3.4 Ошиновка электролизеров

Ошиновка электролизера предназначена для подвода (анодная) и отвода (катодная) тока. Катодная ошиновка неподвижна и монтируется в шинных каналах или на ригелях с обеих сторон ванны. Так как анод перемещается, то подвод тока к нему осуществляется гибкими проводниками. На электролизерах БТ анодная ошиновка неподвижна, а ток по гибким спускам поступает к штырям. На электролизерах ВТ и ОА анодная ошиновка смонтирована на анодной раме, которая перемеща­ется вместе с анодом, поэтому ток к анодной ошиновке подается по гибким пакетам шин.

4. Совершенствование катодного узла алюминиевого электролизера.

Современная катодная футеровка состоит из углеродной, огнеупорной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную роль. Особая роль принадлежит углеродной футеровке, на поверхности которой находится жидкий алюминий и электролит, обладающие способностью взаимодействовать с большинством химических элементов и их соединений. От качества футеровки в решающей степени зависит срок службы ванны. По конструкции углеродной футеровки промышленные электролизеры можно разделить на три группы:

1. Монолитные катоды создавались путем набойки шахты пластичной подовой массой. Этот тип катода имеет маленькие затраты на монтаж, но сегодня он менее важен, главным образом, вследствие трудностей в получении свобод­ной от дефектов подины после нагрева, а также вследствие образова­ния большого количества смолистых и полиароматических углеводородов (РАН), выделяющихся при спекании.

2. Катоды из обожженных блоков с набивными межблочными швами (рисунок 5) являются наиболее отработанным и практически единственным типом подины, широко применяемым в алюминиевой промышленности России. Межблочные швы — слабое место подины, и их качество во многом определяет срок службы электролизера.

3. Склеенные полумонолитные катоды из обожженных и механически обработанных блоков (рисунок 6) представляют собой наиболее совершенный (и самый дорогой) тип катода, который обеспечивает длительный срок службы электролизера. Этот тип подины пока не нашел широкого применения из-за высокой стоимости блоков и сложности монтажа. Гнездо для монтажа блюмса в катодных блоках, изготавливаемых в России, имеет форму ласточкина хвоста[7]. Соединение блока с блюмсом чаще всего осуществляют заливкой жидкого чугуна в пространство между ними. При недостаточном или неравномерном нагреве блока и блюмса перед заливкой чугуна в блоках (из-за разницы коэффициентов линейного расширения углерода и стали) образуются трещины, приводящие к преждевременному выходу ванн из строя. На некоторых заводах (БрАЗ) монтаж блюмса в блок производят специальной электродной массой, что снижает вероятность образования трещин в блоках и способствует повышению стойкости подины.

Рисунок 5. Футеровка из предварительно обожженных блоков с

набивными межблочными швами.

Катодные блоки с залитыми в них блюмсами устанавливают в кожух поперек ванны рядами на предварительно смонтированный огнеупорный цоколь, а свободные концы блюмсов выводят наружу через окна в продольных стенках кожуха. Количество рядов зависит от ширины блоков и длины шахты ванны, а число блоков в отдельном ряду — от размеров блока.

Рисунок 6. Футеровка из предварительно обожженных и механически

обработанных блоков, склеенных между собой; 1 —

обожженный блок, 2 — подовая набоечная масса,

3 — стальные токоотводы, 4 — огнеупорная и теплоизоляционная футеровки.

Существует несколько модификаций угольной футеровки (рисунок 7):

• монолитные (а) — длина блока почти равна ширине ванны;

• двухсекционные (б) — длина блоков разная и устанавливаются они в ванне в шахматном порядке, т.е. центральный шов подины имеет вид коленчатого вала. Эта модификация преобладает в отечественной промышленности;

• многосекционные (в) — не более четырех блоков в ряду; используется редко из-за увеличения количества швов.

Очевидно, что уменьшение количества швов увеличивает стойкость подины, и при прочих равных условиях срок службы электролизера с монолитной блочной подиной более высок, о чем убедительно свидетельствует зарубежная практика. Однако при этом возникают сложности с установкой блока в катодный кожух, а периферийные швы получаются широкими. Для снижения ширины периферийных швов применяют разъемные катодные кожухи — со съемной верхней частью.

Разрушение бортовых стенок со стороны рабочей поверхности бокового угольного блока за счет окисления воздухом в основном зависит от технологии электролиза и конструкции ванны и связано с недостаточностью укрытия и плохой практикой защиты бортовой футеровки. Если не поддерживать надлежащий слой гарнисажа и глиноземного укрытия, то верхняя часть бортовой футеровки может быть разрушена за 2 года. Ванна может работать довольно значительное время имея только гарнисаж и кожух, при условии, что технология стабильна и поддерживается минимальная застывшего расплава. При этом достаточно продолжительного анодного эффекта, чтобы расплавить гарнисаж и открыть доступ металла и электролита к катодному кожуху. Обычным путем для минимизации проблемы окисления на воздухе является замена верхней части всей бортовой футеровки на более устойчивый к окислению материал. В этом случае могут быть использованы карбид кремния на нитридной связке или углерод со специальными игибиторными добавками. Огнеупорные изделия из карбида кремния на нитридной связке обладают рядом уникальных свойств: они не смачиваются расплавами цветных металлов, имеют высокую термическую устойчивость и сопротивляемость к действию кислот. Такие плиты не деформируются под нагрузкой при нагреве до 1800°С, не окисляются в воздушной среде до 1600°С, а также обладают большой прочностью и абразивной стойкостью, отличной теплопроводимостью.

Таблица 4 – Характеристики карбидокремниевой плиты на нитридной связке марки КН по ГОСТ 10153-70

Наименование показателя	Норма для марки КН
Массовая доля SiC, %, не менее	70
Массовая доля Al2O3, %, не более	–
Массовая доля N2, %, не менее	7,0
Массовая доля Si, %, не более	1,5
Открытая пористость, %, не более	19
Предел прочности при сжатии, Н/мм2, не менее	100
Температура начала размягчения, oС, не ниже	1500

Бортовые блоки на основе карбида кремния показали хорошие эксплуатационные свойства (в основном за рубежом), но их широкое применение в России сдерживается значительно более высокой стоимостью по сравнению с углеграфитовыми блоками. На данный момент существует выход из этого положения, который позволяет использовать карбид кремниевые плиты, при этом снизив затраты. Следует создать рациональную форму шахты электролизера за счет ее выполнения из двух частей, из которых ее верхняя часть выполнена из карбидкремния с повышенной стойкостью к содержащемуся в шахте электролизера расплаву, а нижняя часть - из углеродного материала с пониженной стойкостью к указанному расплаву, и при этом обеспечивающую надежную фиксацию элементов ее верхней части относительно элементов ее нижней части и исключающую проникновение содержащегося в шахте электролизера расплава в местах соединения элементов ее верхней и нижней части, а также в местах стыкования элементов, составляющих ее верхнюю часть, друг с другом, особенно в период пуска электролизера и в начальный период его работы, что позволит увеличить ее срок службы.

Плиты из карбидкремния могут быть установлены в два ряда с перевязкой швов. Плиты первого и второго ряда могут быть соединены между собой клеящим или цементирующим составом. Установка плит из карбидкремния в два ряда с перевязкой швов позволяет использовать плиты, имеющие небольшие размеры, в частности толщину и длину, и при этом снижает вероятность проникновения содержащегося в шахте электролизера расплава в вертикальные швы между плитами. Соединение плит из карбидкремния между собой клеящим или цементирующим составом обеспечивает дополнительную фиксацию плит из неметаллических тугоплавких соединений в ряду относительно друг друга и снижает вероятность проникновения содержащегося в шахте электролизера расплава в вертикальные швы между плитами.

Установка плит из карбидкремния в паз, выполненный в верхних гранях соединенных между собой блоков из углеродсодержащего материала, и соединение с блоками из углеродсодержащего материала клеящим или цементирующим составом или заделкой указанного паза углеродсодержащим материалом обеспечивают надежную фиксацию плит из карбидкремния относительно блоков из углеродсодержащего материала и исключают проникновение содержащегося в шахте электролизера расплава между указанными плитами и блоками, а также в местах стыкования указанных плит друг с другом. Это позволяет увеличить срок службы бортовой футеровки алюминиевого электролизера.

Смачиваемые катоды. Угольные катоды современных электролизеров не смачиваются алюминием. Для обеспечения ровной и стабильной катодной поверхности существует необходимость поддержания высокого столба алюминия (10-40 см) в ванне электролизера, что увеличивает его размеры и объем незавершенного производства [10]. Смачиваемые электроды дают возможность сократить МПР и тем самым уменьшить габариты ванн. Диборид титана в качестве материала смачиваемого катодного покрытия был впервые представлен в Ренсли в 1962 году и получил наибольшее распространение. Он используется как индивидуальный материал и как компонетнт композитных катодов. Композитные катоды могут содержать также бориды (ZrB2, BN и т.д.) и карбиды (TiC, SiC и т.д). Эти соединения сходны по свойствам с диборидом титана, однако их стоимость заметно выше. Широко известны смачиваемые покрытия TINOR (суспензия из порошка TiB2 и глинозема-связующего, разработка «Молтек») и TiB2-C (компании «Мартин Мариэтта» и «Комалко»). На опытном участке «Комалко» начиная с 1985 года было испытано значительное количество электролизеров со смачиваемым катодом TiB2-C. Эти электролизеры работали или при подпитке (на высокой плотности тока), производя дополнительный металл, или при силе тока серии, что давало экономию электроэнергии. Типичные показатели: МПР 20-30 мм, плотность

тока 0,97-1,3 А/см2. При таком низком МПР и, следовательно, энергетическом выигрыше выход по току составлял 91,7 %, что сравнимо с показателями обычных электролизеров. Широкомасштабные испытания смачиваемого покрытия TiB2-C проводятся и на заводах Китая.

В 1995 году на заводе Хэйфэй на опытных электролизерах с анодом Содерберга с силой тока 60 кА во время испытания смачиваемого покрытия отмечалось увеличение выхода по току более чем на 2 % и снижение расхода

электроэнергии на 300 кВт·ч/кг Al. В последние годы китайскими специалистами активно ведутся исследования поведения смачиваемых катодов на электролизерах 300 кА с обожженными анодами. Срок службы покрытий на основе TiB2 при электролизе может составлять 2-4 года.