Технология инертного анода в концепции зеленой металлургии алюминия

Полный текст

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.

Об авторах

Юрий Анатольевич Морозов

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

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

кандидат технических наук, доцент кафедры МТ-13 «Технологии обработки материалов»

Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1

Владимир Сергеевич Ялунин

Московский политехнический университет (Московский Политех)

Автор, ответственный за переписку.
Email: molnir9@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1994-7531

магистрант, кафедра «Металлургия»

Российская Федерация, 111250, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Список литературы