Доронин С.В. Конструктивные формы металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

120

и менее трудоемким процессом сдирки основы. Матрица состоит из лис-

та 1 толщиной 3 мм, приваренного к штанге 2. На конце штанги закреп-

лена медная пластина 3, обеспечивающая надежный контакт с токопод-

водящей шиной.

Собранный катод (рис. 71, б) состоит из основы 1, прикреплен-

ных к основе ушек 2 и полой медной штанги 3 специального профиля.

Аноды (рис. 71, в) отливают из металла, прошедшего огневое

рафинирование, на карусельных разливочных машинах в виде плоских

фигурных пластин толщиной 35 – 45 мм с двумя ушками, предназначен-

ными для подвески анодов в электролизере и их транспортирования.

В зависимости от размеров ванны предусмотрено or 16 до 35

анодов и от 17 до 36 катодов.

Загрузку анодов и выемку нарощенных катодных листов осуще-

ствляют краном с помощью бороны. Катодные основы в большинстве

случаев загружают вручную.

Никелевые электролизеры отличаются от медных только конст-

рукцией анодов и катодов, футеровкой и некоторыми технологическими

особенностями.

Принципиально новым направлением развития электролитиче-

ского рафинирования металлов является внедрение автоматизированных

линий производства ленты для основ и сборки матричных катодов. При-

менение автоматизированной линии получения основ позволяет исклю-

чить дорогостоящий самый трудоемкий матричный передел.

а б в

Рис. 71. Элементы электролизера: а – матрица: 1 – лист; 2 – штанга; 3 – медная

пластина; б – катод: 1 – основа; 2 – ушки; 3 – медная штанга; в – анод

Схема отечественной линии для получения медной ленты, раз-

работанной Гинцветметом и внедренной на Норильском горнометаллур-

гическом комбинате (НГМК) показана на рис. 72. Основными элемента-

ми линии являются барабанный электролизер 1, петлевой электролизер

8, емкость для промывки ленты 4, агрегат резки полосы 7, стопировщик

6 листов 5.

Барабанный электролизер состоит из футерованного корпуса,

121

внутри которого размещены титановый барабан – катод и два нераство-

римых свинцовых анода, охватывающих катод с двух сторон. Электро-

лит подается в нижнюю часть межэлектродного пространства. Толщина

получаемой ленты составляет около 0,05 мм. Дальнейшее наращивание

ленты до 0,4–0,5 мм происходит в петлевом электролизере.

Петлевой электролизер состоит из железобетонной футерован-

ной ванны, приводных токоподводящих медных барабанов 3, анодных

кассет 10 с натяжными диэлектрическими барабанами 9, свободно опи-

рающимися на ленту, и общего привода 2. Кассеты выполнены из титана

и на них закреплены свинцовые пластины – аноды (катодом служит сама

лента).

Рис. 72. Автоматизированная линия для получения медной ленты основ: 1 – ба-

рабанный электролизер; 2 – привод; 3 – медный барабан; 4 – емкость для про-

мывки ленты; 5 – лист; 6 – стопировщик; 7 – агрегат резки полосы; 8 – петлевой

электролизер; 9 – натяжные барабаны; 10 – анодные кассеты

Основным промышленным способом производства магния явля-

ется электролитический способ. Примерно 90% магния получают элек-

тролизом. Сырьем для производства магния служат хлористые соли (в

частности обезвоженный карналлит).

В настоящее время применяют диафрагменные электролизеры

трех типов: с верхним, боковым и нижним вводом анодов.

Общими недостатками диафрагменных электролизеров являют-

ся сравнительно высокий расход электроэнергии, большие потери тепла

и хлора, необходимость капиталоемких и дорогих в эксплуатации газо-

очистных сооружений и др.

В последние годы разработан новый тип электролизеров, полу-

чивших название бездиафрагменных (рис. 73). Принципиальное их от-

личие от других состоит во взаимном расположении электролитических

ячеек и ячеек сбора магния и обслуживания электролизера. Другое важ-

ное отличие – стационарная установка катодов, которые вводят в элек-

122

тролизер через футеровку.

Рис. 73. Магниевый бездиафрагменный электролизер: 1 – кожух; 2 – футеровка;

3 – аноды; 4 – катоды; 5 – водоохлаждаемые штанги; 6 – сборная ячейка; 7 –

анодные перекрытия

Ванна электролизера имеет кожух 1 и футеровку 2. Сам элек-

тролизер разделен на три части, средняя из которых названа сборной

ячейкой 6 и предназначена для сбора и накапливания магния, две край-

ние служат для электролиза и называются электролитическими ячейка-

ми.

Аноды 3 введены в электролизер сверху и закреплены стацио-

нарно на анодных перекрытиях 7 из железобетона.

Катоды 4 в электролитические ячейки введены через стенки, а

их водоохлаждаемые штанги 5 выведены наружу. Заливку сырья, удале-

ние магния-сырца, отработанного электролита и шлама осуществляют

через отверстия в перекрытии сборной ячейки. Анодный хлоргаз отво-

дится через патрубки, размещенные на анодных перекрытиях. Патрубки

подключены к магистральным хлоропроводам. Кроме того, на сборной

ячейке предусмотрен патрубок санитарно-технического отсоса газов,

соединенный с боровом катодного отсоса.

Формообразование конструкций электролизеров для производ-

ства и рафинирования меди, цинка, магния вытекает из следующих со-

ображений, связанных с физико-химическими свойствами металлов и

технологией их получения.

Черновая медь содержит большое количество неметаллических

примесей, которые при электролитическом рафинировании остается на

аноде, в то время как чистая медь осаждается на катоде. Особенности

технологии обусловливают необходимость съемности и заменяемости

катода и анода, в результате чего форма корпуса определяется с учетом

возможности быстрой замены электродов. в силу того, что электролиз

ведется в среде непрерывно движущегося электролита, при выборе фор-

мы корпуса учитываются также условия беспрепятственного его проте-

кания. Аналогичные соображения могут быть приведены и для цинко-

вых электролизеров.

123

Особенность технологии производства магния заключается в

том, что металл скапливается не на подине электролизера, а у поверхно-

сти. Поэтому катод расположен в верхней части, а анод на подине. Кро-

ме того, так как металл имеет высокую химическую активность и скап-

ливается на поверхности, в структуру системы вводятся дополнительные

функциональные элементы, предохраняющие металл от окисления ки-

слородом воздуха.

Рассмотрим далее конструкции алюминиевых электролизеров.

Катодное устройство (катод) представляет собой стальной ко-

жух, а внутри него смонтирована корытообразная шахта, у которой

стенки и дно футерованы угольными блоками. Между бортовыми бло-

ками и стенками катодного кожуха, а также под подовыми блоками рас-

полагается теплоизоляция. В подовые блоки вмонтированы стальные

токоотводящие стержни, которые на практике часто называют блюмсами

(рис. 74).

Таким образом, катод электролизеров всех типов состоит из

следующих основных элементов – катодный кожух, угольная футеровка

(подовая и бортовая) и теплоизоляция. Конструктивное выполнение этих

узлов на электролизерах разных типов различается весьма существенно.

Катодные кожухи. В результате пропитки футеровки компонен-

тами расплава и воздействия высокой температуры объем футеровки

возрастает, благодаря чему возникают значительные усилия, воздейст-

вующие на стенки катодного кожуха, что приводит к его деформации,

разрушению футеровки и сокращению срока службы электролизера. Для

обеспечения надежной и длительной работы ванны катодный кожух вы-

полняют жесткой конструкции, способной противостоять возникающим

усилиям. Различают два вида катодных кожухов: с днищем и без днища.

Рис. 74. Катодное устройство электролизера: 1 – катодный кожух; 2 – бортовые

плиты; 3 – пробки из подовой массы; 4 – подовые блоки; 5 – набивные швы; 6 –

кирпичный цоколь; 7 – катодные стержни; 8 – подушка; 9 – «потай»; 10 – катод-

ная ошиновка

Для электролизеров малой и средней мощности до настоящего

124

времени используются катодные кожухи без днища, которые монтируют

только в одноэтажных корпусах. Катодный кожух 1 (рис. 75), представ-

ляющий собой массивную стальную раму, устанавливают на кирпичный

цоколь 2, выложенный на бетонном фундаменте 3, и крепят к фундамен-

ту с помощью 8–12 анкерных лап 4 через изоляционные узлы 5. Анкер-

ные колодцы после монтажа лап заливают бетоном. Существенный не-

достаток таких кожухов – необходимость частой замены фундамента

при капитальном ремонте из-за его разрушения в результате воздействия

высокой температуры и проникновения расплава. Такие кожухи исполь-

зуют на некоторых старых заводах, оснащенных электролизерами не-

большой мощности.

Наиболее распространенной модификацией являются катодные

кожухи с днищем, которые применяют на электролизерах всех типов и

устанавливают на фундаментах в одноэтажных корпусах, и на специаль-

ных ригельных балках в двухэтажных корпусах. Один из возможных

вариантов такого катодного устройства представлен на рис. 76.

В 1960-е годы под руководством В.Н. Самойленко были разра-

ботаны сборно-блочные конструкции железобетонного днища и безан-

керные катодные кожухи с железобетонными плитами. Днище состоит

из нескольких плит и крепится к кожуху анкерными болтами (рис. 77).

Его устанавливают на бетонные тумбочки так, чтобы оставался зазор,

обеспечивающий циркуляцию воздуха под днищем. Над ним предпола-

галось устанавливать химически стойкие блоки, которые позволили бы

использовать днище в течение нескольких кампаний. Однако широкого

промышленного внедрения эти блоки не получили, в результате чего

эффективность этой конструкции резко снизилась, но на некоторых за-

водах железобетонные днища используют до настоящего времени.

Катодные кожухи могут быть двух модификаций: самонесущие

кожухи и кожухи с опорными устройствами. Самонесущие кожухи при-

меняются на электролизерах малой и средней мощности (рис. 78, а) и

могут быть как с днищем, так и без него. Борт такого кожуха выполняет-

ся из мощных стальных балок (швеллеров или двутавров), высотой 35–

55 см и способен противостоять возникающим усилиям. Возможные

конструкции борта катодного кожуха приведены на рис. 78, б. По мере

роста силы тока и размеров электролизеров возрастают и усилия, воз-

действующие на кожух, поэтому его конструкция усложнялась и стано-

вилась тяжелее и дороже. В связи с этим были созданы и нашли широкое

применение катодные кожухи с отдельным несущим каркасом (рис. 79).

125

Рис. 75. Продольный разрез катодного устройства с кожухом без днища: 1 – ка-

тодный кожух; 2 – цоколь; 3 – бетонный фундамент; 4 – анкерная лапа; 5 – изо-

ляционная втулка и шайба; 6 – анкерный колодец

Рис. 76. Катодное устройство с кожухом с днищем: 1 – фундамент; 2 – электро-

изоляция; 3 – опорная балка; 4 – катодный кожух; 5 – огнеупорная кладка; 6 –

бортовая футеровка; 7 – бортовая теплоизоляция; 8, 9 – шамотная подсыпка и

асбестовый лист; 10 – межблочные швы; 11 – катодные блоки

126

На рис. 79, а показана схема контрфорсного кожуха, нашедшего

широкое применение на заводах, оснащенных электролизерами ВТ и ОА

средней и большой мощности и установленных в двухэтажных корпусах.

Катодный кожух 1 представляет собой корыто, сваренное из листовой

стали. С продольных сторон к кожуху с помощью стяжных шпилек 3

прижимаются контрфорсы 2 (от семи и более пар в зависимости от раз-

меров ванны), нижний конец которых упирается в торцы бетонной балки

4. При возникновении в подине усилий они воспринимаются контрфор-

сами, а распорная балка препятствует деформации продольных стенок

кожуха.

Рис. 77. Катодное устройство с железобетонным днищем: 1 – железобетонное

днище; 2 – жароупорные химически стойкие бетонные блоки; 3 – катодный ко-

жух; 4 – бортовая футеровка; 5 – подовые блоки; 6 – межблочные швы; 7 – ка-

тодный стержень; 8 – анкерный болт; 9 – фундамент

Рис. 78. Самонесущий катодный кожух: а – схематичное устройство; б – вариан-

ты конструкции борта кожуха

127

Рис. 79. Катодный кожух с несущим каркасом: а – контрфорсный каркас: 1 –

катодный кожух; 2 – контрфорс; 3 – стяжная шпилька; 4 – распорная балка; б –

шпангоутный каркас: 1 – катодный кожух; 2 – шпангоут; 3 – опорная балка

На рис. 79, б приведена схема шпангоутного кожуха, который

представляет собой корыто 1, вставленное в конструкцию, образованную

рядом шпангоутов 2, закрепленных на горизонтальной балке 3. Шпанго-

уты устанавливаются между выступающими из кожуха концами токоот-

водящих блюмсов. Такие кожухи оказались намного прочнее всех ос-

тальных конструкций и нашли широкое применение в зарубежной прак-

тике на электролизерах средней и большой мощности (вплоть до 280

кА), обеспечивая средний срок службы ванны до 3000 сут против 1200–

1500 сут на отечественных заводах. Кроме того, ремонтопригодность

шпангоутных кожухов оказалась выше других, что сократило затраты на

капитальный ремонт. Поэтому и в России ведутся работы по переходу на

такие кожухи на мощных и сверхмощных ваннах.

Вне зависимости от вида и модификации катодные кожухи мо-

гут изготавливаться в разъемном и монолитном исполнении.

Футеровка катодного кожуха состоит из углеродной, огнеупор-

ной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет опреде-

ленную роль. Особая роль принадлежит углеродной футеровке, на по-

верхности которой находится жидкий алюминий и электролит, обла-

дающие способностью взаимодействовать с большинством химических

элементов и их соединений. От качества футеровки в решающей степени

зависит срок службы ванны.

По конструкции углеродной футеровки промышленные элек-

128

тролизеры можно разделить на три группы:

1. Монолитные катоды (рис. 80, а) создавались путем набойки

шахты пластичной подовой массой. Это самый дешевый тип катодного

устройства, но из-за низкого качества подины, выделения большого ко-

личества смолистых соединений при обжиге они в настоящее время не

находят применения.

2. Катоды из обожженных блоков с набивными межблочными

швами (рис. 80, б) 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 меха-

нически обработанных блоков (рис. 80, в) представляют собой наиболее

совершенный (и самый дорогой) тип катода, который обеспечивает дли-

тельный 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, изготавливае-

мых в России, имеет форму ласточкина хвоста. Соединение блока с

блюмсом чаще всего осуществляют заливкой жидкого чугуна в про-

странство между ними. При недостаточном или неравномерном нагреве

блока и блюмса перед заливкой чугуна в блоках (из-за разницы коэффи-

циентов линейного расширения углерода и стали) образуются трещины,

приводящие к преждевременному выходу ванн из строя. На некоторых

заводах (БрАЗ) монтаж блюмса в блок производят специальной элек-

тродной массой, что снижает вероятность образования трещин в блоках

и способствует повышению стойкости подины.

129

Рис. 80. Типы углеродной футеровки: а – монолитная футеровка; б – футеровка

из предварительно обожженных блоков с набивными межблочными швами; в –

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

На возникновение трещин существенно влияет форма паза в

блоке для монтажа в нем блюмса. Изготавливаемые отечественной про-

мышленностью блоки с прямоугольным пазом и скругленными углами

имеют неудовлетворительную геометрию, которая способствует возник-

новению трещин. В зарубежной практике все больше находят примене-

ние катодные блоки с одним или двумя узкими пазами.

Катодные блоки с залитыми в них блюмсами устанавливают в

кожух поперек ванны рядами на предварительно смонтированный огне-

упорный цоколь, а свободные концы блюмсов выводят наружу через

окна в продольных стенках кожуха. Количество рядов зависит от шири-

ны блоков и длины шахты ванны, а число блоков в отдельном ряду – от

размеров блока. Существует несколько модификаций угольной футе-

ровки (рис. 12):

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; исполь-

зуется редко из-за увеличения количества швов.

Очевидно, что уменьшение количества швов увеличивает стой-

кость подины, и при прочих равных условиях срок службы электролизе-

ра с монолитной блочной подиной более высок, о чем убедительно сви-

детельствует зарубежная практика. Однако при этом возникают сложно-

сти с установкой блока в катодный кожух, а периферийные швы полу-

чаются широкими.