Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами



Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами
Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами

 


Владельцы патента RU 2405866:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом в электролизерах с обожженными анодами. Анодное устройство алюминиевого электролизера содержит угольный блок, токоподводящую штангу, жестко закрепленную в углублениях верхней плоскости угольного блока, и подвес анода, закрепленный верхними концами попарно с двух сторон от штанги на перекладине и выполненный из пакета алюминиевой фольги и жгутов из стеклоткани, которые подвешены и закреплены к алюминиевым перекладине и штанге, снизу пакет из алюминиевой фольги и жгуты из стеклоткани продеты через прямоугольные отверстия в выступе угольного обожженного анода, длина, сечение пакета и жгутов и их количество определяются технологическими требованиями и экономикой. Обеспечивается снижение материальных и трудовых затрат на производство алюминия и сокращение расхода электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом в электролизерах с обожженными анодами.

В настоящее время технический алюминий получают электролизом криолитоглиноземного расплава. Известно анодное устройство электролизера для получения алюминия, в котором анод выполнен из углеграфита, ток к нему подводят по токопроводящей штанге, на последней закреплен стальной кронштейн с ниппелями, помещаемыми в углубления на верхней плоскости анода, в виде обратного усеченного конуса, в стенках которого выполнены рифления в форме наклонных канавок. Ниппель выполнен круглого сечения с гладкими стенками, он помещается в углубления анода и место стыка заливается расплавленным чугуном, за счет чего создается механический и электрический контакты между анодом и ниппелем (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971. - 195 с.).

При работе такие аноды постепенно, примерно через тридцать суток обгорают и их заменяют на новые. Эта конструкция работоспособная, но не удобная при повторном использовании ниппеля. Для повторного использования ниппеля с него необходимо механически сбить сваренный со сталью анодный огарок и слой чугуна. Операция эта является трудоемкой, что значительно увеличивает время и затраты на монтаж и демонтаж соединения анод - ниппель. Кроме того, не всегда удается качественно провести указанную операцию и направить ниппель на повторное использование.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными углеграфитовыми анодами, включающее токоподводящую штангу, стальной кронштейн с ниппелями, жестко закрепленных электропроводящей массой в аноде, с дополнительной подвеской анода, выполненной в виде закрепленной на перекладине штанги и металлических лент, закрепленных верхними концами попарно с двух сторон на перекладине штанги, нижние концы лент изогнуты в виде цангового захвата со стяжным и распорным механизмом, установленными на каждой паре лент (Патент РФ №2231577, МПК С25С 3/12, опубл. 27.06.04).

Эта конструкция работоспособная, но токоподводящая штанга и дополнительный подвес из металлических лент изготовлены из стали, которая окисляется и загрязняет железом получаемый электролитический алюминий.

Основная задача изобретения заключается в исключении стальной штанги и дополнительного подвеса, а также исключения загрязнения технического алюминия, снижения материальных и трудозатрат на производство алюминия, сокращения расхода электроэнергии за счет уменьшения падения напряжения, исключения заливки чугуном и набивки электропроводящей массой, исключения трудоемких операций - удаления чугуна и огарков анода с ножек ниппеля.

Это достигается тем, что анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами, содержащее угольный блок, токоподводящую штангу и подвеску анода, выполненную в виде закрепленной на токоподводящей штанге перекладины и металлических лент, которые своими верхними концами попарно закреплены с двух сторон от штанги на перекладине, согласно изобретению металлические ленты выполнены в виде пакета из алюминиевой фольги со жгутами из стеклоткани, а перекладина и штанга выполнена из алюминия.

Угольный блок обожженного на верхней плоскости имеет выступ, в котором выполнены прямоугольные отверстия, через которые продеты пакет из алюминиевой фольги и жгуты из стеклоткани.

В качестве стеклоткани могут быть волокна SiO2, Al2O3, Al2O3+MgO и др.

Длина, сечение пакета из алюминиевой фольги и жгутов из стеклоткани и их количество определяются технологическими требованиями.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На чертеже изображена предлагаемая конструкция анодного устройства, общий вид и вид сбоку.

Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами содержит углеграфитовый анод 1, над которым имеется выступ 2 с прямоугольными поперечными отверстиями 3, в эти отверстия продеты пакет алюминиевой фольги 4 и жгуты из стеклоткани 5. Пакет и жгуты прикреплены сверху алюминиевыми болтами 6 к алюминиевой перекладине 7, которая жестко закреплена с алюминиевой штангой 8. Пакет из алюминиевой фольги 4 выполняет роль токоподвода и свободно провисает между угольным анодом 1 и алюминиевой перекладиной 7.

Монтаж анодного устройства происходит следующим образом. Пакет алюминиевой фольги 4 и жгуты стеклоткани 5 определенной технологической длины и сечения протягиваются через прямоугольные отверстия 3 выступа 2 на угольном аноде 1. После этого анодное устройство, удерживаемое за штангу 8, переносится в электролизер и штанга 8 крепится к анодной шине.

При такой конструкции анодного устройства на монтаж и демонтаж потребуется всего лишь минута, при этом исключаются применения: стальной штанги, стальных ниппелей, заливки чугуна или забивки электропроводящей массой, сбивки сваренного со сталью чугуна и анодного огарка. Кроме того, улучшается электрический контакт, уменьшаются падение напряжения и изделия. Сначала рассмотрим применение различных материалов для токоподвода, а затем - для механического подвеса угольного анода.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Расчет проведем на примере электролизера, потребляющего ток 130 кА, имеющего 16 обожженных анодов, через каждый из которых проходит ток I=130/16=8,1 кА. Падение напряжения на стальных штанге и ниппелях V=0,01B=10 мВ. Вес обожженного анода P1=900 кг. Вес стальной штанги с тремя ниппелями Р2=450 кг и ценой Ц2=700$/шт.=1,75·104 руб/шт. Обожженный угольный анод в процессе работы обгорает снизу и его меняют через 30 дней.

В нашем предложении примем количество токоподводов и подвесов равным по 3 пары, т.е 6 штук на один анод в соответствии с чертежом. Длину токоподвода и подвеса принимаем равным l=1 м = 100 см = 1000 мм.

Расчет токоподвода к угольному обожженному аноду

В соответствии с законами электротехники в общем виде запишем для всех токоподводов одного анода

где σ - удельная электропроводность, R - электросопротивление проводника, S сечение проводника. Откуда находим сечение

Вес Р и стоимость С расходуемого токоподвода для всего анода равны

где d - плотность и Ц - цена материала.

В таблице 1 приведены свойства возможных материалов.

Таблица 1
Свойства веществ
вещество σ·10-5 Ом-1см-1 при 20°С σ·10-5 Ом-1см-1 при 900°С плотность, г/см3 температура, °С теплопроводность, кал/см·с·К (20°С) КТР·106, К-1 цена прочность на разрыв δв, кгс/мм2 при 20°С
плавления кипения $/т руб/т
Fe 0,56 0,1 7,87 1539 3200 0,1 11,7 800 2·104 30
Al 3,7 2,9 2,7 660 2500 0,52 24,6 2000 5·104
фольга А1
1,5·109 3,7·1010
стеклоткань 2,3 1000 8 200 200 (ткань)

Для токоподвода рассмотрели возможные материалы сталь и алюминий. Расчет провели для одного из шести алюминиевых токоподводов и для шести токоподводов на один обожженный анод в месяц. Анод служит 1 месяц. Стоимость стальных штанги из ниппелей не рассчитывали, а взяли коммерческую. Результаты расчета по указанным формулам приведены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты расчета токоподвода к обожженному аноду. Одного (1) и шести (6) токоподводов
вещество сечение, S, см2 плотность, г/см3 Вес, Р, кг/мес. Цена, руб/кг Стоимость, С, руб/месяц
1 Fe 7,87 4,5·103 1,75·104
2 Al(1) 22 2,7 6 50 3·102(0,0)
3 Al(6) 132 2,7 36 50 1,8·103(0,0)

В расчете токоподвода алюминия взята цена технического алюминия, а не цена алюминиевой фольги. Дело в том, что для токоподвода не требуется товарная алюминиевая фольга, а достаточны ее обрезки (или просто полученные ленты). Обрезки фольги не используют и продают их по стоимости технического алюминия 50 руб/кг (смотри таблицу). Надо еще отметить, что алюминиевая фольга, используемая в качестве токоподвода к аноду, не расходуется, а только переплавляется в электротехнический алюминий. Поэтому для собственного возвратного производства алюминиевого завода стоимость алюминия нулевая, CAl=0, что отмечено в круглых скобках стоимости алюминия в таблице 2. Здесь не рассчитывали стоимость алюминиевых штанги и ниппелей, так как они не расходуются, т.е. многоразового использования.

Отношение затрат на два материала для токоподвода сталь/алюминий = 1,75·104/1,8·103. Как видим, затраты на сталь на порядок больше, чем на алюминий. А если учесть, что алюминиевая фольга для алюминиевого завода почти ничего не стоит, то преимущество алюминия на 4 порядков, т.е. надо использовать алюминиевую фольгу.

Возможность применения стали в качестве токоподвода не вызывает сомнения. Например, рабочая температура токоподвода к обожженному угольному аноду находится в пределах 0-500-900°С. Температура плавления железа 1536°С. Следовательно, сталь находится в твердом состоянии при рабочих температурах анода и может быть использована в качестве токоподвода к обожженному угольному аноду.

Алюминий плавится при температуре 660°С, ниже рабочей температуры 900°С обожженного анода, т.е. алюминий не может служить токоподводом к угольному аноду. Однако нами предлагается использовать не слитки, а фольгу из алюминия, которые существенно отличаются по свойствам.

Алюминиевая фольга - это лист алюминия толщиной 0,05-0,1 мм, покрытый прочной оксидной пленкой оксида алюминия. Поэтому алюминиевая фольга представляет собой композиционный материал, в котором одна фаза - алюминий и вторая фаза - оксид алюминия. Фазы прочно соединены между собой (прочная адгезия на границе фаз). Алюминий плавится при температуре 660°С, а оксид алюминия - 2050°С. Температура сохранения формы фольги композиционного материала алюминий - оксид алюминия выше температуры плавления алюминия, и эта температура повышается от 660 до 2050°С тем выше, чем больше содержится оксида алюминия в композиционном материале. При толщине фольги 0,1 мм пакет фольги сохраняет свою форму до 1100°С. Следовательно, пакет из алюминиевой фольги может служить хорошим токоподводом к обожженному угольному аноду алюминиевого электролизера для его рабочих температур 900-1000°С.

Расчет механического подвеса к угольному обожженному аноду.

Для механического подвеса рассмотрим применение различных волокон, прочность на разрыв которых в 10-100 раз выше прочности объемных материалов. С учетом рабочих температур 0-900°С обожженного анода и перечисленных выше волокон для расчета выбираем и стеклоткань (жгуты). Углеграфитовая ткань сгорает при температурах выше 400°С, поэтому она не пригодна для работы на обожженном аноде. Прочность на разрыв алюминиевой фольги в процессе электролиза пока не будем учитывать из-за ее малости.

Для рассматриваемого электролизера вес обожженного анода равен P1=0,9т=900 кг. Этот вес должен быть равен прочности Н на растяжение пучка волокон

Вес и стоимость волокна равны

С учетом времени работы анода до замены 1 месяц, цены Ц4 волокон, их удельной прочности δ, плотности d рассчитали стоимость С3 волокон, расходуемых в месяц в месяц на один анод электролизера. Результаты расчета приведены в таблице 3. Стоимость стальных штанги и трех нипперей не рассчитывали, а взяли коммерческую.

Отношение затрат на подвес из стали/стеклоткани = 1,75·104/1=104. Как видим, затраты на стеклоткань в 104 раз меньше, чем на сталь, т.е. для механического подвеса анода дешевле применять стеклоткань.

Применение стеклоткани не повлечет загрязнение электролитического алюминия, так как стеклоткань не попадает в расплав электролита, а она уходит на утилизацию вместе с угольным огарком.

Стоимость стальной штанги и ниппелей обожженного анода равна 1,75·104 руб/штуку, и они не расходуются. В предлагаемом способе расходуется только стеклоткань стоимостью 1 руб/штуку одного анода, а на весь электролизер 16 анодов, т.е. расход на стеклоткань составит 16 руб/(электролизер·месяц). Что очень мало, и такой расход можно не учитывать.

Таким образом, токоподвод дешевле изготавливать из алюминиевой фольги, а подвес - из стеклоткани. Отношение суммы затрат на алюминиевый токоподвод и подвес из стеклоткани к стоимости стальных штанги и ниппелей равно 16/1,75·104=1/1000. Как видим, применение токоподвода из алюминиевой фольги и механического подвеса из стеклоткани в 1000 раза дешевле, чем применение стальных штанги и ниппелей по стоимости материалов. Но есть и другие преимущества, которые рассмотрим ниже. Пока оценим экономический эффект по стоимости материалов от внедрения алюминиевого токоподвода и подвеса из стеклоткани. Например, на одном электролизере будет экономия 1,75·104-1=1,75·104 руб/(электролизер·месяц)=40 тыс.руб/(электролизер·месяц), а на 1000 электролизеров за 12 месяцев (год) составит 1,75·104·1000·12=210·10 руб/год=210 млн.руб/год. Это без учета экологии и других преимуществ.

Это только в первом приближении. Далее необходимо учитывать еще несколько преимуществ применения алюминиевой фольги и стеклоткани: не требуется заливка чугуном и его обивка, не требуется обивка угольных огарков, не требуется изготавливать и транспортировать анодные штанги и ниппеля, уменьшается падение напряжения на аноде и контакте фольга-анод, исключаются термические напряжения и трещины в угольном аноде, существенно повышается технологичность электролиза и др.

В итоге оказывается выгодным применение алюминиевой фольги и стеклоткани вместо стальной штанги и ниппелей.

Сечение пакетов алюминиевой фольги и жгутов стеклоткани определяется экономикой - затратами на них сечения могут быть увеличены в соответствии с требованиями технологии. Кроме того, повышается равномерность токовой нагрузки по подошве анода и она легко регулируется изменением сечения и количеством пакетов из алюминиевой фольги в площади обожженного анода и расположением пакетов по площади анода.

1. Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами, содержащее угольный блок, токоподводящую штангу и подвеску анода, выполненную в виде закрепленной на токоподводящей штанге перекладины и металлических лент, которые своими верхними концами попарно закреплены с двух сторон от штанги на перекладине, отличающееся тем, что металлические ленты выполнены в виде пакета из алюминиевой фольги со жгутами из стеклоткани, а перекладина и штанга выполнены из алюминия.

2. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что угольный блок обожженного анода на верхней плоскости имеет выступ, в котором выполнены прямоугольные отверстия, через которые продеты пакет из алюминиевой фольги и жгуты из стеклоткани.

3. Анодное устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что длина, сечение пакета из алюминиевой фольги и жгутов из стеклоткани и их количество определяются технологическими требованиями.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к катоду для алюминиевых электролизеров. .

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано для реконструкции катодных устройств действующих и проектирования новых электролизеров.

Изобретение относится к устройству и способу удерживания и присоединения анодной штанги на анодной раме алюминиевого электролизера. .

Изобретение относится к токоподводящей шине электродов электролизеров для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне. .

Изобретение относится к контактным узлам ошиновки электролизера для производства алюминия и может быть использовано в катодной ошиновке электролизеров любой мощности.

Изобретение относится к способу и системе для управления последовательными электролизерами, установленными в виде серий, расположенных поперечно оси серии (линии) и работающих при токе, превышающем 300 кА и, возможно, превышающем 600 кА для производства алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите, с использованием процесса Холла - Эру.

Изобретение относится к области производства алюминия в электролизерах, оснащенных анодными расходуемыми токоподводами, выполненными из алюминия. .

Изобретение относится к катодному элементу для оснащения ванны электролизера, предназначенного для производства алюминия. .

Изобретение относится к серии электролизеров для производства алюминия электролизом в расплаве. .

Изобретение относится к производству алюминия электролизом расплавленных солей, в частности к конструкции катодного токоведущего стержня. .

Изобретение относится к области цветной металлургии и электролитическому получению металлов и может быть использовано при получении алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава с применением инертных анодов.
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способам при обслуживании самоспекающегося анода на алюминиевых электролизерах с верхним токоподводом в производстве алюминия.

Изобретение относится к области производства алюминия электролизом расплавленных солей, в частности производству анодной массы для формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера, и может быть использовано при производстве обожженных анодов для тех же целей.

Изобретение относится к токоподводящей шине электродов электролизеров для производства алюминия из оксида алюминия в электролитической ванне. .
Изобретение относится к производству алюминия электролизом, а именно к способу защиты углеграфитового анода алюминиевого электролизера. .
Изобретение относится к производству алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами, а именно к способу для формирования вторичного анода при перестановке анодных штырей.

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к способу расстановки анодных штырей на электролизере для производства алюминия с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом.
Изобретение относится к защитным покрытиям для защиты угольных анодов от окисления воздухом при выгорании анода в электролизере для получения алюминия и способу его нанесения.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности способу создания анодных и катодных узлов магниевых и алюминиевых электролизеров. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия в электролизерах с предварительно обожженными анодами, и может быть применено для охлаждения анодных огарков.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к герметизации электролизера
Наверх