и 90 изготавливают из измельченного кокса (80%) и каменноугольной смолы (20% ), используемой в качестве связующего. Кокс и смолу смешивают, полученное тесто формуют при 100^оС, затем обжигают в несколько стадий с постепенным подъемом температуры до 1100-1450^оС. Мастику для склеивания блоков составляют из коксовой пыли и той же смолы.

Своды 64 и 65 частей 61 и 62 разъемного блока выдавливают выступами пресс-формы. Отверстие 91 неразъемного блока 90 пробивают пуансоном до обжига либо выполняют с помощью трубки 96, которую заделывают в блок до обжига. Возможно использование трубки из полимера, выгорающего при обжиге, либо из графитированного углеродного материала, спекающегося во время обжига с материалом блока. Аналогично могут быть облицованы графитом своды 64 и 65 частей разъемного блока. Применение графита снижает сопротивление резанию при вращении шпинделя и одновременно улучшает электрический контакт шпинделя с анодом. Расширение 11 шпинделя изготавливают из жаростойкой стадии на никелевой основе например, ХН67ВМТЮ (12-15 кгс/мм² при 800^оС).

В качестве дополнительных средств для удаления углеродной стружки из канала могут быть использованы продольные пазы 97 в стенке канала 6, часть зазора на границе 66 между частями блока винтовая форма паза 98, рассекающего резьбу. Канал 6 под шпинделем может быть перекрыт углеродной пробкой 99, выходящей на рабочую поверхность 100 анода. Пробка нарастает сверху за счет накопления углеродной стружки так, что ее поверхность движется вслед за вывинчиваемым шпинделем. Наряду со шпинделем могут быть применены дополнительные средства для фиксации анода, например, наружные металлические захваты.

Параметры анодного устройства: размеры блока 2 500 х 500 х 1000 мм, число шпинделей на пакет блоков 4, диаметр свободной части 28 шпинделя 60 80 мм, максимальный вдоль шпинделя наружный диаметр резьбы 75 100 мм, длина нарезанной части шпинделя 250 мм, расстояние от нижнего торца шпинделя до рабочей поверхности 100 анода 250 мм, наружный диаметр графитированной трубки 96 100 150 мм.

Способ перемещения анода, реализуемый описанным устройством, включает вращение шпинделя 7 с резьбой 12 на нижнем конце в отверстии анода, составленного в виде пакета 1 из углеродных блоков 2 и 3. Исходные отверстия в блоках выполняют гладкостенными, т.е. без резьбы. Виткам 17 и 18 резьбы шпинделя придают форму зубьев, а резьбу в отверстии анода нарезают кромками зубьев в процессе вращения шпинделя.

Срезаемая зубьями стружка углеродного материала попадает в пазы 19 шпинделя и падает вниз на пробку 99 в канале под шпинделем. Значительное превосходство наружного диаметра резьбы над высотой ее профиля исключает переполнение канала стружкой. Часть стружки спекается со стенкой канала, проводит ток и расходуется на анодную реакцию с образованием СО и СО₂. Остальная часть попадает в расплав криолита и присоединяется к угольной пене, удаляемой из электролизера. Расход материала анода на стружку (не более 1%) значительно меньше потери, обусловленной эрозией рабочей поверхности анода с образованием угольной пены.

В переносе электрического тока участвуют шина 52, штанга 41, картер 40, болты 51, пружины 50, торцы 49 шпинделей, свободная часть 28 шпинделей, витки 17, 25 резьбы шпинделя, графитовая трубка 96, углеродная масса блока 3, рабочая поверхность 100 анода, находящаяся в контакте с расплавом криолита, содержащим глинозем.

По мере расхода углеродного материала в реакции анод опускают, периодически включая двигатель 42. Это приводит к вращению шпинделей 7-10 с одинаковой скоростью. Шпиндели нарезают в каналах 6 резьбу, по которой пакет 1 блоков сползает вниз. Использование реверсивного двигателя 42 позволяет менять направление вращения шпинделя. Наложение круговой вибрации шпинделя на равномерное вращение снижает сопротивление резанию, ускоряет удаление стружки, облегчает разрушение криолитной корки вокруг анода. Однократный поворот шпинделя, повторяемый несколько раз в сутки, не превышает полного оборота, с опусканием анода на 1 10 мм.

Для наращивания анода поднимают крышку 59, устанавливают чехлы 29 на шпиндели, наносят на верхний блок 2 мастику, подводят под крышку 59 части 61 и 62 нового блока с вертикальными слоями 88 мастики, смыкают эти части, опускают их на блок 2 и фиксируют крышкой 59.

Формула изобретения

1. Способ перемещения анода алюминиевого электролизера, включающий вращение шпинделя в канале анода при резьбовом соединении шпинделя с анодом, отличающийся тем, что витки резьбы шпинделя расчленяют с образованием зубьев, канал анода выполняют гладкостенным, а резьбу в нем нарезают кромками зубьев в процессе вращения шпинделя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при нарезании резьбы шпиндель вращают в направлении вывинчивания из анода вверх.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вращение шпинделя в направлении вывинчивания из анода чередуют с вращением в обратном направлении.

4. Анодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее пакет установленных один над другим углеродных блоков с общими для блоков сквозными вертикальными каналами и размещенными в каналах шпинделями, нижние концы которых имеют расширение с резьбой, отличающееся тем, что верхняя часть каждого канала выполнена цилиндрической, высота профиля резьбы шпинделя в верхней части расширения выполнена возрастающей вдоль шпинделя сверху вниз, а витки резьбы шпинделя рассечены пазом, ориентированным вдоль шпинделя.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что внутренний диаметр резьбы расширения выполнен постоянным вдоль шпинделя.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в нижней части расширения резьба выполнена с постоянным вдоль шпинделя внешним диаметром.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что шпиндели пакета соединены с общим для них приводным валом.

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что на свободную от резьбы часть шпинделя надет чехол.

9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что чехол выполнен из ленты, огибающей шпиндель.

10. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что шпиндель выполнен разъемным и составлен из двух валов.

11. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что снизу каналы закрыты пробками.

12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно включает полую вертикальную штангу, внутри которой установлен электродвигатель, вертикальный вал которого через червячную передачу соединен с расположенным горизонтально приводным валом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15