СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО АНОДА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С САМООБЖИГАЮЩИМСЯ АНОДОМ И ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК C25C3/12 

Предлагаемое изобретение относится к производству самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом на основе "сухой" массы, в частности к производству массы для вторичного анода и его формированию.

Известно, что источником выделения полициклических углеводородов ароматического ряда в атмосферу электролизного корпуса является анод.

Ограничения, предъявляемые к вредным выбросам, явились одной из главных причин перехода на "сухую" анодную массу, содержащую меньшее количество углеводородного связующего по сравнению с традиционной массой, и технологию "сухого" анода, что обеспечивает снижение выбросов вредных веществ в атмосферу на 50-80%.

По традиционной технологии с использованием анодной массы с коэффициентом текучести 1,9÷2,4 на поверхности анода образуется слой массы, обладающий достаточной текучестью, что обеспечивает самопроизвольное затекание массы в подштыревое отверстие во время перестановки штырей. При использовании "сухой" анодной массы с коэффициентом текучести менее 1,8 заполнение лунок возможно лишь принудительное.

Существуют различные решения по выполнению этой технологической операции.

Так, фирма "Сумитомо", одна из первых освоившая технологию "сухого" анода, предлагает согласно заявки Японии №57-2277 (С 25 С 3/12, 3/22 от 07.02.77 г) "Устройство для заполнения анодной пастой, применяемое в электролизере для получения алюминия" заполнять подштыревое отверстие анодной пастой с помощью шнекового механизма.

По патенту США №4490826 (С 25 С 3/06, публ. от 25.12.84 г.) "Способ повторной установки анодного штыря" предлагается после извлечения штыря вставлять в подштыревое отверстие неплавящийся неспеченный блок, сформованный под давлением и имеющий форму нижнего конца штыря, а вместе с блоком подавать в отверстие связующую пасту.

Согласно заявки Японии №57-27942 (С 25 С 3/12, заявлено 05.09.78 г.) "Способ замены анодных стержней" в подштыревое отверстие вводят обожженный блок в форме концевого участка стержня и текучую пасту.

Перечисленные выше решения содержат достаточно сложные и трудоемкие операции прессования и обжига, что существенно снижает их эффективность и по этой причине они не нашли применения на практике.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является изобретение по патенту Японии JP 55002724 «Анодная масса для вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом» (С 25 С 3/12, С 25 С 3/00).

По данному патенту предлагается формировать вторичный анод из массы, состоящей из 40-60% коксовой пыли и 40-50% связующего, например, каменноугольного пека, что обеспечивает жидкотекучее состояние массы при сравнительно низких температурах.

Такой подход к выбору необходимой рецептуры массы был характерен в 80-90 гг. прошлого столетия. Для выбора оптимального состава пасты необходимо было проводить для каждого конкретного случая серию замесов из всего заявленного диапазона и по результатам выбирать лучший состав. То есть изначально задавались некачественные показатели массы, необходимые для реализации технологии «сухого» анода, а диапазон рецептур пасты для вторичного анода, из которого необходимо было выбрать лучшее.

Современный подход составления пекококсовых композиций, а именно: использование матричного метода прогнозирования свойств массы позволяет достигать необходимых показателей качества, причем с минимальными трудозатратами.

Задачей предлагаемых изобретений является повышение технико-экономических показателей производства самообжигающихся анодов, обеспечение технологичности процесса формирования вторичного анода и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Техническим результатом предлагаемых решений является улучшение качества вторичного анода.

Указанный технический результат в первом варианте выполнения технического решения по предлагаемому изобретению достигается тем, что в способе формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, включающем приготовление подштыревой массы с различными физико-химическими свойствами из полидисперсной коксовой шихты и углеводородного связующего, загрузку подштыревой массы в подштыревые отверстия после извлечения анодных штырей, готовят подштыревую массу с коэффициентом текучести (Кт) менее 1,8 отн.ед. из коксовой шихты, предпочтительно идентичной по дисперсности основному аноду, и не менее 2,7 отн.ед. из коксовой шихты предпочтительно крупностью менее 4 мм и с содержанием пыли не менее 50%, причем в подштыревые отверстия вначале загружают массу с коэффициентом текучести менее 1,8 отн.ед., а затем массу с коэффициентом текучести не менее 2,7 отн.ед., при этом масса с Кт=1,8 отн.ед. составляет 60-80% от общей загрузки, а между технологическими операциями загрузки подштыревой массы в подштыревое отверстие выдерживают временной интервал 4-6 минут. Во втором варианте выполнения способа формирования вторичного анода, включающем приготовление подштыревой массы и ее загрузку в подштыревые отверстия, загружают подштыревую массу с коэффициентом текучести не менее 2,7 отн.ед., при этом подштыревую массу готовят из коксовой шихты крупностью менее 2 мм при поддержании содержания суммарной пылевой фракции не менее 50%.

В обоих вариантах способа для приготовления подштыревой массы с содержанием влаги менее 0,5% используют каменноугольные пеки с температурой размягчения 65-125°С, причем массу желательно формовать в виде брикетов или гранул с объемной плотностью 1,5-1,6 г/см³. К тому же в обоих вариантах формирования вторичного анода на период загрузки в подштыревые отверстия можно устанавливать втулки из неферромагнитного материала высотой 200-250 мм, снабженные крышками.

Общим существенным признаком прототипа и обоих вариантов выполнения предлагаемого способа, находящимся в причинно-следственной связи с техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является использование для формирования вторичного анода пасты с высокой степенью текучести, что обеспечивает низкую пористость вторичного анода и низкое падение напряжения в аноде за счет хорошего контакта на границе вторичный анод - тело анода.

В то же время предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа по следующим признакам:

1) если в прототипе гран-состав коксового наполнителя вторичного анода идентичен по всей высоте, то в предлагаемом решении для обеспечения легкоплавкости и высокой подвижности верхнего слоя вторичного анода предлагается уменьшить максимальную крупность коксового зерна до предпочтительно величины менее 4 мм, а содержание суммарной пылевой фракции поддерживать в количестве не менее 50%;

2) для формирования нижней части вторичного анода предлагается использовать коксовую шихту предпочтительно гран-состава, идентичного гран-составу шихты первичного анода;

3) в предлагаемом техническом решении формирование вторичного анода идет непосредственно в теле анода, причем верхний, по технической сущности уплотняюще-пропитывающий слой, по массе меньше нижнего и составляет 20-40% от общей загрузки.

Таким образом, проведенный заявителем анализ прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить новую совокупность существенных по отношению к техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения по первому варианту реализации способа. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

По второму варианту реализации способа формирования вторичного анода предлагается формировать однородный по высоте вторичный анод из массы с текучестью не менее 2,7 отн.ед. из коксовой шихты крупностью менее 2 мм.

Снижение крупности максимальных частиц коксовой шихты до величины менее 2 мм является новым решением как по отношению к прототипу, так и по отношению к известным на сегодняшний день решениям. В процессе изучения имеющейся патентной и технической информации коксовой шихты для вторичного анода с таким гран-составом не найдено. Хотя в принципе на снижение гран-состава подштыревой массы направлены ряд патентов.

Так, в А.С. СССР N1498824 (С 25 С 3/12, от 15.09.87 г.) "Анодная масса для формирования вторичного анода в электролизере для получения алюминия" предлагается масса на основе коксовой шихты, содержащей:

кл. 4,0-1,0 мм - 22% (20-24%);

кл. 1,0-0,08 мм - 24% (22-26%);

кл. 0,08 мм - 54% (52-56%).

Заявляемый состав отличается от известного и от прототипа не только размером максимального зерна, но и содержанием фракции -0,08 мм (-0,074 мм) в пыли: в известном - 52-56%; в предлагаемом - 42±4% (см. табл.2). Содержание фракции -0,08 мм в пыли является НОУ-ХАУ заявляемого решения. Снижение содержания фракции -0,08 мм позволяет снизить содержание связующего в подштыревой массе с 40-45% до менее 35% (см. табл.2).

Известен также патент США №4490826 (С 25 С 3/06, от 2.06.81 г.) "Способ перестановки анодных штырей, в котором формирование вторичного анода экономично", где подштыревая связующая паста имеет следующий гран-состав:

фракция -0,074 мм- 20-40%;фракция -5 мм + 0,074 мм- остальное.

По содержанию фракции -0,08 мм (-0,074) предлагаемое и известное решения практически идентичны, но по патенту США максимальная крупность кокса равна 5 мм в отличие от 4 мм в заявляемом.

Необходимо отметить, что некоторое загрубление пыли (снижение содержания фракции -0,08 мм) и снижение крупности максимальных частиц коксовой шихты до -2 мм позволяет получить вторичный анод более высокого качества, обладающий достаточной легкоплавкостью и подвижностью.

Также к отличительным признакам заявляемого технического решения, позволяющим достичь поставленный технический результат, относится следующее:

- в способе заявителя предлагается подштыревую массу брикетировать или гранулировать с получением брикетов или гранул с объемной плотностью 1,5-1,6 г/см³, что в 1,5 раза выше, чем у дробленой массы. Это обеспечивает полную разовую загрузку в подштыревое отверстие необходимого количества подштыревой массы (10-11 кг), что, в свою очередь, предотвращает выдавливание подштыревой массы на поверхность анода;

- в способе заявителя массовая доля "сухой" подштыревой массы составляет 60-80% от общей загрузки. Данный интервал определен для технического уровня сегодняшнего дня, когда расстояние между штырями одного ряда составляет 300-400 мм. В процессе дальнейшего совершенствования схемы расстановки штырей данный интервал будет меняться;

- в способе заявителя при формировании вторичного анода между технологическими операциями загрузки массы и установки штыря выдерживают временные интервалы 4-6 мин;

- в способе заявителя на период загрузки поштыревой массы в подштыревое отверстие устанавливают втулку из неферромагнитного материала высотой 200-250 мм, снабженную крышкой. Установка втулок с крышками вызвана тем, что использование "сухой" анодной массы полностью не решает проблему залповых выбросов смолистых и канцерогенных веществ при перестановке штырей. Выбросы при перестановке штырей составляют 20-30% от всех выбросов углеводородов. Наличие втулок с крышками предупреждает выброс вредных веществ в атмосферу цеха и в то же время позволяет в случае необходимости произвести дополнительную подгрузку подштыревой массы.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками.

Результаты поиска показали, что:

1) подача подштыревой массы в подштыревое отверстие в дробленом или брикетированном виде принципиально известна и широко применяется в практике, например заявка №144641, Норвегия "Установка для засыпки анодной массы в отверстие под стержнем, возникающее при извлечении анодного стержня" (публ. 19.06.81 г., С 25 С 3/12) или в патенте Японии №57-28749 "Вторичная анодная масса для электролизеров Зодерберга с верхним токоподводом" (публ. 18.06.82 г., С 25 С 3/12). Но в обоих случаях в подштыревое отверстие загружают массу, однородную по составу;

2) использование различных способов сокращения выбросов вредных веществ при перестановке штырей также широко известно. Так, в практике Братского алюминиевого завода опробованы алюминиевые пробки и втулки для подштыревых отверстий, но втулки, снабженные крышками, до настоящего времени не использовались.

Таким образом, результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлен способ формирования вторичного анода и состав подштыревой массы, предусматривающие наличие отличительных признаков, указанных в формуле изобретения.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Заявляемое техническое решение реализуется следующим образом.

Вариант 1.

В цехе производства анодной массы помимо массы для основного анода предварительно готовят подштыревую "жирную" массу на основе мелких фракций кокса (менее 4 мм).

В электролизном цехе осуществляют перестановку штырей в следующей последовательности:

1) извлекают штыри и в подштыревые отверстия устанавливают втулки из неферромагнитного материала высотой 200-250 мм;

2) загрузку массы в подштыревые отверстия производят последовательно: вначале загружают массу для основного анода в количестве 60-80% от общей загрузки, затем загружают в отверстие "жирную" массу и закрывают крышки;

3) по истечении 4-6 минут втулки из анода вынимают и в подштыревые отверстия устанавливают штыри на заданный горизонт.

Как один из вариантов, загрузку подштыревой массы можно производить, например, из специального 2-секционного бункера для "сухой" и "жирной" подштыревой массы. Каждая секция имеет свою течку, управляемую как в автоматическом, так и "ручном" режиме. Скорость подачи брикетов массы регулируется с таким расчетом, чтобы не происходило их зависание в подштыревом отверстии.

Вариант 2.

По второму варианту загружается "жирная" масса заявляемого состава. Последовательность технологических операций такая же, как в первом варианте.

Экспериментальные данные, полученные в лабораторных условиях, представлены в табл.1, 2. Согласно табл.2 лучшие показатели по техопробованию "жирной" подштыревой массы для формирования вторичного анода по первому варианту относятся к №9 третьей серии замесов. Данная масса характеризуется максимальной крупностью зерна -4 мм (табл.1) и содержанием суммарной пыли 70%, причем содержание фракции -0,08 мм на уровне 41,2%.

Согласно табл.2 лучшие показатели по техопробованию «жирной» подштыревой массы для формирования вторичного анода по второму варианту относятся к №6 второй серии замесов. Данная масса характеризуется максимальной крупностью зерна -2 мм (табл.1) и содержанием суммарной пыли 70%, причем содержание фракции -0,08 мм на уровне 41,2%.

Приведенные данные позволяют рекомендовать заявленный состав подштыревой массы, а также способ формирования вторичного анода на ее основе для промышленного внедрения.

Таблица 1.
Гранулометрический состав коксовой шихты лабораторных замесов подштыревой анодной массыСерия№Пыль+6 мм-6+4 мм-4+2 мм-2+1 мм-1+0,08 мм-0,08 мм11100-----58,82100-----58,83100-----58,82450---2050,629,4560---1549,735,3670---1048,841,23750--201436,629,4860--1512,237,535,3970--1010,438,441,2410500,520101624,129,411600,416812,827,535,312700,31269,630,941,2

Таблица 2
Состав и свойства подштыревой анодной массы№ п/п Содержание пыли в шихте, %Содержание пыли в мас.%Содержание -0,08 мм в шихте, %Дозировка связующего, %Коэффициент текучести, отн.ед.Пористость, %Предел прочности на сжатие, МПаУдельное электросопротивление, мкОм·мРазрушаемость в CO₂, мг/см²·чОбщаяОсыпаемость1Серия 110056,758,843,33,446,523,2115,640,73,121005858,842,03,1250,012,4120,238,43,431005958,841,02,9439,935,0102,251,96,24Серия 25031,529,437,02,946,217,7124,556,617,756037,535,337,52,9244,722,0105,545,19,367043,241,238,32,943,525,996,041,65,37Серия 35033,529,433,02,9339,323,086,040,76,286039,635,334,02,9339,019,592,249,510,697045,541,235,02,8537,426,376,532,71,810Серия 45033,529,433,03,239,913,894,653,115,9116039,835,333,73,0837,617,193,751,316,8127045,941,234,42,937,520,295,137,27,1

Группа изобретений (варианты) относится к производству самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом на основе "сухой" массы, в частности к формированию вторичного анода. Техническим результатом является повышение технико-экономических показателей производства самообжигающихся анодов, обеспечение технологичности процесса формирования вторичного анода и снижение вредных выбросов в атмосферу. Способ может быть реализован двумя вариантами: формированием неоднородного или однородного по высоте вторичного анода. По первому варианту формируют неоднородный по высоте вторичный анод, нижняя часть которого готовится из подштыревой массы с коэффициентом текучести менее 1,8 отн.ед. на основе коксовой шихты, предпочтительно идентичной по дисперсности основному аноду, а верхняя - из подштыревой массы с коэффициентом текучести не менее 2,7 отн.ед. из коксовой шихты, предпочтительно крупностью менее 4 мм. По второму варианту формируют однородный по высоте вторичный анод из массы с текучестью не менее 2,7 отн.ед. из коксовой шихты крупностью менее 2 мм. 2 c. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, включающий приготовление подштыревой массы из полидисперсной коксовой шихты и углеводородного связующего и загрузку подштыревой массы в подштыревые отверстия после извлечения анодных штырей, отличающийся тем, что подштыревую массу готовят с коэффициентом текучести менее 1,8 отн.ед. из коксовой шихты, предпочтительно идентичной по дисперсности основному аноду, и подштыревую массу с коэффициентом не менее 2,7 отн.ед. из коксовой шихты крупностью менее 4 мм при поддержании содержания суммарной пылевой фракции не менее 50%, при этом в подштыревые отверстия вначале загружают массу с коэффициентом текучести менее 1,8 отн.ед., а затем массу с коэффициентом текучести не менее 2,7 отн.ед.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подштыревую массу готовят с содержанием влаги менее 0,5%.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу с коэффициентом текучести менее 1,8 отн.ед. загружают в подштыревые отверстия в количестве 60÷80% от общей загрузки.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что между технологическими операциями загрузки подштыревой массы в подштыревые отверстия выдерживают временной интервал 4÷6 мин.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на период загрузки подштыревой массы в подштыревые отверстия устанавливают втулку из неферромагнитного материала высотой 200÷250 мм, снабженную крышкой.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородного связующего используют каменноугольные пеки с температурой размягчения 65÷125°C.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что подштыревую массу подают в виде брикетов или гранул с объемной плотностью 1,5÷1,6 г/см³.8. Способ формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, включающий приготовление подштыревой массы из полидисперсной коксовой шихты и углеводородного связующего и загрузку подштыревой массы в подштыревые отверстия после извлечения анодных штырей, отличающийся тем, что в подштыревые отверстия загружают подштыревую массу с коэффициентом текучести не менее 2,7 отн.ед., при этом подштыревую массу готовят из коксовой шихты крупностью менее 2 мм при поддержании содержания суммарной пылевой фракции не менее 50%.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что подштыревую массу готовят с содержанием влаги менее 0,5%.10. Способ по п.8, отличающийся тем, что подштыревую массу подают в виде брикетов или гранул с объемной плотностью 1,5÷1,6 г/см³.11. Способ по п.8, отличающийся тем, что на период загрузки подштыревой массы в подштыревые отверстия устанавливают втулку из неферромагнитного материала высотой 200-250 мм, снабженную крышкой.12. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве углеводородного связующего используют каменноугольные пеки с температурой размягчения 65÷125°С.