Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

29.01.2017

Анодное устройство состоит из обожженных или непрерывных самообжигающихся анодов, которые укреплены на ванне таким образом, что их можно при помощи специального механизма поднимать и опускать.
В зависимости от количества анодов различают многоанодные и одноанодные ванны. В первом случае применяют, как правило, прессованные обожженные угольные аноды, а во втором — непрерывные самообжигающиеся.
Прессованные обожженные аноды (рис. 60) представляют собой угольные блоки 1 (размер их 400х400х550 мм); каждый из них имеет два углубления — ниппельные гнезда 2, в которые за таты чугуном две стальные полосы 3, Заливка обеспечивает хороший электрический контакт. Верхние концы стальных полос приболчены к алюминиевой полосе — анододержателю 4. Последний крепится к анодной шине, проходя щей вдоль всей ванны. В зависимости от размеров ванны таких анодов устанавливают ст 12 до 22 шт. в двух параллельных рядах (рис. 61). Каждый ряд анодов крепится к анодной шине 11. Все анодное устройство подвешено к анодной раме 18, опирающейся на кожух ванны. С помощью подъемного механизма, состоящего из штурвала, редуктора 15 и подъемного винта 14, анодное устройство можно поднимать и опускать.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Начиная с 1930 г. многоанодные алюминиевые ванны с прессованными обожженными анодами стали вытесняться более совершенными ваннами с непрерывными самообжигающимися анодами.
Применение алюминиевых ванн с непрерывными анодами является большим усовершенствованием в области электролитического производства алюминия, так как такие ванны имеют ряд преимуществ перед ваннами с прессованными обожженными анодами. Основные из этих преимуществ следующие.
1) более низкая стоимость анодов, так как в этом случае отпадают такие дорогостоящие операции, как прессование и обжиг;
2) отсутствие отходов в виде огарков, остающихся при работе с прессованными анодами;
3) большая прочность и меньшая пористость непрерывных самообжигающихся анодов по сравнению с обожженными анодами;
4) больший тепловой коэффициент полезного действия ванны, так как наличие большего количества промежутков между анодами многоанодной ванны приводит к большим потерям тепла верхом ванны;
5) вместо 12—22 анодов можно применять один анод, что облегчает обслуживание ванны, регулировку междуполюсного расстояния улучшает равномерность распределения тока по подине;
6) в ванне с непрерывным анодом легче разрешается вопрос отсоса и улавливания газов, выделяющихся в процессе электролиза, и улучшения условий труда в цехе;
7) применение непрерывных анодов позволяет строить ванны большей производительности;
8) ванны с «непрерывными анодами позволяют в большей степени механизировать технологический процесс.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

На рис. 62 изображен непрерывный самообжигающийся анод с боковым токоподводом. Он находится внутри кожуха из алюминиевых листов толщиной 0,8—1,2 мм. Кожух составляют из обичаек-царг высотой до 1,2 м, которые при наращивании анода вставляют одну в другую и скрепляют между собой алюминиевыми заклепками. Назначение алюминиевого кожуха предупредить вытекание жидкой анодной массы. Внутри алюминиевого кожуха находится анодная масса высотой не менее 1200 мм. По высоте анод можно разделить на три зоны. В верхней зоне анодная масса находится в расплавленном состоянии, в средней — в виде густой тестообразной массы и в нижней — твердая, спекшаяся масса Эти зоны в аноде строго не разграничены и ясно выраженной границы между ними нет. Переход этих зон одна в другую происходит постепенно. Наибольшая высота спекшегося слоя массы находится в середине, наименьшая по краям, так как в середине анода температура выше, чем у краев.
Подвод тока к аноду осуществляют стальными штырями (рис. 63) длиной примерно 700—800 мм и диаметром 60—70 мм, забиваемыми в тело анода.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Штыри располагают в аноде в четыре горизонтальных ряда, из которых два нижних являются рабочими. Расстояние между штырями 300 мм, а между рядами штырей 200 мм. Количество штырей в каждом ряду определяется размерами анода. Для сокращения прохождения пути тока в аноде штыри забивают в верхнюю часть загустевшей угольной массы анода под углом 15—20° по отношению к горизонтальной плоскости. При опускании анода вместе с ним опускаются и штыри. Постепенно верхние ряды штырей оказываются в спекшейся массе.
Тело анода заключено в четырехугольную раму, сваренную из швеллерных балок, к которой приварены вертикальные швеллерные балки-перья с прорезами для штырей. К нижней части перьев подвешивают стальные изогнутые полосы, называемые серьгами. Первый ряд штырей опирается на серьги, на которые и передается вес анода.
Анодная рама служит не только для подвески анода, но и для сохранения формы анода в верхней части, где он находится в жидком виде.
На углах анодной рамы закреплены четыре тяги (тросы или винты), которые соединены с подъемным механизмом. При помощи штурвала подъемного механизма анод может перемещаться вверх и вниз. Вращение штурвала производят вручную, с помощью надетой на него бесконечной цепи.
В последнее время для перемещения анода стали устанавливать индивидуальный электрический двигатель. Кинематическая схема механизма для подъема анода с помощью электродвигателя приведена на рис. 64.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Все анодное устройство подвешено к потолочной раме, которая опирается на четыре стальные колонны каркаса ванны.
Дальнейшим усовершенствованием анодного устройства является переход от бокового к верхнему подводу тока к аноду.
За последние годы в России и в странах народной демократии пущен ряд электролизных серий и цехов, оборудованных ваннами с верхним подводом тока до 140 000 а. Одна из таких ванн схематически изображена на рис. 65. Подвод тока к аноду в таких ваннах осуществляют с помощью стальных штырей, вертикально установленных в теле анода и присоединенных к анодным шинам. Штыри в аноде располагают в два-три или четыре ряда на многих (8—16) горизонтах по вертикали анода. Штыри служат не только для подвода тока, но и для подвески анода. Анод, по мере его сгорания, вместе со штырями опускается вниз, а когда штыри достигнут расстояния 25—30 см от подошвы анода, их извлекают из спекшейся части специальной машиной. Извлеченный штырь поднимают на верхний горизонт, а в образовавшуюся под ним полость затекает расплавленная угольная анодная масса. Штырь закрепляют в верхнем положении. По мере сгорания анода штыри постепенно опускаются вместе с анодом и всей верхней конструкцией вниз и закоксовываются в анодной массе.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

В некоторых конструкциях ванн при перестановке стержень-штырь не только приподнимается на новый горизонт, но и передвигается в горизонтальной плоскости на другое место. В образовавшуюся после его извлечения полость затрамбовывается или самопроизвольно затекает анодная масса.
Ванны, оборудованные анодами с верхним подводом тока, имеют ряд преимуществ по сравнению с ваннами с боковым подводом тока к аноду. В частности, верхний токоподвод к аноду позволяет:
1) работать без наращиваемой алюминиевой обичайки и уменьшить трудовые затраты на обслуживание анода;
2) отсасывать более концентрированные анодные газы непосредственно у места их возникновения с поверхности электролита и повысить эффективность газоочистки;
3) рационально решить вопрос механизированного способа пробивки корки электролита и перейти к укрытию ванны утепленным сводом и к непрерывному питанию ее глиноземом;
4) облегчить условия труда при обслуживании ванн;
5) использовать ванны большой мощности с широким анодом.
Однако, наряду с указанными преимуществами, ванны с верхним токоподводом к аноду имеют и некоторые недостатки. Одним из существенных недостатков таких ванн является то, что затекающая в полости, образующиеся в спекшейся анодной массе при извлечении штырей, жидкая анодная масса плохо спекается с горячими стенками углублений. В результате этого находящиеся под штырями участки анода имеют малую механическую прочность и легко разрушаются, вследствие чего подошва анода имеет неровную, с углублениями( лунками), поверхность. Выкрашивание указанных участков анода может привести к проникновению в электролит жидкой анодной массы.
Кроме того, наружная часть поверхности анода, находящаяся под колоколом, имеет повышенную трещиноватость и больше окисляется, чем в ваннах с боковым токоподводом к аноду.
Ошиновка ванн. Подводимый к современным алюминиевым ваннам ток имеет большую величину (от 45 000 до 120 000 а и даже больше). Подвод тока к анодам алюминиевых ванн и отвод его от катода осуществляется при помощи металлических, обычно алюминиевых, шин. Ошиновку ванны, по которой подводится ток к аноду, называют анодной, а ошиновку, по которой отводится ток от подины (катода) — катодной. В электролизном цехе ванны стоят одна за другой и катодные шины одной ванны соединены с анодными шинами другой, создавая последовательную электрическую цепь (рис. 66).
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Ошиновка каждой отдельной ванны должна обеспечивать равномерное распределение тока по всему сечению анода и катода и позволять производить быстрое выключение алюминиевой ванны из электрической цепи и включение ее в цепь без нарушения работы остальных ванн.
В зависимости от конструкции ванны выполняется и ее ошиновка.
Ошиновка ванны с прессованными обожженными анодами (рис. 67) состоит из алюминиевых и медных шин и стальных токоотводящих стержней. Подвод тока к главным анодным шинам 1 осуществлен с двух сторон ванны при помощи гибких пакетов 2, состоящих из алюминиевой ленты сечением 1х250 мм, которые называют анодными стояками. Стояки в нижней части соединены обводными алюминиевыми шинами 3, стандартного сечения (29х250 мм). В верхней части стояки соединены с главными анодными шинами 1. Такое соединение дает возможность равномерно распределить ток в них, не увеличивая их сечения.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Главные анодные шины состоят из алюминиевых полос сечением 43х250 мм и удерживают на себе обожженные аноды.
Для выравнивания тока в анодных шинах с правой и левой продольной стороны они соединяются уравнительными шинами 5. Ток к угольным анодам подводится через алюминиевые шинки сечением 40х80 мм. Контакт между шинкой и главной анодной шиной обеспечивается специальным клиновым или эксцентриковым зажимом.
От подины ток отводится через катодные стальные стержни 7 (рис. 67) и гибкие медные пакеты шин 4, состоящие из полос, сечением 2х250 мм Кон такты в ошиновке, а также между стержнями и медными пакетами, осуществляются с помощью стальных прижимных плит и болтов или с помощью сварки. Катодная ошиновка и обводные шины анодной ошиновки находятся в каналах, идущих вдоль продольных сторон ванны и перекрытых чугунными плитами.
Ошиновка ванны с непрерывным самообжигающимся анодом и боковым подводом тока (рис. 68) состоит из алюминиевых шин сечением 29х250 мм и медных полос сечением 10х100 мм, 5х100 мм и 1х100 мм.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Подвод тока к аноду осуществляется с помощью двух алюминиевых пакетов 15, соединенных по торцам анода уравнительными шинами. Шины в анодных пакетах плотно прижаты одна к другой сжимными стальными плитами и шпильками и прикреплены к потолочной раме каркаса ванны с помощью подвесок. От анодных пакетов и уравнительных шин ток с помощью медных гибких пакетов (спусков) 12 подводится к головкам штырей. Co штырей через анод, электролит, расплавленный алюминий и угольную подину ток попадает на катодные стержни. С последних он отводится с помощью гибких спусков 16 к катодным шинам -— пакетам 4. Гибкие спуски выполнены из медных лент, а катодные пакеты — из алюминиевых шин. Катодные шины (па кеты) одной ванны соединяются с главными анодными пакетами второй ванны жесткими стояками 3, состоящими из алюминиевых шин.
Количество шин и лент в каждом пакете определяется расчетом в зависимости от величины тока, протекающего через ванну.
Ошиновка ванны с непрерывным самобжигающим с я анодом и верхним подводом тока во многом подобна ошиновке ванны с непрерывным самообжигающимся анодом и боковым подводом тока. Подвод тока к аноду производится жесткими анодными шинами, собранными в пакет, к которому штыри прижимаются специальными зажимами. Анодная ошиновка укладывается на подвижную раму верхней металлоконструкции и соединяется с катодными пакетами предыдущей ванны анодными стояками. Последние выполнены из гибких алюминиевых лент, которые позволяют аноду свободно передвигаться в вертикальном направлении.
Контактные узлы. До последнего времени контактные узлы в ошиновке алюминиевых ванн как в России, так и за границей выполняли в виде сжимных (болтовых) контактов, количество которых на одном алюминиевом заводе достигает иногда 200 000.
Сжимные контакты ошиновки вследствие окисляемости контактных поверхностей создают повышенное переходное сопротивление и являются причиной дополнительных потерь электроэнергии.
Эти потери непрерывно возрастают и могут достигать значительных величин.
Для уменьшения потерь электроэнергии болтовые контакты периодически подвергают переборке и зачистке, что связано с большими затратами труда.
В последние годы советским инженерам и конструкторам удалось разработать более совершенные сварные контакты. Как показывает практика применения сварных контактов, они обеспечивают экономию электроэнергии (до 1,5% от расходуемой при электролизе) и способствуют более равномерному распределению тока в аноде и катоде. Кроме того, при сварных контактах сокращается расход черных и цветных металлов, повышается производительность труда рабочих-монтажников и резко сокращается количество рабочих, занятых на зачистке остающихся еще болтовых контактов.
Демонтаж сварных контактов довольно прост. Сварные швы в месте соединения расплавляются ацетиленово-кислородным пламенем или электрической дугой.
Контакт анодный спуск штырь обычно осуществляется с помощью стального болта и двух шайб (рис. 69).
Высокая окружающая температура (350—400°С), при которой работает болтовой контакт шинка-штырь, и наличие фтористого водорода в омывающих его газах способствуют окислению концов шинок, что приводит к большим трудовым затратам на их перечистку и к повышенному расходу меди на реставрацию анодных спусков.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Значительное улучшение контакта шинка — штырь дает клиновое соединение, разработанное И.П. Снежко. В этом контакте (рис. 70) медная шинка снабжается наконечником 1 и контакт осуществляется через верхнюю грань головки штыря 2, На головку штыря надевается хомут 3, который при заклинивании клином 4 удерживается на головке штыря шпилькой 5. Шарнирное соединение хомута обеспечивает плотное прилегание наконечника к штырю.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

Соединение шинки с верхней кромкой штыря исключает возможность быстрого сгорания контактной части шинки. При забивке очередных штырей нет необходимости перегибать шинки из стороны в сторону, что обеспечивает их большой срок службы Значительно облегчается операция по переключению клинового контакта (за счет применения пневматического молотка).
В настоящее время разработана новая конструкция сварного контакта шинка-штырь (рис 71). Постановка электрозаклепок в таком контакте производится угольным электродом, питаемым постоянным током от группы ванн.
Выключение ванны из электрической цепи, которое надо производить возможно быстрее и без нарушения работы других ванн, осуществляется с помощью специальных ножевых (рис. 72) или винтовых (рис. 73) короткозамыкателей. Первые применяют для ванн малой мощности, вторые — для ванн большой мощности.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны

При отключении ванны кратковременно отключают всю серию ванн или в ней снижают величину тока, так как при нормальном токе включение шунта в цепь сопровождается искрением. В отдельных случаях, когда напряжение на подготовленной к выключению ванне невелико (не выше 2,5 в), последнюю отключают без указанных предосторожностей.
Винтовой короткозамыкатель состоит из рамы на колесах и двух жестких пакетов алюминиевых шин (сечением 250х29 мм), которые насажены на общий винт с правой и левой резьбой. Пакеты могут стягиваться специальными гайками, находящимися на винте и изолированными от шин фибровыми втулками и прокладками. Вторые концы алюминиевых шин замыкателя соединяются с катодной ошиновкой посредством гибких пакетов и сжимных планок со шпильками.
При подключении коротко замыкателя к ваннам пакеты его находятся в разомкнутом состоянии и для предохранения от случайных замыканий между ними вставляют лист фибры, который в момент выключения ванны вынимают. Чтобы выключить ванну из электрической цепи, достаточно быстро повернуть рычаг винта вправо до полного сближения пакетов. Ток, минуя анодное устройство отключаемой ванны, поступит в анодную ошиновку последующей ванны. Затем концы катодной ошиновки соединяют короткими шинами при помощи плит и шпилек и винтовой короткозамыкатель убирают. Включение ванны в серию производится в обратном порядке.
Анодное устройство и ошиновка алюминиевой ванны