Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

 – мольная доля CO₂ в анодных газах.

 

.

 

Массовое количество выделяющихся анодных газов СО и CO₂:

 

,                                          (8.7)

 

,                                         (8.8)

 

        где и – весовые количества СО и CO₂ соответственно, кг/час;

 и  – количество СО и CO₂ соответственно, кмоль/час;

28 и 44 – молекулярный вес СО и CO₂ соответственно, кг/моль.

 

 

.

 

Суммарный расход анодных газов:

 

,                         (8.9)

 

Расход углерода с  анодными газами составляет:

 

,                                      (8.10)

 

        где – расход углерода, кг/час;

 и  – количество СО и CO₂ соответственно, кмоль/час;

12 – молекулярный вес углерода, кг/моль.

 

.

 

Потери углерода с  летучими возгонами каменноугольного пека, утечками жидкой анодной массы, угольной пеной и т.д. определяются как разность между приходом анодной массы и количеством, израсходованного с газами углерода :

 

.

 

Фтористые соли не расходуются  в процессе осуществления электродных  реакций, но из-за испарения, разложения при взаимодействии с примесями и футеровкой, образования CF₄ и C₂F₆ во время анодных эффектов и пылеуноса они все же теряются. Поэтому расход фтористых солей принимают равным их приходу.

Часть магния от добавок  в электролит MgO идет в примесь катодного металла, а часть испаряется в виде MgF₂ и с механическими потерями. Принимаем расход MgO равным приходу. Большая часть листового алюминия сгорает и улетучивается, т.е. расход его равен приходу.

Результаты расчёта материального баланса процесса электролиза заносим в таблицу 8.2.

 

Таблица 8.2 - Материальный баланс процесса электролиза алюминия

Исходный продукт	кг/час	%	Конечный продукт	кг/час	%
Глинозём	52,563	78,58	Алюминий	27,52	41,15
Криолит	0,193	2,88	Анодные газы:
Фтористый алюминий	0,440	0,65	CO CO2	3,475	5,19
Фтористый кальций	0,014	0,02		30,901	46,20
Оксид магния	0,022	0,03	Потери:
Карбонат лития	0,018	0,02	глинозёма криолита фтористого алюминия фтористого кальция оксида магния карбонат лития анодной массы листового алюминия	0,556	0,83
Листовой алюминий	0,033	0,04		0,193	2,88
Анодная масса	13,62	20,36		0,440	0,65
Всего:	66,885	100		0,014	0,02
				0,022	0,03
				0,018	0,02
				3,703	5,53
				0,033	0,04
			Невязка	+0,010	+0,014
			Всего:	66,885	100

 

 

 

 

 

 

9 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА

 

9.1 Баланс напряжения электролизёра

 

Уравнение электрического баланса представляет собой выражение  среднего напряжения:

 

,               (9.1.1)

 

        где – падение напряжения в анодном устройстве, В;

 – падение напряжения в  катодном устройстве, В;

 – падение напряжения в  электролите, В;

 – падение напряжения при  анодных эффектах, В;

 – напряжение разложения глинозёма, В;

 – падение напряжения в  общесерийной ошиновке, В.

 

9.2 Падение напряжения в анодном устройстве

 

,                                 (9.2.1)

 

        где – падение напряжения в анодном устройстве, В;

 – падение напряжения в  анодной ошиновке, В;

 – падение напряжения в контактах анодного узла, В;

 – падение напряжения в  аноде, В.

Падение напряжения в анодной ошиновке, состоящей из стояков и анодных  пакетов одинакового сечения, определяется по формуле:

 

,                                  (9.2.2)

 

        где – сила тока, А;

 – сопротивление анодной  ошиновки, Ом.

Для определения сопротивления анодной ошиновки необходимо найти удельное электросопротивление алюминия при средней температуре работы анодной ошиновки равной :

 

,                                      (9.2.3)

 

        где – электросопротивление алюминия при ( );

 – температурный коэффициент  сопротивления при 20ºС ( ).

 

.

Сопротивление в анодной  ошиновке будет равно:

 

,                                 (9.2.4)

 

        где – сопротивление в анодной ошиновке, Ом;

 – удельное электросопротивление  алюминия, Ом·мм²/м;

 – длина стояков и анодных пакетов, м;

 – площадь сечения стояков и анодных пакетов, мм².

 

Ранее рассчитанная (7.7.1.4) и (7.7.1.5) высота стояков и длина и анодных пакетов составляет 2,45 м и 6,7 м соответственно.

В пункте 7.7 определено, что стояки и анодные пакеты выполнены из алюминиевых шин сечением .

Площадь сечения стояков  и анодных пакетов с учетом двустороннего подвода тока и  компоновки в пакеты по 7 шин в каждом составит:

 

.

 

Тогда сопротивление  в анодной ошиновке составит:

 

.

 

Падение напряжения в  анодной ошиновке составит:

 

.

 

Падение напряжения в различных  контактах принимаем на основании  практических данных:

 

– стояк – анодная шина (сварной контакт)…………………...0,0025 В

– анодная шина – медные спуски (сварной контакт)………...0,0055 В

– медный спуск – штырь ……………………………………….0,007 В

– итого по контактам :…………………………………....0,115 В

 

Для определения падения  напряжения в аноде воспользуемся  уравнением М.А. Коробова:

 

,             (9.2.5)

 

        где – ширина анода ( ), см;

 – площадь подошвы анода ( ); см²;

 – количество штырей, шт;

 – среднее расстояние от  подошвы анода до всех токоведущих  штырей, см;

 – анодная плотность тока ( ); А/см²;

 – удельное электросопротивление анода, принимаемое при расчёте 0,009Ом·см;

 – длина забитой части  штыря, 74см.

 

Среднее расстояние от подошвы  анода до всех токоведущих штырей находят в зависимости от величины минимального расстояния от подошвы анода и высоты подъёма спусков при переключении штырей:

 

,                                   (9.2.6)

 

         где  – минимальное расстояние до подошвы анода, см;

– высота подъёма спусков при переключении штырей, см;

Для электролизёров с боковым токоподводом при угле забивки штырей 10º принимаем , а .

 

.

 

Тогда падение напряжения в аноде:

 

.

 

Суммируя все составляющие, находи падение напряжения в анодном  устройстве:

 

.

 

Падение  напряжения  в контакте штырей с анодом  определяем,  исходя из следующих данных:

1. Общее  сечение  штырей: S_шт = π ∙ 45² × 60 = 381510  мм².
2. Длина выступающей части штыря: l_шт = 0,25 м.
3. Удельное электросопротивление контакта штырь-анод

r = 0,22 Ом·мм²/м.

При  этих  условиях сопротивление выступающей части  штыря составит:

 

,         (6.8)

 

        где r_шт – сопротивление выступающей части штыря, Ом;

l_шт – длина выступающей части штыря, м;

S_шт – площадь сечения анодных штырей, мм².

 

Ом.

 

Падение напряжения  на  выступающих из анода  участках  штырей будет равно:

 

,                 (6.9)

 

        где DU_ст – падение напряжения на выступающих из анода участках  штырей, В;

I – сила тока на электролизере, А.

 

В.

 

Суммируя все составляющие, находим  падение напряжения в анодном  устройстве:

ΔU_а.у. = 0,1062+0,015+0,4419+0,0126 = 0,5528В.

 

 

9.3 Падение напряжения в электролите

 

Падение напряжения в  электролите рассчитывается по формуле, предложенной Г.В. Форсбломом и В.П. Машовцом:

 

,                                       (9.3.1)

 

        где – удельное сопротивление электролита ( Ом·см при криолитовом отношении 2,7);

       – межполюсное расстояние, см;

      – площадь анода, см²;

      – периметр анода, см.

 

.

 

 

 

9.4 Падение напряжения в катодном устройстве

 

Падение напряжения в  катодном устройстве складывается из падения напряжения в подине,  в частях катодных стержней, не заделанных в подину, в соединительных алюминиевых пакетах, в катодной ошиновке и в контактах: катодные стержни – соединительные пакеты и соединительные пакеты – катодная ошиновка.

Для определения падения  напряжения в подине, смонтированной из прошивных угольных блоков шириной 555 мм, пользуются уравнением М.А. Коробова, А.М. Цыплакова и Б.И. Тимченко:

   

  ,              (9.4.1)

 

        где – падение напряжения в подине, В;

 – приведенная длина пути  тока по блоку, см;

 – удельное сопротивление  блока, Ом·см;

 – половина ширины шахты  ванны ( ), см;

 – ширина настыли, см;

 – ширина катодного блока  с учетом набитого шва ( ), см;

 – площадь сечения катодного  стержня с учетом чугунной заливки

                 ( ), см²;

 – анодная плотность тока ( ), А/см².

Приведенная длина пути тока по блоку  рассчитывается по формуле:

 

,                                   (9.4.2)

 

        где – высота катодного блока ( ), см;

, – высота и ширина катодного стержня с учетом заливки ( , ).

.

 

Удельное сопротивление  прошивных блоков, рассчитанное на основании измерения соответствующих параметров по данным ВАМИ, принимаем равным .Ширина бортовой настыли в шахте ванны (а) при условии оптимальной его формы, при которой настыль ограничивается проекцией анода на подину шахты, составляет 50 см.

Тогда падение напряжения в подине:

 

.

 

Падение напряжения на участках катодных стержней, не заделанных, в подину определяем, исходя из следующих данных:

1. Общее сечение катодных стержней .
2. Длина выступающей части катодного стержня .
3. Средняя температура нагрева катодного стержня 250ºС.
4. Удельное электросопротивление стали, при этой температуре составит: .

При этих условиях сопротивление  не заделанных катодных стержней составит:

 

  ,                                                    (9.4.3)

 

        где – сопротивление не заделанных стальных катодных стержней, Ом;

 – удельное электросопротивление стали при температуре 250ºС, Ом·мм²/м;

 – длина выступающей части  катодного стержня, м;

 – площадь сечения катодных  стержней, мм².

 

.

 

Падение напряжения на выступающих  из подины участках катодных стержней будет равно:

 

,                             (9.4.4)

 

где – падение напряжения на выступающих из подины участках катодных стержней, В;

 – сила тока на электролизёре, А;

 – сопротивление не заделанных стальных катодных стержней, Ом.

 

.

 

Аналогично рассчитываем падение  напряжения в алюминиевых соединительных лентах. Из конструктивного расчёта длина алюминиевых соединительных лент .

Общее сечение лент на 20 катодных стержнях: