3.2. Анодное устройство
Электролизеры с самообжигающимися анодами.
Конструкция самообжигающегося анода как с верхним, так и с боковым подводом тока в значительной степени определяется особенностями механизма формования анода из анодной массы. В соответствии с этим анод разделяется на две зоны:
-верхнюю, состоящую из слоя расплавленной жидкой или размягчённой анодной массы;
- нижнюю, состоящую из слоя обожженной и затвердевшей анодной массы и называемую конусом спекания, т.к. форма его напоминает направленный вверх конус.
Одновременно с расходованием анода в процессе электролиза со стороны нижней грани (подошвы) на поверхности конуса спекания идет непрерывное коксование анодной массы и наращивание конуса спекания по высоте. Тем самым обеспечивается непрерывность работы анода. Ток подводится к аноду с помощью стальных штырей, которые устанавливаются сбоку (БТ) или сверху (ВТ).
На рис. 3.4 схематически показано размещение токоподводящих штырей относительно конуса спекания самообжигающегося анода. На анодах с БТ штыри забиваются в жидкую часть анода ближе к конусу спекания под углом 8-15º к горизонту. Наклон штырей задается с целью выровнять электрическое сопротивление в центре и по периферии анода. Длина забитой части должна быть по возможности максимальной, что позволяет снизить потери напряжения в аноде.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 3.4. Схема установки токоподводящих штырей в самообжигающихся анодах: а-боковой; б-верхний подвод тока;
а: 1- рама жесткости; 2-алюминиевая обечайка; 3-ребро; 4 –штырь; б: 1-стальной штырь; 2-алюминиевая штанга; 3-анодная шина; 4-контактный зажим; 5-анодная рама
| |
По мере расходования анода штыри нижнего горизонта приближаются к электролиту и требуется их перемещение. С этой целью штыри нижнего ряда БТ извлекаются, а в ряд верхнего горизонта устанавливаются сменные штыри, охлажденные и очищенные от окалины. Штыри располагаются по продольным и торцевым сторонам в 4-6 рядов, из которых два нижних проводят ток, а верхние находятся в зоне спекания массы, т.е. за пределами зоны электрической проводимости анода.
На некоторых конструкциях электролизеров БТ штыри устанавливаются только по продольным сторонам, а торцы оставляются свободными. Это позволяет уменьшить расстояние между электролизерами, упростить обслуживание торцевой части. Недостающее число штырей компенсируется более частым размещением их по продольным сторонам. Недостатком такой конструкции можно считать неравномерное формование конуса спекания, особенно по углам и в торцах.
Ток к штырям подводится с помощью гибких алюминиевых или медных шинок, которые соединяют анодную шину со штырями с помощью клинового контактного устройства. Стальная рама, опоясывающая анод по периферии, служит одновременно частью анодного кожуха и устройством для подвеса анода. В нижней ее части имеются вертикальные ребра жесткости, между которыми устанавливаются штыри. К ребрам крепятся удерживающие стальные петли (сережки), на которые опираются два токоподводящих ряда штырей. Рама подвешивается на винтах или полиспастах к опорным колоннам несущей конструкции. Таким образом, анод удерживается и перемещается с помощью штырей, анодной рамы и полиспастов.
Внутри анодной рамы устанавливается обечайка из алюминиевого листа, которая по мере продвижения вместе с анодом вниз наращивается. Обечайка вместе с рамой является формующей емкостью для анода и препятствует вытеканию массы из анода.
Укрытие электролизера БТ состоит из подъемных гофрированных штор, закрывающих продольные и торцевые стороны анода и ванну, привода подъема штор и колонн, на которые опирается анодная конструкция. Пространство над анодом укрывается металлическими крышками или оставляется свободным. При перетяжке рамы анод подвешивают на опорную конструкцию с помощью временных подвесок, которые крепят к нескольким штырям нижнего ряда.
На самообжигающихся анодах с верхним подводом тока (рис. 3.4, б) стальные штыри устанавливаются в аноде вертикально и соединяются с анодной шиной с помощью зажимов. На электролизерах ВТ используются составные сталеалюминиевые штыри, состоящие из стальных цилиндров с коническим основанием и алюминиевой штанги. На электролизёрах типа С-2, С-3 сохранились ещё сталемедные штыри, на которых контактная часть имеет медное покрытие.
Использование алюминиевой штанги позволяет снизить электрическое сопротивление между шиной и анодом, уменьшить расход энергии. Конусность стального цилиндра облегчает установку и извлечение штыря. Соединение стальной и алюминиевой частей анодного штыря является сложной задачей, т.к. контакт с помощью обычной дуговой сварки затруднён по причине большой разницы температур плавления стали и алюминия. Соединение их производят так называемой сваркой взрывом.
Анодные штыри соединяются с анодной токоведущей шиной зажимами, принципиальная схема которых показана на рис.3.5. Прижим алюминиевой штанги к шине осуществляется за счет поворотного эксцентрика, который давит на прижимную колодку. Эксцентрик приводится в движение через штангу от гидропривода мостового крана. Анодные штыри являются токоподводящими и грузонесущими элементами одновременно. За счет прочного сцепления стальной части штырей с обожженной частью анода вся масса анода удерживается в подвешенном состоянии.
Рис. 3.5. Зажим для сталеалюминиевых штырей:
1-штанга поворотного механизма; 2-эксцентрик; 3-прижимная колодка; 4-анодная шина; 5-алюминиевая штанга штыря
Угольный анод заключен внутри стального кожуха (анодной рубашки), снабженного по боковым сторонам стальными вертикальными ребрами для усиления жесткости и повышения теплоотдачи от анода (см. рис.3.2). Верхняя часть кожуха 13 крепится к раме 16 с помощью домкратов, а снизу по периметру кожуха размещается чугунный газосборный колокол 9, состоящий из отдельных секций. Для отсоса анодных газов из-под колокола к нему присоединены по углам два чугунных патрубка, по которым анодные газы направляются в горелки для дожигания содержащихся в них оксида углерода и смолистых продуктов коксования анода.
Анодный кожух сверху заполнен анодной массой, загружаемой в виде мелких брикетов и образующей в верхней части анода фазу размягченной анодной массы 12 толщиной 35-45 см по центру и 70-80 см по периферии. Для предотвращения выделения газов коксования и смол с поверхности размягченной массы на ней целесообразно поддерживать твердый слой брикетов, выполняющих роль затвора выделению газов. Ниже слоя размягченной массы образуется обожженная твердая фаза (конус спекания).
Кожух с анодной рамой опираются на П-образные стойки или специальные колонны, установленные между торцами соседних электролизеров. С помощью домкратов 17 анод может перемещаться в вертикальном направлении и строго фиксироваться относительно поверхности 3 жидкого алюминия, образуя междуполюсное пространство. При постепенном сгорании анода производится подъем анодной рубашки относительно самого анода и перестановка штырей на более высокий горизонт.
Предварительно обожженные аноды.
В отличие от самообжигающихся анодов этот тип анодов не является неотъемлемой частью конструкции электролизера и при срабатывании угольной части примерно на 2/3 по высоте анод вместе с анододержателем подлежит замене на новый. Как видно на рис. 3.6 а,б, на котором показан анодный блок с анододержателем в сборе, анододержатель состоит из вертикальной алюминиевой штанги и стальной траверсы (кронштейна) с несколькими ниппелями.
Применяются также другие конструкции анода и анододержателя, в том числе спаренные аноды с анододержателем типа «паук». На некоторых конструкциях используется расположение ниппелей в два ряда. Выбор зависит от конкретной конструкции электролизёра.
Стальной кронштейн и алюминиевая штанга не могут быть сварены напрямую. Для их соединения применяется так называемая сталеалюминиевая вставка, которая представляет собой две металлические пластины – стальную и алюминиевую, соединенные между собой сваркой взрывом. Между пластинами помещается барьерный слой из титановой фольги, который препятствует химическому взаимодействию железа и алюминия с образованием хрупкой прослойки интерметаллидов состава FenAlm. Интерметаллиды вызывают резкий рост электрического сопротивления и снижение механической прочности контакта.
|
|
|
Рис. 3.6. Обожженный анод в сборе:
а- анодное устройство в сборе; б- установка биметаллических пластин и схема заливки ниппелей
Вставка устанавливается таким образом, что стальная пластина сваривается со стальным кронштейном, а алюминиевая – с алюминиевой штангой. Тем самым удается получить качественное соединение всех элементов конструкции анододержателя.
Ниппели анододержателя соединяются с угольным анодом с помощью чугунной заливки. К составу чугуна предъявляются весьма жесткие требования: содержание углерода и кремния должно быть в пределах соответственно 3,0–3,7 и 2,0–3,6 %. На практике для контроля состава чугуна используют так называемый угольный эквивалент СЕ, который рассчитывают по формуле
СЕ = % С + 0,3 ( %Si + %Р ).
Кремний и фосфор добавляют для улучшения литейных свойств чугуна и снижения температуры плавления. Оптимальным считается СЕ = 4,3-4,6. Заливочный чугун должен иметь минимальную усадку, быть хрупким и легко сниматься с ниппеля, обеспечить минимальное электрическое сопротивление в контакте железо-углерод. Очень важно избежать в чугуне примесь серы, которая резко повышает кристаллизационную усадку чугуна и приводит к росту сопротивления в контакте чугун-углерод. Допустимое содержание серы 0,05%.
В качестве примера приведены два состава литейного чугуна:
|
Содержание компонентов, масс. доля,% |
I |
I I |
|
С |
3,0-4,0 |
3,3-3,8 |
|
Si |
2,8-3,6 |
2,0-2,5 |
|
Mn |
0,9 мах |
0,6-0,8 |
|
Р |
0,9-1,6 |
0,5-1,1 |
После срабатывания анода угольный остаток (огарок) удаляется, а чугунная заливка раздавливается на специальной машине и также удаляется. После зачистки ниппелей анододержатель вновь используется для монтажа следующего анода.
Число устанавливаемых анодов зависит от мощности электролизера, но размещение их в плане ванны в любом случае производится в два ряда. Крепление штанги анододержателя к анодной шине выполняется с помощью механических зажимов.
С целью защиты анодов от окисления и снижения тепловых потерь анодный массив укрывается специальным укрывным материалом, состоящим из смеси глинозёма и оборотного электролита (более подробно в разделе 7.2.5).
Поскольку аноды размещены плотно друг к другу по продольным сторонам, то в образовавшуюся между ними щель также попадает укрывной материал, хорошо защищающий продольные стороны от окисления. В менее благоприятных условиях находятся торцевые аноды, одна из продольных сторон которых не закрыта глинозёмом и в меньшей степени защищена от окисления.