НОВЫЕ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УКРЫВАНИЯ АНОДА В АЛЮМИНИЕВОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ Российский патент 2018 года по МПК C25C3/10 C25C3/12 

Область техники

Настоящее изобретение касается области электролитических методов получения алюминия и относится к способу укрывания анода для снижения электрического напряжения в алюминиевом электролизере, которое применяют при производстве и эксплуатации.

Предпосылки изобретения

Ключом для реализации энергосбережения, снижения потребления энергии и снижения выбросов в электролитическом производстве алюминия является повышение технического уровня оборудования электролиза алюминия в производстве и эксплуатации. В существующем электролитическом производстве алюминия падение напряжения на слое анодных пузырьков составляет примерно 0,25 В, тогда как перенапряжение анодной концентрации и перенапряжение поверхности анода составляют примерно 0,55 В. Все эти три значения напряжения относятся к слою пузырьков под подошвой анода. Поэтому, если бы анодные пузырьки могли быть выпущены организованным образом, то была бы непосредственно снижена толщина слоя пузырьков, и, в свою очередь, падение напряжения на пузырьках и анодное перенапряжение могли бы понизиться, с достижением тем самым эффектов энергосбережения.

В дополнение, при производстве и эксплуатации существующего алюминиевого электролизера, как показано на фигуре 1, состав слоя засыпающего анод материала (засыпки) соответствует смешанному материалу из частиц электролита и частиц оксида алюминия с различными гранулометрическими составами. Слой засыпочного материала предназначен в первую очередь для термоизоляции и предотвращения окисления на поверхности анода. Засыпочный материал в основном насыпают за счет добавления с помощью мостового крана и путем ручной обмуровки.

На современных этапах электролитического производства замена анода почти стала необходимой для каждого электролизера ежедневной операцией, притом, что она занимает примерно 30 минут от приготовления к замене анода до добавления засыпочного материала в нужные места. В ходе замены анода существуют несколько этапов, таких как: сгребание разрыхленного засыпочного материала на поверхности анода перед приготовлением к замене старого анода, добавление засыпочного материала на новый анод и т.п.

При этом производство и эксплуатация электролизеров все в большей мере требует точного управления. Что касается добавления анодной засыпки, то у каждого завода есть соответственно предписанная доля каждого компонента, требования по диаметру частиц, контролю за толщиной и т.п. засыпочного материала. Однако, привнесение большего количества ручных работ усложняет практическое внедрение процессов с точки зрения контроля и реализации количественных критериев. Становится сложно стандартизировать характеристики, проявляющиеся в каждом электролизере на каждом рабочем участке и в каждой области.

Проблемы, существующие при современной анодной засыпке, можно подразделить на две части следующим образом:

Первая часть: засыпочный материал поверх ванны

1) Неравномерность толщины и состава: нанесение современного засыпочного материала полностью контролируется операторами, что приводит к неравномерности толщины засыпочного материала. При этом сложно гарантировать равномерность толщины слоя засыпки, что приводит к относительно плохой однородности теплоизоляции.

2) Неоднородность засыпки и плохая однородность теплоизоляции и стойкости к окислению анода, которые вызваны разницей в текучести (сыпучести) компонентов: первичные компоненты существующего засыпочного материала представляют собой частицы электролита и порошок оксида алюминия, а требования по частицам и компонентам на каждом заводе отличаются от тех, которые приняты на другом заводе. Текучесть порошкового материала относительно лучше, но он склонен к неблагоприятным ситуациям, таким как окисление анода, закупоривание отверстия для подачи материала, воспламенение отверстий и т.п.

3) Трудозатраты и время выполнения операций по разрушению корки мостовым краном: поскольку корка из засыпочного материала на остаточном аноде очень жесткая, перед вытаскиванием анода необходимо разрушение корки вдоль краев остаточного анода многофункциональным мостовым краном, причем на разрушение корки требуется 5-10 минут. Разрушение корки становится одним из нескольких основных действий по замене анода и занимает рабочее время мостового крана.

4) Удаление комков и порошка в ходе замены анода приводит к флуктуации в электролизере: замена анода - это операция, которая оказывает наибольшее воздействие на стабильность электролизера. В дополнение к влиянию, оказываемому задаваемыми значениями высоты анода, осколки корки и порошковый материал оксида алюминия часто падают при замене анода в жидкий электролит, что также является одной из главных причин флуктуаций в условиях работы ванны электролизера и флуктуаций напряжения, приводящих к потерям электропотребления. Кроме того, после нажатия кнопки для замены анода, система управления будет подавать материалы и продолжать обработку несколько раз в целях предотвращения возникновения каких-либо эффектов в переменнотоковом процессе. Часть подаваемого таким образом оксида алюминия и засыпочного материала, упавшего в ванну, также приведет к возникновению осадков, что делает условия работы электролизной ванны нестабильными и укорачивает срок службы ванны.

5) Потери в ходе охлаждения засыпочного материала на остаточном аноде и в ходе нагрева засыпочного материала на новом аноде: шлаковая корка засыпочного материала на замененном остаточном аноде имеет температуру 500-800°C и может быть переработана только после естественного охлаждения, что приводит к значительным потерям тепла. Более того, добавленный новый засыпочный материал также должен быть подогрет, что также приводит к огромным потерям энергии.

Вторая часть: система рециркуляции засыпочного материала

1) Капиталовложения и эксплуатационные расходы на систему подачи и дозировки засыпочного материала: в технологической схеме электролитических конструкций архитектура рециркуляции засыпающего анод материала представляет собой систему, которая является вторичной только в отношении системы транспортировки оксида алюминия. Для того чтобы поддерживать циркуляцию засыпочного материала, необходимо сконфигурировать: систему транспортировки свежего оксида алюминия и систему добавления материалов мостовым краном, систему измельчения и транспортировки порошка электролита, систему измельчения и транспортировки осколочного материала из различных частиц электролита, склад для хранения шлаковых корок и осколков, а также склад для хранения засыпочного материала в цеху и т.д. Таким образом, с одной стороны, затраты на строительство и капиталовложения будут повышенными, а, с другой стороны, необходимы значительные расходы на поддержание функционирования систем.

2) Систематическое накопление засыпочного материала: засыпочный материал в системе рециркуляции происходит из шлаковых корок и осколков остаточных анодов, осколков электролита в электролизере, шлаковых корок и осколков в ковшах, грязного материала из оксида алюминия и т.п. Со старением электролизной серии объем материала в такой архитектуре может повыситься до неожиданного порядка величины. Если взять электролизную серию, которая проработала 15 лет и обладает производительностью, например, в триста тысяч тонн, накопленный объем засыпочного материала будет составлять до ста тысяч тонн. Шлаковые корки на предприятии будут ссыпаться наподобие горы, шокируя взгляд, и существует лишь немного способов устранения этих накоплений, становящихся большой проблемой на местных и зарубежных электролизных предприятиях. Эти накопленные материалы в значительной части происходят из засыпающего анод материала, а также будут главным образом заканчиваться засыпающим анод материалом, что вызывает увеличение технологической нагрузки по рециркуляции материалов, повышая затраты на переработку, и, тем не менее, эта часть материала также повышает застой и бесполезный расход капитала.

3) Засыпочный материал подвержен загрязнению при рециркуляции, что, в свою очередь, приводит к ухудшению качества электролита и первичного алюминия: в ходе транспортировки, измельчения, дозировании и загрузки при архитектуре для засыпочного материала становится крайне простым попадание неизвестных материалов, такие как кусочки железа, инструменты, куски грязи, остаточные куски SiC и т.п. Упомянутые неизвестные материалы вернутся в электролизер после переработки, вызывая беспорядочное появление нежелательных компонентов, таких как Ca, Si, Mg, Fe и т.п., в электролите и первичном алюминии и, таким образом, оказывая влияние на электрохимические реакции и понижая качество первичного алюминия.

Краткая сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает новые способ и устройство для укрывания (или, иными словами, покрывания, накрывания, закрывания) анода в алюминиевом электролизере, которые, исходя из обеспечения засыпочного материала, который образован смешиванием оксида алюминия и электролита для поддержания существующей функции теплоизоляции и антиокисления, могут снизить капиталовложения в строительство и эксплуатационные расходы на построение систем, таких как системы измельчения, транспортировки, добавления современного засыпочного материала и т.п.; могут снизить трудозатраты и время на операции обслуживания, такие как разрушение корки, обмуровка, разравнивание и т.п., при производстве современного засыпочного материала; могут снизить затраты на переработку при рециркуляции засыпочного материала и застой капитала на сырьевые материалы; при этом позволяют выпускать анодные пузырьки организованным образом, тем самым понижая непосредственно толщину слоя пузырьков и, в свою очередь, понижая падение напряжения на пузырьках и анодное перенапряжение с тем, чтобы сэкономить энергию; повышают степень рециркуляции теплоты, поскольку укрывающее анод устройство с высокой температурой на остаточном аноде может быть непосредственно использовано на новом аноде, снижая потери тепла с обеспечением возможности предварительного нагрева нового анода.

Описание чертежей

Фигура 1 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее слой современной засыпки, который выполнен путем смешивания оксида алюминия и электролита;

Фигура 2 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее приспособление для укрывания анода в алюминиевом электролизере;

Фигура 3 представляет собой схему строения, иллюстрирующую новое устройство для укрывания анода в алюминиевом электролизере;

Фигура 4 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее устройство для укрывания анода во всей электролизной ванне;

Фигура 5 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее заменяющую платформу для нового укрывающего анод устройства, используемого в алюминиевом электролизере.

Подробное описание вариантов воплощения

Как показано на фигуре 2, настоящее изобретение состоит в том, что: приспособление для укрывания анода составлено из трех частей, которые, двигаясь вверх от верхней стороны анода, представляют собой антиокислительный слой (6) на аноде, новое устройство для укрывания анода или, иными словами, укрывающее анод устройство (1), и антиокислительный слой (7) в зазоре.

Кроме того, как показано укрывающим анод приспособлением на фигуре 2 и укрывающим анод устройством для всей ванны на фигуре 4, в областях над «неанодными» областями в электролизере, т.е. на боковой стороне и торце электролизной ванны, установлены укрывающее устройство (2) для торца ванны и укрывающее устройство (3) для боковой стороны ванны, составляющие систему укрывания, которая покрывает полностью весь электролизер и тем самым обеспечивает теплоизоляционную и антиокислительную функцию укрывающего устройства.

В частности, укрывающее анод устройство (1) образовано из стенки (9) полости, которая устойчива к коррозии и высокой температуре, и полости (10), как показано на фигуре 3. Стенка (9) полости может свободно открываться, позволяя вводить или извлекать теплоизоляционный материал в/из полости (10); на устройстве (1) выполнены вентиляционные каналы (8) для направления потока, причем вентиляционный канал (8) проходит насквозь от низа до верха укрывающего анод устройства (1) и может быть установлен в виде множества групп на укрывающем анод устройстве (1); на стенке (9) полости может быть установлено вытяжное кольцо (11) для облегчения установки, демонтажа (разборки) и перемещения укрывающего анод устройства (1) с использованием инструментов.

Укрывающее устройство, расположенное на месте разрушения корки и подачи материала оксида алюминия и расположенное на выпуске алюминия, снабжено отверстием для того, чтобы гарантировать успешное осуществление таких операций, как разрушение корки, подача материала и выливка алюминия.

Настоящее изобретение предполагает, что на укрывающем анод устройстве (1) выполнены вентиляционные каналы (8), причем вентиляционный канал (8) проходит насквозь от низа до верха укрывающего анод устройства (1) и может быть установлен в виде множества групп на укрывающем анод устройстве (1). Выполнение вентиляционных каналов (8) позволяет организованно выпускать пузырьки в электролизере, что выгодно для снижения омического падения напряжения на анодных пузырьках и анодного перенапряжения в электролизере, при снижении флуктуаций жидкого алюминия и повышении стабильности электролизера.

Более того, настоящее изобретение также позволяет устанавливать заменяющую платформу для замены укрывающего анод устройства, которая позволяет быстро осуществить демонтаж высокотемпературного укрывающего анод устройства на остаточном аноде, а затем установку его непосредственно (прямо, сразу) на новый анод. Заменяющая платформа обладает такими характеристиками, как безопасность, экологичность, простота в эксплуатации и т.п.

В частности, как показано на фигуре 5, платформа для замены укрывающего анод устройства включает в себя поддон (12) для размещения анодов и манипулятор (13) для демонтажа и установки укрывающего анод устройства. В поддоне (12) для размещения анодов можно разместить по меньшей мере два комплекта анодов.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения новый способ укрывания анода, используемый в алюминиевом электролизере, включает в себя осуществление следующих этапов:

1) насыпание одного слоя порошка оксида алюминия на новый заменяющий анод, с толщиной 1-3 см;

2) размещение укрывающего анод устройства (1) на слое оксида алюминия;

3) заполнение зазора между стальными лапами и зазора между укрывающими анод устройствами порошком оксида алюминия;

4) вытягивание остаточного анода мостовым краном (без таких операций, как разрушение корки, удаление шлака и захват осколков и т.д.), транспортировку нового анода краном и его установку на место, заполнение зазора между укрывающими анод устройствами небольшим количеством порошка оксида алюминия (без таких операций, как разравнивание, обмуровка, добавление засыпочного материала и т.п.), после чего замена анода завершена.

Предусмотренные настоящим изобретением новые способ и устройство для укрывания анода в алюминиевом электролизере, которые, исходя из обеспечения современного засыпочного материала, выполненного путем смешивания оксида алюминия и электролита для поддержания функции теплоизоляции и антиокисления, обеспечивают возможность выпуска анодных пузырьков организованным образом и позволяют снизить капиталовложения в строительство и эксплуатационные расходы на построение таких систем, как системы измельчения, транспортировки, добавления современного засыпочного материала и т.п.; позволяют снизить трудозатраты и время на операции обслуживания, такие как разрушение корки, обмуровка, разравнивание и т.п., при производстве современного засыпочного материала; и позволяют снизить затраты на переработку при рециркуляции засыпочного материала и застой капитала на сырьевые материалы.

Изобретение относится к укрывающему анодному устройству для использования в алюминиевом электролизере, которое образовано из стенки полости, которая устойчива к коррозии и высокой температуре, и полости, причем теплоизоляционный материал может быть введен в или извлечен из полости, а на устройстве выполнены вентиляционные каналы для направления потока. Также изобретение относится к укрывающему анод приспособлению и способу укрывания анода. Использование настоящего изобретения позволяет выпускать анодные пузырьки организованным образом, может снизить капиталовложения в строительство и эксплуатационные расходы на постройку таких систем, как системы измельчения, транспортировки, добавления современного засыпочного материала и т.п.; может снизить трудозатраты и время на операции обслуживания, такие как разрушение корки, обмуровку, разравнивание и т.п., в производстве современного засыпочного материала; и может снизить затраты на переработку при рециркуляции засыпочного материала и снизить застой капитала на сырьевые материалы. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере, которое образовано из стенки (9) полости, которая устойчива к коррозии и высокой температуре, и полости (10), причем теплоизоляционный материал может быть введен в или извлечен из полости (10), а на устройстве (1) выполнены вентиляционные каналы (8) для направления потока.

2. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1, которое характеризуется тем, что стенка (9) полости и полость (10) могут быть выполнены из материала, который пригоден для теплоизоляции и огнеупорен, представляя собой стереотипный элемент, который изготовлен по шаблону как одно целое.

3. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1, которое характеризуется тем, что стенка (9) полости может свободно открываться.

4. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1, которое характеризуется тем, что вентиляционный канал (8) проходит насквозь от низа до верха укрывающего анод устройства (1).

5. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1, которое характеризуется тем, что вентиляционный канал (8) может быть установлен в виде множества групп на укрывающем анод устройстве (1).

6. Новое укрывающее анод устройство (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1, которое характеризуется тем, что на стенке (9) полости может быть установлено вытяжное кольцо (11) для облегчения установки, демонтажа и перемещения укрывающего анод устройства (1) с использованием инструментов.

7. Новое укрывающее анод приспособление для использования в алюминиевом электролизере, составленное из трех частей, которые, двигаясь вверх от верхней стороны анода, представляют собой антиокислительный слой (6) на аноде, новое укрывающее анод устройство (1) по п. 1 и антиокислительный слой (7) в зазоре.

8. Новое укрывающее анод приспособление для использования в алюминиевом электролизере по п. 7, которое характеризуется тем, что в областях над «неанодными» областями в электролизере, т.е. на боковой стороне и на торце электролизной ванны, установлены укрывающее устройство (2) для торца ванны и укрывающее устройство (3) для боковой стороны ванны, составляющие систему укрывания, которая покрывает полностью весь электролизер и тем самым обеспечивает теплоизоляционную и антиокислительную функцию укрывающего устройства.

9. Новое укрывающее анод приспособление для использования в алюминиевом электролизере по п. 7 или 8, которое характеризуется тем, что укрывающее устройство, расположенное на месте разрушения корки и подачи материала оксида алюминия и расположенное на выпуске алюминия, снабжено отверстием для того, чтобы гарантировать успешное осуществление операций, таких как разрушение корки, подача материала и выливка алюминия.

10. Новый способ укрывания анода для использования в алюминиевом электролизере, включающий в себя:

укрывание анода в алюминиевом электролизере новым укрывающим анод устройством (1) для использования в алюминиевом электролизере по п. 1.

11. Способ по п. 10, причем при укрывании анода в алюминиевом электролизере укрывающим анод устройством (1) сначала на анод наносят один слой порошка оксида алюминия с толщиной 1-3 см, а затем помещают укрывающее анод устройство (1) на этот слой порошка оксида алюминия.

12. Способ по п. 10 или 11, который дополнительно включает в себя заполнение зазора между стальными лапами и зазора между укрывающими анод устройствами (1) порошком оксида алюминия.

13. Способ по п. 10, в котором укрывающее анод устройство (1) с высокой температурой на остаточном аноде может быть повторно использовано в высокотемпературном состоянии и применяется непосредственно для нового заменяющего анода для электролизера.

14. Способ по п. 10 или 13, в котором дополнительно размещают платформу для замены укрывающего анод устройства, которую используют для быстрого демонтажа высокотемпературного укрывающего анод устройства на остаточном аноде, а затем установки его непосредственно на новом аноде.

15. Способ по п. 14, в котором платформа для замены укрывающего анод устройства включает в себя поддон (12) для размещения анодов и манипулятор (13) для демонтажа и установки укрывающего анод устройства (13).

16. Способ по п. 14, в котором поддон (12) для размещения анодов может принимать по меньшей мере два комплекта анодов.