7.2.5. Укрытие анодного массива

Анодный массив должен быть надёжно укрыт с целью предупреждения окисления анодов воздухом, поддержания необходимого теплового баланса ванны и регулирования уровня электролита. К укрывному материалу предъявляются соответствующие требования: низкая проницаемость воздуха, оптимальная теплопроводность, достаточно высокий угол естественного откоса.

Высота и состав укрытия являются такими же факторами регулирования и поддержания теплового баланса, как и МПР, среднее напряжение и высота уровня металла. Все эти параметры должны быть сбалансированы.

В качестве укрытия применяется первичный (смесь молотого электролита и свежего глинозёма) и вторичный материал (дроблёный и перемешанный съём порошкового материала и корки электролита с огарков). Для корректировки состава добавляется свежий или возвратный (после сухой очистки газов) глинозём. Важно подобрать оптимальное соотношение этих составляющих. При постепенном подплавлении укрытия фтористые соли и глинозём переходят в электролит. Правильно подобранный состав укрывного материала поможет поддерживать заданный уровень и состав электролита, восполняя его потери при замене анодов, и не нарушит эффективность работы АПГ в автоматизированном режиме.

Что касается гранулометрического состава укрывного материала, то принято контролировать 4 фракции:

– пыль (- 0,125 мм);

– мелочь (0,125 – 0,25 мм);

– средний класс (0,25 – 2,0 мм);

– крупный класс (2,0 – 12,5 мм).

S. Wilkening, P.Reny и B.Murphy предлагают четыре состава укрывного материала: A,B,C,D.

Таблица 7.5

Ситовой состав укрывного материала, %

Индекс засыпки	Менее 0,09 мм	0,09-0,125 мм	0,125-0,25 мм	0,25-0,5 мм	0,5- 1мм	1-2 мм	2-4 мм	4-8 мм	8-12,5 мм
А	22	7	29	12	11	13	5	1	0
В	7	5	25	6	5	8	10	18	16
С	24	9	28	4	4	6	8	15	2
D	24	9	18	6	3	5	6	14	15

Каждый из этих составов имеет свои особенности. Тип А очень дисперсный с незначительным содержанием грубой фракции (более 2 мм), при этом видно повышенное содержание средней и тонкой фракций. Такой состав имеет низкую насыпную плотность - 1,6 г/см³, повышенную способность к растеканию (угол естественного откоса 35-37º).

Тип В, напротив, обеднен по содержанию пыли и содержит в своём составе много грубой фракции 2-12,5 мм. Этот состав можно считать загрублённым. Для снижения воздушной проницаемости в него можно добавить некоторое количество глинозёма или тонкомолотого электролита;

Типы C, D имеют близкий процент по пыли и мелочи. Крупные фракции (особенно у типа D) содержатся в повышенном количестве, в то же время содержание среднего класса (0,25-2 мм) заметно ниже. Укрывной материал состава D имеет повышенную насыпную плотность – 1,8 г/см³ и большой угол откоса - 42º, он наиболее устойчив против растекания.

Угол откоса оказывает существенное влияние на стабильность укрытия: чем выше угол откоса, тем лучше удерживается укрывной материал на анодном массиве. На угол откоса в сильной степени влияет содержание в засыпке класса <45 мк, а также количество адсорбированного и механически удерживаемого между частицами воздуха в свежеприготовленной первичной шихте. Если содержание класса <45 мк превышает 20%, архитектура анодного массива неустойчива и быстро разрушается.

Таблица 7.6

Воздушная проницаемость укрывного материала

Материал	Воздушная проницаемость, nPm
Глинозём свежий	89,0
Глинозём возвратный (фторированный после газоочистки)	15,0
Укрывной материал типа А	4,0
Смесь: 50% материал А - 50% глинозём	0,4
Смесь: 50% материал В - 50% глинозём	1,5

Важным показателем качества укрывного материала можно считать его воздушную проницаемость. Показатель воздушной проницаемости отражает способность укрытия защитить угольные аноды от окисления воздухом. В таблице 7.6 представлены сведения по этому показателю для нескольких смесей укрывного материала. Из таблицы видно насколько велико различие проницаемости свежего глинозёма и различных смесей, а также различие между самими смесями.

Защита анодов от окисления определяется также толщиной укрытия. При полном отсутствии укрытия масса анодного огарка снижается более чем на 50% от его среднего значения. Производственной практикой установлена оптимальная толщина укрытия анодного массива в пределах 8-10 см, меньше которой угар резко возрастает. Повышение слоя более 10 см мало эффективно и не приводит к адекватному снижению угара.

Толщина укрытия - один из способов регулирования теплового баланса электролизёра. Очевидно, что увеличение высоты укрытия или использование материала с низкой теплопроводностью позволит существенно снизить тепловые потери в расходной части теплового баланса. С другой стороны, возможность воздействия на тепловой баланс ванны путём снижения толщины укрытия допускается в том случае, если исходная толщина была большой (более

10см). Дальнейшее снижение высоты укрытия слишком чувствительно из-за быстрого роста тепловых потерь, что делает эффективность управления тепловым балансом довольно проблематичным.

На заводе Albras после снижения толщины укрытия с 16 до

8 см произошло очень существенное изменение теплового состояния электролизёров. Температуру электролита при той же анодной плотности тока удалось снизить с 967 до 959ºС.

Очевидно, что тонкие порошки с низкой насыпной плотностью являются сильными изоляторами тепла (0,3-0,4 W/mK), независимо от того состоят они из измельчённого оборота или глинозёма. В то же время гранулированный материал такого же состава крупностью 0-10 мм образует плотный, более теплопроводный слой (до 1,5 W/mK). Это, как и толщина слоя укрытия, имеет существенное значение с точки зрения поддержания теплового баланса ванны.

Следует учесть, что материал укрытия в значительной мере образован уже проплавленным солевым материалом и он начинает размягчаться и подплавляться в нижних слоях укрытия уже при 700ºС. Это существенно меняет свойства укрывного материала и определяется следующими факторами:

- содержанием низкоплавкой фазы – хиолита с температурой плавления 695-730ºС;

- низкой теплопроводностью укрывного материала исходного состава;

- высокой удельной поверхностью дробленой корки электролита, что приводит к ускоренному прогреву и подплавлению частиц этого материала;

Быстрое взаимодействие компонентов шихты при подъёме температуры способствует лучшему уплотнению засыпки и герметизации анодного массива. Теплопроводность, которая довольно низка в начальный период, возрастает по мере уплотнения и взаимодействия компонентов засыпки.

Удачный способ укрытия анодного массива применён на заводе КУБАЛ (Швеция): торцевые аноды укрыты загрублённым материалом, а именно смесью дроблёной корки (70%) и глинозёма (30%). В результате большого угла откоса такого состава торцевое укрытие устойчиво и не растекается по поверхности. Толщина засыпки в торцах повышена до 30 см. Тем самым достигается двойной результат: торцевые аноды хорошо теплоизолированы, а при их замене исключается попадание большого количества глинозёма в торцевую часть ванн. При замене торцевых анодов не возникает проблем с прорубкой корки.

Центральная часть анодного массива на этом заводе укрыта смесью с обратным соотношением электролит/глинозём. Толщина укрытия невелика и не превышает 10 см, тем самым обеспечивается хорошая теплоотдача от анодов. Наличие подпирающего массива по торцам обеспечивает устойчивую архитектуру укрытия. Всё указанное выше обеспечивает надёжное укрытие анодного массива.

Если по условиям технологии требуется укрывной материал с большим углом откоса, то применяется более грубый состав. Вариант «грубого» укрывного материала (80% 0,5-8,0мм, 20% менее 0,5мм) в смеси с 30 % глинозёма применен на заводе Albras. Некоторые заводы применяют ещё более грубые составы, например

0-16 мм.

Можно отметить несколько рабочих факторов, связанных с процедурой укрытия анодного массива:

- применяемая высота укрытия - этот фактор тесно связан с тепловым потоком от расплавленного электролита; недопустимо чрезмерное утепление и подплавление укрытия, так как это даёт неучтенную подпитку глинозёма и потерю контроля за работой АПГ;

- содержание в смеси глинозёма – глинозём, особенно первичный, пылит и обедняет укрытие с точки зрения гранулометрии, поэтому количество свежего глинозёма в смеси следует по возможности снижать;

- восстановление укрытия с целью устранения в нём дефектов - это важная операция и производить её желательно без привлечения дополнительного укрывного материала;

- интервал времени между установкой анода и засыпкой укрывного материала – этот интервал необходим для образования корки электролита и предотвращения попадания укрывного материала прямо в электролит; это особенно важно, когда укрывной материал очень тонкий, а перегрев электролита высок;

- схема замены анодов должна способствовать сохранению целостности укрытия (например, как при «догоняющей» схеме, см. раздел 7.2.5).

Таким образом, гранулометрический состав укрывного материала, варьирование содержания в нём глинозёма в пределах 25-50%, а также толщина слоя укрытия служат инструментом поддержания уровня и состава электролита, регулирования теплового баланса электролизёра и защиты от окисления анодов. Наибольший уклон следует делать на использование вторичного материала, доля которого должна составлять от 50% до двух третей.

Нельзя не отметить, что одним из условий эффективности укрытия служит конструкция катодной части электролизёра. Если анодный массив заглублён в шахту ванны и созданы условия для образования сплошного «ковра» укрытия, то тем самым достигается максимальная герметизация анодов. Важным условием такой конструкции можно считать организацию высоких тепловых потоков от анодного массива и поддержание необходимого теплового баланса. Аноды при этом не должны перегреваться.

Для подготовки укрывного материала применяется довольно сложный комплекс дробильно-размольного оборудования, включая щековые и валковые дробилки, грохота, мельницы аутогенного дробления и др., а также система смешения и усреднения материала засыпки.

Плотность укрытия и его целостность можно считать также важным фактором снижения потерь фтора. При нарушении монолитности укрытия анодного массива эмиссия фтора с анодными газами определяется преимущественно наличием факелов свободного выброса и может возрастать в 2-3 раза и более.