Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

В настоящее  время анодная плотность тока, в зависимости от конструкции электролизеров и технологического режима изменяется в пределах от 0,7 до 1,2 А/см².

Понижение плотности тока с ростом силы тока вызвано уменьшением удельного сопротивления теплопотерь, отнесенных к площади анода.

Опыт интенсификации электролиза отечественной алюминиевой промышленности показывает, что плотность тока может быть повышена за счет снижения межполюсного расстояния в таких пределах, когда выход по току еще слабо зависит от плотности тока и заметное его уменьшение не наблюдается.

По рисунку 2.1.1 задаёмся анодной плотностью тока А/см².

 

2.3 Выбор ширины анода

 

Из практики работы алюминиевых электролизёров средней мощности известно, что наиболее приемлемыми являются аноды прямоугольного сечения. С увеличением мощности электролизёров, габаритные размеры увеличиваются, а, следовательно, увеличивается длина шинопровода и электролизных корпусов, т. е. стоимость сооружения серии и потери электроэнергии в шинопроводах возрастает. Чтобы снизить этот расход, выгодно увеличить ширину анода, что сильно уменьшит размеры сооружения серии, а, следовательно, и капитальные затраты.

Принимаю ширину анода 230 см.

 

2.4 Выбор межполюсного расстояния

 

Межполюсное расстояние является одним из важнейших параметров, определяющих энергетические и технико-экономические показатели процесса электролиза. С ростом мощности электролизёров межполюсное расстояние необходимо повышать, так как повышается вероятность короткого замыкания анода с металлом, из-за увеличения его перекоса. Кроме того, низкое межполюсное расстояние приводит к уменьшению массы электролита в межполюсном зазоре, в то время как турбулентность электролита увеличивается, что влечет за собой повышение греющего напряжения, что вызвано перегревом электролита, а так же возрастанием рабочего напряжения. Таким образом, с экономической точки зрения целесообразно стремится к работе при оптимальных межполюсных расстояниях. В настоящее время отечественные заводы поддерживают межполюсное расстояние в пределах 5-6 см. Учитывая практические данные, принимаю l = 5,2 см.

 

2.5 Выбор состава электролита

 

Из опыта работы отечественных заводов наибольший выход по току наблюдается при криолитовом отношении электролита 2,6-2,8. Избыток фтористого алюминия уменьшает первичность восстановления ионов Na , отрицательно влияющего на качество алюминия первичного и срок службы подины.

Принимаю криолитовое отношение 2,5 -2,7. Добавка в электролит CaF до 2-4 %, способствует созданию устойчивых гарнисажей и настылей и повышает выход по току. Добавка MgF понижает температуру плавления и составляет 2-4 %.

 

2.6 Температура электролита

 

Решающее влияние на выход по току и скорости растворения  глинозёма в электролите оказывает температура процесса электролиза, она составляет 950 – 960°С. Растворимость глинозёма в расплавленном криолите при Т = 950 °С довольна высока (15%). Растворение глинозёма сопровождается его ионизацией протекающей с отщеплением иона алюминия Al . С повышением температуры электролита на 10°С выход по току снижается на 2 – 3%. Электролизёры не могут работать экономично при повышенной  температуре, поэтому её снижают, вводя в электролит для улучшения его технологических свойств добавки различных фтористых солей AlF (3 - 6%), CaF (2 – 4%), иногда MgF до (5%), NaCl (2 – 4%) и LiF до (5%). Снижение температуры электролита ниже 940 °С ведет к значительному повышению вязкости электролита, снижению растворимости в нем глинозема, образованию осадка. Все это может привести к расстройству технологии.

Исходя из этого, температуру процесса электролиза принимаю в пределах равной 950 - 960°С.

 

2.7 Выход по току

 

Выход по току имеет большое значение как экономический  фактор, характеризующий процесс электролиза. Он зависит от плотности тока, температуры, состава электролита, межполюсного расстояния.

Снижение  выхода по току объясняется растворением части металла, выделившегося на катоде, в электролите: реакцией между этими компонентами, металлом и анодными газами, а так же потерями тока: его утечки с анода на катод путём коротких замыканий через сгустки угольной пены или выступы (конусы) на подошве анода и при недостаточной электроизоляции.

Выход по току 91,0 % обусловлен шириной анода 230 см., так как с  одной стороны  при такой ширине анода улучшается отвод анодных газов, более широкие электролизёры имеют меньшую теплоотдающую поверхность по сравнению с вытянутыми в длину, что при прочих равных условиях связано с необходимостью некоторого снижения плотности тока, снижается перегрев электролита и накопление угольной пены под центральной частью поверхности анода, снижается вероятность протекания побочных реакций и технологических нарушений в работе электролизёра. С другой стороны, с учётом повышения производительности электролизёра, снижения удельного расхода электроэнергии, капитальных затрат на сооружение электролизёра, трудоёмкости обслуживания и т.п.

Принимаю выход по току = 91,0 %.

3 ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА  ЭЛЕКТРОЛИЗА

 

В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолит-глинозёмных расплавов, основными компонентами которых являются криолит Na₃AlF₆, фтористый алюминий A1F₃, глинозём А1₂О₃.

В промышленном электролите  всегда присутствует фтористый кальций CaF , поступающий в электролит с исходным сырьем и специально вводимый для уменьшения температуры плавления. Естественное содержание CaF в электролите 2-3%. Для снижения температуры плавления, увеличения электропроводности и применения некоторых других физико-химических свойств электролита в качестве добавок применяют также MgF , LiF, MgCl , NaCl.

Процесс электролиза алюминия протекает  при температуре электролита 950-960°С.

В действующих электролизерах угольная подушка покрыта слоем алюминия, который служит катодом. Над расплавленным алюминием находится слой расплавленного электролита, в который погружен угольный анод. Ток подводится к аноду, проходит через электролит, где происходит разложение глинозема на электродных поверхностях на алюминий и кислород, а затем отводится через катодное устройство.

Основным процессом, протекающим на катоде является восстановление ионов трехвалентного алюминия:

                                                           Al³⁺ +3e = Al°                                                     (3.1)

 

Наряду с основным процессом возможен неполный разряд ионов и разряд одновалентных  ионов алюминия с выделением металла:

                                                                       Al³⁺ + 2e = Al⁺                                                     (3.2)                                                                       

                                                             Al⁺ + e = Al°                                                      (3.3)

 

В криолит-глинозёмном расплаве алюминий более электроположителен, чем натрий. Однако при относительно большой концентрации ионов натрия и высокой температуре электролита на катоде может происходить разряд ионов натрия:

                                                             Na⁺ + e = Na°                                                     (3.4)

 

Процессы неполного  разряда алюминия и разряда ионов  натрия снижают выход по току, так как ток на этих процессах расходуется бесполезно.

На аноде основным процессом является разряд кислородосодержащих ионов с образованием CО и CO . Первичным анодным газом при электролизе криолит-глиноземных расплавов с угольным анодом является CO . Но анализ анодных газов показывает, что они содержат до 40% CO. Это обусловлено протеканием вторичных реакций [3]:

                                                

2 Al + 3 CO = Al O + 3CO;                                          (3.5)

                                      

  3 Al⁺ + 3 CO = Al O + 3CO + Al³⁺;                                 (3.6)

                                           

   Al O + 3C = 2 Al + 3CO                                            (3.7)

                                                   

    C + CO   = 2CO                                                     (3.8)

 

Основные потери тока, а, следовательно, и снижение производительности электролизера, происходят за счет протекания первых двух реакций. Это главная  причина снижения выхода по току.

 Выход по току – коэффициент полезного использования тока, определяется как отношение количества алюминия, выделявшегося в процессе электролиза, к количеству алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея.

Современные представления  о механизме явлений в анодном  процессе, при применении угольного анода исходят из того, что процесс горения состоит из стадий химической адсорбции кислорода на угле, образовании промежуточных углерод-кислородных соединений типа CxOy, распад последних на CO и CO и десорбции этих газов с поверхности анода. Все углеродистые материалы кристаллизуются в форме гексагональных решеток, в узлах которых расположены атомы углерода. Активность различных точек на поверхности анода далеко не одинакова. Места с наибольшей правильностью решетки наиболее химически активны, и в этих местах происходит хемосорбция кислорода, на наименее активных участках наблюдается физическая адсорбция. Хемосорбированный кислород раздвигает слой графитовой решетки. Поэтому нельзя говорить о каком либо определенном составе углерод-кислородных соединений. В общем виде их можно обозначить как CxOy, имея в виду, что отношения индексов x и y является функция времени, температуры, плотности тока и других факторов. Поэтому суммарную реакцию на электродах можно представить как:

                       

  Al O + xC = 2Al + (2x-3)CO + (3-x)CO2                         (3.9)

 

При повышении плотности  тока или  при снижении концентрации кислородосодержащих ионов анод может запассивироваться до потенциала, достаточного для разряда фторосодержащих ионов. И наряду с основным процессом на аноде начинается их разряд:

                                                 

   4F^- + C = CF + 4e^-                                             (3.10)

       или

                                         

  4AlF + 3C = 4AlF + 3 CF + 12е                              (3.11)

 

Эти процессы наблюдаются  во время возникновения анодного эффекта, который обусловлен обеднением электролита глиноземом. Анодный  эффект характеризуется практически  мгновенным ростом напряжения от 4,4 - 4,6 В, при нормальном состоянии процесса до 35-60 В. При этом образующиеся на поверхности анода углефториды резко увеличивают омическое сопротивление на границе анод – электролит.

Анодный эффект приводит к увеличению температуры электролита, уменьшению выхода по току и увеличению расхода фторсолей. Но, несмотря на отрицательные стороны анодного эффекта, его возникновение допускается, так как периодичность и напряжение анодного эффекта является средством контроля за технологическим процессом.

Заданная температура  процесса поддерживается за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через анод, электролит и катод. Падение напряжения поддерживается в пределах 4,4-4,6 В индивидуально на каждом электролизере, при помощи изменения межполюсного расстояния автоматически АСУ ТП и АСУ «Ток серии». Протекающие токи в электролитах конструкции электролизеров и в ошиновке, образуют сильное магнитное поле, зависящее от взаимного расположения токоведущих элементов. Магнитное поле воздействует на слой жидкого алюминия, вызывая искажение его поверхности. Это приводит к неравномерности межполюсного расстояния и, следовательно, к снижению выхода по току.

Поэтому токоведущие  элементы волны располагают таким  образом, чтобы уменьшить вредное  влияние магнитных полей на процесс  электролиза. Важным показателем стабильного технологического состояния электролизера является наличие устойчивых гарниссажей в зоне электролита и крутопадающих настылей в зоне металла. Они предназначены для защиты боковой футеровки волны от агрессивного расплава, а так же утечки тока в борта электролизера.

Анодные газы, собираемые укрытием, поступают по газоходам  вытяжной вентиляции в систему газоочистки  и регенерации криолита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ. ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЙ ЦЕХ

 

 

4.1 Серия электролиза

 

Серией называют группу последовательно соединенных электролизеров, подключенных к общему источнику постоянного тока. Таким источником тока для серии служит  преобразовательная    подстанция,  на   которой переменный ток превращается в постоянный с помощью полупроводниковых  выпрямителей.  Их  действие  основано на свойстве кристаллов кремния (или германия) пропускать ток только в одном направлении. В отличие от преобразователей старых систем   (ртутных преобразователей)   полупроводниковые  агрегаты  более  экономичны (потери электроэнергии около 2% вместо 8%) и просты в обслуживании. Один полупроводниковый  агрегат рассчитан на 25 кА постоянного тока. Требуемая для серии сила тока обеспечивается параллельным соединением  нескольких      агрегатов, так как при этом токи отдельных агрегатов суммируются.