Устройство для гашения анодного эффекта Советский патент 1993 года по МПК C25C3/00 C25C3/06 

Изобретение относится к области электрометаллургии алюминия, в частности к анодным устройствам алюминиевого элек-. тролизера.

Известно устройство для гашения анодного эффекта сжатым воздухом, содержащее трубу, нижний конец которой запечен в тело анода, а верхний связан с вентилем магистрали сжатого воздуха посредством клапана.

Согласно другому техническому решению, расходуемые или нерасходуемые каналы и трубы размещены в теле анода по его продольной или поперечной осям в один или несколько рядов.

Недостатками известных устройств являются следующие:

1. При длительном использовании устройства угольный материал нижней границы анода вокруг нижней части каналов и труб подвержен интенсивному выгоранию. В результате на рабочей поверхности анода образуются лунки и трещины, изменяется картина распределения силовых линий тока, ухудшается кинетика электродных процессов, снижается эффективность гашения анодных эффектов за счет снижения удельного давления подаваемого воздуха в зоне образовавшейся лунки. Кроме того, газы проникают в верхние слои анода. Это приводит к ухудшению его качества, увеличению пористости за счет окисления и тем самым повышению расхода анодной массы.

2. Применительно к гашению анодных эффектов осевое расположение каналов или

ч|

00

о

I

труб в аноде снижает эффективность гашения, поскольку, как известно, анодный эффект протекает преимущественно ближе к периферии анода.

3. Применительно к электролизерам с верхним токоподводом и самообжигающимися анодами осевое расположение труб загромождает рабочую зону обслуживания анода, ухудшает условия работы персонала.

Целью изобретения является повыше- ние эффективности устранения анодных эффектов и снижение расхода анодной массы. Поставленная цель достигается тем, что устройство для гашения анодного эффекта в алюминиевом электролизере, содержащее самообжигающийся анод, заключенный в анодный кожух, трубы, вертикально установленные в аноде и соединенные в верхней части с источником сжатого воздуха или дисперсных материалов, загружаемых в электролит междуполюсного расстояния, дополнительно снабжено патрубками, размещенными коаксиально вокруг труб, заглубленными нижними концами в анод и жестко закрепленными на анодном кожухе, и приспособлениями для подачи глинозема или его шихты с фторсолями в зазор между трубой и патрубком. Величина зазора между трубой и патрубком составляет 0,2-1,3 диаметра трубы, причем трубы жестко сое- динены с патрубками, нижние концы патрубков могут быть заглублены в анод ниже или выше верхнего уровня его спеченной части. ;

Изоляционный слой из глинозема или его шихты с йнТйБирующими добавками, выполненный на поверхности вертикальных каналов или между наружной поверхностью запеченной трубы и анодом и образующийся при периодическом подъеме анодного кожуха, препятствует проникновению анодных газов и воздуха снизу к поверхности канала или в зазор между трубой и анодом; Формирование слоя на всю высоту анода обеспечивает прохождение мате- риала защитного слоя через все значения температур самообжигающегося анода со скоростью, равной скорости сгорания анода. При этом защитный слой неподвижен относительно анода и запеченной трубы. В зонах высоких температур защитный слой подвержен обжатию вследствие объемного расширения материала трубы и материала анода. В результате защитный слой, пропитанный смолистыми веществами, уплотня- ется и внедряется в пористую структуру скоксовавшегося анода, возрастает адгезия двух фаз, происходит спекание.

Плотное прилегание изолирующего слоя к аноду и трубе, во-первых, препятствует фильтрации газов внутри угольного материала к его поверхности, граничной с трубой, тем самым предотвращает выгорание близлежащих слоев анода, во-вторых, по достижении нижней границы анода происходит растворение защитного слоя в электролите. Следовательно, по&ерхность каналов или анода вокруг трубы покрыта прочным изолирующим слоем по всей высоте анода. При этом часть Джоулева тепла в аноде расходуется на адгезию дисперсного материала на угле. Это снижает температуру вокруг канала или трубы и замедляет скорость реакции окисления.

Наконец, применение электроизолирующего слоя устраняет протекание электрического тока по запеченной трубе, что также снижает выделение Джоулева тепла и образование трещин и лунок, появляется возможность применения алюминиевых труб. Все это в совокупности с медленным растворением небольших порций глинозема или шихты снижает расход анодной массы, а тдкже улучшает газогидродинамику в при- з ектродном слое и кинеТйУу ведения процесса электролиза.

.Наличие наружной футеровки устраняет обгорание нижнего конца запеченной трубы вплоть до некоторого заглубления его в электролит, что в совокупности с отсутствием выгоревшей лунки вокруг трубы повышает концентрацию (кумулятивность) струи подаваемого воздуха и тем самым его удельное давление по вертикали при гашении анодного эффекта (АЭ). Это значительно повышает эффективность гашения, позволяет снизить расход сжатого воздуха за счет снижения его рабочего давления.

Ингибирующие свойства добавок фтор- солей в шихте защитного материала повышают эффективность защиты близлежащих слоев углерода от окисления.

Толщину поперечного сечения защитного слоя определяют опытным путем. Так, для запеченной трубы диаметром 50 мм (оптимальный размер отверстия для гашения анодных эффектов методом пневмопульса- ций и подачи сырья) максимальный диаметр выгоревших лунок на самообжигающемся аноде действующих электролизеров составляет 150-180 мм, что в пересчете на требуемую толщину защитного слоя соответствует 100-125% от номинального диаметра канала. Следовательно, максимальная толщина защитного слоя должна быть не более 1,3 диаметра трубы.

Минимальная толщина защитного слоя обусловлена необходимостью и достаточностью обеспечения электроизолирующих и футеровочных свойств, а также свойства адгезии двух фаз для вертикальных каналов. Для трубы диаметром 50 мм минимальная толщина слоя составит 10 мм, что. как показывают результаты испытаний, обеспечивает выполнение вышеуказанных функций и может быть реализовано конструктивно.

Для футеровки канала предпочтителен диапазон толщины слоя 20-60% от сечения канала, для футеровки запеченных труб диапазон 60-130%.

Вертикальные каналы или запеченные . трубы размещены в аноде со смещением относительно его осей и не достигают его боковых граней, причем отношение ширины анода к расстоянию от оси трубы/канала до продольной боковой грани анода составляет (2,3-10): 1, отношение длины анода и расстояния от оси трубы/канала до торцевой боковой грани анода составляет (3-7): 1.

Смещение труб/каналов в плане анода относительно его осей обусловлено природой протекания анодного эффекта (преимущественно ближе к периферии анода), его локальным характером, спецификой образования волн металла в межэлектродном расстоянии, динамикой эвакуации газов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено вертикальное сечение анодного устройства для запеченной трубы; на фиг. 2 - сечение анодного устройства для вертикального канала, образованного подвижной трубой; на фиг. 3 - варианты выполнения нижнего конца патрубка; на фиг. 4 - расположение труб/каналов анода, в плане.

Устройство содержит самообжигающийся углеродосодержащий анод, состоящий из неспеченной 1 и спеченной 2 частей. Нижняя граница 3 спеченной части анода расположена ниже уровня 4 электролита. В аноде выполнены вертикальные сквозные отверстия в виде запеченной расходуемой трубы 5 (фиг. 1) или за счет подвижной трубы 5 (фиг. 2), нижним концом заглубленной в спеченную часть 2 анода.

В верхней части запеченная или подвижная труба 5 снабжены соосным наружным патрубком 6, выполненным коаксиально из трубы и имеющим диаметр больше диаметра запеченной или подвижной трубы 5.

В образовавшийся зазор 7 загружают порошкообразный дисперсный материал 8, поступающий через приемник 9 по патрубкам 10, например, из системы ЦРГ (на чертеже не показана).

Наружный патрубок 6 жестко закреплен изолирующим кронштейном 11 на поперечном контрфорсе 12 анодного кожуха (последний не показан на чертеже).

Патрубок 6 подвижной трубы 5 (фиг. 2) для большей жесткости, необходимой при поддергивании нижнего конца трубы 5 в спеченной части, установлен на продольной 5 балке 13, жестко закрепленной между двумя контрфорсами 12. Нижний конец патрубка 6 заглублен в спеченной части 2 анода и расположен выше нижнего конца трубы 5. Соосность обеспечена распорками 15. В

0 случае запеченной трубы (фиг. 1) нижняя часть патрубка 6 расположена в неспеченной 1 части анода и содержит горизонтальную полочку 1.4. Соосность обеспечена кольцом 15, которое может быть также изо5 лирующйм,

Устройство работает следующим образом.

В приемник 9 по трубам 10 загружают порошкообразный материал 8. В процессе

0 электролиза анод срабатывается. Контрфорсы 12 путем подъема анодного кожуха перемещают вверх. При этом происходит перемещение вверх патрубка 6 относительно анода и запеченной трубы 5 (фиг. 1). Го5 ризонтальная полочка 14 при подъеме создает свободное пространство (задир), которое стремится заполнить сыпучий материал 8, поступающий через щель 7.

Таким образом, по мере подъема анод0 ного кожуха относительно анода формируют непрерывный слой 16 из дисперсных порошкообразных материалов между трубой 5 и анодом на всю его высоту.

Во втором случае (фиг. 2) подвижная

5 труба 5 и патрубок 6 неподвижны относительно друг друга и перемещаются относительно анода. Дисперсный материал 8 по щели 7 при подъеме анодного кожуха под собственным весом за счет сыпучести опу0 скается вниз, образуя непрерывный защитный изоляционный слой -16, который по выходе из патрубка 6 испытывает обжатие между спеченной 2 частью анода и трубой 5 за счет объемного расширения материала

5 анода при коксовании..Это приводит к уплотнению слоя 16, проникновению дисперсных частиц порошкообразного материала в структуру анода, возникновению адгезии, спеканию и за счет этого некоторому сниже0 нию температуры ближних слоев анода. Таким образом обеспечивают прочное прилегание слоя 16 к аноду и работоспособность устройства в целом путем предотвращения окисления поверхности канала

5 газами.

По достижении уровня 4 электролита защитный слой 16 растворяется, что способствует повышению эффективности устранения анодного эффекта и ведения процесса электролиза, предотвращает разгорание

лунки в нижней части канала. В этом случае повышается эффективность устранения АЭ также за счет возрастания кумулятивного эффекта струи подаваемого воздуха.

На фиг. 3 изображены варианты выполнения нижнего конца патрубка 6, расположенного в неспеченной 1 части анода (в случае запеченной трубы), содержащего раструб 17 прямоугольного (фиг. 3 а) или . конического (фиг. 3 б) сечения. Это позволяет создавать свободное пространство (разряжение) на нижней кромке патрубка б при его подъеме, что улучшает условия опускания столба глинозема, предотвращает зависание материала и увеличивает толщину защитного слоя без увеличения диаметра патрубка б.

Пример1..В лабораторную печь (обжиговую шахтную) помещают тигли с анодной массой, погружают в нее отрезки стальной трубы диаметром 50 мм, покрытые снаружи слоем глинозема различной толщины. На одинаковом расстоянии от слоя глинозема запекают стальной стержень. Обжиг ведут до 1000° С. В процессе обжига измеряют электросопротивление цепи стальная труба - стальной стержень. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Как видно из результатов испытаний, толщина защитного слоя 5 и 7 мм (20% дмаметра трубы) не обеспечивает электроизолирующие свойства при температурах электропроводности анода. По-видимому, это объясняется пропиткой защитного слоя на всю его толщину связующим анодной массы и его последующим коксованием.

П р и м е р 2. На промышленном электролизере типа С-8Б выполняют сквозное отверстие с помощью-подвижной трубы и с формированием защитного слоя, выполненного из глинозема с добавкой 10% фторалюминия. Диаметр сквозного отверстия 79 мм. На другом электролизере запекают две стальные трубы диаметром 50 мм и формируют защитный слой из глинозема с помощью патрубка с прямоугольным раструбом. Гашение анодных эффектов производят по известному способу (решение по заявке N 4411007/27- 02/058203, кл. С 25 С 3/06, 3/20 от 14.04,88) на электролизере с запеченными трубами.

Глинозем подают 12-кратной в сутки обработкой электролизеров с помощью МНР-2.

В табл. 2 представлены осредненные данные по состоянию нижней границы анода вокруг сквозного отверстия и запеченных

труб, технико-экономические показатели и результаты гашения анодных эффектов:

I - данные по запеченным трубам;

II - данные по сквозному отверстию; В

d

- отношение толщины защитного

слоя к диаметру отверстия (трубы).

Приведенные в табл. 2 данные показывают, что использование заявляемого анодного устройства позволяет:

- улучшить рельеф подошвы анода в районе отверстий, постепенно растворить в электролите исходное сырье, такое, как глинозем и фторсоли, и тем самым повысить эффективность ведения процесса электролиза, что проявляется в некотором сниже- нии.температуры электролита. Кроме того, возрастает эффективность гашения АЭ на 24%, снижается длительность их протекания на 90 с и расход сжатого воздуха на 1,5м3/АЭ;

- снизить падение напряжения в аноде на 5-10 мВ за счет улучшения качества ано. да, что выражается в снижении конуса спекания и в отсутствии перегрева штырей вокруг трубы; предотвратить выгорание материала анода вокруг отверстий. Все это снижает расход связующего й -эа нбл не-

ние пористой структуры анода. и предотвращает его протекание в зоне выгорания, тем самым снижается расход анодной массы на 3 кг/т алюминия;

- обеспечить работоспособность устройства для подачи материалов чрез анод без снижения технико-экономических показателей электролиза от его использования.

На фиг. 3 показано расположение труб/к,.ов анода в плане: а - по продольной со смещением относительно продольной-оси, где I, b, hi, h2 - соответственно длина и ширина анода, расстояния от оси трубы/канала до продольной и торцевой граней анода. Расположение труб между анодным кожухом и анодом на чертеже не показано.

В таол. У п редста в лены исходные данные и осредненные оезультаты гашения анодных эффектов на электролизерах типа С-8Б по известному способу (решение по заявке №4411007/27-58203, кл. С 25 С

3/06, 3/20 от 14.04.88) при различном положении двух запеченных труб в плане анода. Аналогично первому изобретению, глинозем в расплав подавали 12-кратной в сутки обработкой электролизеров с помощью

МНР-2, В каждом примере задействовано 2-5 электролизеров.

Как видно, эффективными, с точки зрения гашения АЭ, являются соотношения

-г- в диапазоне (2,3-10):1, -г- в диапазоне

(3-7): 1, как автоматическом, так и в дистанционном режимах. Это можно объяснить ло- кальным характером и преимущественно периферийными протеканием АЭ. Низкая эффективность в примерах 5, 10, 11, 12 объясняется снижением эффекта кумулятивно- сти струи сжатого воздуха в вертикальном направлении, обусловленного положением запеченных труб, что также является условием появления значительных выбросов расплава из ванны, имевших место в примерах 5, 10, 11, 12.

Судя по результатам испытаний, совокупность заявляемых по изобретению признаков обеспечивает высокую эффективность заявляемого устройства, позволяющего снизить расход анодной массы, повысить эффективность устранения анодных эффектов и ведения процесса электролиза по сравнению с известными техническими решениями.

Формула изобретения

1. Устройство для гашения анодного эффекта, содержащее самооблигающийся анод, состоящий из жидкой и твердой частей, анодный кожух, вертикально размещенные в аноде трубы, нижние концы которых размещены в твердой части анода,

а верхние соединены с источником сжатого воздуха или дисперсных частиц, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности устранения анодных эффектов и снижения расхода анодной массы, оно снабжено загрузочными воронками, размещенными коаксиально вокруг труб и закрепленными на анодном кожухе и заглубленными нижними концами в аноде, и

устройством для подачи глинозема или его шихты с фторсолями в зазоре между трубой и воронкой.

2.-Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что величина зазора между трубой и воронкой составляет 0,2-1,3 диаметра трубы.

3. Устройство поп, 1,отличающее- с я тем, что трубы жестко соединены с воронками, нижние концы воронок заглубле- ны в анод ниже верхнего уровня его спеченной части, а трубы выполнены укороченными.

4. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что нижние концы воронок заглуб- лены в анод выше верхнего уровня его спеченной части .

5. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю ш с я тем, что трубы размещены в аноде о смещением относительно его осей, причем расстояние от продольной грани анода до оси трубы составляет (0,1-0.4) ширины анода, а расстояние от торцовой грани анода до оси трубы составляет (0,1-0,3) длины анода.

35

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролизу алюминия. Сущность: в самообжигающемся аноде, состоящем из жидкой и твердой частей, размещают вертикальные трубы, нижние концы котбрых находятся в твердой части анода. В верхней части трубы соединяют с источником сжатого воздуха. Вокруг труб коаксиально устанавливают загрузочные воронки, нижние концы которых заглубляют в жидкую часть анода. Загрузочную воронку закрепляют на анодном кожухе и подают в нее глинозем или его шихту с фторсолями, образующие защитный изолирующий слой, растворимый в электролите. Величина зазора между трубой и патрубком составляет 0,2-1,3 диаметра трубы. Трубы могут быть установлены с возможностью перемещения. В этом случае они жестко соединены с загрузочными воронками, нижние концы которых заглубляют в тв ердую часть анода. Трубы размещают в аноде со смещением относительно его осей. Изобретение позволяет быстро и качественно ликвидировать анодный эффект. 3 з.п.ф-лы, 4 ил. 3 табл. ел С

Таблица

Примечание. 1. - глубина лунки обусловлена положением нижнего конца подвижной трубы относительно расплава.2. Положение запеченных труб для гашения АЭ одинаково во всех случаях и соответствует фиг. 4в. 3. Разогрев штырей по п. 8 таб,лид,ы. определяли визуально при их перестановке на верхний горизонт.

ТаблицаЗ

Таблица 2

Примечание:. В примере 11 расположение трубы - в центре пересечения осей анода (на чертеже не показано), т.е. гашение АЭ производили одной трубой; в автоматическом режиме

гашение не осуществляли. 2. Узкие диапазоны отношений -г- и -г-в примерах 2. 3, 4 и 7, 8,

9 получены за счет постепенного перемещения незакрепленных на кожухе труб в плане анода в процессе эксплуатации.

-. i

Продолжение табл. 3