Назначение угольных электродов и их применение в алюминиевой и магниевой промышленности

29.01.2017

Электродами в широком смысле называют проводники, служащие для подведения электрического тока к среде, на которую он воздействует (электрохимически или электротермически). Эта среда может быть водным раствором, расплавленным или твердым веществом. Электроды можно изготовлять из различных токопроводящих материалов, например: железа, меди, ртути, угля и т. д.
В данной теме мы рассмотрим только производство угольных электродов, применяемых в алюминиевой и магниевой промышленности.
Электроды здесь работают в весьма жестких эксплуатационных условиях (высокая температура, агрессивная среда в виде расплавленных солей и т. д.). Поэтому они должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) выдерживать высокие температуры; 2) иметь достаточную электропроводность; 3) иметь возможно меньшую пористость и достаточную механическую прочность; 4) обладать хорошей стойкостью против окисления воздухом и разъедания различными химическими веществами; 5) быть достаточно дешевыми.
Наиболее полно этим требованиям отвечают электроды из углеродистых материалов.
Углеродистые электроды и изделия, применяемые в промышленности, можно подразделить на два типа: 1) прессованые обожженные и 2) непрерывные самообжигающиеся.
Кроме того, угольные изделия можно подразделить в зависимости от сырья, из которого они изготовлены, на три типа: 1) угольные, 2) коксовые, 3) графитированные.
В металлургии легких металлов из всего многообразия выпускаемой электродной промышленностью угольной продукции в основном применяют обожженные аноды, катодные подовые блоки, угольные плиты, анодную и подовую массы и цилиндрические обожженные электроды.
Обожженные прессованые коксовые аноды (рис. 29, а) применяют при производстве алюминия. Они представляют собой призматические блоки (размером 40х40х55 см), снабженные двумя ниппельными гнездами (углублениями) для заливки чугуном контактов ниппелей, с помощью которых подводится электрический ток к телу анода. Так как примеси (зола), содержащиеся в материале анода, при окислении (сгорании) последнего в процессе электролиза, попадая в электролит, будут загрязнять металлический алюминий, то к анодам предъявляются весьма высокие требования в отношении высокой их чистоты.
Назначение угольных электродов и их применение в алюминиевой и магниевой промышленности

Наряду с малым содержанием золы, аноды должны обладать также достаточной электропроводностью, высокой термостойкостью, большой плотностью и значительной механической прочностью. Аноды не должны сильно разрушаться расплавленным электролитом.
По своему качеству коксовые аноды должны удовлетворять (ЦМТУ 1211—41) следующим условиям:
Назначение угольных электродов и их применение в алюминиевой и магниевой промышленности

Катодные подовые блоки (рис. 29, б) служат для футеровки подины (катода) электролизеров и представляют собой призматические блоки сечением 40х40 см и длиной 55; 80; 120 см и больше. На одной из боковых плоскостей по длине таких блоков делают выемку для заливки чугуном стального стержня, который затем служит для отвода тока.
Угольные плиты применяют для внутренней футеровки боковых стенок электролизеров. Их форма и размеры приведены на рис. 29, в. Как подовые блоки, так и плиты не принимают непосредственного участия в электрохимическом процессе, и поэтому расход их невелик. Поэтому содержание в них золы может быть больше, чем в анодах. Подовые блоки и угольные плиты работают в более тяжелых условиях, чем аноды, и поэтому должны иметь повышенную механическую прочность.
Согласно техническим условиям (ЦМТУ 3090—52 и 3187—52) катодные блоки должны иметь коэффициент разрушаемости (KP) не более 1,7; пористость — в пределах от 13 до 24%; сопротивление раздавливанию — от 220 до 350 кг/см2; удельное электрическое сопротивление — не более 60 ом мм2/м и зольность — не более 7%.
Боковые плиты должны иметь пористость не более 19% и сопротивление на раздавливание не менее 250 кг/см2.
Анодная масса служит для заполнения кожухов непрерывных электродов, в которых она обжигается под влиянием тепла, развиваемого электрическим током в электролите и в теле угольного анода, образовавшегося из анодной массы (см. рис. 29, дне).
Анодную массу, применяемую для заполнения непрерывных анодов алюминиевых ванн, изготовляют согласно техническим условиям (МПТУ 2616—50) двух марок: марки ATM — «тощую», с меньшим содержанием связующего (23—26% вес.), служащую для заполнения нижней части анода при монтаже новых ванн, и марки АЖМ — «жирную», т. е. с повышенным содержанием связующего (30—32% вес.), применяемую для заполнения основного объема анода и наращивания анода в процессе- эксплуатации ванны.
По содержанию золы анодную массу, как марки ATM, так и марки АЖМ, изготовляют двух сортов. Нулевой сорт содержит золы не более 0,5%, первый сорт — не более 1,0%. Обожженная анодная масса должна иметь: механическую прочность не менее 295 кг/см2, пористость не более 32% и электросопротивление не более 85 ом мм2/м.
Подовая масса служит для набивки швов между подовыми блоками, составляющими подину алюминиевых ванн. По техническим условиям подов)ю массу готовят двух марок: антрацитовую, обозначаемую маркой А, и коксовую, обозначаемую маркой К.
Подовая масса должна иметь тот же состав, что и блоки, с тем, чтобы после обжига пода электролизера набитые швы превратились вместе с подовыми блоками в один монолитный блок высокой механической прочности и с малой пористостью.
Обожженные электроды (рис. 29, г) применяют в электропечах для производства кристаллического кремния и силикоалюминия. Угольные электроды для электропечей имеют цилиндрическую форму и диаметр от 500 до 600 мм при длине 1000—1650 мм.
Обожженные угольные электроды, применяемые при электротермических процессах, должны удовлетворять следующим требованиям:
Назначение угольных электродов и их применение в алюминиевой и магниевой промышленности

Графитированные электроды изготовляют из малозольных коксов путем специальной термической обработки в графитировочных печах при температуре около 2500°. Эти изделия имеют пониженную зольность (0,1—0,15%) и низкое электрическое сопротивление (8—12 ом мм2/м). Их применяют при производстве магния, при электролитическом рафинировании алюминия и для прожигания леток печей при производстве электротермического силумина и кристаллического кремния.