Inert anode technology in the concept of green aluminum metallurgy

Full Text

Введение Алюминий сегодня незаменим ввиду сочетания легкости, прочности и, что немаловажно, стоимости относительно альтернативных металлов (например, магния или титана в авиации). Крупнейшие мировые производители алюминия (около 63 % всего мирового производства) - США, Россия, Канада, Китай, Австралия и Бразилия [1]. В России крупным поставщиком металлического алюминия является объединенная компания «Русский алюминий» (ОК «РУСАЛ»), производящая более 2,42 млн т первичного алюминия и конечной продукции из него. Профильные заводы ОК «РУСАЛ» по большей части расположены на территории Урала (Богословский, Уральский) или Сибири (Богучанский, Братский, Иркутский, Красноярский, Саяногорский, Тайшетский, Хакасский), что связано с высокой энергоемкостью процесса, требующего мощных и дешевых источников электроэнергии, и обусловлено технологией его электролитического получения. 1. Цель В настоящее время выявился существенный недостаток классической электролизной технологии, проявившийся с точки зрения экологичности и мирового квотирования карбоновых выбросов (углеродный след). При этом основным токоподводящим элементом является углерод в различном исполнении соответствующего анодного узла. С начала 30-х гг. XX в. в электрометаллургии начали внедряться непрерывные самообжигающиеся электроды по патенту Содерберга, представляющие собой анодный массив из коксо-пековой композиции, ограниченной алюминиевой рубашкой, в виде крупных брикетов нефтяного прокаленного кокса (67-69 %), где связующим элементом выступает каменноугольная смола - пек (рис. 1, а) [2; 3]. Несколько модернизированной технологией (в плане удобства) является использование предварительно обожженных угольных блоков, последовательно устанавливаемых в электролизер в требуемом количестве (рис. 1, б). Изображение выглядит как текст, старый Автоматически созданное описание а б Рис. 1. Электролизер с анодом Содерберга (а) и предварительно обожженные аноды (б) Figure 1. Soderberg anode electrolyzer (а) and pre-baked anodes (б) Рис. 2. Сравнение технологий электролиза с угольным и инертным анодом Figure 2. Comparison of electrolysis technologies with coal and inert anode Можно сказать, что все производство алюминия в России основано на реализации этих двух технологий в разных вариациях (имеются попытки внедрения экологичного Содерберга (ЭкоСодерберг) на КрАЗе, ключевым отличием которого является повышенная газоочистка и уменьшение содержания каменноугольной смолы - сухой анод) [4-6]. Использование углерода в качестве токоподводящего анода является экономически выгодным ввиду дешевизны, однако процесс восстановления алюминия приводит к ионообменной реакции соединения углерода с высвобождаемым кислородом и выделению на подошве угольного анода - анодных газов (оксид и диоксид углерода - угарный и углекислый газы), удаляемых в атмосферу Объем углеродных выбросов можно оценить быстротой расходования углеродных анодов (производство 1 т алюминия требует 500-700 кг анодной массы Содерберга). Конечно, не весь углерод переходит в газообразное состояние, частично происходит его осыпание с науглероживанием электролита, но объемы выбросов все равно впечатляют. Не принимая в расчет выбросы углекислого газа при выработке электроэнергии, на восстановление тонны алюминия выделяется до 11 т СО + СО2. Поэтому актуально создание инертного анода, материал которого не вступает в ионообменную реакцию восстановления алюминия, а значит, почти не расходуется, при этом допускается высвобождение кислорода в статусе конечного газообразного «отхода», эквивалентного 0,9 т кислорода О2 на 1 т алюминия (одна ванна может производить кислород эквивалентно 70 Га леса), рис. 2 [7-15]. Исследования данного направления ведутся с 80-х гг. XX в., но в силу специфичности требований и условий эксплуатирования до сих пор нет какого-либо широкого применения подобной экологичной технологии. Значительный разогрев ванны требует термической стабильности до 1000 °С, должны обеспечиваться нерастворимость, достаточно высокая механическая прочность, малая стоимость и легкость в изготовлении и пр. Важным условием является недопустимость содержания железа в составе анода, так как понижается сортность алюминия. 2. Материалы и методы В рамках проектной работы, организованной лабораторией РУСАЛа, была предложена концепция зеленого анода на базе электролизера с самообжигающимся анодом Содерберга типа С-8БМ. Данный выбор обусловлен тем, что подобные электролизеры характеризуют наиболее старую технологию, значительно распространены в России и их модернизация путем замещения углеродного анодного массива инертным анодом экономически целесообразней в сравнении с разработкой нового поколения оборудования. При замещении углеродного анодного массива решено использовать классические литейные металлические сплавы с проведением аналитического исследования электрических характеристик материалов в условиях, приближенных к электролизному производству. Исследование показало большую неоднозначность электрического сопротивления, определяемого совокупностью используемых марок угля, объемной доли их смешивания, степени готовности и крупности, так как образовавшийся из угля полукокс начинает существенно менять свое электросопротивление (проводить электрический ток) при прямом влиянии температуры (рис. 3) [16]. Выбор металлического анода в первую очередь определяется его заранее запланированными свойствами. Так, с точки зрения жаростойкости используется никель, а основным материалом электротехнических изделий является медь, образующие твердофазные растворы неограниченной растворимости (рис. 4). Рассматривая стандартные медно-никелевые сплавы, можно рекомендовать к использованию сплав МНМц43-0,5, имеющий минимальное содержание железа (до 0,15 %) и характеризуемый термической стабильностью при температуре плавления ~ 1290 °С, что будет достаточным в условиях электролиза ~ 950 °С[3]. Основным условием ОК «РУСАЛ» является ограничение снижения силы тока - не ниже 140 кА! Иными словами, электрические характеристики проектного металлического анода численно должны соответствовать базовому углеродному аноду. При рабочем токе I = 185 кА наиболее распространенного на заводах России электролизера Содерберга с анодом типа С-8БМ согласно закону Ома рассчитывается электросопротивление в заданном интервале силы тока с учетом расчетного падения напряжения на аноде = 593 мВ (рис. 5) Проделанные электрические расчеты базируются на габаритных размерах металлического анода, и с учетом его большей в 100 крат электропроводности для исключения короткого замыкания на малом электросопротивлении электролита (криолитоглиноземный расплав) в цепь анодных стержней включаются дополнительные резистивные элементы, устанавливающие электрический баланс относительно базового углеродного анодного массива. При разработке концепции инертного анода принято его горизонтальное положение из соображений максимальной поверхности контакта с электролитом. Сам анод принимается наборным, состоящим из четырех пластин, заполняющих существующую площадь металлической анодной рубашки электролизера Содерберга, которую в свою очередь допускается демонтировать, так как с исключением углеродного анода она утрачивает свою функцию формирования анодной массы из коксо-пековой композиции. Вместо нее на ванне устанавливается балка-коллектор электромеханического привода вертикального перемещения опорных стержней токовода каждой анодной пластины по четырехточечной схеме для исключения поперечных перекосов (рис. 6). Ввиду работы металлического анода в условиях значительной температуры электролиза предусматривается его охлаждение, которое можно реализовать по двум схемам. В первом случае осуществляется принудительное водяное охлаждение трубчатыми холодильниками, напаянными на внешнюю поверхность, с подачей охлаждающей жидкости гибкой подводкой со стороны балки-коллектора. Рис. 3. Зависимость электросопротивления углей от температуры [17] Figure 3. The dependence of the electrical resistance of coals on temperature Рис. 4. Диаграмма состояния системы «медь - никель» (Cu-Ni) Figure 4. Diagram of the state of the system “copper - nickel” (Cu-Ni) Рис. 5. Допустимый разброс сопротивления проектного металлического анода Figure 5. Permissible spread of resistance of the design metal anode Рис. 6. Концепция металлического инертного анода (размещение электропривода по торцам коллектора): 1 - балка-коллектор; 2 - анодная ошиновка; 3 - аноды; 4 - винтовые домкраты; 5 - винт домкрата; 6 - карданный вал; 7 - электродвигатель; 8 - редуктор червячный; 9 - редуктор конический Figure 6. The concept of a metal inert anode (placement of the electric drive at the ends of the collector): 1 - beam-collector; 2 - anode busbar; 3 - anodes; 4 - screw jacks; 5 - screw of the jack; 6 - cardan shaft; 7 - electric motor; 8 - worm gearbox; 9 - bevel gearbox Вторым вариантом может быть пассивное охлаждение ребристыми радиаторами, напаянными на внешнюю поверхность анодной пластины, что является более предпочтительным по причине сложности организации принудительного водяного охлаждения, а также вероятности аварийных ситуаций при попадании охлаждающей жидкости (вода, эмульсия) в нагретый электролит. 3. Результаты Разработанная с учетом рекомендаций профильных специалистов «Лаборатории РУСАЛА» (2021) концепция металлического инертного анода допускает минимальные затраты при переходе к более прогрессивной технологии получения алюминия на базе имеющихся электролизеров Содерберга, модернизируемых путем замещения углеродного анодного массива наборными горизонтальными медно-никелевыми пластинами из сплава МНМц43-0,5 аналогичных размеров. Заключение Предложенный материал и концепция инертного анода соответствуют требуемым температурным и электрическим параметрам исследуемого процесса. Монометаллический медно-никелевый сплав МНМц43-0,5 имеет достаточную термическую стабильность в условиях электролиза алюминия (950 °С), а минимальное содержание железа в сплаве (до 0,15 %) позволяет производить металлический алюминий высокой сортности, то есть высокой конкурентноспособности. Кроме того, использование классических литейных металлических сплавов облегчает технологию формообразования пластины анода с применением процессов обработки давлением, например прокатка плиты требуемой ширины и толщины.

About the authors

Yury A. Morozov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of Technology)

Email: akafest@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9229-7398

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department MT-13 “Materials Processing Technologies,”

5 2-ya Baumanskaya St, bldg 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Vladimir S. Yalunin

Moscow Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: molnir9@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1994-7531

master’s student, Department “Metallurgy,”

38 Bolshaya Semenovskaya St, Moscow, 111250, Russian Federation

References

Supplementary files