Отделение электролиза алюминия

-ванны работают с более равномерным  температурным полем под анодным  массивом и без съема угольной  пены.

Однако, у этого типа электролизера имеются и существенные недостатки:

-требуются отдельные масштабные  производства угольных блоков;

-сложнее регулировать межполюсное расстояние на многоанодных электролизерах;

-остаются анодные огарки, которые  необходимо возвращать в производство  электродов.

Но не смотря на более высокие капитальные вложении, сейчас в мировой практике строят только электролизеры с обожженными анодами, учитывая гораздо лучшие санитарно-гигиенические условия их работы.

 

6.4 Ошиновка электролизеров

 

Токонесущим элементом конструкции электролизеров является ошиновка. Существует несколько схем устройства ошиновки, в зависимости от мощности электролизеров и их расположения в корпусе. Ошиновка должна способствовать равномерному распределению тока по поверхности электродов, сводить к минимуму вредное влияние магнитных полей и быть дешевой. Последние факторы приобретают особое значение в связи со значительным увеличением силы тока на вновь строящихся алюминиевых заводах.

Известно, что вокруг шинопроводов электролизера под действием проходящего через них электрического тока создаются магнитные поля. Взаимодействуя с токами протекающими через жидкий металл, эти поля вызывают искревление поверхности жидкого алюминия на подине ванны и затрудняют поддержание постоянного межполюсного расстояния. Наиболее существенное влияние на процесс электролиза эти силы оказывают при силе тока в серии более 100 кА.

Поэтому ошиновка бывает с односторонним  подводом тока к аноду (для электролизеров небольшой и средней мощности) и с двусторонним подводом тока (для  электролизеров большой мощности).

Односторонний подвод тока применяется  в основном на электролизерах с боковым  токоподводом (рис.5). к аноду ток подводиться с помощью анодных стояков, представляющих собой пакет массивных алюминиевых шин. Далее следует пакет алюминиевых анодных шин, в котором число шин с падением силы тока постепенно уменьшается. К анодным шинам приваривают анодные спуски, нижние концы которых с помощью клиновых соединений прижимают к головкам штырей.

Катодная ошиновка начинается с  алюминиевых спусков, приваренных  к блюсам, а другим концом к катодным шинам.

Для электролизеров большой мощности такая ошиновка не пригодна, так  как под влиянием магнитных полей  происходит смещение жидкого алюминия к одному из торцов ванны, то есть возникает  перекос металла. Подошва анода  в процессе электролиза при больших  силах тока так же принимает соответствующий  наклон, и анодные газы усиленно перемешивают электролит в противоположном  от стояка углу ванны.

При двустороннем подводе тока (рис.5) имеются 4 анодных стояка по четырем  углам электролизера, то есть подвод и отвод тока происходит небольшими частями.

Рисунок 5 – Типы ошиновок электролизеров:

а-односторонний подвод тока; б-двухсторонний подвод тока; 1-анодный стояк; 2-анодная шина; 3-анод; 4-катод; 5-анодный штырь; 6-катодный спуск; 7-места шунтирования электролизера; 8-катодная шина.

 

К стоякам с помощью набора гибких алюминиевых лент прикрепляется  пакет анодных шин. Далее контактные колодки и штыри (для верхнего токоподвода) или штанги обожженных анодов.

От катодных стержней (блюмсов) ток  отводится с помощью алюминиевых  спусков к пакетам катодных шин. Один пакет соединяет группу стержней, расположенных дальше от следующей  ванны с ближним стояком, другой пакет соединяет ближнюю группу стержней с дальним стояком через  обводной пакет. Общая длина ошиновки при этом сильно возрастает.

При двустороннем подводе тока к  аноду металл в ванне испытывает усилия, направленные к середине от торцов анода. Поверхность алюминия при этом принимает почти горизонтальную форму. [2,4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Основы расчет отделения электролиза алюминия

 

При проектировании электролизного цеха производят конструктивный, материальный, электрический и энергетический расчеты основного агрегата —  электролизной ванны, а также  расчет количества установленных электролизеров и производительности серии. Эти  расчеты необходимы для определения  технико-экономических показателей  работы цеха.

 

7.1 Выбор  конструкции электролизера и  его электрических параметров

 

При выборе конструкции электролизера для  вновь строящегося цеха руководствуются  критериями, от которых зависят технико-экономические  показатели работы. Главными критериями являются: принятая производительность цеха, стоимость электроэнергии в  paйoне строительства, удаленность этого района от источников сырья, накопленный практический опыт эксплуатации электролизepoв различной мощности и конструкции. Основные экономические показатели производства алюминия—удельные капитальные вложения и себестоимость получаемого металла зависят при прочих равных условиях от силы тока (плотности тока): чем ниже сила тока (плотность тока), тем больших размеров при прочих равных условиях должен быть электролизер и, следовательно, дороже его изготовление.

Величину  силы тока, отвечающую пределу, выше которого происходит удорожание производимого  алюминия, рассматривают как экономичную  силу тока для данного типа электролизеров. Выполним расчет электролизера на силу тока 65 кА с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом. Анодная плотность тока составляет около 0,7 А/см2; выход по току - 88%; производительность отделения 115000 т/год. Исходя из достигнутого передовыми алюминиевыми заводами расхода электроэнергии (W) 14800 кВт.ч на 1 т алюминия определяем расчетную величину среднего напряжения:

 

U_ср = 0,335Wη_т ·10^-5 = 0,335 · 14800 · 88· 10-5 = 4,36 В,

 

где 0,335—электрохимический эквивалент, г/(А·ч).

 

7.2 Расчет числа электролизеров и производительности серии

 

Число работающих электролизеров в серии определяется средним напряжением электролизера (без составляющей от анодных эффектов) и напряжением выпрямительных агрегатов. При этом учитываются: потери напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции (принимаем 1 %), резерв напряжения для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимаем 30 В) и резерв напряжения для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %).

При этих условиях для подстанции на 850 В определяющее число устанавливаемых в серии электролизеров напряжение составит:

 

850—(8,5+30+8,5) = 803 В.

 

При работе в режиме, когда допускается один анодный эффект в сутки продолжительностью 1,5 мин с напряжением 35 В, составляющая часть от анодных эффектов в среднем напряжении электролизера будет равна:

 

1·1,5·35/(24·60) = 0,036 В (принимаем 0,04 В),

 

где 24—число часов в сутках; 60—число минут  в часе.

 

Число рабочих  электролизеров n_раб в серии составит:

 

n_раб = 803/(4,29 — 0,04) = 189 (округленно).

 

Для максимального  использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии число устанавливаемых в ней электролизеров должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

 

          =

 

Число резервных  электролизеров в серии определяется продолжительностью межремонтной эксплуатации (принимаем 3 года) и числительностью простоя на ремонте (принимаем 18 сут с обжигом). 365—число дней в году.

 

Общее число  устанавливаемых в серии электролизеров n составит:

 

n=n_раб+n₁= 189+3= 192.

 

При наиболее распространенном двухрядном расположении электролизеров серия из 192 электролизеров размещается в двух корпусах электролиза  по 96 электролизеров в каждом.

Годовая производительность серии (Р) рассчитывается по формуле:

 

Р= I · 8760 · 0,335 η_т · n_раб · 10^-6= 65 000 ·8760 ·0,335· 0,865·189 · 10-6 = 31 222 т,

 

 

где I—сила тока серии, А; 8760—число часов в голу; 0,335—электрохимический эквивалент, г/(А.ч); η_т—выход по току, доли ед.; n_раб—число работающих электролизеров в серии.

 

7.3 Конструктивный расчет электролизера

 

При конструктивном расчете определяют основные размеры (габариты) электролизера.

 

7.3.1 Размеры  анода

 

Площадь сечения анода S_a определяется по силе тока I и анодной плотности тока d_a:

 

S_a=I/dа = 65 000/0,7 = 92 857 см² (округленно).

 

Ширину  анода В_а принимаем равной 270 см, тогда длина (А) определяется как:

 

А = S_а/B_а = 92 857/270 = 344 см (округленно).

 

Высота  анода H_а определяется из суммы высот конуса спекания h_к (принимаем 1100 мм) и уровня жидкой анодной массы hж (принимаем 350 мм). Отсюда:

 

Н_а = h_к + h_ж = 1100 + 350 = 1450 мм.

 

7.3.2 Внутренние размеры шахты электролизера

 

Определяем из найденных размеров (длины и ширины) анода и расстояния до стенок бортовой футеровки электролизера.

 

Опытом  эксплуатации электролизеров установлено, что оптимальное расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки  должно составлять 550—650 мм, а и торцовой части 500—600 мм в зависимости от типа и мощности электролизера. Принимаем  это расстояние для продольной стороны а=600 мм, а для торцовой b=550 мм. Тогда внутренние размеры шахты электролизной ванны составят:

 

ширина  В_ш = В_а +2а = 2700 + 2 • 600 = 3900 мм;

 

длина L_ш = А + 2b = 5300 + 2 • 550 = 6400 мм.

 

Глубина шахты ванны (H_ш) при уровне технологического алюминия h_м =320 мм, электролита h_э=180 мм и толщине корки электролита с глиноземом в шахте ванны hг=50 мм составит:

 

Н = h_м+ h_э + h_г == 320 + 180 + 50 = 550 мм.

 

7.3.3 Конструкция  катода

 

Основные  размеры конструктивных элементов  сборноблочного катодного устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и стальных токоподводящих стержней.

Современная промышленность выпускает катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм и длиной от 600 до 2200 мм. При ширине подины ванны 3900 мм выбираем длину катодных блоков, равную 2000 мм и 1600 ми. Тогда расстояние между катодными и боковыми блоками по продольной стороне шахты ванны будет равно:

 

3900 — (2000 + 1600 + 40) : 2 = 130 мм,

 

где 40—ширина  шва между катодными блоками, мм.

 

Расстояние  между катодными и боковыми блоками  в торцах шахты ванны будет  равно:

 

6400 — (10 • 550 + 9 • 40) : 2=270 мм,

 

где 10—число катодных блоков в ряду; 9—число набивных швов между катодными блоками.

 

Таким образом, подина электролизера будет смонтирована из 20 катодных секций с перевязкой центрального шва по 10 секций в ряду. В паз  каждого блока заделываются чугуном  катодные стержни сечением 115х230 мм, длиной 2590 мм для блоков 400Х550Х2000 и  длиной 2190 мм—для блоков 400Х Х550Х1600 мм.

 

7.3.4 Размеры  катодного кожуха

 

Внутренние  размеры кожуха определяются геометрическими  размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200 мм и теплоизоляционного слоя толщиной 60 мм, а для полипы шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400 мм, угольной подушки 30 мм, теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65 мм каждый и шамотной засыпки толщиной 50 мм, внутренние размеры катодного кожуха составят:

 

длина L_кож = L_ш + 2 (200+ 60) = 6400 + 2 (200 + 60) = 6920 мм;

 

ширина  L_кож = В_ш + 2 (200 + 60) = 3900 + 2 (200 + 60) = 4420 мм;

 

высота  H_кож = H_ш + 400 + 30 + 5 ·65 + 50 = 550 + 400 + 30 + 5· 65 + 50 =1355 мм.

 

Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов зависит  от длины кожуха. Расстояние между  контрфорсами принимается равным или  кратным расстоянию между катодными  токоподводящими стержнями. В рассматриваемом  случае число контрфорсов определяем равным 18—по 9 с каждой продольной стороны кожуха.

 

7.4 Материальный расчет электролизера

 

Известно, что в процессе электролиза криолито-глиноземного расплава образуется алюминий; при этом расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных оксида и диоксида углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья  на производство алюминия. Расчет обычно ведут на 1 ч работы электролизера.