Состав промышленного электролита

Современный промышленный электролит имеет следующий примерный состав:

- Na₃AlF₆ основа до 85%

- Al₂O₃ от 2 до 8 % при поточной обработке; при АПГ - 4%

- AlF₃ избыток 3-5 %

- CaF₂ 4 %

- К.О. 2,2-2,4

 

Плотность электролита при 20⁰С = 2,9 г/см³, а при 1000⁰С = 2,1 г/см³

При снижении температуры электролита – плотность его повышается, кроме того

1) Al₂O₃ и AlF₃ – снижают плотность электролита

2) CaF₂ – увеличивает плотность электролита

Требования к электролиту:

- минимальное содержание примесей, снижающих сортAl: Fe, Si, Zn, Cu и др.

- Минимальное содержание примесей, ухудшающих процесс электролиза: H2O, Na2O, P2O5 и др.

- Электролит должен хорошо, без осадка растворять глинозем

- Плотность электролита должна быть, как можно ниже плотности алюминия

- электролит должен иметь хорошую электропроводность и низкую температуру плавления

- Не содержать более электроположительных металлов, чем алюминий, которые, выделяясь на катоде, загрязняют его. Электролит должен состоять лишь из солей щелочных и щелочноземельных металлов.

- Обладать хорошей жидкотекучестью. Это способствует удалению анодных газов и выравниванию состава электролита.

- При электролизе химически не разлагаться и слабо улетучиваться

- Должен быть не гигроскопичным

- Химически не взаимодействовать с углеродистыми футеровкой и анодом

Конструкция электролизера с самообжигающимся анодом

Электролизёр с самообжигающимся анодом состоит из следующих основных узлов:

- катодное устройство;

- анодное устройство;

- ошиновка;

- система автоматического питания ванн глинозёмом (АПГ).

		тело анода
		анодная ошиновка
			анодный кожух
	анодный штырь

Рисунок 1 – Электролизёр с самообжигающимся анодом С-8БМ оборудованный системой АПГ

Катодное устройство

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено для создания условий, необходимых для протекания процесса электролиза в криолитно-глиноземном расплаве. Поскольку электролиз идет в весьма агрессивной среде при 950—1 000 °С, катодное устройство должно быть устойчиво к действию расплавленных фтористых солей; обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, чтобы до минимума сократить потери тепла, быть электропроводным в зоне протекания процесса и иметь надежную изоляцию во избежание утечек тока; иметь достаточно жесткую конструкцию, способную выдержать напряжения, возникающие от протекания физико-химических реакций; обеспечивать продолжительную работоспособность между ремонтами и мобильность при замене в целях сокращения простоя электролизера в ремонте. приводится схема катодного устройства современного электролизера.

От прочности катодного кожуха в большой степени зависит продолжительность межремонтного срока работы электролизера В связи с ростом единичной мощности электролизеров все большее распространение получают катодные кожухи рамного типа прямо угольной формы без металлического днища и контрфорсного типа с днищем.

Катодное устройствосостоит из стального кожуха футерованого теплоизоляционным кирпичом и углеродистыми подовыми блоками с токоведущими блюмсами, бортовыми блоками.

В результате пропитки футеровки расплавом, натриевого и температурного расширения, объём футеровки возрастает, возникают большие усилия, действующие на стенки катодного кожуха. Это приводит к его деформации, разрушению футеровки и сокращению срока службы электролизёра.

Катодные кожухи

Контрфорсный кожух представляет собой «корыто из листовой стали. С помощью стяжных шпилек прижимаются контрфорсы (от семи и более пар), нижний конец которых упирается в торцы бетонной балки. Возникающие в подине усилия воспринимаются контрфорсами, а распорная балка препятствует деформации, придавая правильную геометрическую форму катоду в процессе его эксплуатации.

Изнутри кожух футеруется угольными с добавками графитного материала, огнеупорными (шамотный кирпич) и теплоизоляционными материалами (пенодиатомитный кирпич, вермикулитовые плиты, шамотная крупка). Днище выполнено из толстолистовой стали 16-18мм, и укреплено усиленной рамой вдоль и поперек 20мм. По периметру борта катодного кожуха усилены швеллерами и двутаврами. Сверху над футеровкой катодного кожуха делается фланцевый лист.

Состав торкретмассы:

75% - шамотная крупка

20% - мертель

5-10% - кремнефтористый Na

жидкое стекло 50-70%.

,

Рисунок 2 – Катодный кожух контрфорсного типа

 

Угольная футеровка катодного кожухамонтируется на цоколе из теплоизоляционных материалов. Такая футеровка стойка против воздействия криолитового расплава и сравнительно хорошо проводит ток, что особенно важно, так как подина служит катодом электролизера.

Её качество во многом определяет срок службы ванны.

Используемые в промышленности катодные блоки классифицируются:

1 Графитированные. Весь блок (наполнитель и связующее) изготавливается из графитизируемых материалов, подвергается термообработке обычно до 3 000 ˚С.

2 Графитизированные. Изготавливается из тех же материалов, что и графитированные, но обжигается при более низких температурах – до 2 300 ˚С.

3 Полуграфитовые. Наполнитель графитизирован, но коксовое связующее обожжено до 1 200 ˚С.

4 Антрацитовые. Наполнителем является антрацит, зачастую добавляется немного графита.

От прочности катодного кожуха в большой степени зависит продолжительность межремонтного срока работы электролизера. В связи с ростом единичной мощности электролизеров все большее распространение получают катодные кожухи рамного типа прямо угольной формы без металлического днища и контрфорсного типа с днищем.

Катодные кожухи с днищем состоят из двух частей: корыта кожуха, сваренного из листовой стали, и балок — контрфорсов. Прочность таких кожухов определяется жесткостью конструкции контрфорсов, число которых зависит от длины электролизера. Бортовой лист, кронштейны для его крепления, окна для катодных стержней в кожухе этого типа выполняются так же, как и в кожухе рамного типа без днища.

Подина

На отечественных алюминиевых заводах подины электролизеров выполняются из обожженных угольных блоков. Подина электролизера служит для отвода тока от жидкого алюминия к катодным стержням и для защиты всего катодного устройства от разрушающего действия расплава.

Подовая масса: служит для набойки межблочных и периферийных швов, для ремонта бортовой футеровки, а также для накатки подушки под подовые блоки. Её изготавливают из антрацита, графита или прокалённого кокса, а в качестве связующего используют каменноугольную смолу, пек, полимеры.

На степень уплотнения подовой массы при набойке швов подины значительное влияние оказывает температура самой массы и катодных материалов.

Подину любого типа перед началом электролиза обжигают, чтобы удалить из подовой массы летучие составляющие связующего материала (пека) и превратить подину в монолитный плотный массив, хорошо проводящий электрический ток. Ток к подине подводится по стальным полосам квадратного или прямоугольного сечения, называемым катодными стержнями—блюмсами. Отечественной промышленностью выпускаются прошивные катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм, длиной 600—2 200 мм. Катодные стержни заделывают в угольные блоки специальной углеродистой массой или заливают чугуном. Назначение чугунной заливки или углеродистой набивки — создание механически прочного и хорошо проводящего электричество соединения катодного стержня с угольным блоком. Такая пара образует подовую секцию.

При монтаже подовых секций предусматривается предохранение торцового конца блюмса от проникновения расплавленного алюминия, для чего в эту часть паза блока набивают углеродистую массу (80 — 100 мм).

Подовые блоки изготавливают на мощных прессах продавливанием угольной массы через мундштук, по форме отвечающий нужной конфигурации блока. Специальная насадка позволяет получать блоки с необходимым для заделки блюмсов пазом. Число катодных стержней в подине выбирают таким, чтобы плотность тока в них не превышала 0,18—0,20 А/мм².

Анодное устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Основным материалом анода служит углеродистый материал. По мере протекания процесса электролиза анод постепенно окисляется, и его необходимо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм анодного устройства.

Анодное устройствосостоит из собственногоугольного анода с токоведущими сталеалюминиевыми штырями, анодного кожуха, газосборного колокола, анодной рамы с эксцентриковыми зажимами для крепления анодных штырей, основных и вспомогательных механизмов подъёма анода. Основные механизмы предназначены для подъёма анодной рамы, вспомогательные механизмы предназначены для подъёма анодного кожуха. Анодные штыри располагаются в теле анода на нескольких горизонтах. Количество анодных штырей определяется мощностью электролизёра. В нижней части анодного кожуха на пояске по всему периметру навешан газосборный колокол собранный из отдельных литых чугунных секций.

Ошиновка электролизера

Ошиновка предназначена для подвода потенциала плюс к аноду и отвода потенциала минус от катода.

Анодная ошиновка состоит из алюминиевых шин и гибких лент (спусков). Все контакты между элементами ошиновки сварные.

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей — анодной и катодной. Электролизеры, располагаемые рядами один за другим, соединены токопроводами из алюминиевых шин различного сечения и включены в электрическую цепь последовательно: катодные шины одного электролизера соединены с анодными шинами другого. Группа электролизеров, объединенная в одну цепь, называется серией.

В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям (самообжигающиеся аноды) или штангам (обожженные аноды). Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент—катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины, и катодных шин.

Существует много схем устройства шинопроводов электролизеров. Выбор схемы ошиновки зависит от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. При выборе ошиновки следует руководствоваться следующими данными: оптимальная плотность тока в ошиновке, наименьшее влияние взаимодействия магнитных полей на процесс электролиза и возможность быстрого отключения и подключения в электрическую печь одного электролизера без нарушения работы остальных.

В связи с ростом единичной мощности электролизеров выбор схемы ошиновки приобретает все большее значение, так как от нее зависит не только стоимость шинопроводов и потери в них электроэнергии, но и состояние расплава в электролизере, что в конечном итоге определяет технологию процесса электролиза. Хорошо известно, что вокруг всех токопроводящих элементов электролизера под влиянием проходящего по ним постоянного тока создаются магнитные поля, а следовательно возникают электромагнитные силы, вызывающие перемещение катодного металла и электролита, и поверхность металла в электролизере перестает быть горизонтальной. Электромагнитные силы действуют во всех конструкциях электролизеров, однако наиболее существенное влияние на процесс электролиза эти силы начинают оказывать при единичной мощности электролизера свыше 100 кА

Требования к ошиновке:

- ошиновка должна быть достаточно дешевой;

- алюминиевые шины ошиновки должны быть из алюминия марки не ниже А6;

- все сварные соединения должны быть прочные (аргонная сварка);

- Плотность тока должна быть экономически выгодной;

- Конструкция должна обеспечивать быстрое подключение и отключение ванны в цепь;

Конфигурация ошиновки должна снижать до минимума негативное действие электромагнитных сил на работу электролизёра. Для равномерного отвода тока от подины электролизера и уменьшения горизонтальных токов в металле катодная ошиновка выполнена секционированной.