Способ формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом

Способ относится к получению алюминия электролитическим способом на электролизерах с верхним подводом тока к самообжигающемуся аноду. На поверхность анода, заключенного в анодный кожух, периодически загружают анодную массу. Для уменьшения расхода анодной массы и электроэнергии боковую поверхность анода теплоизолируют после прорезки периферии анода загрузкой к бортам анодного кожуха слоя сыпучих алюминиевых материалов на глубину 0,15-0,7 и толщиной 0,007-0,035 высоты анодного кожуха. 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом на электролизерах с верхним подводом тока к самообжигающемуся аноду.

Известно, что на поверхности жидкой фазы анода температурное поле неравномерно. Разность температур анодной массы возле анодных штырей и около анодного кожуха достигает 110-130°С. Большая разность температур отрицательно сказывается на формировании структуры анода. В разогретой массе происходит отстой пека, а в холодной зоне вблизи поверхности кожуха образуются корки из нерасплавленной массы. При этом увеличивается вероятность протеков пека и массы во время подъема кожуха и перестановки штырей.

Зона жидкой анодной массы у стенки анодного кожуха обогащается жидким пеком. Из нее формируется боковая поверхность анода, обладающая низкими физико-химическими свойствами. В процессе электролиза боковая поверхность быстро окисляется анодными газами и кислородом, осыпается и разрушается. За счет этого увеличивается расход анодной массы, электроэнергии, возрастают трудозатраты на съем угольной пены с поверхности электролита.

В большинстве изобретений задачу выравнивания температурного поля в жидкой части анода решают путем установки теплопроводящих элементов различного конструктивного исполнения [Авторские свидетельства СССР, №908962, 1611991, кл. С 25 С 3/12. Бюл. №8, 1982]. Недостаток этих решений - бесполезный подогрев средней зоны жидкой части анода, что увеличивает теплопотери с поверхности анода и, соответственно, расход электроэнергии на компенсацию этих теплопотерь.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ формирования самообжигающегося анода выравниванием температурного поля с помощью теплоизолированных пластин, погружаемых в жидкую массу возле анодного кожуха [Авторское свидетельство СССР №985152, кл. С 25 С 3/12. Бюл. №48, 1982], уменьшающих теплопотери с поверхности анодного кожуха. В этом способе для выравнивания температур тоже используются теплопроводящие элементы, устанавливаемые по всему объему жидкой части анода. При этом усиливается теплоперенос в верхние слои средней зоны жидкой части анода, что увеличивает теплопотери с его поверхности и расход электроэнергии. Так же, как в аналоге, за счет разрушения боковой поверхности анода увеличивается расход анодной массы. Кроме того, не исключается возможность загрязнения анода и алюминия изоляционным материалом теплоизолирующих пластин (асбестом).

Задачей изобретения является уменьшение расхода анодной массы и электроэнергии за счет выравнивания температур в центре и на периферии анода, увеличения переноса теплоты в верхние горизонты анода по его периферии, увеличения высоты конуса спекания по периферии анода, уменьшения его электросопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе формирования анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, включающем периодическую загрузку анодной массы на поверхность анода, заключенного в анодный кожух, и теплоизолирование боковой поверхности анода, согласно изобретению теплоизолирование боковой поверхности анода осуществляют после прорезки периферии анода загрузкой к бортам анодного кожуха вертикального слоя сыпучих алюминиевых материалов глубиной 0,15-0,7 и толщиной 0,007-0,035 высоты кожуха анода.

По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки. Теплоизоляция осуществляется сыпучими алюминиевыми материалами, например, в виде гранул, опилок, стружки, пластинок. Они загружаются в зазор между анодом и анодным кожухом после прорезки периферии анода. Теплопроводность слоя алюминиевых материалов, например гранул, в интервале температур 0-600°С составляет 0,75-2,0 Вт/(м.К). Благодаря низкой теплопроводности слой сыпучих алюминиевых материалов в верхней части анода выполняет роль теплоизолятора, позволяющего уменьшить теплопотери анодного кожуха в окружающую среду и выравнять температуру в коксопековой композиции.

Загрузка слоя сыпучих алюминиевых материалов толщиной менее 0,007 высоты кожуха анода не дает ощутимых результатов по теплоизоляции верхней части анода. Кроме того, в узком зазоре возможно зависание слоя гранул по глубине прорезки.

Загрузка слоя сыпучих алюминиевых материалов толщиной более 0,035 высоты кожуха анода существенно не влияет на снижение теплопотерь кожухом анода и соответственно на выравнивание температур в аноде. При этом пропорционально толщине слоя возрастает расход алюминиевых материалов.

Загрузка слоя сыпучих алюминиевых материалов толщиной 0,007-0,035 высоты кожуха анода обеспечивает наибольшее уменьшение разности температур анодной массы возле анодных штырей и на периферии анода.

Глубина загрузки сыпучих алюминиевых материалов менее 0,15 высоты кожуха анода нецелесообразна, так как возрастает частота загрузок и соответственно трудоемкость работ. Глубина загрузки сыпучих алюминиевых материалов более 0,7 высоты кожуха анода невозможна, так как она ограничена по периферии анода высотой конуса спекания.

При сгорании анода слой алюминиевых материалов опускается, пропитывается коксопековой композицией, впекается в тело анода при температурах около 400°С и попадает в зону температур более 600°С, преобразуясь в смесь алюминиевых материалов и анодной массы с высокой теплопроводностью. При этом теплота интенсивно передается в верхние горизонты анода, уменьшается разность температур анодной массы возле анодных штырей и периферии анода, увеличивается периферийная высота конуса спекания, уменьшается электросопротивление анода, повышается качество его периферии. Использованные в аноде алюминиевые заполнители переходят без потерь в конечный продукт.

Изменение параметров анода при загрузке к бортам кожуха анода слоя алюминиевых гранул определено расчетным путем на двумерной модели плоской стенки в стационарном режиме (таблица). В качестве базового варианта принято распределение температур в аноде по данным [М.А.Коробов, А.А.Дмитриев. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. М., "Металлургия", 1972]. Толщину слоя гранул варьировали от 0,01 до 0,07 м, что соответствует в долях 0,007-0,05 высоты анодного кожуха, равной 1,4 м.

Таблица
Теплофизические характеристики	Базовый способ (прототип)	Предлагаемый способ
		Толщина слоя алюминиевых гранул в долях от высоты анодного кожуха
		0,007	0,021	0,035	0,05
Температура (°С) боковой поверхности анода на высоте (от подошвы анода):
1,6 м	80	61	59	57	55
1,4 м	140	143	161	170	170
1,2 м	180	197	227	236	240
1,0 м	211	249	291	304	310
0,8 м	282	308	370	389	398
0,6 м	375	428	485	504	513
0,4 м	614	620	657	670	677
0,2 м	856	806	822	831	835
0,0 м	950	950	950	950	950
Разность температур возле анодных штырей и периферии анода на высоте 1,4 м от подошвы анода, °С	88	73	56	47	47
Подъем высоты конуса спекания на периферии анода, м	0	0,1	0,2	0,23	0,25

Согласно расчетным данным при теплоизоляции анода алюминиевыми гранулами температура боковой поверхности анода на верхнем горизонте уменьшается на 19-25°С. При этом разность температур возле анодных штырей и периферии анода максимально уменьшается на 41°С и составляет 47°С в сравнении с 88°С в базовом варианте. Благодаря интенсивному перетоку тепла по металлизованному периферийному слою из нижних в верхние горизонты подъем высоты конуса спекания на периферии анодного блока в заявляемом диапазоне толщин загружаемого слоя алюминиевых материалов составляет 0,1-0,23 м.

Предложенный способ реализуется следующим образом. После прорезки периферии анода на глубину 0,15-0,7 высоты анодного кожуха в зазор между анодным кожухом и анодом загружают сыпучий алюминиевый материал с помощью бункера для анодной массы или машиной для загрузки анодной массы. По всему периметру анодного кожуха образуется вертикальный слой сыпучего алюминиевого материала толщиной 0,007-0,035 высоты анодного кожуха.

В верхней части анода слой алюминиевого материала вследствие его низкой теплопроводности выполняет роль теплоизолятора боковой поверхности анода. По мере сгорания анода слой опускается, пропитывается жидкой анодной массой, затем впекается в тело анода в диапазоне температур 400-600°С.

Теплопроводность периферийного слоя, представляющего уже смесь алюминиевых материалов и скоксовавшейся анодной массы, резко возрастает. Металлизованный периферийный слой выполняет роль тепло- и электропроводника. Расплавляясь, алюминиевые компоненты слоя переходят без потерь в конечный продукт. Частота загрузки сыпучих алюминиевых материалов зависит от глубины загружаемого слоя и технологических особенностей производства.

Предложенный способ формирования анода позволяет уменьшить разность температур возле анодных штырей и периферии блока в области коксопековой композиции на 41°С, что улучшает равномерность распределения пека в жидкой части анода, повышает качество его боковой поверхности, увеличивает высоту конуса спекания по периферии на 0,1-0,23 м, исключает протеки пека в электролит, снижает расход анодной массы и электроэнергии.

Применение изобретения позволит уменьшить расход анодной массы на 12,8 кг/т алюминия и расход электроэнергии на 170 кВт·ч/т алюминия. Ожидаемый экономический эффект от использования изобретения составляет 97 руб./т алюминия.

Способ формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, включающий периодическую загрузку анодной массы на поверхность анода, заключенного в анодный кожух, и теплоизолирование боковой поверхности анода, отличающийся тем, что теплоизолирование боковой поверхности анода осуществляют после прорезки периферии анода загрузкой к бортам анодного кожуха слоя сыпучих алюминиевых материалов на глубину 0,15-0,7 и толщиной 0,007-0,035 высоты анодного кожуха.