4.9. Оборудование электролитического производства алюминия

4.9.1. Алюминиевые электролизеры

Для электролитического получения алюминия служит электролизер, часто называемый электролизной или алюминиевой ванной. Устройство электролизера кратко описано ниже.

Неглубокая шахта – ванна электролизера заполнена электролитом. В электролит опущен анод из угольной массы, катодом служит угольная подина ванны. К аноду и подине (катоду) подведены токопроводящие шины. Над расплавом на границе с воздухом образуется корка застывшего электролита. Слоем застывшего электролита покрыты изнутри боковые стенки (боковой гарниссаж) и отчасти (около стенок) подовая поверхность ванны.

Таким образом, алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного устройства, анодной системы, ошиновки (анодной и катодной) и опорных металлоконструкций. Кроме этих основных узлов, электролизеры снабжены специальными приспособлениями для улавливания и отвода газов, выделяющихся при электролизе.

Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой, средней и большой соответственно 30 – 40, 50 – 90 и 100 – 250 кА. По конструкции электролизеры различаются главным образом устройством анода и анодного токоподвода. Используют три основные разновидности конструкции: 1) с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему; 2) с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему; 3) с обожженными анодами.

В электролизерах с самообжигающимся анодом сырую анодную массу загружают в специальный металлический кожух, придающий аноду нужную форму и размеры. Коксование анода – превращение его в монолитный прочный блок с необходимыми электропроводящими свойствами происходит под действием тепла, выделяющегося в электролизере.

По мере сгорания анода в анодный кожух добавляют новые порции угольной массы. Ток к аноду подводится стальными ("анодными") штырями.

Размеры анода зависят от мощности электролизера и принятой для него плотности тока, т.е. удельной амперной нагрузки на единицу площади анода, катода или электролита. Поскольку размеры катода и поверхности электролита зависят от размеров анода как наиболее постоянных, принято обычно пользоваться понятием анодной плотности тока, т.е. силы тока, приходящейся на единицу площади горизонтального сечения анода.

Чем больше мощность электролизера, тем при прочих равных условиях на меньшей плотности тока он работает, так как с увеличением мощности электролизера уменьшаются его удельные тепловые потери: поэтому для сохранения теплового равновесия электролизера поступление тепла (т.е. плотность тока) должно быть снижено.

Однако для одной и той же силы тока электролизер может быть спроектирован для работы с большей или меньшей плотностью тока. Чем выше анодная плотность тока, тем выше производительность электролизера на единицу площади подины, но повышается и удельный расход электроэнергии (на единицу массы полученного металла). При меньшей плотности тока для достижения той же производительности требуется электролизер больших размеров, но удельный расход электроэнергии уменьшается. При меньших плотностях тока для сохранения необходимого теплового режима электролизера требуется усиленная его тепловая изоляция.

Электролизеры с верхним токоподводом работают на токе несколько меньшей плотности, чем электролизеры с боковым токоподводом. Это объясняется меньшей фактической рабочей поверхностью ("подошвой") анода электролизеров с верхним токоподводом из-за того, что на ней образуются углубления ("лунки"), заполненные газообразными продуктами электролиза, а также вследствие большого перепада напряжений в аноде.

При выборе той или иной плотности тока, кроме мощности и конструктивных особенностей электролизера (конструкция кожуха, ширина анода, система анодного токоподвода), необходимо учитывать технологический режим, межполюсное расстояние, состав электролита, уровни металла в электролизере, электрический режим серии и др.

Электролизеры с обожженными анодами обычно многоанодные. Число анодов в них достигает 20 и более в зависимости от силы тока. Анодами служат прессованные и обожженные угольные блоки, изготовленные на электродных заводах.

Электролизер с боковым подводом тока к аноду показан на рис. 204, а. Основанием электролизера служит бетонный фундамент, на который укладывают несколько рядов строительного кирпича, затем устанавливают кожух, прочно закрепленный анкерными болтами, залитыми в фундамент. Внутри металлического кожуха помещают два – три ряда шамотного кирпича, подушку из углеродистой массы, и наконец, катодные прессованные, предварительно обожженные угольные блоки. Катодный кожух воспринимает значительные механические усилия, поэтому он сваривается из двутавровых или швеллерных балок. Срок его службы до 20 лет, т.е. его меняют в два – три раза реже, чем катодную футеровку.

На катодный кожух опирается несущая конструкция – каркас электролизера. На нем крепятся глиноземные бункеры, анодное устройство, укрытие электролизера и электроприводы для перемещения анода и штор.

Ток подается к катоду с помощью массивных стальных стержней. Контактом между стержнями и угольными блоками служит чугун. Промежутки между блоками заполняют угольной массой. Боковая поверхность рабочего пространства внутри ванны футерована по бровке угольными плитами, электрически изолированными от кожуха.

Анод расположен внутри жесткого прямоугольного анодного кожуха, который придает ему необходимые размеры и форму. Анодный кожух сварен из листовой стали и заключен для жесткости в раму из швеллеров. Снизу к раме приварены вертикальные ребра, на которые навешивают съемные серьги. Раму можно опускать или поднимать с помощью четырех винтов (или тросов), на которых она подвешена к каркасу электролизера. Неподвижный каркас изолирует пространство над анодом от газовых потоков, несущих обычно много глиноземной пыли, благодаря чему осаждение пыли на поверхности анода уменьшается. Это имеет большое значение, поскольку позволяет избежать продувки анода перед загрузкой очередной порции анодной массы.

Рис. 204. Электролизеры с самообжигающимся анодом: а – с боковым подводом (1 – каркас; 2 – анодная рама; 3 – анодная шина; 4 – кожух анода; 5 – анодный спуск; 6 – токоподводящий штырь; 7 – серьга упорная; 8 – катодный блок; 9 – катодный кожух; 10 – токоподводящий стержень; 11 – чугунная заливка; 12 – угольная футеровка; 13 – анод; 14 – жидкая анодная масса); б – с верхним токоподводом (1 – цоколь; 2 – подина; 3 – алюминий; 4 – стойка; 5 – глинозем; 6 – газосборный колокол; 7 – ребро жесткости; 8 – домкрат; 9 – рама; 10 – спеченный анод; 11 – штырь; 12, 13 – приводы домкратов; 14 – анодная шина; 15 – анододержатель; 16 – жидкая анодная масса; 17 – кожух анода; 18 – горелка; 19 – газоотводящий патрубок; 20 – корка электролита; 21 – электролит; 22 – уровень пола; 23 – катодный спуск)

Чтобы углеродистая масса при коксовании не приставала к стальному кожуху, между анодом и кожухом прокладывают алюминиевый лист (обечайку) толщиной 1,0 – 1,5 мм. Алюминиевая обечайка не позволяет полускоксовавшейся анодной массе вытекать через промежутки между ребрами анодной рамы и предохраняет нижнюю часть анода от окисления. Обечайка опускается и расходуется вместе с анодом; ее наращивают, когда верхняя кромка алюминиевого листа оказывается на высоте 250 – 300 мм от уровня жидкой массы анода.

Штыри служат для подвода тока к аноду и его подвешивания к анодной раме. Они выполнены в виде конических стальных стержней длиной 740 – 885 мм и массой 22 – 30 кг. Штыри в аноде располагают в шахматном порядке в четыре или в пять горизонтальных рядов. Верхний ряд штырей забивают под углом (10 ± 5)° к горизонту в тестообразную анодную массу под нижней кромкой анодного кожуха. По мере сгорания анода штыри опускают в горячую зону электролизера, где запекаются в коксовую часть анода. Два нижних ряда штырей являются токоведущими – к ним присоединены анодные спуски. Нижний ряд штырей опирается на съемные серьги или клинья, с помощью которых анод подвешивается к анодной раме. К углам рамы прикрепляют четыре тяги, соединенные с соответствующими механизмами подъема. На этой же раме, кроме того, крепят подъемные шторные укрытия ванны для изоляции атмосферы цеха от газов, выделяющихся из ванны.

От соседнего электролизера ток передается с помощью двух анодных стояков (пакеты алюминиевых шин сечением 250 х 29 мм или 430 х 60 мм). От стояков вдоль анода проложены две анодные шины переменного сечения. С торцов электролизера анодные шины замкнуты уравнительными шинами.

К анодным и уравнительным шинам приварены медные или алюминиевые спуски. В нижней части каждого анодного спуска предусмотрена медная пластина сечением 100 х 100 мм, которая закреплена на головке штыря клиновым, сварным или болтовым контактными устройствами.

Пакеты катодных шин уложены по продольным сторонам ванны таким образом, чтобы их было удобно стыковать с помощью шунтов с анодными стояками во время капитального ремонта электролизера.

Электролизер с верхним подводом тока к аноду (рис. 204, б) по конструкции катодных узлов принципиально не отличаются от электролизеров с боковым подводом тока той же мощности. В электролизерах большой мощности, где часто применяют верхний токоподвод, катодные кожухи делают обычно с днищем, усиливая их ребрами жесткости – контрфорсами.

Анодное устройство этих ванн существенно отличается от ванн, рассмотренных выше. Ток к аноду подводится через два, три или четыре ряда вертикальных стальных штырей. На этих же штырях анод удерживается над ванной. Штыри расположены на различной высоте от подошвы анода. По мере сгорания анода их поочередно выдергивают из затвердевшей части, поднимают и закрепляют в новом положении. Образовавшаяся полость заполняется жидкой углеродистой массой. Через некоторое время штырь спекается с затвердевшей частью анода. Токовая нагрузка на один штырь составляет обычно около 2000 А, поэтому их число определяется мощностью электролизера. Обычно применяются штыри двух типов – цилиндрические и составные. Цилиндрический штырь (рис. 205, а) имеет медную рубашку для уменьшения потерь напряжения в самом штыре и в контакте штырь – анодная ошиновка.

Рис. 205. Анодные штыри для электролизеров с верхним токоподводом: 1 – стальная часть штыря; 2 – медная рубашка; 3 – алюминиевая штанга; 4 – болтовое соединение

Масса цилиндрического штыря 170 кг. Составной штырь (рис. 205, б) состоит из стальной цилиндрической части и алюминиевой штанги. Обе части соединены с помощью болтов. Масса составного штыря 150 кг.

Анод заключен в специальный кожух, который обрамляет анод по всей его высоте. Поэтому нет необходимости в алюминиевой обечайке. Кожух сварен из стальных листов толщиной 4 – 5 мм и укреплен горизонтальными поясами жесткости, связанными между собой вертикальными ребрами. Благодаря этому он хорошо противостоит деформирующим усилиям со стороны анода, а развитая поверхность ребер обеспечивает быстрый отвод тепла от анода, что важно для электролизеров большой мощности. К нижней части анодного кожуха по всей периферии анода прикреплен чугунный газосборник (газосборный колокол).

Газосборник навешивают на нижний горизонтальный пояс анодного каркаса; стыки между отдельными секциями газосборника и между секциями и анодным каркасом уплотняют асбокартоном. По периферии, по линии примыкания к электролитной корке, газосборник засыпают почти на всю высоту глиноземом для надежной герметизации электролизера.

Газы, выходящие из-под анода, попадают в газосборник, а отсюда направляются к горелкам, в которых сжигаются горючие составляющие (СО и смолиcтые погоны). Продукты сгорания с содержащимися в них фтористыми соединениями отсасываются от колпака горелки и по газоходам вытяжной вентиляции направляются на газоочистку.

При такой системе вентиляции пространство под газосборником находится под некоторым напором, что является обязательным условием нормальной работы укрытия этого вида, так как только при положительном давлении под газосборником невозможны подсосы воздуха, вызывающего окисление анода, выгорание шеек и прочие явления, нарушающие технологический процесс.

Кроме простоты устройства и надежности герметизации электролизера, система колокольного укрытия характеризуется еще тем, что газы, удаляемые от электролизера, разбавляются воздухом только в той мере, в какой это требуется для нормальной работы горелок. Поэтому объем отсасываемой от электролизера газовоздушной смеси резко уменьшается, что позволяет уменьшить вместимость поглощающих устройств газоочистных сооружений и наиболее рационально организовать регенерацию фтора из растворов газоочистки.

Ванны с верхним токоподводом по сравнению с другими конструкциями имеют ряд преимуществ: в них упрощено устройство верхних конструкций электролизера (неподвижный кожух анода, стационарный газоотсосный колокол, меньшее количество контактов у анода и т.д.); облегчен отвод и очистка газов благодаря уменьшению их объема. Газы сжигаются в горелке, что позволяет окислить оксид углерода и смолистые погоны; облегчено обслуживание анода и другие технологические операции.

Переход на электролизеры с верхним подводом тока к анодам позволил создавать более мощные установки (до 150 кА), что, в свою очередь, привело к снижению расхода электроэнергии на единицу металла и повышению производительности труда.

К недостаткам ванн с верхним токоподводом относятся: усиленная загазованность цеха, несмотря на наличие укрытий у ванн, в результате значительных выбросов продуктов коксования, образующихся при обжиге анодов; большее падение напряжения в анодном устройстве, приводящее к необходимости работы на более высоком напряжении; затруднение выделения анодных газов вследствие применения одного большого анода, приводящее к неоднородному составу электролита в ванне в различных ее местах.

Серьезной проблемой эксплуатации мощных электролизеров является заметное влияние на их показатели электромагнитных явлений. Взаимодействие магнитного поля ошиновки с протекающим в электролизере током может приводить к значительному перекосу зеркала металла в ванне, вызывать электромагнитное перемешивание металла и электролита.

Для ослабления этих отрицательных явлений на электролизерах большой мощности применяют секционный (раздельный) отвод тока от подины, различные схемы компенсации магнитных полей ошиновки. Помогают улучшить ход электролизера и технологические меры – уменьшение зеркала металла в результате создания устойчивых настылей, работа без перегревов электролита, качественный контроль межполюсного расстояния.

Электролизер с обожженными анодами. Возврат к многоанодным ваннам стал возможным благодаря успешной автоматизации производства обожженных угольных блоков, позволившей снизить их стоимость и улучшить качество. На крупных алюминиевых заводах, оснащенных ваннами этого типа, действуют автоматизированные линии монтажа и демонтажа анодов, установлены механизмы для обслуживания анодного устройства, что значительно сократило трудовые затраты в электролизных цехах.

Одно из главных преимуществ электролизеров с обожженными анодами – сокращение выделения вредных канцерогенных веществ, образующихся при коксовании пеков. Основная масса этих веществ выделяется и обезвреживается на электродных заводах.

Конструкция электролизера с обожженными анодами показана на рис. 206. Аноды, расположенные в два ряда, образуют анодный блок. Каждый анод представляет собой угольный блок шириной 700 – 900, высотой 550 – 650, длиной 1450 – 1600 мм. В его верхней части предусмотрены четыре гнезда, в которые вставлены ниппели стального кронштейна, соединенного болтами с алюминиевой штангой. Ниппели залиты в гнездах анода чугуном специального состава. Металлическую часть анода (кронштейн со штангой) называют анододержателем.

Анодная рама состоит из алюминиевых шин, проложенных вдоль электролизера. К ним крепятся анододержатели с помощью зажима.

Анодная рама выполняет функции и токопровода, и грузонесущего элемента.

Регулирование межполюсного расстояния осуществляется с помощью домкратов, приводимых в движение электродвигателем. Газоотсосный короб, соединенный с центральной системой вентиляции, расположен по продольной оси электролизера. Рабочее пространство закрыто откидными крышками, которые можно открывать порознь вручную или все одновременно с помощью привода.

Рис. 206. Электролизер с обожженными анодами: 1 – домкрат; 2 – алюминиевая штанга; 3 – анодная шина; 4 – анододержатель; 5 – горизонтальная площадка укрытия; 6 – кронштейн; 7 – ниппель; 8 – анодный блок; 9 – контрфорс; 10 – ребро жесткости; 11 – кожух катодного устройства; 12 – железобетонная балка; 13 – катодный спуск; 14 – катодный стержень; 15 – откидная крышка; 16 – подъемное устройство крышки; 17 – коллектор

В катодном устройстве применен кожух контрфорсного типа. Кожух сварен из стального листа в виде корыта, боковые стенки которого укреплены системой стальных балок – контрфорсов. Их назначение – препятствовать деформации кожуха. Сверху контрфорсы упираются в ребра жесткости кожуха, а снизу распираются железобетонными балками. Катодное устройство, включая цоколь, монтируется внутри кожуха.

Анодная ошиновка состоит из анодных стояков и основного анодного пакета шин (анодная рама), передающего ток алюминиевым штангам. Все контакты между элементами ошиновки выполнены сварными.

Катодная ошиновка включает катодные шины и гибкие катодные спуски, связывающие катодные стержни и шины. Для снижения вредного влияния магнитных полей на процесс электролиза схему катодной ошиновки делают двусторонней асимметричной. Для равномерного распределения тока в подине и уменьшения горизонтальных токов в металле, катодную ошиновку выполняют секционированной.

Укрытие, применяемое для электролизеров, створчатого типа; оно предназначено для защиты атмосферы цеха от попадания пыли и газов, выделяющихся в процессе электролиза, а также для снижения тепловыделения. Основными элементами укрытия являются коллектор, горизонтальная площадка, боковые откидные крышки и стационарные торцевые шиты.

Газы, отсасываемые из электролизера, направляют на улавливание ценных компонентов и регенерацию фтористых соединений.

Система подвода электрического тока к ваннам. Качественно выполненная система питания электролизера электрическим током во многом определяет напряжение питания и, следовательно, удельный расход энергии на производство алюминия-сырца.

Система питания электролизера постоянным током состоит из преобразователя электрического тока, распределительной сети, анодной и катодной ошиновок, анода и катода. Она должна обеспечить качественную работу ванны в течение достаточно длительного срока с минимально возможными непроизводительными потерями энергии, что возможно лишь при правильно выбранных размерах всех токопроводящих элементов системы, тщательной изоляции их друг от друга и от земли и правильном конструктивном оформлении отдельных элементов. В настоящее время практически все предприятия используют в качестве выпрямителей полупроводниковые агрегаты с к.п.д.  98 %. Стандартный преобразователь тока рассчитан на 25 кА. Если для преобразователей требуется большая сила тока, то параллельно соединяют несколько агрегатов. Частое регулирование тока увеличивает потери энергии в преобразователе, поэтому работа серии с малым числом вспышек и равномерном распределении их во времени существенно улучшает энергетические показатели.

Во избежание непроизводительных утечек тока в электролизерах предусмотрена электроизоляция следующих основных элементов конструкций.

В ваннах с боковым подводом тока это катодный кожух от фундамента; несущая металлоконструкция от анода и катодного кожуха; шторные укрытия от катодного кожуха; анодные шины от металлоконструкций; крюки для временной подвески анода от металлоконструкций; катодные шины от земли.

У ванн с верхним токоподводом – катодный кожух от фундамента или опорных строительных конструкций; домкраты основного механизма подъема от катодного кожуха; домкраты вспомогательного механизма подъема анода от анодного кожуха.

У ванн с обожженными анодами – катодный кожух от фундамента или опорных строительных конструкций; металлоконструкции анодной части от катодного кожуха; металлоконструкции, установленные на специальных опорах, от этих опор, опоры от земли; домкраты механизмов подъема анодов от анодной рамы и анодной ошиновки; укрытие от катодного кожуха.

Анодные и катодные шины изготовляют в виде пакета из алюминиевых полос. Во избежание перегрева шин (допустимая температура 80 °С) рекомендуемая плотность тока в них зависит от стоимости электроэнергии в регионе, но не должна превышать 0,75 А/мм² (обычно 0,3 – 0,6 А/мм²).

Линейные размеры анода определяются мощностью электролизера, качеством анода и допустимой плотностью тока в нем. Плотность тока в электролизерах средней мощности с самоспекающимся анодом должна ограничиваться пределами 0,80 – 0,95 А/см², в мощных ваннах эта величина снижается до 0,65 – 0,70 А/см². Обожженные аноды работают с плотностью тока 0,75 – 1,0 А/см².

При выборе анодной плотности тока D_a большое значение имеет ширина анода: чем шире анод, тем меньше плотность тока. Но при широком аноде ухудшается отвод тепла и газов. На зарубежных заводах самоспекающиеся аноды редко делают шире 1,5 – 2,0 м при длине до 10 м. Это позволяет принимать D_a = 0,9 при силе тока 140 кА.

На отечественных заводах вполне обоснованно приняты аноды шириной до 2,8, длиной 8 – 9 м при D_a = 0,65 – 0,67 А/см². Таким образом, можно конструировать ванны с самоспекающимся анодом площадью 15 – 25 м² на силу тока 130 – 170 кА.

Большое влияние на энергетические показатели процесса электролизера оказывают конструкция и качество монтажа подины ванны. Существует два типа конструкций подины – сборноблочная (принята на отечественных предприятиях) и набивная (на ряде зарубежных предприятий).

В электролизерах со сборноблочной подиной катодные стержни контактируют с угольными блоками через чугунную заливку.

Для заливки чугуном стержни закладывают в выбираемые в блоках пазы. Назначение чугунной заливки – создание механически прочного и хорошо проводящего ток соединения катодного стержня с угольным блоком. Удельная токовая нагрузка 0,2 А/мм².

Существует несколько схем укладки подовых секций в подину ванны: со швами, без швов, с перевязкой швов и без перевязки. Швом в подине называется зазор между блоками, заполняемый при монтаже ванны плотно утрамбованной угольной ("подовой") массой. Ширина шва обычно от 30 до 50, а чаще всего 40 мм. Периферийные швы, т.е. швы между блоками подины и стенками шихты ванны, более широкие (50 – 300 мм). По вертикали швы соответствуют высоте блока, т.е. перерезают угольную подину на всю ее толщину.

Несмотря на большое внимание, уделяемое подбору состава подовой массы, отработке режима набивки швов, строгому соблюдению всех требований монтажной инструкции, качество швов всегда хуже качества блоков, а так как общая длина швов велика, то они – одно из самых слабых мест подины алюминиевого электролизера. Для уменьшения длины подовых швов целесообразно футеровать электролизер возможно более крупными блоками.

Конструкция набивной подины значительно проще и монтаж ее менее трудоемок.

Подину набивают обычно в кожух, имеющий днище, причем часто набивают не только подину, но и боковые стенки. Для набивки стенок применяют специальную опалубку. Между кожухом и угольной массой помещают несколько рядов теплоизоляционного кирпича. Катодные стержни в виде полос во время набивки заделывают в подину.

Известно, что вокруг всех токопроводящих узлов электролизера под влиянием проходящего по ним постоянного тока создаются магнитные поля. Взаимодействие магнитного поля с током, проходящим через электролизер, приводит к возникновению электромагнитных сил, вызывающих перемещение катодного металла и электролита – поверхность металла в электролизере ("зеркало" металла) перестает быть горизонтальной. Поскольку эти явления зависят от силы тока, а ток на сериях не бывает абсолютно постоянным, в электролизере может возникнуть движение расплава, вредно отражающееся на технологическом процессе.

Поэтому при конструировании ошиновки электролизера следует выбирать схему, наиболее выгодную с точки зрения стоимости ее осуществления, но в то же время позволяющую работать с наименьшими потерями электроэнергии и сводящую к минимуму вредное влияние магнитных полей на процесс.

Для уменьшения влияния магнитных полей (создания условий взаимной компенсации полей) принято подводить ток к аноду электролизера большой мощности с двух сторон. С целью дальнейшего ослабления магнитных полей полезен и двусторонний отвод тока от катода, однако при продольном размещении электролизеров выполнить это настолько сложно, что такая схема отвода тока до сих пор не осуществлена.

Схема двустороннего подвода и отвода тока сравнительно просто осуществляется, когда электролизеры установлены поперечно, т.е. длинной своей осью поперек корпуса.