5. Технологическое обслуживание электролизеров

Обслуживание ванн, работающих в нормальном технологи­ческом режиме, сводится к выполнению следующих технологиче­ских операций: обработка и питание ванн глиноземом, регулирова­ние рабочего напряжения и МПР, корректировка состава электроли­та фтористыми солями, снятие угольной пены, обслуживание рабо­чего пространства, ремонт бортовой футеровки. Отдельно в главе 7 рассмотрены вопросы обслуживания анодов.

Обработка ванн. На стабильно работающей ванне поверх­ность электролита закрыта коркой застывшего электролита и засы­пана глиноземом. В период между обработкой ванн глинозем на корке подсушивается и прогревается, выполняя при этом роль до­полнительной тепловой изоляции. Частично через корку и слой гли­нозема фильтруются анодные газы, при этом глинозем поглощает фтористые соединения, испаряющиеся с поверхности электролита, сокращая тем самым потери фтора.

Весь комплекс операций, связанный с пробивкой корки, подпиткой электролизера глиноземом и засыпкой новой порции глинозема, называется обработкой электролизера. В начальный пе­риод развития алюминиевой промышленности обработку приурочи­вали к очередной вспышке. В настоящее время работают по прин­ципу предупреждения вспышек.

Для электролизеров с самообжигающимися анодами приме­няется так называемый поточный или регламентированный метод обработки ванн, в процессе которого разрушают корку электролита с одной из продольных сторон электролизера, производят подпитку ванны глинозёмом. После этого засыпают новую порцию глинозёма. Частота обработки при применении машин по пробивке корки (МПК) ударного типа составляет от 6 до 12 раз в сутки (как для электролизеров ВТ, так и БТ).

Поточную обработку производят по регламентированному графику с отклонением от регламента не более 15-20 мин. При при­менении напольно-рельсовых машин с фрезой в качестве рабочего органа интенсивность перемешивания глинозема в электролите меньше и частота обработки повышается до 12-16 раз в сутки.

Количество загружаемого глинозема определяется электри­ческой мощностью электролизера, его технологическим состоянием, частотой обработки и толщиной глиноземной засыпки, которая не должна быть более 20 см. После загрузки глинозёма ванна тщатель­но герметизируется, восстанавливается работа горелок (на ваннах ВТ) и огоньков (на ваннах БТ), очищается фланцевый лист.

Рис. 5.5. Температура электролита между обработками

Как видно на рис. 5.5, даже на нормально работающем элек­тролизере температура электролита между обработками возрастает на 8-12°С. Поэтому лучшие результаты получают при учащенной обработке ванн.

При необходимости, но не реже одного раза в 10-15 дней, производят технологическое обслуживание ванн. Это производится, как правило, после анодного эффекта или после перестановки шты­рей. Технологическое обслуживание больших электролизёров вы­полняют поочередно на одной продольной стороне электролизера или на её половине за одну смену. При обработке проверяют подош­ву анода, снимают угольную пену, подтягивают к бортам осадок и контролируют форму рабочего пространства. Участки ванны со сла­быми настылями и гарнисажами охлаждают оборотным электроли­том, выбоями из ковшей. Настыли, уходящие под анод, по возмож­ности сбивают. Торцы обрабатывают по отдельному графику и зна­чительно реже, чем продольные стороны.

Технологическая обработка электролизеров ОА кроме про­верки формы рабочего пространства и снятия угольной пены (если она имеется) предусматривает восстановление дефектов укрытия анодного массива и оплёскивание доступных мест анодов электро­литом. Обработка продольных сторон распределена по времени с таким расчетом, чтобы она не совпадала с заменой анодов и выливкой металла.

Для включения алгоритма сопровождения обработки на АСУТП вводится уставка «Обработка». Разрушение корки электро­лита производится в два приема: первым заходом прорубается корка вблизи анодов, вторым - вдоль борта электролизера. Весь материал тщательно протапливается в электролите, пена и куски корки уда­ляются, подтягивается осадок. Внешние торцы анодов оплёскивают­ся электролитом.

Далее восстанавливается слой укрывного материала с таким расчетом, чтобы толщина засыпки между бортом и анодами была порядка 20 см. Толщина слоя укрытия анодного массива должна быть в пределах 10 см, а места окисления анодов должны дополни­тельно герметизироваться.

Торцы ванн обрабатываются на всю длину один-два раза в месяц. При нарушении бортовой футеровки по продольной или тор­цевой стенке количество технологических обработок в местах раз­рушения может устанавливаться по учащенному графику. Обработ­ка ванн ОА с целью подпитки глинозёмом не производится.

Каждая обработка, как технологическая, так и поточная, приводит к существенным потерям тепла и охлаждению электроли­зера. Если температура электролита превышает установленное тех­нологической инструкцией значение, то обработка положительно влияет на его работу. Однако при холодном ходе во время обработки снижается уровень электролита, ванна «вымерзает». В этом случае целесообразно сократить число обработок, повысить разовую за­грузку глинозема, поднять рабочее напряжение.

Съем угольной пены. Образование угольной пены характер­но преимущественно для электролизеров ВТ. Считается приемле­мым количество снимаемой пены в пределах 15-20 кг/т алюминия. Большая величина съёма пены может быть вызвана нарушением технологии электролиза («поджатием» ванны, чрезмерным погру­жением анода в шахту при падении уровня металла, разгерметиза­цией ванны и окислением боковой поверхности анода, протеками массы при перестановке штырей и др.).

Приходиться сталкиваться и с проблемой сезонного роста угольной пены, когда из-за низких температур в зимнее время про­исходит зависание холодной массы по стенкам и углам анодного кожуха, недостаточная степень её обжига и усиленное осыпание в виде угольной пены. Использование более жирной анодной массы и регулирование температуры по периферии анода может существен­но ослабить фактор сезонности.

Если электролит запенен, то при обработке (особенно фрезой МНР) часть глинозема смешивается с угольной пеной и растворение его в электролите затрудняется. Растворение криолитоглинозёмной корки в промежутке между обработками будет затруднено и это приведёт к «забиванию» рабочего пространства ванны. При этом концентрация глинозема не достигает требуемого значения, а элек­тролит науглероживается, о чем свидетельствуют следующие дан­ные:

Высота слоя угольной пены, мм 0 20 60  100

Концентрация глинозема в электролите, % 4,2 4,1 3,4 2,5

Концентрация углерода в электролите, % 0,2 0,26 0,42 0,69

Частота вспышек на запененных ваннах выше, а вспышки, как правило, бывают «средние» и «тусклые». В местах со слабой циркуляцией электролита (в углах и торцах) пена плохо удаляется из-под анода, изолирует отдельные участки и способствует разви­тию неровностей, «конусов» и «козырьков» на подошве.

Съём пены целесообразно производить после вспышки, т.к. во время анодного эффекта улучшаются условия выделения пены.

Пена снимается «сухой», т.е. с минимальным содержанием электро­лита.

«Подтягивание» глиноземных осадков. Эту операцию про­водят во время технологического обслуживания ванн по мере появ­ления осадков. «Подтягивание» осадков можно производить только при достаточно высоком уровне электролита (18-20 см), т.к. во вре­мя этой операции осадок взмучивается и электролит насыщается взвешенным глиноземом, растет омическое сопротивление электро­лита и ванна разогревается. По этой причине «подтягивание осадка», как правило, производят по частям ванны за несколько смен, осто­рожно растворяя осадок в электролите. Очередная вспышка при этом задерживается. После «подтягивания» осадка желательно ос­вежить электролит, переплавляя 30-100 кг свежего криолита (в зави­симости от мощности ванны).

Выпивка металла. Выливку производят по одно- или двух­суточному графику, т.е. ванну выливают соответственно один раз в сутки или через сутки. Ежедневная выливка, хотя и связана с повы­шенной загрузкой кранового хозяйства, обеспечивает более ста­бильный технологический режим электролизера. Перед выливкой замеряется уровень металла и по результатам этого замера устанав­ливается план-задание на выливку электролизеров.

Замер уровня производится в следующем порядке. На рас­стоянии 15-20 см от конца ломика устанавливается уровень, другим концом ломик погружается в расплав таким образом, чтобы он упер­ся в подину. При завершении установки ломика мениск уровня вы­водится на отметку «0» и положение уровня фиксируется с помо­щью зажима. После короткой выдержки ломик извлекается из рас­плава и с помощью уровня устанавливается под тем же углом на­клона. Линейкой измеряется расстояние от пола до отчетливо вид­ной на ломике границы металл-электролит. Это и есть уровень ме­талла. Расстояние от этой границы до верха застывшей корки есть уровень электролита.

Масса вылитого металла должна приблизительно соответст­вовать производительности электролизера за период между вылив- ками. Если на той или иной ванне следует повысить уровень метал­ла, то задание может быть соответственно уменьшено, и наоборот, если уровень металла следует понизить. Эти отклонения могут дос­тигать ± 100-400 кг для электролизёров разной мощности.

В зависимости от формы рабочего пространства уровень ме­талла после выливки снижается от 2 до 4 см. Например, если при глубине шахты 550 мм уровень металла перед выпивкой составил 40 см, то после выливки он будет равен 36-38 см. При этом глинозем­ный осадок по периферии ванны, находящийся до выливки под сло­ем металла, частично оголяется, оказывается в зоне электролита и взмучивается. В результате этого электрическое сопротивление электролита возрастает.

Чтобы избежать «поджатая» ванны, в течение 1,0-1,5 ч после выливки рабочее напряжение следует выдерживать на ~ 0,2 В выше установленного. Если подина свободна от осадков, а подовая на­стыль находится в пределах нормы, то эта добавка не нужна. После нормализации концентрации глинозема в электролите напряжение на ванне приводится к нормальному. Как правило, после выливки металла вспышка на ванне не возникает в течение 6-10 ч.

Выливку металла производят с помощью вакуумного ковша, футерованного изнутри шамотным кирпичом и оснащенного под­весным взвешивающим устройством. Ковш герметично закрывается крышкой и во время выливки подключается к сети вакуума.

Для выливки металла необходимо определить место для за­бора металла и пробить в этом месте корку электролита. Перед про­бивкой корки анод должен быть поднят с учётом увеличения напря­жения на ~ 0,1 В. Образовавшаяся летка должна быть подготовлена к выливке: очищена от корки и угольной пены, подину в этом месте следует очистить от осадка. Ковш прогревается и подключается к вакуумной линии. Носок вакуум-ковша вводится в расплав ниже зеркала металла. На весовом устройстве устанавливается отметка «0».

Выливка может производиться как в автоматическом, так и в ручном режиме. Если используется автоматический режим, то управление электролизера переводится в положение «Выливка». Начало набора металла определяется по изменению показаний кра­новых весов. В режиме «Выливка» анод автоматически опускается на высоту вылитого металла.

Если используется ручной режим, то все действия по опус­канию анода производятся вручную. При этом нужно следить за скоростью опускания анода, чтобы напряжение на ванне не повы­шалось более 0,2 В. Если высота бортовых настылей слишком вели­ка, необходимо следить за тем, чтобы между периферией анода и поверхностью настылей сохранялось достаточное расстояние и анод не «сел» на настыль.

По завершении набора металла ковш отключается от вакуум- сети и поднимается в крайнее верхнее положение, а управление ано­дом переводится из положения «Выливка» в исходное. Индикатор­ная лампочка «Выливка» гаснет. Отклонение массы металла, выли­ваемого с одного электролизера, зависит от точности крановых ве­сов и, как правило, не превышает 50 кг. После набора полного ков­ша он перемещается на средний проход и устанавливается на тележ­ку для транспортировки в литейное отделение.

Поддержание уровня электролита и корректировка его cocтaвa

Количество жидкого электролита (уровень) и его состав существенно влияют на технико-экономические показатели работы электролизера.

Теоретически составляющие электролита не участвуют в процессе электролиза, а, следовательно, количество электролита в ванне должно оставаться постоянным. Практика работы показывает, что при производстве алюминия наблюдается расход различных составляющих электролита от 35 до 80 кг на 1 т алюминия в зависимости от состояния технологического режима электролизера. Это объясняется поглощением электролита угольной футеровкой; разложением его составляющих примесями, вводимыми с сырьем и с продуктами коксования самообжигающегося анода; улетучиванием и потерями при извлечении угольной пены. Наибольший расход электролита наблюдается в послепусковой период работы электролизера, когда электролитом пропитывается футеровка и интенсивно улетучиваются его составляющие. Повышенный расход составляющих электролита наблюдается и при всех отклонениях от нормальной работы электролизера.

Необходимый уровень электролита в электролизерах поддерживают, периодически загружая свежий, флотационный или регенерированный криолит, а также оборотный твердый и жидкий электролит. Свежий криолит получают из флюоритового концентрата на специальных заводах, флотационный —при переработке угольной пены методом флотации, регенерированный — в результате переработки растворов газоочистки.

Состав электролита в период эксплуатации также претерпевает различные изменения, например из-за избирательной способности пропитки угольной футеровки фтористым натрием и склонности фтористого алюминия к повышенной улетучиваемости. Заданный состав электролита поддерживают, добавляя фтористый алюминий, фтористый натрий или соду, каустический магнезит, хлористый натрий, фтористый кальций и фтористый литий. Состав электролита регламентируется рабочей технологической инструкцией.

Составляющие электролита обладают неодинаковыми свойствами и при соприкосновении с расплавом ведут себя по-разному, поэтому их загружают в электролизер различными способами.

Во всех случаях предпочтительнее вводить компоненты электролита в виде брикетов или гранул. Следует помнить, что попадание в расплав холодных или увлажненных компонентов приводит к выбросу расплава.

Кусковой оборотный электролит загружают по периметру шахты ванны преимущественно в местах со слабой настылью, не допуская попадания кусков под анод.

Окомкованный криолит всех видов, фтористый алюминий и необходимые добавки загружают после обработки электролизера на поверхность электролита, предварительно присыпанную горячим глиноземом, и засыпают основным количеством глинозема, что обеспечивает их постепенное прогревание и предохраняет от улетучивания.

Фтористый натрий, обладающий повышенной температурой плавления, загружают небольшими порциями непосредственно в электролит сразу же после анодного эффекта, когда расплавимеет максимальную температуру. Порошкообразный криолит и фтористый алюминий целесообразнее задавать сразу же после выливки алюминия через отверстия в корке электролита непосредственно в расплав. Соду разбрасывают тонким слоем по открытой поверхности электролита с соблюдением мер предосторожности, так как она обладает повышенной гигроскопичностью.

Разовая загрузка любых компонентов электролита зависит от мощности электролизера и строго регламентируется. Как правило, она не превышает 70 кг. Частота введения компонентов зависит от изменения уровня и состава электролита. Практика работы показывает, что в процессе нормальной эксплуатации больше всего расходуется криолита (для поддержания уровня электролита в заданных пределах) и фтористого алюминия (для корректировки состава электролита). Потери последнего обусловлены повышенным улетучиванием и разрушающим воздействием примесей Na2О, H2O, SiO2, SО2-4, вводимых с сырьем, а также с продуктами коксования анода.

Одним из широко применяемых в настоящее время прогрессивных методов загрузки фтористых солей для поддержания уровня электролита является питание электролизеров шихтой из предварительно заготавливаемой смеси глинозема и фтористых солей.

При работе по этому методу возможно снизить расход фтористых солей, так как они поступают в электролит более равномерно и предварительно прогретыми до высоких температур на корке электролита.

Отечественная промышленность выпускает криолит в основном с криолитовым отношением 1,5—1,7 и его можно использовать для корректировки электролита. Корректировку фтористым алюминием осуществляют на основании результатов кристаллооптического анализа, производимого через 2—3 дня, и при нормальной работе ванн корректировку проводят ежедневно небольшими порциями. Корректировку состава электролита другими добавками проводят, как правило, одни раз в месяц на основании данных химического или спектрального метода анализа электролита.

Для осуществления расчета количества корректирующего вещества канд. техн. наук И. П. Гупало приводит следующие формулы.

При корректировании щелочного или недостаточно кислого электролита фтористым алюминием количество его (кг) можно определить по формуле АlF3=2n(K1-K2)/(1/2c +K1K2-1).

При корректировании электролита кислым криолитом при смешении двух электролитов с разным молекулярным отношением состав смеси К3 (молекулярное отношение электролита после смешения) можно найти по уравнению

К3=аК1(2+К2) +бК2 (2+К1)/[a(2+К2)+б(2 +К1)].

Когда К1 отличается от К2; более чем на единицу, для определения К3 с достаточной степенью точности (±0,05÷0,07) может быть применено правило смешения:

К3 = aK1 + б К2/(a + б) .

Необходимое количество NaF(кг) рассчитывают по формуле NaF=n (К2-К1)/[c (2 +К1)].

Расход соды Na2CO3 определяют по формуле Na2CО3=3,8 n(К2-К1)/[c(К1+2) (К2+3)].

В этих формулах приняты следующие обозначения: п—масса корректируемого электролита, кг; K1—молекулярное отношение а : Л1Рз электролита до корректирования; К2—молекулярное отношение а:AlF3, которое необходимо получить; с —содержание вещества в исходном продукте, доли единицы; а и б— масса электролита с молекулярным отношением К1 и К2 соответственно. По криолитовому отношению электролита (К) подсчитывают избыточное содержание фтористого алюминия (сверх содержания в криолите) по формуле, % (по массе):

А1F3== 200:3 [(3 - К)- (2+K)].

Обслуживание анодов

В процессе электролиза алюминия нижняя часть анода окисляется (сгорает). Для создания непрерывности процесса приходится периодически заменять израсходованные предварительно обожженные блоки новыми или постоянно подгружать анодную массу в непрерывные самообжигающиеся аноды. Поэтому обслуживание анодов двух этих типов различно.

Обслуживание анодного узла электролизеров с предварительно обожженными анодами заключается в замене анодных блоков и перестановке анодной рамы—для блочной конструкции или в “приклеивании” новых обожженных анодных блоков и перемещении контактных соединении—для моноблочной конструкции.

Обслуживание непрерывных самообжигающихся анодов осложняется необходимостью формирования их в процессе работы.

На рис. 125 схематически показаны основные этапы формирования самообжигающегося анода. Разогрев и коксование пека, содержащегося в качестве связующего в анодной массе, происходят за счет тепла, выделяющегося в междуполюсном зазоре электролизера и в теле анода при прохождении постоянного тока. По физическим свойствам такой анод можно разделить на три основные зоны: зону анодной массы, как правило, жидкую I; тестообразный слой, в котором начинаются процессы коксования пека II, и наконец, зону скоксовавшейся части анода, по которой через запеченные в нее штыри электрический ток поступает в рабочее пространство шахты ванны III.

Процесс перехода одной зоны в другую протекает непрерывно и постепенно по мере сгорания нижней части анода. Коксование пека начинается с температуры около 400 °С. Зона жидкой анодной массы располагается от верха анода до изотермы, соответствующей температуре 180—200°С; тестообразный слой ограничивается изотермой, соответствующей температуре около 400 °С.

Скоксовавшаяся часть анода, расположенная ниже этой изотермы, носит название конуса спекания анода. В нормально работающем электролизере в зависимости от его конструктивных особенностей максимальная высота конуса спекания составляет 1000—1200 мм.

Основная масса газов, образующихся во время коксования пека, проходит через поры уже спеченного анода и под действием высоких температур разлагается с образованием углерода, который, заполняя поры, повышает механическую прочность и электропроводность анода. Поэтому при конструировании электролизера предусматривается возможность создания максимального уровня жидкой анодной массы, препятствующей выделению газов коксования через верх анода и снижению температуры верхнего ее слоя, для чего в анодном устройстве предусматриваются специальные конструкции, отводящие тепло, так называемые системы охлаждения анода.

Непрерывные самообжигающиеся аноды с боковым токоподводом. Обслуживание состоит в последовательном выполнении следующих операций: загрузки анодной массы, наращивания алюминиевого кожуха, переключения анодных спусков с одного ряда штырей на другой, извлечения нижнего ряда штырей, подъема анодной рамы и забивки новых штырей в анод.

3агрузку анодной массы осуществляют не реже чем один раз в 10 сут либо ввиде крупных блоков массой до 2 т, либо в виде мелких брикетов, либо в жидком виде с таким расчетом, чтобы слой жидкой анодной массы составлял 350—700 мм.

Во избежание расслоения анода перед очередной его загрузкой поверхность жидкой анодной массы очищают от скопившейся пыли, обдувая ее сжатым воздухом. Не допускается отстой пека и “высыхание” массы на поверхности анода.

Для корректирования жидкого слоя анодной массы в него добавляют массу с большим или меньшим (по сравнению с рядовой) содержанием связующего. В исключительных случаях добавляют препарированный пек.

Транспортирование анодной массы к ваннам осуществляют с помощью мостовых крапов в саморазгружающихся бункерах.

Наращивание алюминиевого кожуха обечайки выполняют через 30—50 дней в зависимости от скорости сгорания анода и от размеров алюминиевого листа, используемого для изготовления секции обечайки. Заготовленные секции расправляют вместе с оставшейся частью по форме алюминиевого кожуха и вставляют в него так, чтобы шов перекрывался на 200—250 мм.

Шов по всему периметру анода уплотняют бумажной прокладкой и проклепывают алюминиевыми заклепками в шахматном порядке в два ряда.

Переключение анодных спусков производят при достижении между нижним рядом штырей и подошвой анода расстояния 180—240 мм. Анодные спуски отключают, зачищают и подключают к очередному ряду штырей. При этом следует иметь в виду, что одновременное отключение большого числа спусков отрицательно влияет на электрический режим работы ванны: увеличивается сила тока и, следовательно, растет перепад напряжения в остальных спусках. Поэтому отключение и подключение спусков выполняют последовательно, не допуская одновременного отключения более пяти спусков. Падение напряжения в контакте шинка—штырь, замеренное на вторые сутки после подключения спусков, не должно превышать для клинового контакта 5—7 мВ, для сварного 5 мВ.

Извлечение нижнего ряда штырей осуществляется специальными пневмогидравлическими машинками (рис. 126). Перед извлечением штырей их освобождают от нагрузки—веса анода. Для этого между вторым рядом штырей и металлоконструкцией анода устанавливают временные тяги, на которые передается вес анода. В отверстие, имеющееся в головке штыря, вставляют металлический стержень, за который зацепляют захватную головку машинки для извлечения штыря. Специальный упор машинки подводится вплотную к телу анода, и рабочий орган ее приводится в действие. Этот тип машинки работает по принципу гидравлического домкрата и легко производит операцию извлечения штырей.

Извлеченный из тела горячий штырь при необходимости сразу же на месте выпрямляют на пневмогидравлическом прессе и отправляют на чистку. Отверстие в теле анода, образовавшееся после извлечения штыря, заделывают криолитом во избежание окисления. Штыри нижнего ряда извлекают последовательно по всему периметру анода.

Подъем анодной рамы осуществляют сразу же после извлечения нижнего ряда штырей. Для этого включают механизм подъема и поднимают всю конструкцию анодной рамы до тех пор, пока несущие “серьги” не войдут в зацепление с нижним рядом штырей. Тело анода с запеченными в него штырями во время перемещения анодной рамы неподвижно, так как анод висит на временных тягах.

При подъеме анодной рамы внимательно следят за поведением различных элементов конструкции анодного узла, чтобы не допустить возможных разрывов алюминиевой обечайки, а следовательно, и вытекания жидкой анодной массы.

После передачи усилий, несущих анод, на нижний ряд штырей временные тяги удаляют, корку электролита приводят в рабочее состояние и на электролизере устанавливают заданное напряжение.

Забивку нового ряда штырей в тело анода осуществляют через 1—2 сут после перетяжки анодной рамы. Верхний ряд штырей забивают в тело анода с таким расчетом, чтобы они не попали в конус спекания. При забивке штырей выдерживают заданный угол и осуществляют строгую ориентацию всех штырей как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Забивку штырей выполняют с помощью специальной манишки (рис. 127). В ложе этой машинки устанавливают очередной штырь, приводят в действие ударно-пневматический механизм, который бойком, совершающим возвратнооступательные движения, наносит по головке штыря частые удары. Вся операция забивки штыря такой машинкой занимает несколько секунд.

Непрерывные самообжигающиеся аноды с верхним токоподводом. Обслуживание состоит в последовательном выполнении следующих операций: загрузки очередной порции анодной массы, извлечения и установки штырей на новый горизонт, подъема анодной рамы и подъема металлического анодного кожуха относительно угольного тела анода.

Загрузку анодной массы осуществляют один раз в двое суток. Анодную массу загружают в виде мелких брикетов равномерно по всей поверхности анода в таком количестве, чтобы при ее разогреве она не вытекала через верх анодного кожуха.

Перед загрузкой анодной массы удаляют пыль с поверхности анода.

Перед перестановкой штырей в зависимости от крупности брикетов анодную массу загружают с таким расчетом, чтобы ко времени перестановки масса имела вязкую консистенцию и способность самостоятельно затекать в отверстие из-под штырей. При использовании анодной массы со связующим, имеющим повышенную температуру размягчения, разрыв во времени между загрузкой анодной массы и перестановкой штырей увеличивают. Корректировку жидкого слоя анодной массы проводят так же, как и анодов с боковым токоподводом.

Анодную массу загружают в аноды либо из саморазгружающихся бункеров, транспортируемых мостовыми кранами, либо из загрузочных бункеров многооперационных напольно-рельсовых машин, либо специально предназначенными для этой цели самоходными машинами.

Перестановка штырей. Изменение падения напряжения, распределение тока в аноде, изменение высоты конуса спекания и другие характеристики анода во многом зависят от числа горизонтов расстановки штырей электролизеров с верхним токонодводом. Горизонт расстановки — это ряд штырей, расположенных на одинаковом расстоянии от подошвы анода.

За время эксплуатации систем с верхним подводом тока к аноду проведено много исследований зависимости качественных показателей сформованного анода от числа горизонтов штырей. Известно, что чем равномернее распределяется ток в теле анода, тем меньше перепад напряжения в нем и, следовательно, выше технико-экономические показатели работы электролизера. Многочисленными измерениями, проведенными на промышленных электролизерах, и обработкой данных с применением методов математической статистики установлено, что на распределение тока по анодным штырям влияют следующие факторы: а) число анодных штырей, конструктивное оформление и состояние контактов между отдельными анодными штырями и распределительной шиной, а также величина поверхности штырей, находящихся в токопроводящей зоне анода ниже изотермы 650°С: б) число горизонтов и шаг перестановки штырей, равный произведению числа горизонтов на расстояние между ними, а также расстояние от штырей до подошвы анода;

в) расположение штырей в плане анода: г) степень чистоты токопередающей поверхности штырей.

Исследованиями влияния числа горизонтов штырей на распределение по ним тока и, следовательно, на падение напряжения в теле анода при прочих равных условиях установлено, что по мере перехода от многогоризонтального расположения штырей к двухгоризонтному распределение тока по штырям ухудшается в первые дни после их перестановки, но становится более равномерным в последующий период работы электролизера.

Следовательно, в среднем за цикл (от перестановки до перестановки штырей) в распределении тока по штырям при двухгоризонтном и многогоризонтном их расположении нет существенной разницы. Однако вследствие меньшего падения напряжения в анодах при двухгоризонтном расположении штырей непосредственно перед их перестановкой улучшаются условия коксования вторичного анода, а более равномерное распределение тока в аноде способствует уменьшению величины лунок на подошве анода под штырями и трещин в его теле. Кроме того, с уменьшением числа горизонтов расстановки штырей сокращаются трудовые затраты на операции перестановки. В отечественной промышленности принята двухгоризонтная схема расположения штырей.

Выбор шага перестановки штырей и минимального расстояния от нижнего ряда штырей до подошвы анода зависит от качества применяемой анодной массы, степени интенсификации (плотности тока в аноде) процесса электролиза, конструктивных особенностей анодного узла и указан для каждого случая в рабочей технологической инструкции.

Перестановку штырей начинают с нижнего горизонта при минимальном расстоянии от конца штырей до подошвы анода. При двухгоризонтном расположении штырей перестановку штырей одного горизонта осуществляют в два приема: сначала переставляют штыри внутренних рядов нижнего горизонта и через 1—2 суток—штыри внешних рядов. До начала перестановки штырей к электролизеру подвозят комплект холодных очищенных штырей, а анодную массу вокруг извлекаемых штырей перемешивают до однородного состава.

Перед извлечением штыря освобождают зажимную колодку анодного контакта переставляемого штыря и соединяют головку штыря с автоматическим захватом штанги штыревого электромостового крана. Затем раскручивают штырь до полного отрыва его от тела анода, извлекают из анода и устанавливают в кассету. После зачистки контактных поверхностей колодки или шины устанавливают подготовленный холодный штырь вместо извлеченного на верхний горизонт и плотно затягивают контакт колодка—штырь или шина—штырь. При установке нового штыря внимательно следят за заполнением отверстия из-под штыря в теле анода. Во избежание образования пустот под штырями нельзя приподнимать штыри, установленные ниже своего горизонта. Такие штыри обязательно следует извлекать из анода и только после заполнения отверстия из-под штыря анодной массой устанавливать на свой горизонт.

При перестановке штырей без применения автоматического захвата сначала раскручивают все переставляемые штыри, а затем поочередно извлекают их и устанавливают на верхний горизонт подготовленные холодные штыри. Остальные операции производят в порядке, аналогичном описанному выше.

Для правильной расстановки штырей по горизонтам их ежегодно выбраковывают по длине. При попадании жидкой анодной массы в расплав через отверстие из-под извлекаемого штыря возможен выброс расплава из шахты ванны. Поэтому во время извлечения штырей все другие операции обслуживания электролизёра прекращают, а обслуживающий персонал удаляется на безопасное расстояние.

Подъем анодной рамы осуществляют периодически по мере сближения ее с верхом конструктивных элементов анодного кожуха, обычно при приближении нижней грани анодной рамы к верхней грани конструктивных элементов анодного кожуха на 70—100 мм. В зависимости от конструкции анодного устройства электролизера и скорости сгорания анода эту операцию выполняют через 15—25 сут. Для предотвращения нарушения расстановки штырей не допускается совмещение операции подъема анодной рамы и перестановки штырей; минимальный срок между этими операциями 1 сут.

До подъема анодной рамы анод обычно подвешивают при помощи захватов за штыри нижнего горизонта к переносной конструкции (траверсе), устанавливаемой на контрфорсы анодного кожуха. Существуют н другие способы закрепления угольного массива за металлоконструкции анодного кожуха. Затем зачищают контактные поверхности штырей или алюминиевых штанг до нового места расположения контакта и ослабляют контакты колодка—штырь или штанга—шина с таким расчетом, чтобы обеспечить свободное скольжение в указанных контактах.

Подъем анодной рамы осуществляется при одновременном действии основного и вспомогательного механизмов электролизера; основной механизм осуществляет подъем анодной рамы, а вспомогательный стабилизирует положение анода в одном положении.

В период перетяжки анодной рамы следят за плавностью скольжения колодок по штырям или штанг по шинам, не допускают сильного искрения в этих контактах. Анодную раму поднимают на высоту, предусмотренную проектом электролизера.

После подъема анодной рамы основные контакты затягивают и убирают временные приспособления, удерживающие анод в стабильном положении. Если при подъеме рамы возник анодный эффект, подъем прекращают до его устранения.

Подъем анодного кожуха осуществляют по мере приближения его нижней кромки к расплаву. Обычно не допускается приближение газосборного колокола к расплаву менее чем на 100 мм. Операция подъема кожуха заключается в перемещении его относительно угольного тела анода и осуществляется действием вспомогательного механизма электролизера. Кожух поднимают на высоту максимум 80 мм за один прием; желательно более частое выполнение этой операции на небольшую высоту во избежание возможного “припекания” угольного тела анода к внутренней поверхности кожуха.

Во время подъема кожуха следят, чтобы не возникли протеки жидкой анодной массы и при необходимости своевременно их устраняют. По мере внедрения автоматизированных систем управления процессом электролиза алюминия операции подъема анодного кожуха осуществляются централизованно по заданной программе, учитывающей скорость сгорания анода.

Электролизеры с предварительно обожженными анодами. Операции обслуживания электролизеров с моноблочным предварительно обожженным анодом практически аналогичны операциям обслуживания непрерывных самообжигающихся анодов с боковым токоподводом, за исключением наращивания анодного массива. Анод наращивают обожженными угольными блоками, склеивая их специальной угольной пастой.

Операции обслуживания анодного устройства электролизеров с предварительно обожженными анодами блочного типа сводятся к периодической замене анодных блоков и перетяжке анодной рамы.

Замену анодов осуществляют по специально разработанному графику с учетом конструктивных особенностей электролизера и применяемых средств механизации. Анодные блоки извлекают по мере их срабатываемости в процессе эксплуатации до минимальной величины (“огарка”) и при значительном разрушении или отрыве угольной части блока от несущей штанги.

Полый анодный блок устанавливают на место извлеченного таким образом, чтобы его нижняя поверхность находилась на одном уровне с нижней поверхностью рядом стоящих анодов. Перед заменой анодный блок очищают от утепляющей глиноземной засыпки и освобождают от застывшей вокруг него корки электролита. После замены полый блок присыпают глиноземом для предохранения боковых его поверхностей от окисления и сокращения их теплоотдающей способности.

Операции извлечения и установки анодных блоков выполняют с помощью специальных самоходных машин или электромостовых кранов. При замене анодных блоков открывают только створки укрытия ванны, расположенные напротив заменяемого анода.

Перетяжку анодной рамы производят по мере приближения нижней кромки ее к кронштейнам штанг, несущим угольные блоки. Перед подъемом рамы анодные блоки фиксируют специальными зажимами к металлоконструкции, ограждающей анодное устройство, и ослабляют контакты штанга—шина. Перемещение анодной рамы производится подъемным механизмом электролизера на высоту, предусмотренную проектом.

Во время подъема рамы не допускается сильное искрение между анодной шиной и штангой. При возникновении анодного эффекта подъем рамы приостанавливают до его ликвидации.

По окончании перетяжки затягивают основные контакты и убирают временные приспособления, удерживающие в стационарном положении анодные блоки во время подъема рамы. Операции перетяжки анодной рамы приурочивают в период работы электролизера между заменами анодных блоков и обработками электролизера. Периодичность подъема анодной рамы зависит от конструктивных особенностей электролизера и скорости сгорания анодов.

7.2.1. Требования к качеству обожженных анодов

Требования к качеству обожженных анодов в отечественной промышленности регламентируются техническими условиями ТУ 48-5-148-84 «Блоки анодные обожженные для алюминиевых элек­тролизеров» и ТУ 1913-001-00200992-95. Геометрическая форма наиболее распространенных 3-ниппельных анодов, тип «В», показа­на на рис 7.5.

Рис. 7.5. Схема трехниппельного анода, тип В

В качестве технических требований к обожженным анодным блокам нередко применяют наиболее современную спецификацию, разработанную известной швейцарской фирмой R&D Carbon Ltd. В табл. 7.2. приведены наиболее значимые и часто применяемые в производственной практике показатели качества. Кроме того, боль­шой перечень требований предъявляется к поверхности и структуре блоков: поверхность должна быть очищена от коксовой засыпки, не допускаются трещины более 1 мм шириной и 150 мм длиной, а так- же выходящие на грани и ниппельные гнёзда трещины шириной более 1 мм и др.

Высшему показателю качества отвечают аноды с макси­мально высокими значениями объёмной плотности, прочности на сжатие и изгиб, плотности в ксилоле. В то же время значения УЭС, воздушной проницаемости, реакционной способности в токе С0₂ и воздуха, а также содержание серы и примесей должны быть мини­мальными

Дадим пояснения к некоторым показателям качества, приве­денным в табл. 7.2.

Воздушная проницаемость определяется измерением време­ни фильтрации заданного количества воздуха через цилиндрический образец анода. Этот показатель характеризует наличие «проходных» пор, через которые возможна фильтрация анодных газов и воздуха и, как следствие, окисление анода. Лучшие значения воздушной про­ницаемости лежат в области 0,5 нПм (наноПерм) или по системе СИ м²/-Па.

Реакционная способность в токе С0₂ и воздуха отражает способность анода противостоять химическому воздействию окис­лительной среды, окислению поверхности анода и осыпанию уголь­ных частиц. Отношение массы осыпавшегося углерода к окислив­шемуся в процентах называют коэффициентом селективности окис­ления. Например, при испытании в токе С0₂ отношение осыпавше­гося углерода к окислившемуся 5,0:10,0 соответствует коэффициен­ту селективности 0,50. Этот коэффициент отражает способность анода к равномерному окислению и предотвращению образования угольной пены: чем он ниже, тем меньше селективность.

Таблица 7.2 Перечень показателей качества по системе ISO

Показатель качества	Единицы измерения	Типичное значение
Объёмная плотность	кг/дм3	1.530-1,580
Удельное электрическое сопротивле­ние	МКОМ’М	52-60
Прочность на изгиб	МПа	8,0-12,0
Удельное сопротивление сжатию	МПа	32,0-48,0
Т еплопроводность	Вт/(м-К)	3,0-4,5
Плотность в ксилоле (Di)	Кг/дм3	2,050-2,080
Воздушная проницаемость	нПм	0,5-1,5
Реакционная способность в токе С02:	%
-углеродный остаток		80,0-90,0
-осыпание		3,0-8,0
-окисление		6,0-14,0
Реакционная способность в токе воз­духа:	%
-углеродный остаток		75,0-85,0
-осыпание		4,0-8,0
-окисление		10-20
Содержание примесей:
-сера	%	1,2-2,4
-кремний	ррм	100-300
-железо	ррм	100-500
-ванадий	ррм	80-260
-натрий	ррм	200-600

Ограничения по натрию вызваны тем обстоятельством, что этот элемент является сильнейшим катализатором окисления в ат­мосфере С0₂. Поскольку в производстве обожженных анодов ис­пользуется 16-20 % возвратов огарков, содержащих остатки элек­тролита, то ограничения по натрию следует считать очень важными. Ванадий является катализатором окисления анода в атмосфере воз­духа. Другие показатели качества рассматривались нами ранее и не представляют сложности.

Применяемую систему контроля качества обожженных ано­дов можно считать эффективной только в том случае, если она дос­таточно полно моделирует работу анода в алюминиевом электроли­зере и достаточно чувствительна к изменению свойств анода. Чем полнее представлен в заводской схеме контроля указанный в табл. 7.2 перечень анализов, тем более надежен получаемый результат.

7.2.4. Аноды с пазами

Технический прогресс в алюминиевой промышленности за последние 50 лет сопровождался не только увеличением единичной мощности электролизёров, но и непрерывным повышением веса и геометрических размеров обожженных анодов. Вплоть до 80-х годов вес анодов удваивался каждые 10 лет, пока не достиг ~1200 кг. Дальнейшая эволюция сопровождалась увеличением числа анодов на электролизёрах при относительно стабильном их весе. Однако и при таких размерах анодов стали очевидны их недостатки:

• усиление сколов (особенно в углах) в результате термо­шока;

• затруднение эвакуации анодных газов из междуполюсно­го зазора, особенно на электролизёрах большой мощности с идеаль­ной магнитной компенсацией и небольшим МПР, что вызывало су­щественное повышение электрического сопротивления ванны.

В алюминиевом электролизёре на каждый килограмм алю­миния образуется около 2,5м³ С02. При использовании анодов больших габаритов часть их рабочей поверхности покрывается газо­вой плёнкой толщиной порядка 1см. По мере расширения площади плёнки происходит образование больших газовых пузырьков и их циклическое удаление из-под анода. При этом меняется площадь анодной поверхности, занятой не проводящей электрический ток газовой плёнкой, что сопровождается флуктуацией тока на отдель­ных анодах и МГД-нестабильностью.

Циклические выбросы больших газовых пузырьков иниции­руют вертикальные перемещения расплава и турбулизацию поверх­ность раздела металл-электролит. Возможное снижение выхода по току составляет за счёт этого 0,5% и более.

Газовая плёнка в зависимости от типа электролизёра и осо­бенностей технологии закрывает и изолирует от 35 до 60% поверх­ности анода, вызывая дополнительный перепад напряжения на ванне от 50 до 150 мВ. С увеличением размеров анода и плотности тока эффект повышения сопротивления электролизёра, также как и пу­зырьковой нестабильности, возрастает. Возрастает газонаполнение электролита в междуполюсном зазоре.

Для решения этой проблемы в 1993 году на одном из заводов фирмы Hydro Aluminium вместо увеличения размеров анода приме­нили спаренную подвеску двух анодов на одном кронштейне типа «паук». Между анодами оставлялся узкий зазор. Тем самым удалось избежать отрицательного воздействия увеличения размеров анода на газодинамику при фактически вдвое увеличенном анодном блоке.

Несколько позднее была предложена идея нанесения со сто­роны рабочей поверхности анодов щелевидных пазов (Slots). Перво­начально эта идея использовалась как средство для предотвращения растрескивания анодов в результате термошока при установке ано­дов на ванну. Позднее обнаружились дополнительные преимущест­ва такого усовершенствования с точки зрения снижения перепада напряжения, МГД-неустойчивости, выхода по току. С этого времени началось повсеместное внедрение этого усовершенствования, одна­ко результаты его не всегда оказывались положительными. Испыта­но много конфигураций пазов, при этом наиболее важный признак их классификации основан на направлении прорезей - продольном или поперечном.

Поперечные пазы шириной 15-18 мм и глубиной ~'А высоты анода наносятся таким образом, что разделяют анод на три равные части. Высота пазов задаётся с учётом максимального уровня элек­тролита минус МПР или может несколько превышать этот уровень. Повышенная высота паза приводит к появлению дополнительной поверхности, подверженной окислению СОг и Ог, что увеличивает расход анодов нетто. Продольные пазы таких же размеров наносят­ся вдоль анода и также делят анод на равные секции. Испытывались пазы разной геометрии: горизонтальные, с уклоном, с двойным ук­лоном от центральной точки.

Выбор направления пазов зависит от того, какие задачи ста­вятся перед внедрением этого мероприятия. Как упоминалось выше, поперечные пазы используются для предотвращения термических напряжений и образования сколов. При этом каждая из трёх секций анода ведёт себя как отдельный анод. Аналогичным образом про­дольные пазы разрезают анод на узкие полосы, как правило, на три, каждая из которых работает как длинный узкий анод.

Продольные пазы с самого начала испытывались как способ облегчить удаление пузырьков первичного газа с поверхности анода. Соответственно газовая прослойка и омическое сопротивление в междуполюсном зазоре должны быть уменьшены.

По заключению специалистов R&D Carbon Ltd (M.Meier, R.Perruchoud) нанесение пазов может производиться двумя способа­ми: (а) при формовании «зеленых» блоков путём установки специ­альных закладных пластин в виброформу и (б) путём прорезки с по­мощью циркулярных пил. Первый способ по сравнению с механиче­ской прорезкой имеет следующие преимущества:

• не требуется специального оборудования для нанесения па­зов;

• не образуется отходов производства в виде угольной пыли и не требуется её специальной утилизации.

К числу недостатков такой схемы можно отнести следующее:

• направление удаления анодного блока со стола формовоч­ной машины должно соответствовать направлению пазов;

• наличие закладных пластин приводит к образованию гра­диентов плотности и повышенной структурной напряженности в зоне пазов, что повышает вероятность образования трещин; в той же зоне повышается газопроницаемость анода;

• анодные блоки с пазами такого вида весьма чувствительны к различного рода механическим воздействиям, что потенциально повышает вероятность образования брака и необходимость его пе­реработки;

• часто образуются вертикальные трещины как продолжение

пазов;

• в процессе обжига пазы в анодах забиваются засыпочным материалом (коксиком) и их чистка требует дополнительного обо­рудования и затрат ручного труда; если пазы не очищать, то коксик осыпается и науглераживает электролит с вытекающими последст­виями;

• формованные пазы получаются более широкими (до 25 мм), что существенно снижает массу анодов и приводит к сокраще­нию цикла замены анодов;

• брак «зелёных» блоков возрастает на 0,4%, брак обожжен­ных блоков - на 0,2%.

Нанесение пазов механическим способом имеет следующие преимущества:

• независимость от формующего устройства и направления разгрузки с формовочного стола;

• отсутствуют какие-либо градиенты свойств и концентра­ции напряженности в зоне прорезки анодного блока;

• аноды более устойчивы к любого вида механическим воз­действиям;

• не требуется чистка пазов от засыпочного материала и нет дополнительного науглероживания электролита;

• механически полученные пазы могут быть более узкими, что снижает потерю массы анода и цикл замены анодов сокращается в меньшей степени.

Тем не менее, имеют место и определённые недостатки этого способа:

• требуется дополнительное оборудование для прорезки па­зов;

• в зависимости от размеров анода образуется до 25 кг угольной пыли на один анод; если эта пыль утилизируется, то необ­ходимо дополнительное оборудование и затраты труда для её улав­ливания (без применения водного орошения) и возвращения в анодное производство;

• брак обожженных анодов взрастает по сравнению с рядо­выми блоками на 0,2%.

Французская фирма BROCHOT SA разработала специализи­рованную машину для резки пазов. Машина состоит из одной и бо­лее параллельно расположенных циркулярных пил с единым приво­дом. Машина работает в автоматическом режиме. Форма и направ­ление пазов (длина, ширина, глубина и наклон) задаются соответст­вующей установкой пил. Ширину пазов можно снизить до 10 мм. Образующиеся угольные отходы при пилении пазов имеют следую­щий ситовой состав: 90% (0-6 мм); 7% (6-16 мм); 3% (16-40 мм). Та­кой материал вполне пригоден для возвращения в анодное произ­водство. Система аспирации исключает попадание угольной пыли в атмосферу производственного помещения. Отходы накапливаются в отдельном бункере и перемещаются в анодное производство.

Аноды с пазами изменяют многие технологические характе­ристики электролизёров как в положительную, так и в отрицатель­ную стороны. Наиболее быстрым и впечатляющим эффектом при установке анодов с пазами можно считать снижение шума, а именно флуктуации сопротивления электролизёра. После срабатывания па­зов уровень шума быстро возвращается к исходному состоянию. То же самое относится и к флуктуации тока на индивидуальных анодах.

Имеется тенденция и к некоторым негативным проявлениям при использовании анодов с пазами. В этом отношении следует от­метить тенденцию к образованию угольной пены, которая может быть результатом попадания остатков коксика в электролит при плохой чистке пазов и за счёт увеличения контактной поверхности анода в пазах под воздействием анодных газов. Такое увеличение угольной пены более вероятно, если качество анодов относительно низкое по показателю карбоксиреактивного остатка и пористости. Следовательно, оснащение низкокачественных анодов пазами чре­вато образованием повышенного количества угольной пены. Отме­чено, что при использовании анодов с прорезями имеет место сни­жение напряжения анодных эффектов.

На одном из заводов фирмы Alcoa установлено, что исполь­зование низкокачественных анодов, оснащенных пазами, привело к дестабилизации процесса электролиза за счёт образования неровно­стей на анодах и появлению большого количества угольной пены. Отмечено также сильное обгорание и осыпание боковых поверхно­стей анодов. Снижение выхода по току составило при этом 4%, со­ответственно снизилась наработка металла. В то же время при ис­пользовании таких же анодов без пазов позволяло получить удовле­творительные результаты при электролизе. После прекращения на­резки пазов нормальный процесс электролиза восстановился.

Практика показывает, что для каждого типа электролизёра должна производиться тщательная подборка размеров паза и при­вязка параметров электролизёров к такой технологии. Часто аноды с одной и той же нарезкой пазов дают положительный результат на одном типе электролизёра и отрицательный на другом.

Пример отрицательного результата при использовании ано­дов с продольными пазами приводят K.Aldstedt с соавт. по заводу Mosjoen (Elkem, Норвегия). После внедрения такой технологии тем­пература электролита поднялась на 3-5°С, выход по току снизился на 0,8%. Сократился цикл замены анодов на 2 суток, появилась уголь­ная пена.

Использование анодов с пазами приводит к негативному ре­зультату и в том случае, если электролизёры до начала внедрения этого мероприятия долгое время работали с высоким уровнем шума и МГД-нестабильности. Таким образом, получить положительный результат можно в том случае, если применяются аноды высокого качества и объектом внедрения служат серии электролиза с устой­чивой технологией.

Влияние геометрии пазов изучалось фирмой R&D Carbon Ltd. на примере электролизёра мощностью 222 кА, количество ано­дов в ванне 20, размер анодов 1500x810x650 мм, расход электро­энергии 13,8 кВт-ч/т, выход по току 95%. Испытания проводились на анодах с глубиной пазов 150 и 300 мм. Средняя ширина паза 12- 15 мм. Полученные результаты представлены в таблице 7.3 (M.Meier, R.Perruchoud).

Таблица 7.3

Снижение перепада напряжения как функция направления и глубины пазов в аноде

Направление паза	Глубина 150мм	Глубина 300 мм
продольный	18 мВ	35 мВ
поперечный	10 мВ	20 мВ

Как видно из таблицы 7.3, продольные пазы более эффек­тивны, чем поперечные. Если пазы наклонные и глубина их возрас­тает от периферии к центру, то анодные газы сбрасываются по пазам (как по каналам) к центру ванны. При этом они выталкивают потоки электролита от периферии к центру. Тем самым идет усиление цир­куляции, интенсивное перемешивание электролита и усреднение в нём концентрации глинозёма без усиления шумов и окисления ме­талла.

Очевидно, что время жизни паза распространяется на всю его глубину и в этот период снижается перепад напряжения.

Что касается влияния на выход по току, то в этом случае имеет место компромисс между двумя противоположно действую­щими факторами. Повышенная растворимость глинозёма и меньший уровень нестабильности ванны способствуют повышению выхода по току. С другой стороны, повышенное образование угольной пены потенциально приводит к снижению этого показателя. Последний фактор весьма значим при плохом качестве анодов.

По данным G.Bearne с соавт. (New Zealand А1 Smelter) на электролизёрах различной мощности покрытие поверхности анода газовой плёнкой составляет от 37 до 58%. Наличие продольных па­зов снижает эти значения в среднем на 16% и соответственно пу­зырьковое сопротивление в междуполюсном зазоре. При высоте па­за, равном половине расходуемой части анода, перепад напряжения снижается на 35-66 мв. Определено также, что при увеличении вы­соты паза на 10 см (с 10 до 20 см) падение напряжения снижается на 20 мВ.

Получаемый эффект снижения перепада напряжения может быть использован одним из следующих способов:

• эквивалентным повышением анодной плотности тока и производительности электролизёра;

• увеличением МПР с восстановлением первоначального со­противления электролизёра; основной эффект будет достигнут за счёт повышения выхода по току как в результате повышения МПР, так и побочных изменений (снижения МГД-неустойчивости, улуч­шения условий растворения глинозёма); в конечном счёте это отра­зится также на повышении производительности электролизёров. Оп­тимальный вариант определяется технико-экономическими расчёта­ми с учётом стоимости электроэнергии и цены алюминия.

Другая задача устройства как поперечных, так и продольных пазов состоит в том, чтобы снизить среднюю скорость циркуляции электролита и его турбулизацию в граничной зоне металл- электролит. Это способствует снижению вторичного окисления ме­талла, растворенного в электролите. Если сравнивать продольные и поперечные пазы, то можно увидеть, что скорость циркуляции и турбулизация электролита снижаются в большей степени при ис­пользовании продольных пазов. Даже по визуальной оценке элек­тролизёр ОА с продольными пазами работает заметно спокойнее, с меньшей циркуляцией электролита и уровнем шума. Именно этим обстоятельством можно объяснить, почему продольные пазы более эффективны с точки зрения повышения выхода по току.

С помощью моделирования изучено влияние степени погру­жения прорезей в электролит (D.S.Stvero и др. РСЕ Engenharia, ALBRAS). Разница между полным погружением паза и погружени­ем наполовину проявляется в том, что в последнем случае покрытие анода газовой плёнкой существенно снижается. Для поперечных па­зов это различие невелико, а для продольных - существенно больше

и, кроме того, сопровождается значительным снижением скорости циркуляции. Это происходит в связи с тем, что при полном погру­жении паза прохождение газа более затруднено и это снижает с точ­ки зрения газовой динамики эффект воздействия пазов. Следует иметь ввиду, что по мере сгорания анода положение пазов непре­рывно меняется: от частичного до полного погружения в электро­лит. На последней стадии службы анод работает без пазов.

В результате оснащения анода пазами вес его заметно уменьшается. Если это снижение веса не компенсируется повыше­нием высоты анодного блока, объёмного веса или сокращением цикла замены анодов, то это приводит к недопустимому снижению толщины огарка и повышению содержания железа в металле. При использовании анодов указанных выше габаритов (1500x810x650 мм) с продольными пазами масса анода снижается ~ на 19 кг, а мае- са анодного огарка ~ на 30 кг, если не произведена соответствующая компенсация. В конечном счёте, это отражается на нетто расходе анодов от 5 до 15 кг на тонну А1.

Следует учесть и другую особенность использования анодов с пазами: образование «мягких» огарков при занижении толщины отработанного анода приводит к тому, что возврат таких огарков в анодное производство закладывает снижение качества вновь произ­водимых партий анодов. Это, в свою очередь, потенциально снижает показатели производства в последующем.

Алюминиевые заводы крупнейшего производителя алюми­ния фирмы Alcoa, начиная с 1999 г, полностью переведены на ис­пользование анодов с пазами. Внедрение таких анодов практически не требует инвестиционных затрат и по информации этой фирмы даёт ощутимый эффект по выходу по току и расходу электроэнер­гии, повышает стабильность электролизёра.

Когда внедрение анодов с пазами на заводах Alcoa происхо­дило в благоприятных условиях и с надлежащей подготовкой, то снижение перепада напряжения в междуполюсном зазоре достигало

1. 15 В. И это достигалось без ущерба выхода по току. Более того, с переходом на новую технологию выход по току повышался на 0,5% и более, что подтверждается и опытом других предприятий. Это ре­зультат улучшения газодинамических условий удаления анодных газов и условий растворения глинозёма.

К геометрии пазов фирмой Alcoa предъявляются повышен­ные требования:

(а) ширина паза - слишком широкий или слишком узкий паз не улучшают, а нарушают стабильность процесса и его результаты;

(б) глубина паза - паз должен иметь период существования, соизмеримый с циклом замены анодов; желаемого результата не по­лучить, если паз слишком мелкий.

Следует отметить, что по мере срабатывания анода высота паза снижается, а ширина - увеличивается. К моменту полного ис­чезновения пазов эффект снижения пузырькового шума и флуктуа­ции тока на индивидуальных анодах исчезает.

Столь детальное освещение вопроса технологии электролиза с использованием анодов с пазами связано с тем, что на отечествен­ных предприятиях эта технология находится в начальной стадии ос­воения. Зарубежный опыт также имеет довольно противоречивый характер. Специалисты каждого предприятия, заинтересованные в применении анодов с пазами, должны представлять, что их приме­нение основано на наличии анодов высокого качества. Электролизё­ры должны работать в устойчивом МГД-режиме, а геометрические размеры пазов и способ их нанесения (нарезкой или формовкой) должны быть подобраны к тому или иному типу электролизёров пу­тём предварительных испытаний и с учетом особенностей анодного производства.