Доронин С.В. Конструктивные формы металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

130

Рис. 81. Конструкция катодных секций: а – монолитная; б – двухсекционная; в –

многосекционная

Применяются разъемные (рис. 82, а) и монолитные (рис. 82, б)

катодные кожухи. Для снижения ширины периферийных швов приме-

няют разъемные катодные кожухи – со съемной верхней частью или бо-

ковой стенкой. В данном случае монтаж подовых секций проводят без

верхней части или боковой стенки кожуха. После монтажа подовых сек-

ций устанавливают верхнюю часть кожуха или его боковую стенку и

соединяют части кожуха сваркой. Это усложняет конструкцию катодно-

го кожуха и делает практически невозможным проведение капитального

ремонта ванны на месте ее установки из-за воздействия магнитного поля

на сварочную дугу. Такую работу можно качественно выполнить в цехах

капитального ремонта электролизеров, которые существуют только на

трех алюминиевых заводах России (КрАЗ, БрАЗ, САЗ).

131

Рис. 82. Катодные кожухи с монолитными блоками: а – разъемный кожух; б –

монолитный

Анод электролизера предназначен для подвода тока в междупо-

люсное пространство для осуществления процесса электролиза. Анодное

устройство состоит из угольного анода, подъемного механизма, служа-

щего для перемещения анода, ошиновки, штырей и опорной конструк-

ции. Аноды делятся на два больших класса – предварительно обожжен-

ные (ОА) и самообжигающиеся (СОА), а по виду токоподвода – с боко-

вым (БТ) и верхним (ВТ) подводом тока.

Существенным недостатком обожженных анодов является обра-

зование огарков, масса которых достигает 15 % от первоначальной, и их

переработка представляет определенные трудности. Для ликвидации

этого недостатка созданы электролизеры с непрерывными блочными

обожженными анодами (рис. 83). Анод таких электролизеров состоит из

больших угольных блоков, накладываемых один на другой и соединен-

ных между собой угольной пастой. Ток к аноду подводят сбоку через

токопроводящие стержни, которые одновременно служат для подвески

анода. Этот тип анода не получил широкого распространения из-за

трудностей его обслуживания, но представляет определенный интерес

для совершенствования анодного узла электролизеров.

Рис. 83. Схема электролизера с непрерывными обожженными анодами: 1 – ка-

тодное устройство; 2 – анодный блок; 3 – токоподводящие спуски

132

У первой промышленной конструкции электролизера с самооб-

жигающимся непрерывным анодом ток к нему подводился стальными

штырями, забитыми в боковые стороны.

Эта конструкция электролизера (БТ) (рис. 84), непрерывно со-

вершенствуясь, получила широкое распространение благодаря меньшим

капитальным и эксплуатационным затратам по сравнению с обожжен-

ными анодами. Однако трудозатраты при обслуживании анодов БТ с

ростом силы тока непропорционально возрастали, что стало причиной

создания новой конструкции анода, ток к которому подводился сверху

через вертикальные, периодически переставляемые штыри. Как показала

практика, такие электролизеры требовали меньших затрат ручного тру-

да, а их обслуживание легче поддавалось механизации.

Рис. 84. Электролизер с боковым подводом тока к аноду: 1 – катодный кожух; 2

– газоотводный патрубок; 3 – токоподводящие спуски; 4 – штыри; 5 – анодная

ошиновка; 6 – крюк для подвески временных тяг; 7 – бункер для глинозема; 8 –

механизм подъема анода; 9 – штора; 10 – механизм подъема штор; 11 – стойка

опорной конструкции; 12 – анод

Переход на электролизеры с анодами Содерберга способствовал

удешевлению производства алюминия, так как исключались дорого-

стоящие переделы прессования и обжига анодов. Но вместе с тем поя-

вился новый источник выделения вредных веществ в атмосферу – смо-

листые вещества из анода.

Параллельно с развитием конструкций электролизеров совер-

шенствовалось и производство обожженных анодов, применение кото-

рых предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых ве-

ществ и меньшего расхода электроэнергии. Кроме того, одним из основ-

133

ных достоинств электролизеров ОА является возможность увеличения

силы тока. Именно по этим причинам подавляющее большинство зару-

бежных алюминиевых заводов в настоящее время оснащены электроли-

зерами ОА, а реконструкция некоторых отечественных заводов предпо-

лагает установку электролизеров данной конструкции.

Анодное устройство с боковым подводом тока (рис. 85) состоит

из угольного анода, анодной рамы, штырей и механизма для перемеще-

ния анода.

Анод из-за взаимодействия углерода с кислородом, выделяю-

щимся при электролизе, постоянно сгорает, поэтому его необходимо

опускать в шахту ванны, а сверху загружать анодную массу. Нижняя

часть анода под воздействием тепла расплава спекается в монолитный

электропроводный блок. Верхняя граница обожженной части анода –

зона 1 – имеет форму конуса, и ее температура около 400–500 °С. На

периферии высота зоны 1 составляет 500–700 мм, а в центре 900–1000

мм. Поверх конуса спекания (зона 2) масса находится в тестообразном,

полускоксованном состоянии. В верхней части анода расположена зона 3

высотой около 300–500 мм, в которой масса находится в жидком состоя-

нии. Температура массы на границе зон 2–3 около 150–170, а на поверх-

ности 80–120 °С.

Рис. 85. Схема анода с боковым подводом тока: 1 – спеченная часть анода; 2 –

полуспекшаяся масса; 3 – жидкая анодная масса; 4 – анодная рама; 5 – ребра; 6 –

штыри; 7 – сережки, или клинья

Для предотвращения протекания жидкой массы между угольной

частью анода и анодным кожухом устанавливают обечайку из алюми-

ниевого листа толщиной около 1 мм, которую периодически наращива-

ют.

134

Для подвода тока к аноду и его подвески используют штыри,

представляющие собой стальной конический стержень длиной 900–1100

мм, с максимальным диаметром 70–80 и минимальным 40–50 мм. Шты-

ри в аноде располагаются обычно в 4–6 горизонтальных рядов в шах-

матном порядке. Расстояние между соседними штырями 180–200, а ме-

жду рядами 200–250 мм. Рабочими, т.е. токопроводящими, являются

штыри, расположенные в двух нижних рядах. Забивают штыри в полу-

скоксованную часть анода (зона 2) на высоте 1100–1200 мм от подошвы

анода под углом 12–15° к горизонту. По мере опускания штыри запека-

ются в скоксованную часть анода. Штыри, расположенные на нижнем

горизонте, при приближении их к подошве извлекаются из тела анода,

очищаются от окалины и подтеков анодной массы, рихтуются, охлажда-

ются и вновь забиваются в верхний ряд.

Анод подвешивается к опорной металлоконструкции с помощью

анодного кожуха (рис. 86), представляющего собой стальной короб,

вставленный внутрь анодной рамы. К нижней части кожуха приварены

ребра жесткости (перья), выполненные из швеллеров. В полках этих

швеллеров имеются прорези, в которые заводятся несущие серьги (или

клинья). Штыри опираются на серьги (клинья), и вся масса анода через

перья передается на анодный кожух, который, в свою очередь, через

винтовой или чаще всего полиспастный механизм (рис. 87) подвешен к

опорной конструкции электролизера.

Если ширина анода не превышает 1,7–1,8 м, то штыри забива-

ются только с продольных сторон анода, при большей ширине штыри

располагаются со всех четырех сторон. Общее число штырей, установ-

ленных на электролизере, достигает 170 шт., а число рабочих (токове-

дущих) штырей не превышает 70. Следует отметить, что в зимнее время

года, когда конус спекания снижается, число горизонтов можно умень-

шить, так как в противном случае верхний ряд штырей пришлось бы

забивать в жидкую анодную массу.

а б

135

Рис. 86. Анодный кожух (а) и схема подвески анода (б): 1 – кожух; 2 – анодная

рама; 3 – кронштейн механизма подвески анода; 4 – ребра жесткости (перья); 5 –

серьги; 6 – штыри

Рис. 87. Полиспастный механизм подъема анода: 1 – червячный редуктор; 2 –

электродвигатель; 3 – барабан; 4 – направляющий ролик; 5 – подшипник бараба-

на; 6 – передние блоки; 7 – тросы передних блоков; 8 – тросы задних блоков; 9 –

задние блоки

К токоведущим штырям ток подводится гибкими алюминиевы-

ми спусками, один конец которых приварен к анодной ошиновке. К дру-

гому концу спуска приварен медный угольник, который с помощью кли-

нового контакта или сваркой крепят к головке штыря.

Достоинством бокового токоподвода является небольшое рас-

стояние от концов токоведущих штырей до подошвы анода и, следова-

тельно, небольшое падение напряжения в угольной части анода, а хоро-

шее состояние подошвы анода позволяет обходиться практически без

съема угольной пены. Однако большое количество анодных штырей,

крайне дискомфортные условия работы анодчиков при перестановке

штырей, высокие трудозатраты на обслуживание анодного хозяйства и

малая производительность – основные причины отказа от применения

136

электролизеров с БТ в зарубежной практике.

Электролизеры с верхним токоподводом (рис. 88) начали широ-

ко внедряться в отечественную промышленность в 1959 г. после дли-

тельных испытаний на опытном участке на НкАЗе.

Анодное устройство с верхним подводом тока (рис. 89) пред-

ставляет собой угольный анод 6, сформированный внутри анодного ко-

жуха 5, в нижней части которого расположен газосборный колокол для

сбора выделяющихся при электролизе газов. Анод без алюминиевой

обечайки формуется в анодном кожухе, который имеет вид (рис. 90)

прямоугольного короба, изготовленного из листовой стали и усиленного

ребрами жесткости. Через вспомогательный механизм он подвешен к

анодной раме, которая состоит из двух параллельно расположенных дву-

тавровых балок с поперечными связями, опирающихся на домкраты ос-

новного механизма (рис. 91). На анодной раме монтируют анодную

ошиновку с прижимными эксцентриковыми контактами и вспомога-

тельный механизм перемещения анодного кожуха.

По мере сгорания анод с помощью основного механизма пере-

мещения опускается вниз, но во избежание подплавления секций газо-

сборного колокола анодный кожух вспомогательным механизмом под-

нимается вверх. При этом анод остается на месте.

Рис. 88. Электролизер с верхним подводом тока к аноду: 1 – бортовая футеровка;

2 – анод; 3 – газосборный колокол; 4 – анодный кожух; 5 – штырь; 6 – штанга

штыря; 7 – зажим штыря; 8 – основной домкрат; 9 – мотор основного домкрата;

10 – мотор вспомогательного домкрата; 11 – горелка; 12 – колонна; 13 – катод-

ный кожух; 14 – кирпичная кладка; 15 – подушка; 16 – подовые блоки; 17 –

блюмсы; 18 – шамотная футеровка; 19 – бровка

137

Рис. 89. Схема анодного устройства с верхним токоподводом: 1 – анодная оши-

новка; 2 – анодные зажимы; 3 – составные штыри; 4 – брикеты анодной массы; 5

– анодный кожух; 6 – обожженная часть анода; 7 – вторичный анод; 8 – жидкая

анодная масса

В анодный кожух 5 (рис. 89) загружают анодную массу 4, а под-

вод тока к аноду осуществляют составными штырями 3 диаметром 120–

138 мм, расположенными в четыре ряда и на нескольких горизонтах. По

мере сгорания анода штыри, расположенные на нижнем горизонте, из-

влекают из анода, а в образовавшиеся подштыревые отверстия после

затекания жидкой анодной массы 8 вновь устанавливают штыри, но уже

на более высокий горизонт. Коксование жидкой массы, затекшей в под-

штыревое отверстие, под воздействием высокой температуры идет с

большой скоростью, что вызывает выделение большого количества ле-

тучих соединений и ухудшает качество образующегося вторичного ано-

да 7 – он слишком порист, механически непрочен и имеет низкую элек-

тропроводность. По этим причинам качество анода с верхним токопод-

водом заметно хуже, чем с боковым, что приводит к образованию боль-

шого количества угольной пены и увеличивает расход анодной массы на

35–60 кг на 1 т алюминия.

138

Рис. 90. Анодный кожух: 1 – ребра жесткости; 2 – балки для подвески кожуха; 3

– пояс для навески секций колокола; 4 – карманы для утепления торцов и углов

анода

Рис. 91. Схема механизма перемещения анода с верхним токоподводом: 1 –

анодный кожух; 2 – анодная рама; 3 – вспомогательный механизм перемещения

кожуха; 4 – основной механизм перемещения анода

Анодные штыри в настоящее время делают составными: верх-

няя часть, которая зажимом 2 прижимается к анодной шине 1, выполня-

ется из алюминия, а нижняя, запекаемая в тело анода, – из стали. Это

позволяет снизить потери энергии в штырях и улучшить распределение

магнитного поля в аноде вследствие магнитного разрыва, образованного

алюминиевыми штангами. Однако до настоящего времени в одноэтаж-

ных корпусах НкАЗа, ИркАЗа и ВгАЗа эксплуатируются стальные шты-

ри, снабженные в верхней части медным сектором для улучшения кон-

такта между анодной шиной и штырем. Общее количество штырей зави-

сит от силы тока и обычно составляет 64–72 шт. Общая длина анодных

штырей 2000–2500 мм, а длина токоведущей части зависит от положения

анодной рамы.

Наиболее прогрессивной конструкцией, широко распространен-

ной в зарубежной практике, являются электролизеры с предварительно

обожженными анодами (рис. 92).

Анодное устройство с обожженными анодами состоит из двух

рядов анодных блоков, ширина и длина которых на современных элек-

тролизерах достигают 700 и 1450 мм соответственно. Высота блока

обычно не превышает 600 мм. Общее количество блоков зависит от силы

тока и равно 40 шт. Расстояние между рядами блоков составляет 150–

250 мм, а между блоками в одном ряду 40–60 мм.

В процессе производства в анодном блоке 1 (рис. 93) формуют

цилиндрические гнезда, в которые затем вставляют и заливают чугуном

2 стальные токоподводящие ниппели 3, соединенные сверху кронштей-

139

ном 4. К стальному кронштейну присоединяется алюминиевая штанга 5,

которая зажимом прижимается к анодной шине. Таким образом, токо-

подводящая штанга одновременно выполняет роль несущей конструк-

ции. Методы крепления штанги к кронштейну могут быть различными:

сварные, сборные болтовые, клиновые и т.д.

Количество ниппелей зависит от длины блока и диаметра нип-

пеля и обычно составляет 2–4 шт. Глубина гнезда в блоке имеет большое

значение, так как от нее зависит перепад напряжения в контакте ниппель

– блок и высота огарка. Ее глубина тем больше, чем дороже электро-

энергия, но обычно не превышает 100 мм.

Аноды на ваннах ОА утепляют, засыпая их полностью глинозе-

мом. Поэтому перепад напряжения в них и окисление поверхности анода

меньше, чем на СОА, что является одним из важных преимуществ этих

электролизеров. На таких электролизерах продольная несущая балка

обычно используется и как бункер хранения глинозема, и как станина

для крепления элементов АПГ и механизмов по укрытию рабочего про-

странства и эвакуации газов.

Рис. 92. Электролизер с предварительно обожженными анодами: 1 – подина; 2 –

анодная ошиновка; 3 – механизм перемещения анода; 4 – анодный блок; 5 –

анодное укрытие