Катодное устройство электролизеров всех типов состоит из одних и тех же основных элементов — катодного кожуха, угольной футеровки (подовая и бортовая), огнеупорной и теплоизоляционной футеровки. Однако конструктивное выполнение этих узлов может различаться весьма существенно.

Катодные кожухи

Пропитка футеровки компонентами расплава, термические воздействия и физико-химические превращения в материалах катода создают значительное давление на стенки катодного устройства, приводят к его деформации и разрушению. Для обеспечения надежной и длительной работы ванны катодный кожух выполняют жесткой конструкции, способной противостоять возникающим усилиям.

Современные контрфорсные кожухи с днищем применяются на электролизерах всех типов и устанавливаются в двухэтажных корпусах на специальном фундаменте (ригельных балках). Собственно катодный кожух представляет собой "корыто", изготовленное из листовой стали. С обеих продольных сторон к кожуху с помощью стяжных шпилек прижимаются контрфорсы, нижний конец которых упирается в торцы бетонной балки. При возникновении в катоде усилий, они воспринимаются контрфорсами, а распорная балка препятствует деформации продольных стенок кожуха. Количество контрфорсов зависит от мощности ванны: от 7 и более пар. Средний срок службы ванны 1200-1300 суток.

Шпангоутный кожух - то же самое "корыто", вставленное в конструкцию, образованную рядом шпангоутов, закрепленных на горизонтальной балке. Такие кожухи оказались намного прочнее контрфорсных, а высокая ремонтопригодность позволяет сократить затраты на капитальный ремонт. Средний срок службы ванны достигает 3000 суток.

Контрфорсы и шпангоуты устанавливают между выступающими из кожуха концами токоотводящих блюмсов.

Футеровка катодного кожуха

Футеровка состоит из углеродной, огнеупорной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную функцию. Особая роль принадлежит углеродной футеровке, внутри которой находятся жидкий алюминий и электролит, обладающий способностью растворять большинство соединений. Поэтому от ее качества в решающей степени зависит срок службы ванны.

Основным назначением теплоизоляционной футеровки является снижение потерь тепла в окружающую среду, поддержание нормальной температуры расплава и, как следствие, снижение расхода электроэнергии на производство алюминия. Теплоизоляционные материалы должны обладать структурной стабильностью, высокой механической прочностью, высоким модулем упругости, низкой теплопроводностью и химической стойкостью к компонентам расплава. Конечно, все желаемые свойства не могут быть представлены в одном материале, поэтому при конструировании подины неизбежно приходится идти на компромисс. В качестве теплоизоляционных материалов применяются диатомитовые кирпичи и вермикулит различного состава. Их теплопроводность на порядок ниже огнеупорных, но механические свойства неизмеримо выше у огнеупоров.

Огнеупорная футеровка должна противостоять химическому и физическому воздействию компонентов расплава. Изготавливается из шамотного кирпича, т.е. кремнезем-глиноземного огнеупора, наиболее устойчивого к воздействию компонентов расплава, но у него высокая теплопроводность.

Поэтому в современных катодных устройствах применяют комбинированную (сэндвичевую) изоляцию: верхний слой состоит из плотных огнеупоров, а нижние — из более мягких теплоизоляционных материалов. Для снижения скорости проникновения компонентов расплава к огнеупорной и теплоизоляционной футеровкам применяют различные защитные материалы: подовую массу, глинозем, силикаты или алюмосиликаты, содержащие оксид кальция.

Углеродная футеровка выполняет одновременно две важные функции: служит огнеупорной ванной для расплавленного металла и электролита и является проводником тока.

Катодные блоки

Катодные блоки выпускаются разного качества и форм, геометрия которых зависит от конструкции ванны и технологии капитального ремонта ванн.  Конструкция паза, в котором фиксируется токоотводящий блюмс, имеет большое значение. В отечественной практике такой паз формой «ласточкиного хвоста» образуется в процессе изготовления блока при продавливании массы через насадку (мундштук) определенной формы.

Способом монтажа блюмса в блок является заливка чугуном пространства между блоком и блюмсом. При этом блок и блюмс перед заливкой нагревают во избежание образования трещин в блоках из-за разницы в коэффициентах линейного расширения. Также монтаж блюмса в блок осуществляют с помощью специальной электродной массы, что улучшает качество и долговечность подины.

Катодные блоки со смонтированными токоотводящими стержнями (блюмсами) устанавливаются в кожух ванны на огнеупорную и теплоизоляционную футеровку. Блоки устанавливаются поперек ванны рядами, при этом свободные концы блюмсов выходят наружу через окна в продольных сторонах кожуха. Количество рядов блоков зависит от их ширины и длины шахты ванны, поэтому существует несколько модификаций подин:

- монолитные — когда длина блока почти равна ширине ванны. Но возникают сложности с установкой блока в корпус ванны, да и периферийные швы получаются более широкими, что снижает эффективность применения мо­нолитного блока. Для снижения ширины периферийных швов обычно идут двумя путями:

а) используют разъемные катодные кожухи с верхней съемной частью или боковой стенкой. Это усложняет конструкцию кожуха и делает практически невозможным проведение капитального ремонта ванны на месте ее установки из-за воздействия магнитного поля на сварочную дугу;

б) применяют кожух, у которого нижняя часть, где расположена футеровка, выполнена более узкой, а верхняя расширяется от уровня подины с таким расчетом, чтобы расстояние от анода до борта было достаточным для обработки и выливки металла из ванны. В этом случае бортовая футеровка получается наклонной, что усложняет ее монтаж. К преимуществам таких кожухов относятся малая масса и стоимость, повышенная катодная плотность тока, что позитивно влияет на выход по току;

- полумонолитные склеенные блоки — наиболее совершенный и самый дорогой тип катода, который позволяет продлить срок службы электролизера.

- двухсекционные, причем длина блоков разная и устанавливаются они в шахматном порядке, что делает подину более прочной. Это основная  конструкция подины в алюминиевой промышленности России;

- многосекционные — не более четырех блоков, но используются редко из-за увеличения площади швов.

Бортовая футеровка

Бортовая футеровка изготавливается из предварительно обожженных плит, выполненных из тех же материалов и по той же технологии, что и подовые блоки. Однако свойства бортовых блоков должны отличаться от свойств подовых блоков, так как они не предназначены для прохождения через них тока. Поэтому бортовые блоки должны обладать высоким электросопротивлением и теплопроводностью (с целью создания надежных бортовых настылей), т.е. взаимоисключающими характеристиками. Кроме того, бортовые блоки должны быть стойки к действию расплава и не окисляться воздухом, нерастворимы в криолите и алюминии и не должны смачиваться этими компонентами, иметь низкую пористость, стоимость, быть просты в изготовлении и технологичны при монтаже. Бортовая футеровка электролизеров с обожженными анодами и системой автоматического питания глиноземом может быть более тонкой, так как она не подвергается механическому воздействию инструмента для пробивки корки электролита.

2.5 Новые материалы для катодной футеровки

Катодная футеровка электролизеров подвержена разрушению от воздействия алюминия и электролита, что ведет к снижению эффективности процесса, а содержащиеся в отработанной футеровке фтористые и цианистые соединения негативно воздействуют на окружающую среду.

Поверхность угольной подины плохо смачивается жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения приходится держать относительно большой столб металла на подине, что, в свою очередь, за счет возникающих в расплаве электромагнитных сил создает волнения металла, что приводит к необходимости держать повышенным междуполюсное расстояние, и, следовательно, большой расход энергии. Смачиваемые катоды должны обладать высокой электрической проводимостью и механической прочностью, малой теплопроводностью, хорошей стойкостью к термическому и химическому воздействию компонентов расплава и образующихся при электролизе газов.

В мировой практике исследований, направленных на создание материалов для футеровки катода на основе тугоплавких соединений; при этом добиваются улучшения свойств катодов путем их покрытия или замены инертными материалами, наиболее подходящими из которых являются бориды и карбиды титана и циркония. Новые материалы для футеровки катода позволят в 5— 10 раз увеличить съем алюминия с единицы площади катода, на 25—30 % снизить расход электроэнергии и увеличить срок службы ванны на 3—4 года.

Анодное устройство

Анодное устройство — самый сложный в конструктивном отношении узел электролизера состоит из: угольного анода; подъемного механизма для перемещения анода по мере его сгорания или при выливке металла из ванны; ошиновки и опорной конструкции, которая монтируется на специальных стойках, опирающихся на фундамент.

Анод электролизера предназначен для подвода тока в междуполюсное пространство для осуществления процесса электролиза. По типу анода все электролизеры подразделяются на два больших класса: электролизеры с обожженными анодами (ОА) и электролизеры с самообжигающимися анодами (СОА). По способу подвода тока к самообжигающимся анодам они подразделяются на аноды с боковым (БТ) и верхним (ВТ) токоподводом.

3.1 Непрерывные самообжигающиеся аноды с верхним токоподводом

Электролизеры с анодами ВТ являются в России доминирующей конструкцией — на них получают более 60 % всего алюминия. Анодное устройство электролизера ВТ представляет собой угольный анод, сформированный внутри анодного кожуха. В нижней части анодного кожуха расположен газосборный колокол, под которым собираются выделяющиеся при электролизе газы. Кожух вместе с анодом по мере его сгорания опускается, но во избежание подплавления газосборных колоколов, кожух периодически поднимается при помощи вспомогательного механизма, который смонтирован на той же конструкции, что и анодная ошиновка. При средней скорости сгорания анода 1,5-2 см в сутки перетяжку анодного кожуха желательно осуществлять ежедневно, что улучшает качество боковой поверхности анода, а также герметизацию корки и снижает выбросы газов в атмосферу.

В анодный кожух сверху загружается анодная масса, подвод тока к аноду осуществляется составными штырями, расположенными в четыре ряда на двух или более горизонтах. По мере сгорания анода штыри, находящиеся на нижнем горизонте, извлекаются из тела анода, а в образовавшиеся подштыревые отверстия загружают определённую порцию ПАМ (подштыревой анодной массы), в которой высокое содержание пека, до 32 %. В результате воздействия высокой температуры, особенно в нижней части анода, коксование жидкой ПАМ идет с большой скоростью, поэтому качество образующегося вторичного анода намного хуже основного анода — он очень порист, механически не прочен и имеет низкую электрическую проводимость. К тому же из ПАМ выделяется большое количество летучих соединений, ухудшающих атмосферу в корпусе. Несмотря на то, что суммарная площадь поперечного сечения штырей составляет около 4 % площади анода, площадь вторичного анода значительно превышает эту величину за счет окисления вторичного анода диоксидом углерода, из-за чего качество подошвы анода ухудшается. Именно это обстоятельство приводит к образованию большого количества угольной пены, а, следовательно, увеличенному расходу анода.

Анодные штыри

Анодные штыри в настоящее время выполняют составными — верхняя часть, которая с помощью зажима контактирует с анодной шиной, изготавливается из алюминия, а нижняя, которая запекается в теле анода, стальная. Это позволяет снизить потери энергии в штырях и улучшить распределение магнитного поля в аноде вследствие магнитного разрыва, образованного алюминиевыми штангами. Общее количество штырей зависит от силы тока, для электролизёра С8БМ равно 72 шт. Общая длина анодных штырей и длина токоведущей части зависит от положения анодной рамы.

Анодная рама

Анодная рама является важнейшим элементом анодного устройства, несущим всю массу анода, которая на современных ваннах достигает 100 т. На всех типах электролизеров анодная рама вместе с подъемными механизмами монтируется на опорной конструкции, которая расположена на стойках, закрепленных на своих фундаментах. На раме монтируется также анодная ошиновка, поэтому она перемещается вместе с рамой.

При выливке металла и по мере сгорания анода рама вместе с анодом перемешается вниз до крайнего нижнего положения, а затем должна быть поднята вверх — эта операция на практике носит название перетяжки анодной рамы. При выполнении данной операции анод должен оставаться на месте.

Перетяжка рамы на электролизерах с ВТ. Подъем рамы из крайнего нижнего положения выполняют с помощью основного механизма подъема анода при одновременной работе вспомогательного механизма. Основной механизм смонтирован на опорных стойках и служит для перемещения анода и подъема анодной рамы, а вспомогательный механизм, расположенный на анодной раме, — для подъема анодного кожуха и поддержания в неизменном положении анода при подъеме анодной рамы. Скорость перемещения основного и вспомогательного механизмов одинакова. Подъем анодной рамы должен производиться до перестановки штырей.

При перетяжке анодной рамы на анодный кожух устанавливается переносной портал, в верхней части которого с помощью тяг закрепляются штыри. Тогда при ослаблении контакта между анодной шиной и штырями, анод будет висеть только на временных тягах.

Затем ослабляют все зажимы, прижимающие штыри к анодной ошиновке, и одновременно включают основной и вспомогательный механизмы. Основной механизм перемещает анодную раму вверх, а вспомогательный — анодный кожух вниз. Но, так как вспомогательный механизм расположен на движущейся вверх анодной раме, положение анодного кожуха по отношению к неподвижному катодному устройству будет оставаться неизменным. В процессе перемещения анодной рамы контакт между штырем и анодной шиной будет скользящим, поэтому на некоторых штырях возможны искрения. После подъема рамы в крайнее верхнее положение надежно затягивают контактные зажимы, а затем демонтируют переносной портал.

Перетяжка анодной рамы на электролизерах с ОА осуществляется технологически проще, так как на электролизерах этого типа имеется только один механизм для перемещения анодного массива. Для перетяжки анодной рамы устанавливают (как и на анодах с ВТ) переносные порталы, которые опираются на неподвижную газосборную конструкцию. После подвески анодов с помощью портала ослабляют зажимы, прижимающие токоведущую штангу к анодной ошиновке, и включают привод, поднимающий анодную раму, но анодный массив остается висеть на временных зажимах. После подъема рамы в верхнее положение закрепляют контактные зажимы и убирают портал.

Следует отметить, что увеличение шага перетяжки рамы на любой конструкции токоподвода приводит к повышению потерь электроэнергии в токоведущих элементах, но снижает трудозатраты на проведение данной операции. Поэтому выбор шага перетяжки можно определить методом минимизации затрат.

3.4 Анодное устройство с предварительно обожженными анодами

Анодное устройство электролизера ОА состоит из расположенных в два ряда отдельных блоков, общее количество которых определяется силой тока. Эти аноды более электропроводны, чем СОА почти в 10 раз, и при их эксплуатации не выделяются смолистые соединения, поскольку они удаляются в процессе обжига анодов в специальных печах. Размеры анодных блоков, мм: ширина 700, длина 1450, высота 600.

В анодном блоке выполняют цилиндрические гнезда глубиной около 100 мм, в которые вставляют и заливают чугуном стальные токоподводящие ниппели, соединенные сверху стальным кронштейном. Количество ниппелей зависит от длины блока, 2—4 шт. К кронштейну присоединяется алюминиевая штанга, которая и прижимается к анодной шине. Таким образом, токоподводящая штанга одновременно выполняет и роль несущей конструкции.

На ваннах ОА утепляют, полностью засыпая их сверху глиноземом, поэтому перепад напряжения и окисляемость их поверхности меньше, чем на СОА, что является одним из решающих преимуществ электролизеров с ОА.

Получение алюминия электролизом связано не только с большим расходом электроэнергии, но и со значительным расходом угольных анодов - до 575 кг/т алюминия, что составляет 20—25 % себестоимости алюминия.

Отечественными и зарубежными исследователями ведутся работы по созданию нерасходуемых анодов. Инертный анод должен удовлетворять следующим основным требованиям: обладать термической стойкостью и не растворяться в расплаве фторидов при температуре до 1000 °С; иметь хорошую электрическую проводимость, быть коррозионно стойким и не загрязнять алюминий примесями.