Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

 

 

 

7 КОНСТРУКТИВНЫЙ  РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА

 

В задачу конструктивного  расчёта электролизёра входит определение  его основных геометрических размеров (габаритов).

По практическим данным примем следующие основные параметры электролизёра (которые могут варьироваться исходя из начальной силы тока), таблица 7.1.

 

Таблица 7.1 – Основные параметры  электролизёра

Исходные данные	Обозначение	Количество	Единица измерения
1. Сила тока		90	кА
2. Ширина анода		230	см
3. Выход по току		91,0	%
4.Анодная плотность  тока		0,84	А/см2
5.Температура процесса  электролиза		950 - 960	°С
6. М.П.Р		5,2	см

 

7.1 Определение размеров анода

 

Определим площадь подошвы  анода:

 

,                                               (7.1.1)

 

        где  – площадь подошвы анода, см²;

        – сила тока, А;

        – анодная плотность тока, А/см².

 

.

 

Определим длину анода:

  

  ,                                           (7.1.2)

       где  – длина анода, см;

       – ширина анода, см;

 

.

 

Принимаю длину анода: = 540 см.

Данное решение связано  с тем, что ток к аноду подводится через закоксованные в тело анода стальные штыри. При боковом токоподводе анодные штыри вводятся в анод со всех четырёх сторон. По высоте анода штыри размещены в пять рядов с расстоянием между ними 200 мм; в «шахматном» порядке по горизонтали с шагом в 370 – 400 мм, т. е. так, что штыри чётных и нечётных рядов смещены один относительно другого на половину шага.

Для уменьшения пути тока по аноду верхний ряд штырей забивают под углом (12-15)° к горизонту  в тестообразную анодную массу  под нижней кромкой анодного кожуха. По мере сгорания анода штыри опускаются в горячую зону электролизёра, где запекаются в коксовую часть анода. Штыри двух нижних рядов лучше верхних рядов спечены с анодом и контактируют с той частью анода, которая характеризуется наибольшей проводимостью, они являются токоведущими – к ним присоединены анодные спуски. Принимаем по 26 штырей на продольных  и по 8 штырей на торцевых сторонах электролизёра, итого 68 штырей в двух токоведущих рядах.

Определим высоту столба анода:

 

,                              (7.1.3)

 

         где  – высота столба анода, см;

.

.

.

 

.

 

7.2 Определение внутренних размеров шахты

 

Расстояние от анода  до  боковой  футеровки  принимаем  на основе практических данных:

– по продольной стороне 50 см;

– по торцам 50 см.

Определим длину шахты  ванны:

 

                                  (7.2.1)

 

         где  – длина шахты ванны, см;

        – длина анода, см.

 

.

 

Определим ширину шахты ванны:

 

                                             (7.2.2)

 

        где  – ширина шахты ванны, мм;

        – ширина анода, мм.

 

.

 

Определим глубину шахты ванны:

 

  ,                                      (7.2.3)

 

        где  – глубина шахты ванны;

        – уровень электролита, см;

        – уровень алюминия после выливки, см;

        – уровень алюминия, наработанного за сутки, см;

        – толщина корки электролита с глинозёмом, см.

По практическим данным принимаем: , , .

 

Рассчитаем наработку  металла за сутки.

Объем металла, наработанного  за сутки при температуре 950 ºС:

 

  ,                                        (7.2.4)

 

        где  – объем металла, наработанного за сутки, см³;

       – суточная производительность электролизёра, г;

       – плотность алюминия при температуре 950ºС, г/см³.

По справочным данным принимаем: .

Суточная производительность электролизёра:

 

  ,                                     (7.2.5)

 

       где  – электрохимический эквивалент алюминия (  ), г/(А·ч);

       – сила тока, А;

       – продолжительность процесса электролиза, ч;

       – выход по току

 

.

 

Тогда, подставив полученные значения в формулу 3.7, получим:

.

 

Площадь подины:

 

  ,                                                     (7.2.6)

 

        где  – площадь подины, см²;

        – длина шахты ванны, см;

        – ширина шахты, см;

 

.

 

Высота наработанного металла:

 

  ,                                         (7.2.7)

 

        где  – уровень алюминия, наработанного за сутки, см;

       – объем алюминия, наработанного за сутки, см³;

       – площадь подины, см².

 

.

 

Тогда глубина шахты:

 

.

 

Принимаю .

 

7.3 Конструкция катода

 

Конструкцию катода принимаем  сборно-блочную. Основные размеры катодного  устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью угольных блоков.

Отечественной промышленностью  выпускаются катодные блоки нормальные  сечением 40 × 40 см и длиною 60, 80, 120 и 160 см и укрупненные сечением 55,5  × 40 см и длиной 60, 120, 130, 140, 160, 180, 200 и 220 см.

Подовые секции укладываются в подину обычно с перевязкой центрального шва рисунок 7.3.1. Швом в подине называют зазор между блоками, заполненный плотно утрамбованной угольной подовой массой. Ширина шва составляет ~ 4 см. Периферийные швы (швы между блоками подины и стенками шахты ванны) более широкие – от 5 до 15 - 30 см.

 

При ширине подины 330 см принимаем укрупнённые катодные блоки с размерами  55,5  × 40 × 180 см  и  55,5  × 40 × 130 см.

Ширину межблочных швов в подине принимаем равной 4 см.

Тогда продольные периферийные швы составляют:

 

  ,            (7.3.1)

 

       где  – толщина продольного периферийного шва, см;

       – ширина шахты, см;

       4 – ширина межблочного шва, см;

      , – длина выбранных стандартных катодных блоков, см.

 

.

 

Блоки укладываются в  два ряда по ширине шахты с перевязкой центрального шва.

Величина поперечных периферийных швов составит:

                               

,                                 (7.3.2)

 

        где  – толщина поперечного периферийного шва;

        – длина шахты, см;

         – количество катодных секций, шт;

        – количество межблочных швов, шт;

        4 – ширина межблочных швов, см;

        2 – количество поперечных периферийных швов, шт.

 

.

 

Общее число катодных блоков 20 штук. Швы заполняются плотно утрамбованной подовой массой.

Как показывает практика многих предприятий, блочная подина, собранная в достаточно прочном  кожухе, из блоков хорошего качества, с  правильно набитыми швами может эксплуатироваться не менее пяти лет.

 

 

 

7.4 Определение размеров кожуха электролизёра

 

Внутренние размеры  кожуха определяются геометрическими  размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляции.

Выбираю тип кожуха электролизёра – рамного типа без днища.

Принимаем следующие  размеры элементов футеровки:

– для боковой футеровки  – один ряд угольных плит толщиной 20 см;

– для тепло - и электроизоляции боковых плит применяем  шамотную засыпку толщиной 5 см;

– для подины ванны  помимо катодных блоков высотой 40 см, выкладываем теплоизоляционный слой, состоящий из шамотной засыпки, толщиной 5 см и пять рядов шамотного кирпича высотой 6,5 см каждый.

Определим внутренние размеры  кожуха.

Длина кожуха:

 

   ,                                           (7.4.1)

 

        где  – длина кожуха, см;

         – длина шахты, см;

         – толщина угольной плиты, см;

         – толщина шамотной засыпки, см.

 

.

 

Ширина кожуха:

 

,                                               (7.4.2)

 

       где  – ширина кожуха, см;

       – ширина шахты, см;

       – толщина угольной плиты, см;

       – толщина шамотной засыпки, см.

 

.

 

Определим наружные размеры кожуха.

Кожух выполняется из листовой стали толщиной 1 см, который  укрепляем снаружи рамой из двутавровых балок № 36ª. Стенка и рёбра – лист  = 1 см, швеллер № 36ª.

 

,                                     (7.4.3)

 

        где  – длина кожуха «внешний размер», см;

        – длина кожуха «внутренний размер», см;

        36 – поперечные размеры двутавровой балки, см;

         1 – толщина листовой стали, см.

 

.

 

,                                     (7.4.4)

 

       где  – ширина кожуха «внешние размеры», см;

       – ширина кожуха «внутренние размеры», см;

       36 – поперечные размеры двутавровой балки, см;

        1 – толщина листовой стали, см.

 

.

 

Кожух ванны устанавливается на цоколь из четырех рядов кирпича  и изоляционный слой из ацеита.

Высота кожуха:

 

,                              (7.4.5)

 

        где  – высота кожуха электролизёра, см;

         – высота катодного блока, см;

         – высота шамотной засыпки, см;

         – количество рядов кирпича и его высота, см.

 

 

Данные конструктивного расчёта сведём в таблицу 7.4.1.

 

Таблица 7.4.1 - Конструктивные размеры электролизера

Наименование	Размер, мм
Анод:
Длина Ширина	5400 2300
Шахта ванны:
Длина Ширина Высота	6400 3300 500
Продолжение табл. 7.4.1
1	2
Внутренние размеры  кожуха:
Длина Ширина Высота	6900 3800 1325
Наружные размеры кожуха:
Длина Ширина	7640 4540