ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА 15 страница
При хлорировании в солевом хлораторе титансодержащий материал и значительная часть кокса находятся в расплаве во взвешенном состоянии, причем более легкий углеродистый восстановитель концентрируется в верхних слоях солевой ванны, а шлак распределяется относительно равномерно по всему объему расплава. Газообразный хлор или анодный хлоргаз подают в расплав через фурмы под давлением 50,7 – 53,3 кПа. Скорость хлора на выходе из фурм колеблется от 5 до 20 м/с. В зоне поступления хлора происходит интенсивное перемешивание расплава и газообразного реагента, дробление газового потока на мелкие пузырьки, насыщение расплава хлором, нагрева хлора и, соответственно, охлаждение самого расплава. Поэтому расход хлора, поступающего в хлоратор, находится в прямой зависимости от условий теплопередачи и количества подводимого тепла в эту зону.
Температурный режим процесса определяется физико-химическими свойствами как хлорируемого материала, так и используемых для хлорирования расплавов. Верхний предел температуры ограничивается летучестью хлоридов, а нижний – температурой плавления и кинетикой реакций хлорирования. Обычно рабочую температуру поддерживают на уровне 750 – 900 0С.
При удельной нагрузке реактора по хлору 360 – 500 м3/(м2×ч) и концентрации TiO2 в расплаве 2 – 3 % оптимальной крупностью шлака следует считать 0,08 – 0,10мм. Для обеспечения указанной нагрузки по хлору высота расплава должна быть 3,5 – 4,2м, что соответствует удельной производительности по четыреххлористому титану 7,6 – 10,2 т/(м3×сут).
Недостатками хлорирования в расплаве являются необходимость отвода большого количества тепла, систематического обновления расплава и увеличенное по сравнению с шахтным хлоратором количество хлоридных отходов. В настоящее время эти отходы еще не нашли промышленного применения.
Хлорирование титансодержащих материалов в кипящем слое (КС), кроме упрощения технологии подготовки шихты, отличается от других рядом преимуществ: сильно развитая контактная поверхность между твердыми и газообразными фазами в КС обеспечивает высокую интенсивность процесса, даже при сравнительно низких температурах. Так, например, при хлорировании титансодержащих шлаков при 600 0С удельный съем с 1 м2 сечения реактора составляет не менее 5 т/сут технического четыреххлористого титана.
Возможность конструирования реактора с КС диаметром 5 – 6 м и более позволяет создать агрегат высокой производительности. Реакторы могут быть одно- и многослойными. Последние в большей мере удовлетворяют требованиям технологии, так как при наличии противотока создаются более благоприятные условия для полноты использования хлора и уменьшения потерь оксидов титана с выводимыми из реактора непрохлорированными остатками.
Для предотвращения или максимального снижения пылеуноса применяют циклоны, которые либо встраивают в верхнюю расширенную часть реактора, либо устанавливают за его пределами. Во втором случае во избежание конденсации в них хлоридов циклоны обогревают.
Основными трудностями при практической реализации хлораторов с КС является конструктивное оформление газораспределительного устройства, обеспечивающее равномерный аэродинамический режим по всему объему слоя в условиях непостоянства массы частиц, образующих слой. Кроме того, вызывает затруднение подбор материалов, устойчивых к высокотемпературной эрозии.
Предложено много разновидностей аппаратов с кипящим слоем, различающихся в основном конструкцией газораспределительных устройств.
Конденсация паров – это целый комплекс технологических операций и процессов, связанных с получением из сложной по составу парогазовой смеси жидкого четыреххлористого титана.
Известно много вариантов конструкций аппаратов для процесса конденсации. Всеих можно разделить на три группы: 1) конденсация с раздельным получением твердых и жидких хлоридов; 2) совместное получение; 3) комбинированная схема.
При раздельном способе конденсации парогазовую смесь охлаждают впрыскиванием четыреххлористого титана. Образующиеся во взвешенном состоянии твердые частицы выделяют из парогазовой смеси в циклонах, пылевых камерах, мешочных фильтрах, солевых аппаратах. После отделения твердой фазы парогазовая смесь поступает на конденсацию жидких хлоридов.
Совместная конденсация осуществляется в конденсаторах смешения, которыми служат полые и насадочные скрубберы. Орошение в конденсаторах осуществляют охлажденным жидким четыреххлористым титаном. Оставшийся в парогазовой смеси четыреххлористый титан улавливается в хвостовых конденсаторах.
В комбинированной схеме пульпы из оросительного конденсатора поступает в приемный бак насоса, с помощью которого она вновь подается через специальные теплообменники на орошение в скрубберы.
Главной особенностью всех аппаратов системы конденсации являетсяих полная герметичность.
Чтобы уменьшить высоту,сухие конденсаторы (пылевые камеры) и оросительные аппараты делают двухходовыми. Для этой цели внутри пылевых камер ставят перегородки, а скрубберы оросительных конденсаторов соединяют общими конусами.
Очистка тетрахлорида титана основана на переводе примесей в твердые, нерастворимые в тетрахлориде, химические соединения, или на различной температуре кипения основного вещества и примесей – дистилляция и ректификация.
Химические методы очистки осуществляют в герметичных агитаторах с механическим перемешиванием. Процесс, как правило, идет в режиме противотока в нескольких последовательно расположенных емкостях.
Для отделения твердой фазы от технического TiCl4 применяют сгустители и фильтры различной конструкции. Получаемый осадок содержит значительное количество тетрахлорида и нуждается в дальнейшей переработке. В связи с этим представляет интерес фильтровально-сушильный аппарат, который за одну операцию позволяет получить готовый продукт.
Этот аппарат представляет собой рукавный фильтр, помещенный в специальный электрообогреваемый цилиндр. Аппарат работает периодически. В процессе набора осадка пульпа подается в зазор между цилиндром и перфорированной обечайкой, обтянутой рукавом из стеклоткани. Под действием разрежения жидкая фаза просачивается через слой осадка и фильтрующую перегородку и поступает на дальнейшую переработку. При полном забивании рабочего объема осадком процесс фильтрации прекращают и включают электрообогрев для отгонки избыточного TiCl4.
Аппараты хорошо зарекомендовали себя при фильтрации пульп, содержащих 20 – 30 кг/м3 меднованадиевых кеков. Удельная производительность по фильтру составляет 2 м3/(м2×ч).
Недостатки фильтровально-сушильных аппаратов: периодичность работы, малая скорость фильтрации пульп коллоидного характера, высокая трудоемкость при разгрузке осадка.
В процессе дистилляции (простой перегонки) тетрахлорид титана, содержащий твердые примеси, нагревают до температуры кипения в специальных кубах-испарителях. Образовавшиеся пары поступают в конденсатор, а твердый остаток накапливается в кубе-испарителе. При дистилляции не удается получить достаточно чистый TiCl4, поэтому применяют более сложный процесс – ректификацию.
Ректификацию осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна (рис. 200), в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовой остаток (менее летучий компонент, в жидком виде вытекающий из нижней части колонны).
Рис. 200. Ректификационная колонна: 1 – переливной патрубок; 2 – тарелка; 3 – корпус; 4 – куб-испаритель
Кипятильники в ректификационных установках малой производительности изготовляют в виде змеевиков, установленных непосредственно в кубе, но чаще кипятильник монтируют в виде выносного теплообменника, который размещают вертикально около куба и связывают с ним двумя патрубками. Кубы колонн периодического действия отличаются вместимостью, достаточной для приема одновременной загрузки продукта. В колоннах непрерывного действия не нужен большой объем кубовой жидкости и испарителем в них может быть нижняя часть колонны высотой 1,0 – 2,5 м.
В производстве TICl4 для очистки от низко- и высококипящих примесей применяют тарельчатые и насадочные ректификационные колонны. Насадочные колонны с керамическими кольцами Рашига малоэффективны и требуют частой замены насадки. В тарельчатых колоннах используют контактные устройства двух типов: провальные решетчатые тарелки и ситчатые тарелки с переливом. Тарельчатые устройства первого типа просты в изготовлении и пока остаются основными в титановой промышленности. Их изготовляют штамповкой, в них пробивают щели одинакового размера. Для очистки от трудноудаляемых примесей целесообразно применять решетчатые тарелки толщиной 2 – 4 мм со свободным сечением 16 – 22 % и размером щели 4 х 60 мм. Расстояние между тарелками зависит от диаметра колонны. При сборке каждую тарелку устанавливают в корпусе колонны, а зазор ликвидируют с помощью уплотнения из фторопластовой пленки.
Ситчатые тарелки с переливом (см. рис. 200) пока не прошли длительного промышленного испытания, но опыт их эксплуатации в смежных областях показывает, что они характеризуются более высоким к.п.д. в широком диапазоне изменения нагрузки. Тарелки диаметром от 400 до 3600 мм имеют диаметр отверстий 3 – 8 мм, свободное сечение перфораций для колонн диаметром 400 – 1200 мм составляет 3 – 14 %. По сравнению с решетчатыми ситчатые тарелки более сложны и трудоемки в изготовлении.
Обогрев куба-испарителя электрический; для этого применяют открытые нагреватели из ленточного или круглого нихрома; мощность куба определяется количеством и мощностью отдельных нагревательных элементов. Вертикально расположенный аппарат характеризуется устойчивой паропроизводительностью, но быстро забивается твердыми частицами и более сложен в обслуживании. В горизонтальных аппаратах постоянство паропроизводительности обеспечивается специальным автопереливом.
Конденсация паров происходит в конденсаторах-дефлегматорах, в качестве которых используют водоохлаждаемые кожухотрубные теплообменники или воздухоохлаждаемые плоские змеевики типа АВМ (аппарат воздухоохлаждаемый малопоточный). Коэффициенты теплопередачи соответственно равны 210 – 294 и 42 – 84 кДж/(м2×ч×°C).
Кожухотрубные дефлегматоры сложны в изготовлении, имеют малый срок службы (до 1 года) и существует опасность попадания воды в продукты процесса. Срок службы воздушных дефлегматоров 10 – 12 лет. Для увеличения поверхности теплообмена трубы АВМ имеют ребра, что позволяет в 10 – 20 раз увеличить поверхность теплообмена.
4.8.2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕТТАХЛОРИДА ТИТАНА
Металлический титан получают в основном магниетермическим восстановлением четыреххлористого титана. Побочный продукт этого процесса – хлористый магний, как известно, служит сырьем для получения магния электролизом, поэтому производство титана и магния обычно совмещают на одном предприятии.
Восстановление ведут в ретортах (рис. 201) из хромоникелевой стали при 800 – 900 0С. Значительные отклонения температуры за эти пределы вредны: ниже 714 °С происходит кристаллизация MgCl2, выше 975 °С титан взаимодействует с материалом реактора. Жидкий магний заливают в заполненный аргоном, разогретый в печи до 800 °С реактор с помощью тигля-дозатора, исключающего окисление магния воздухом. Тетрахлорид титана в смеси с аргоном подают через верхнее отверстие реактора.
Рис. 201. Аппарат для восстановления тетрахлорида титана магнием: 1 – воздушный коллектор; 2 – косынка для подвески печи; 3 – водоохлаждаемый фланец; 4 – футеровка; 5 – штуцер для подвода аргона и вакуумирования; 6 – патрубок для заливки магния; 7 – патрубок для подачи тетрахлорида; 8 – крышка реторты; 9 – реторта; 10 – термощуп; 11 – нагреватель; 12 – запор сливного устройства; 13 – песочный затвор; 14 – шток запорной иглы; 15 – ложное днище
Промышленные реторты имеют диаметр до 2000 мм при высоте 3000 мм. За один цикл получают 2000 кг титановой губки. В процессе восстановления давление в реторте возрастает с 0,10 до 0,12 МПа.
Разделение продуктов восстановления основано на различном давлении их паров при 900 °С в вакууме: у титана оно ничтожно мало, у хлорида магния и металлического магния составляет соответственно около 1,07 и 10,70 кПа. Крышку реторты снимают и укрепляют вместо нее охлаждаемый водой конденсатор. Реторту снова устанавливают в печь и уплотняют так, чтобы вакуум можно было создать внутри и вне ее и таким образом выровнять давление внутри и снаружи. Это необходимо для предупреждения деформации стальных стенок реторты. Дистилляцию проводят при 950 – 1000 °С в течение 25 ч. Конденсат плавят, получая оборотный магний и MgCl2; последний используют для электролиза магния. На некоторых заводах для разделения продуктов реакции применяют особые реторты, в которые продукты восстановления перегружают в сухом помещении, где влага воздуха не может вызвать частичный гидролиз MgCl2 с образованием слаболетучего оксихлорида. Вместимость реторт используется здесь полнее, но обслуживающему персоналу работать в сухих помещениях трудно. Испытаны также оборотные реторты, которые служат конденсатором при дистилляции, а затем для восстановления без трудоемкого удаления конденсата (рис. 202).
Титановую губку извлекают из реторт пневматическими зубилами. Иногда в нижней части перед восстановлением кладут толстое ложное дно, которым выдавливают содержимое перевернутой реторты с помощью штока гидравлического пресса. Полученную титановую губку дробят и сортируют.
Рис. 107. Установка вакуумной сепарации с оборотной ретортой и магниевой заглушкой: 1 – патрубок вакуумной системы; 2 – ороситель; 3 – реторта-конденсатор; 4 – конденсат; 5 – водосборник; 6 – уплотнение; 7 – теплоизоляция; 8 – соединительная труба; 9 – магниевая заглушка; 10 – электропечь; 11 – реторта восстановления; 12 – стакан-заглушка; 13 – вакуум-привод; 14 – экраны; 15, 16 – крышки реторт; 17 – реакционная масса
Магниетермический способ восстановления четыреххлористого титана – один из самых дорогих металлургических процессов вследствие высокой стоимости восстановителя (металлического магния), периодичности процесса и необходимости выполнять основные операции в защитной атмосфере или вакууме при высокой температуре.
Неоднократно предпринимались попытки электролитического получения титана в промышленном масштабе, однако технология электролиза соединений титана еще не достигла уровня, при котором возможна замена магниетермического способа. На этом пути встречались трудности при выборе эффективного растворителя соединений титана, защите катодного осадка от насыщения кислородом и азотом, выборе футеровочного материала, стойкого в расплавах титановых солей. Большие затруднения вызывает также переработка катодных осадков, состоящих, как правило, из мелких кристаллов титана.
Электролитическое рафинирование титана от рафинирования алюминия или магния отличается тем, что анодом служит твердый титан в виде крошки или порошка. При пропускании постоянного тока через электролизер титан переходит из анода в электролит преимущественно в форме двухвалентных ионов. На катоде протекает процесс восстановления.
Общий вид электролизера для рафинирования титана показан на рис. 203. Он имеет две электролизные ячейки, работающие независимо одна от другой, обогреваемые извне и хорошо герметизированные. Катоды можно перемещать по вертикали без разгерметизации ячеек. Когда катод находится в нижнем положении, он подключен через жидкий токоподвод к отрицательному полюсу источника тока и на его поверхности, опущенной в электролит, наращивается порошок титана. Через каждые 5 – 7 ч катод поднимают в катодную камеру охлаждения, где специальным ножом срезают осадок титана. Катоды выполнены из легированной хромоникелевой стали; ванны – из нихрома, никеля или графита.
Оптимальные показатели процесса (производительность, качество катодного продукта) получают при анодной плотности тока 0,175 А/см2, катодной 0,75 – 1,0 А/см2 и температуре электролита 680 – 700 0С. Выход по току составляет 65 – 70 %.
Следует отметить, что некоторые операции при рафинировании титана, в частности срезание осадка с катодов, смена анодов, вывод шлама, сопровождаются значительными трудовыми затратами, что отражается на стоимости рафинированного титана.
Получение компактного титана. Основная масса титана, независимо от способа его получения, переплавляется в компактные заготовки методом дуговой вакуумной плавки. Дуговые печи работают на постоянном токе, так как дуга на переменном токе менее стабильна. Катодом служит цилиндрический электрод, изготовленный прессованием из титановой губки или порошка, анодом – расплавленный титан в изложнице. Под действием тепла, выделяемого дугой, нижний конец электрода постепенно плавится, и титан стекает в изложницу. Параметры дуги поддерживаются с помощью автоматической системы, которая управляет перемещением расходуемого электрода.
Рис. 203. Электролизер для рафинирования титана: 1 – печь; 2 – реторта; 3 – катодная камера; 4 – катод; 5 – траверса; 6 – привод; 7 – катодный токоподвод; 8 – тележка для катодного осадка; 9 – разгрузочная камера; 10 – бункер анодного материала; 11 – чаша жидкостного токоподвода; 12 – анодный контейнер; 13 – летка для слива электролита и шлама; 14 – приемник электролита
Часто дуговую плавку совмещают с легированием титана. В этом случае в материал, из которого прессуют расходуемый электрод, вводят рассчитанные количества легирующих металлов (Mn, A1, Сг, V, Мо, Fe, Ni). За один переплав легирующие добавки не успевают распределиться равномерно по всему слитку, поэтому плавку повторяют, используя полученный слиток в качестве расходуемого электрода. В дуговых печах получают слитки титана массой до 2 т.
Важной областью применения электролитических порошков титана становится порошковая металлургия. Значительный экономический эффект дает изготовление из порошков деталей сложной конфигурации, так как при этом практически отсутствуют отходы металла и можно применять высокопроизводительные автоматические прессы. Механические свойства титановых изделий, полученных методом порошковой металлургии, не хуже, чем из титана, выплавленного в дуговых печах.
4.9. ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
4.9.1. АЛЮМИНИЕВЫЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ
Для электролитического получения алюминия служит электролизер, часто называемый электролизной или алюминиевой ванной. Устройство электролизера кратко описано ниже.
Неглубокая шахта – ванна электролизера заполнена электролитом. В электролит опущен анод из угольной массы, катодом служит угольная подина ванны. К аноду и подине (катоду) подведены токопроводящие шины. Над расплавом на границе с воздухом образуется корка застывшего электролита. Слоем застывшего электролита покрыты изнутри боковые стенки (боковой гарниссаж) и отчасти (около стенок) подовая поверхность ванны.
Таким образом, алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного устройства, анодной системы, ошиновки (анодной и катодной) и опорных металлоконструкций. Кроме этих основных узлов, электролизеры снабжены специальными приспособлениями для улавливания и отвода газов, выделяющихся при электролизе.
Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой, средней и большой соответственно 30 – 40, 50 – 90 и 100 – 250 кА. По конструкции электролизеры различаются главным образом устройством анода и анодного токоподвода. Используют три основные разновидности конструкции: 1) с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему; 2) с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему; 3) с обожженными анодами.
В электролизерах с самообжигающимся анодом сырую анодную массу загружают в специальный металлический кожух, придающий аноду нужную форму и размеры. Коксование анода – превращение его в монолитный прочный блок с необходимыми электропроводящими свойствами происходит под действием тепла, выделяющегося в электролизере.
По мере сгорания анода в анодный кожух добавляют новые порции угольной массы. Ток к аноду подводится стальными ("анодными") штырями.
Размеры анода зависят от мощности электролизера и принятой для него плотности тока, т.е. удельной амперной нагрузки на единицу площади анода, катода или электролита. Поскольку размеры катода и поверхности электролита зависят от размеров анода как наиболее постоянных, принято обычно пользоваться понятием анодной плотности тока, т.е. силы тока, приходящейся на единицу площади горизонтального сечения анода.
Чем больше мощность электролизера, тем при прочих равных условиях на меньшей плотности тока он работает, так как с увеличением мощности электролизера уменьшаются его удельные тепловые потери: поэтому для сохранения теплового равновесия электролизера поступление тепла (т.е. плотность тока) должно быть снижено.
Однако для одной и той же силы тока электролизер может быть спроектирован для работы с большей или меньшей плотностью тока. Чем выше анодная плотность тока, тем выше производительность электролизера на единицу площади подины, но повышается и удельный расход электроэнергии (на единицу массы полученного металла). При меньшей плотности тока для достижения той же производительности требуется электролизер больших размеров, но удельный расход электроэнергии уменьшается. При меньших плотностях тока для сохранения необходимого теплового режима электролизера требуется усиленная его тепловая изоляция.
Электролизеры с верхним токоподводом работают на токе несколько меньшей плотности, чем электролизеры с боковым токоподводом. Это объясняется меньшей фактической рабочей поверхностью ("подошвой") анода электролизеров с верхним токоподводом из-за того, что на ней образуются углубления ("лунки"), заполненные газообразными продуктами электролиза, а также вследствие большого перепада напряжений в аноде.
При выборе той или иной плотности тока, кроме мощности и конструктивных особенностей электролизера (конструкция кожуха, ширина анода, система анодного токоподвода), необходимо учитывать технологический режим, межполюсное расстояние, состав электролита, уровни металла в электролизере, электрический режим серии и др.
Электролизеры с обожженными анодами обычно многоанодные. Число анодов в них достигает 20 и более в зависимости от силы тока. Анодами служат прессованные и обожженные угольные блоки, изготовленные на электродных заводах.
Электролизер с боковым подводом тока к аноду показан на рис. 204, а. Основанием электролизера служит бетонный фундамент, на который укладывают несколько рядов строительного кирпича, затем устанавливают кожух, прочно закрепленный анкерными болтами, залитыми в фундамент. Внутри металлического кожуха помещают два – три ряда шамотного кирпича, подушку из углеродистой массы, и наконец, катодные прессованные, предварительно обожженные угольные блоки. Катодный кожух воспринимает значительные механические усилия, поэтому он сваривается из двутавровых или швеллерных балок. Срок его службы до 20 лет, т.е. его меняют в два – три раза реже, чем катодную футеровку.
На катодный кожух опирается несущая конструкция – каркас электролизера. На нем крепятся глиноземные бункеры, анодное устройство, укрытие электролизера и электроприводы для перемещения анода и штор.
Ток подается к катоду с помощью массивных стальных стержней. Контактом между стержнями и угольными блоками служит чугун. Промежутки между блоками заполняют угольной массой. Боковая поверхность рабочего пространства внутри ванны футерована по бровке угольными плитами, электрически изолированными от кожуха.
Анод расположен внутри жесткого прямоугольного анодного кожуха, который придает ему необходимые размеры и форму. Анодный кожух сварен из листовой стали и заключен для жесткости в раму из швеллеров. Снизу к раме приварены вертикальные ребра, на которые навешивают съемные серьги. Раму можно опускать или поднимать с помощью четырех винтов (или тросов), на которых она подвешена к каркасу электролизера. Неподвижный каркас изолирует пространство над анодом от газовых потоков, несущих обычно много глиноземной пыли, благодаря чему осаждение пыли на поверхности анода уменьшается. Это имеет большое значение, поскольку позволяет избежать продувки анода перед загрузкой очередной порции анодной массы.
Рис. 204. Электролизеры с самообжигающимся анодом: а – с боковым подводом (1 – каркас; 2 – анодная рама; 3 – анодная шина; 4 – кожух анода; 5 – анодный спуск; 6 – токоподводящий штырь; 7 – серьга упорная; 8 – катодный блок; 9 – катодный кожух; 10 – токоподводящий стержень; 11 – чугунная заливка; 12 – угольная футеровка; 13 – анод; 14 – жидкая анодная масса); б – с верхним токоподводом (1 – цоколь; 2 – подина; 3 – алюминий; 4 – стойка; 5 – глинозем; 6 – газосборный колокол; 7 – ребро жесткости; 8 – домкрат; 9 – рама; 10 – спеченный анод; 11 – штырь; 12, 13 – приводы домкратов; 14 – анодная шина; 15 – анододержатель; 16 – жидкая анодная масса; 17 – кожух анода; 18 – горелка; 19 – газоотводящий патрубок; 20 – корка электролита; 21 – электролит; 22 – уровень пола; 23 – катодный спуск)
Чтобы углеродистая масса при коксовании не приставала к стальному кожуху, между анодом и кожухом прокладывают алюминиевый лист (обечайку) толщиной 1,0 – 1,5мм. Алюминиевая обечайка не позволяет полускоксовавшейся анодной массе вытекать через промежутки между ребрами анодной рамы и предохраняет нижнюю часть анода от окисления. Обечайка опускается и расходуется вместе с анодом; ее наращивают, когда верхняя кромка алюминиевого листа оказывается на высоте 250 – 300мм от уровня жидкой массы анода.
Штыри служат для подвода тока к аноду и его подвешивания к анодной раме. Они выполнены в виде конических стальных стержней длиной 740 – 885мм и массой 22 – 30 кг. Штыри в аноде располагают в шахматном порядке в четыре или в пять горизонтальных рядов. Верхний ряд штырей забивают под углом (10 ± 5)° к горизонту в тестообразную анодную массу под нижней кромкой анодного кожуха. По мере сгорания анода штыри опускают в горячую зону электролизера, где запекаются в коксовую часть анода. Два нижних ряда штырей являются токоведущими – к ним присоединены анодные спуски. Нижний ряд штырей опирается на съемные серьги или клинья, с помощью которых анод подвешивается к анодной раме. К углам рамы прикрепляют четыре тяги, соединенные с соответствующими механизмами подъема. На этой же раме, кроме того, крепят подъемные шторные укрытия ванны для изоляции атмосферы цеха от газов, выделяющихся из ванны.
От соседнего электролизера ток передается с помощью двух анодных стояков (пакеты алюминиевых шин сечением 250 х 29мм или 430 х 60 мм). От стояков вдоль анода проложены две анодные шины переменного сечения. С торцов электролизера анодные шины замкнуты уравнительными шинами.
К анодным и уравнительным шинам приварены медные или алюминиевые спуски. В нижней части каждого анодного спуска предусмотрена медная пластина сечением 100 х 100мм, которая закреплена на головке штыря клиновым, сварным или болтовым контактными устройствами.
Пакеты катодных шин уложены по продольным сторонам ванны таким образом, чтобы их было удобно стыковать с помощью шунтов с анодными стояками во время капитального ремонта электролизера.
Электролизер с верхним подводом тока к аноду (рис. 204, б) по конструкции катодных узлов принципиально не отличаются от электролизеров с боковым подводом тока той же мощности. В электролизерах большой мощности, где часто применяют верхний токоподвод, катодные кожухи делают обычно с днищем, усиливая их ребрами жесткости – контрфорсами.
Анодное устройство этих ванн существенно отличается от ванн, рассмотренных выше. Ток к аноду подводится через два, три или четыре ряда вертикальных стальных штырей. На этих же штырях анод удерживается над ванной. Штыри расположены на различной высоте от подошвы анода. По мере сгорания анода их поочередно выдергивают из затвердевшей части, поднимают и закрепляют в новом положении. Образовавшаяся полость заполняется жидкой углеродистой массой. Через некоторое время штырь спекается с затвердевшей частью анода. Токовая нагрузка на один штырь составляет обычно около 2000 А, поэтому их число определяется мощностью электролизера. Обычно применяются штыри двух типов – цилиндрические и составные. Цилиндрический штырь (рис. 205, а) имеет медную рубашку для уменьшения потерь напряжения в самом штыре и в контакте штырь – анодная ошиновка.