Отделение электролиза алюминия

Производительность  электролизера (Р) в час при силе тока I=65 000 А и принятом выходе по току η_т=88 % составляет:

 

P=0,335 • I • η_т = 0,335 • 65 000 • 888 • 10^-5 = 19 кг/ч.

 

Расход  сырья зависит от типа электролизера, условий вентиляции, применяемых  средств механизации и автоматизации  процесса и ряда других факторов.

Обычно  расход сырья определяют на основании  накопленного в промышленности опыта  эксплуатации электролизеров и уточняют при обязательных испытаниях группы электролизеров новой конструкции  перед внедрением их в промышленном масштабе.

На основании  передового опыта эксплуатации алюминиевых  электролизеров и конструктивных особенностей принятого для расчета электролизера  принимаем следующие расходы  сырья на 1 кг получаемого алюминия, кг: глинозема 1,9; фтористого алюминия 0,025; криолита 0,02; анодной массы 0,5. При этом расход сырья для получения 19 кг/ч алюминия составит:

 

глинозема 19 • 1,9 = 36,1 кг/ч;

 

суммы фтористого алюминия и криолита 19(0,025 + 0,02) = 0,855 кг/ч;

 

анодной массы 19 • 0,5 = 9,5 кг/ч.

 

Теоретически  расход глинозема должен составлять 1,89 кг на 1 кг алюминия. Полученные в  рассчитываемом варианте потери глинозема (1,9—1,89) • 19 = 0,19 кг/ч объясняются наличием и его составе примесей и механическими потерями.

Расход  анодной массы обусловлен в основном реакциями, протекающими у анода. Для  расчета количества углерода, который  окисляется кислородом, выделяющимся в результате электролитического разложения глинозема, принимаем, по данным практики, состав анодных газов, % (объемн.): СО₂ 60 и СО 40.

 

При получении 19 кг алюминия выделится кислорода:

 

19 • 48 : 54 = 16,8 кг,

 

где 48 и 54 соответственно количество кислорода  и алюминия в глиноземе.

 

Из этого  кислорода перейдет:

 

в состав СО₂ 16,8 • 2,60 : (2 • 60 + 40) = 12,6 кг;

 

в состав СО 16,8 • 40 : (2 • 60 +4 0) = 4,2 кг,

 

где 60 и 40—содержание СО₂ и СО соответственно, %.

 

Отсюда  можно рассчитать количество углерода, связанного в СО₂ (углекислый газ):

 

12,6 • 12 : 16 • 2 = 4,7 кг,

 

в оксид  углерода СО (угарный газ):

 

4,2 • 12 : 16 = 3,15 кг.

 

Таким образом, при получении 19 кг алюминия в час выделяется:

 

Рсо₂ = 12,6 + 4,7 = 17,3 кг/ч;

 

Рсо = 4,2 + 3,15 = 7,35 кг/ч.

 

По данным материального расчета можно  составить материальный баланс электролиза (табл. 1).

 

Таблица 1- Материальный баланс электролизера на силу тока 65 кА

 

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозем Фтористые соли Анодная масса	36,1 0,855 9,5	77,71 1,84 20,45	Алюминий Анодные газы	19,0 24,65	40,9 53,1
			Потери
			Глинозем Фтористые соли Анодная масса	0,19 0,855 1,75	0,4 1,84 3,77
Итого	46,45	100,0	Итого	46,45	100,0

 

7.5 Электрический расчет электролизера

 

Электрический расчет состоит в определении сечения и длины токоподводящих проводников электролизера и составляющих среднего напряжения.

 

7.5.1 Расчет токоподводящих проводников

 

Для упрощения  дальнейших расчетов принимаем одностороннюю  схему ошиновки, состоящую из алюминиевых  шин, собранных в пакеты одинакового  сечения по всей длине. Плотность  тока в стояках, анодных и катодных пакетах принимаем равной 0,3 А/мм2.

 

При этих условиях сечение ошиновки для рассматриваемого электролизера будет равно:

 

S_ш = I/d_ш = 65 000/0,3 = 216 600 мм².

 

Для обеспечения  заданной плотности тока при условии применения шин сечением 430 • 65 мм число их составит:

 

216 600 : 430 • 65= 7,75 шт.

 

Принимаем 12 шин, которые собирают в пакеты по 6 шин, располагаемые с двух сторон электролизера.

Ток к  аноду подводится четырьмя рядами вертикально  расположенных сталеалюминиевых штырей. Из конструктивных размеров анода принимаем длину стальной части штыря 1400 мм и алюминиевой 1000 мм. Число штырей и площадь их сечения определяем из условия оптимальной средней токовой нагрузки на штырь около 2000 А и плотности тока для стали d_ст=0,2 A/мм².

 

Число штырей: K = 65 000 : 2000 = 32 шт.

 

Площадь сечения стальной части штыря будет равна:

 

S_шт = I : K • d_ст = 65 000 : 32 • 0,2 = 10 156 мм².

 

При этом средний диаметр стальной части  штыря составит 115 мм. Принимаем штырь  с максимальным диаметром рабочей  части 130 мм, минимальным диаметром  рабочей части 100 мм, высотой конусной части 900 мм.

Конструктивным  расчетом число катодных стержней определено равным 20 при поперечном сечении Sк.с=115·230 мм. Плотность тока в них составит:

 

d_к.с = I : 20 • S_к.с = 65 000 : 20 · 115 · 230 = 0,12 А/мм².

 

Стальные  катодные стержни соединяются с  алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных  к катодным стержням ,и шинам. Среднюю длину соединительных пакетов принимаем из конструктивных соображений равной 800 мм. Сечение пакета из алюминиевых лент при допустимой плотности тока в них 0,7 А/мм2 составит:

 

S_п= 65 000 : 0,7 • 20 = 4643 мм².

 

Принимаем стандартные алюминиевые ленты  сечением 1,5 • 200мм. Тогда число лент в пакете составит:

 

n_л = 4643 : 1,5 • 200 = 15,5; принимаем 16 ленты в пакете.

 

Исходя  из размеров анодного и катодного  устройств, общую длину катодных пакетов принимаем равной 8100 мм, анодной ошиновки 7600 мм, стояков 3000 мм.

 

7.5.2 Составляющие среднего напряжения

 

Составление баланса напряжения электролизера  заключается в определении составляющих падения напряжения (Uср), В:

 

Ucp = ∆ Uа.у + ∆Uэ + ∆Uк.у + ∆Uа. э + Е + ∆Uо. о,

 

где ∆Uа.у—падение напряжения в анодном устройстве, В; ∆Uэ—то же, в элек тролите, В; ∆Uк.у—то же, в катодном устройстве, В; ∆Uа.э—доля падения напряжения от анодных эффектов, В; Е—обратная э.д.с., В; ∆Uо.о—падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

 

Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде.

Падение напряжения в анодной ошиновке (∆Uа.о), состоящей из стояков длиной L_ст=3,0 м и анодных пакетов длиной L_п=7,6 м одинакового сечения S=12·430·65=335400 мм², но которым протекает ток силой I=65 000 А, определяется как:

 

 ∆Uа.о = I • rа. о

 

Для определения  электросопротивления анодной ошиновки r_а.о необходимо найти удельное электросопротивление алюминия (p_t) при средней температуре работы анодной ошиновки, рапной t1=50°C. Принимаем удельное электросопротивление алюминия при t=20 °С, р_о=0,020 Ом•мм²/м, α =0,004. Тогда:

 

p_t = p_о [1 + α (t₁ — t)] = 0,029 [I + 0,004 (50 — 20)] = 0,035 Ом•мм²/м.

 

Отсюда  электросопротивление в анодной ошиновке будет равно:

 

r_а.о = p_t • l : S = 0,035·(3,0+7,6) : 335400 = 1,11·10^-6 Ом,

 

где l = Lст + Lп, а падение напряжения в ней составит

 

∆Uа.о = I • r_а.о = 65 000·1,11·10^-6 = 0,11 В.

 

Падение напряжения в различных контактах  принимается на основании практических данных. В сварных контактах анодные  шины—стояк, стояк—гибкий пакет шин, гибкий пакет шин—катодные шины перепад  напряжения соответственно составляет 0,004 + 0,003 + 0,003 = 0,01 В. В прижимном контакте анодная шина—алюминиевая штанга штыря н в сварном алюминиевая штанга—стальная часть штыря перепад напряжения составляет 0,015 + 0,015 = 0,03 В. Таким образом, падение напряжения в контактах анодного узла:

 

 ∆Uа.к = 0,010+0,030 = 0,040 В.

 

Определение падения напряжения в аноде—наиболее сложная задача при составлении  баланса напряжения электролизера, так как падение напряжения в  аноде зависит от многих переменных факторов. В. П. Никифоровым, А. М. Цыплаковым и В. П. Лебедевым рекомендован достаточно точный метод расчета падения напряжения в аноде электролизеров с верхним токоподводом, не зависящий от конструкции токоподводящего штыря.

При ориентировочных  расчетах для определения паления  напряжения в аноде с верхним  токоподводом можно пользоваться уравнением, предложенным А. М. Коробовым:

 

Uа =(26 000- [16000- 10,9(Sa:K)805lср –lсрSa:(6,85K)] D} pa.

 

Подставляя  в это уравнение принятые ранее  значения составляющих, определяем падение  напряжения в аноде (площадь сечения  анода Sа = 270 · 344 = 92 880 см²; число токоподводяших штырей К=32; среднее расстояние от “подошвы” анода до токоподводящих штырей l_ср=45 см): l_ср=l_min+1/2H, где H=40 см—шаг перестановки штырей: l_min=25 см—минимальное расстояние от штырей до “подошвы” анода.

Плотность тока в аноде:

 

D = I : Sа = 65 000 : 92 880 = 0,699 А/см².

 

Удельное  сопротивление анода принимаем  равным pa=9·10^-з Ом•см. Тогда:

 

Uа = [26000— (16000— 10,9 · 92 880 : 32—805 · 4545 · 92 880 : 6,85 · 32) X 0,699] 9 ·10^-3 = 757 мВ, или 0,757 В.

 

Суммируя  составляющие, находим падение напряжения в анодном устройстве:

 

∆Uа.у = ∆Uа.о + ∆Uа.к + ∆Uа = 0,11 + 0,04 + 0,757 = 0,907 В.

 

Падение напряжения в электролите с криолитовым отношением 2,7, в составе которого 5 % (по массе) Al₂O₃ и 4—6 % (по массе) CaF₂, определяем

по уравнению, предложенному Г. Ф. Форсбломом и В. П. Машовцом:

 

          ,

 

где I—сила  тока А, р—удельное электросопротивление электролита, l—междуполюсное расстояние, Sа — площадь сечения анода, 2(А+В)—

периметр  анода.

 

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

Для определения  падения напряжения в подине (Uп, мВ), смонтированной из прошивных угодных блоков шириной 550 мм, пользуются равнением М.А. Коробова, А.М. Цыплакова и Б. И. Тимченко:

 

Un = [lпp_бл •,10³ + (3,83 • 10^-2 B_ш + 2,87а³∛а)b_бл/S_ст] Dа.

 

В этом случае приведенную длину пути тока по катодному  блоку lпр вычисляют по уравнению:

 

 lпр = 2,5 + 0,92H—1,1H + 132 : b,

 

где H— высота катодного блока (40 см); h и b—соответственно высота и ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки.

 

Тогда lпр = 2,5 + 0,92 · 40—1,1 · 13 + 132 : 26 = 30,1 см.

 

Удельное  электросопротивление прошивных блоков рассчитанное на основании измерения соответствующих параметров по данным ВАМИ, принимаем равным p_бл =372 ·10^{- 3} Ом·см

Половина  ширины шахты ванны (Вш) в пашем случае, согласно конструктивном) расчету, составляет 195 см

Ширина  бортовой настыли в шахте ванны (а) при условии оптимальной ее формы при которой настыль ограничивается проекцией анода на подину шахты, составляет 60 см. Ширина катодного блока с учетом набивного шва 55+4=59 см. Площадь сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки Sст=13·26=338 см². Анодная плотность тока Dа=0,699 А/см².

Подставляя  в уравнение принятые и вычисленные  значения, находим перепад напряжения в подине:

 

Uп = [30,1· 3,72·10 -3·10 3+(3,83 10 -2· 1952 + 2,87 ·60∛60) ·59: 338] X 0,699=338 мВ, или 0,338 В

 

Падение напряжения на участках катодных стержней, не заделaнныx в почину, определяем, исходя из следующих данных общее сечение катодных стержней Sк=115·230·20=529000 мм2; длина выступающей части катодного стержня (из конструктивных расчетов) l=0,3 м, средняя температура его нагрева 250 °С При этой температуре удельное электросопротивление стали составляет p=0,22 Ом· мм²/м

При этих условиях сопротивление составит:

 

г=0,22·0,3:529000=0,12· 10^-6 Ом.

 

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