Промышленность алюминия

где D_Ш – средний диаметр штыря, мм

       Зная  площадь сечения всех штырей и  площадь сечения одного штыря  можно определить их количество, К:

             (20)

       

,86

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, количество их кратно 4, поэтому принимаю 80 штук.

       1.2.2 Расчёт катодного  устройства

 

       Катодное  устройство электролизёра предназначено  для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного слоя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.

       Размеры шахты электролизёра 

       Внутренние  размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние

       - от продольной стороны анода  до футеровки, а = 63,5 см

       - от торца анода до футеровки, в = 50 см. 

       

       Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра 

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:

       Lш  =Lа + 2*в;      (21)

       Lш  = 865 + 2 * 50 = 965 см     

       Вш = Ва + 2*а      (22)

       Вш = 285 + 2 * 63,5 = 412 см     

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см. Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков вперевязку. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см , шириной b_б = 50 см, и длиной l _б от 110 до 400 см. При ширине шахты 412 см применяют катодные блоки:

       - короткие l _кб = 160 см

       - длинные l _дб = 220 см

       Число секций в подине, N_с определяют исходя из длины шахты:

              (23)

где b_б – ширина подового блока;

 с  – ширина шва между блоками, 4 см.

       

В шахту  можно монтировать только 17 секций (рядов) подовых блоков

         

         
 

       Рисунок 2   Схема подины электролизёра

       Число катодных блоков N_б, равно:

       N_б = N_{с *} 2      (24)

       N_б = 17* 2 =34

       Подина  данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 17 штук в два ряда с перевязкой центрального шва. Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой. Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):

       - для блока 160 см длина блюмса 219 см;

       - для блока 220 см длина блюмса 279 см.

Ширина  периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:

       - в торцах подины, b_т,

       b_т =     (25)

       b_т =

= 51см

       - по продольным сторонам, b_п:

       

 

 см

       1.2.3 Размеры катодного  кожуха

 

       Внутренние  размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

       Длина катодного кожуха Lк, см:

       Lк  = Lш + 2 (Пу + 3,5),     (27)

Где Lш - длина шахты, см;

     Пу  – толщина угольной плиты,;

     3,5 – толщина теплоизоляционной  засыпки в торцах электролизёра,  см.

     Lк  = 965 + 2 (20 + 3,5) = 1012

Ширина  катодного кожуха Вк, см:

       Вк = Вш + 2 (Пу + 5),     (28)

где:  Вщ - ширина шахты, см;

5 –  толщина теплоизоляционной засыпки  в продольных сторонах электролизёра, см.

       Вк  = 412 + 2 (20+5) = 462

       Футеровка днища катодного кожуха выполняется  следующим образом (снизу - вверх):

       - теплоизоляционная засыпка 3 см;

       - два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;

       - три ряда шамотного кирпича  3 6,5 см;

       - угольная подушка 3 см;

       - подовый блок 40 см.

       Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

       Нк = 3 + 5* 6,5 + 3 + Нш + h_б     (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б – высота подового блока, см.

       Нк = 3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 +40 = 135см

       Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм.

       Кожух снаружи укреплен поясами жесткости  из двутавровых балок или швеллеров.

       1.3 Электрический баланс  электролизёра

 

       Электрический расчёт электролизера заключается  в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.

       Среднее напряжение U_СР.,В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно(В):

       Uср = Ер + Uа + Uп + ∆Uаэ + Uэл + Uо + Uоо,  (30)

где ЕР - напряжение разложении глинозема (или  ЭДС поляризации) 1,5 В;

   U_А - падение напряжения в анодном устройстве,

   U_П - падение напряжения в подине,

   ∆U_АЭ – доля увеличения напряжения при анодных эффектах,

   U_ЭЛ - падение напряжения в электролите,

   U_О - падение напряжения в ошиновке электролизёра,

   U_ОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке.

       1.3.1 Падение напряжения  в анодном устройстве

 

       Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и теле анода. Для определения падения напряжения в теле анода с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым.

   ,  (31)

где  Sa - площадь анода, см², (15);

    К - количество токоподводящих штырей, шт;

    L_ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем 30 см.

    d_a - анодная плотность тока, 0,71 А/см²;

    ρ_а - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8_*10^-3 Ом _*см.

=0,461 В

       1.3.2 Падение напряжения  в подине

 

       Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:

      (32) 

где l_пр - приведенная длина пути тока- 28,4 см;

ρ_бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 _* 10^-3 Ом _*см.;

В_ш - половина ширины шахты ванны 206, см;

В_бл - ширина катодного блока с учетом набивного шва -54, см;

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;

S_cт – площадь сечения блюмса -377см²;

d_a - анодная плотность тока-0,71 А/см².

       Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:

             (33)

где h_бл - высота катодного блока;

    h_ст - высота катодного стержня, 14,5 см;

     В_ст - ширина катодного стержня, 26 см

       

 см

       Ширина  катодного блока с учетом набивного шва В_бл,см равна:

       В_бл = b_б + с,     (34)

где b_б – ширина подового блока;

     с – ширина набивного шва  между блоками.

       В_бл = 50 + 4 = 54

       Площадь сечения катодного стержня с  учетом заделки равна:

       S_ст = h_{ст *} В_ст      (35)

       S_ст = 14,5 * 26 = 377см²

       Тогда падение напряжения в подине U_П, В составит (формула 32): 

=0,252 В

       1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов

 

       Величину  падения напряжения от анодных эффектов ∆U_АЭ, В определяем по формуле:

               (36)

где U_АЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;

    n - длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;

     k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;

    1440 - число минут в сутках.

       

=0,02 В

       Падение напряжения в электролите, Uэл, В определяется по формуле Форсблома и Машовца:

            (37)

где I - сила тока, А;

   р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом _* см;

      l - междуполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;

   Sа  - площадь анода, см²;

   2 (La + Вa) - периметр анода, см.

       

=1,91 В

       1.3.4 Падение напряжения  в ошиновке электролизёра