Отделение электролиза алюминия

      Боковые стенки катодного кожуха футеруются 1-2 рядами угольных плит. Пространство между плитами и кожухом (40-50 мм) заполняют засыпкой из шамотной крупки.

      Изготавливают подовые блоки на специальных  прессах. Основными материалами являются термоантроцит, графит, угольный бой и литейный кокс. Эти материалы дробят, смешивают с каменноугольным пеком (связующее), а затем прессуют и обжигают. Графит повышает стойкость блоков против воздействия натрия и увеличивает электропроводимость материала. Обычное содержание графита в блоках составляет 20-30 %.

      Подовые блоки устанавливают на расстоянии 25-50 мм друг от друга. В пространство между блоками набивают подовую  углеродистую массу, которая при  обжиге подины коксуется, и образующиеся швы прочно связывают блоки между собой.

      Размеры шахты электролизера зависят  от мощности электролизера. Глубина  шахты обычно составляет 400-600мм, расстояние от анода до стенок шахты по продольной стороне 440-650 мм, по торцовой стороне 500-600мм.

      Кожух без днища выполняется обычно в виде рамы, сваренной из стальных балок и листа (рис.1).  

      Рисунок 2 – Катодное устройство электролизера  с кожухом без днища: 

      а-продольный разрез; б-поперечный разрез; 1-фундамент; 2-слой засыпки; 3-красный кирпич; 4-шамотный кирпич; 5-анкер; 6-углеродистая подушка; 7-угольные блоки; 8-засыпка из Al₂O₃; 9-стальной кожух; 10-бортовой лист; 11-подовой шов; 12-угольные подовые блоки; 13-катодный стержень(блюмс)  

      Для мощных электролизеров применяют кожухи с днищем (Рисунок 3).

      Рисунок 3 – Кожух с днищем контрфорсного  типа:

      а-продольный вид и разрез; б-поперечный разрез; 1-корыто кожуха; 2-элементы жесткости  продольных стенок; 3-контрфорсы; 4-торцовые стенки. 

      Это – сваренное из листовой стали (10 мм) корыто, укрепленное балками (контрфорсами). Контрфорсы представляют собой вертикальные стойки, стянутые поперек электролизера на уровне днища стальными тягами попарно. Верхние концы контрфорсов удерживают кожух электролизера от распирающих усилий в подине, а нижние концы противоположных контрфорсов опираются попарно на железобетонные балки. Балки «работают» на сжатие, а стягивающие стальные стяги выполняют роль нулевой точки рычага. Прочность катодного кожуха, таким образом, определяются жесткостью контрфорсов.

      Днище кожуха опирается на поперечные стальные балки, которые поставлены на продольные двутавровые  балки, установленные на железобетонные балки с колоннами, заделанные в фундаменте. Футеровка кожуха такая же, как и у кожухов без днища, с той лишь разницей, что между футеровкой и стальным кожухом укладываются асбестовые листы. Так как конструкция кожуха поднята на колоннах и рабочая площадка находится на высоте примерно 4 м над поверхностью земли, то считается, что такие электролизеры расположены на втором этаже.

      На  катодный кожух электролизеров четырьмя колоннами опирается несущая конструкция – каркас электролизера. На каркасе крепятся анодное устройство, укрытия электролизера, глиноземные бункеры и механизмы для перемещения анода и панелей укрытия. 

      6.2 Анодное устройство 

      Токоподводящим  материалом анода является углеродистая масса. В ходе процесса электролиза  анодная масса постепенно расходуется, окисляясь разряжающимися на аноде  ионами кислорода, и поэтому анод необходимо периодически опускать. Периодически также возникает потребность поднимать анодное устройство. Для перемещения анодного устройства служит специальный подъемный механизм.

      Наиболее  распространенными типами алюминиевых  электролизеров являются конструкции  с самообжигающимися анодами.

      Температура самообжигания анода по высоте изменяется от 950 ^оС на подошве до 120-150 ^оС на верхней поверхности. Под действием тепла, выделяющегося в электролите и при прохождении тока через анод в углеродистой массе, происходят процессы коксования. По физическим свойствам такой анод можно разделить на 3 зоны: зону жидкой анодной массы, температура которой изменяется по высоте от 120 (на поверхности) до 300 ^оС; зону полуспекшейся тестообразной массы, имеющей температуру 300-400 ^оС, и нижнюю монолитную массу, образующейся в верхней части конус спекания. Конус спекания находится на расстоянии 0,7-1,0 м от подошвы анода. 

      6.3 Электролизеры с обожженными  анодами 

      В современных электролизерах анодный  массив собран из предварительно обожженных угольных блоков, расположенных в  два ряда вдоль ванны (Рисунок 4).  

      Рисунок 4 – электролизер с предварительно обожженными анодами:

      1-катодное  устройство; 2-анодная шина; 3-механизм  перемещения анодного устройства; 4-анодный блок; 5-газообразное укрытие. 

      Как правило применяют угольные блоки  шириной 700-900мм, высотой 550-650мм и длинной 1450-1600мм. В блоке имеются гнезда, в которые чугуном заливают стальные кронштейны. Кронштейны соединены с алюминиевым анододержателем (штангой), что осуществляется электросваркой, сваркой взрывом или болтами.

      Штанги  анододержателей прижимают к  анодным шинам специальными зажимами. Шины выполняют функции анодной  рамы и являются токопроводом и грузонесущим элементом. Перемещение анодной  рамы с анодным массивом осуществляется подъемным механизмом.

      Рабочее пространство ванны закрыто укрытием рамно-створчатого типа, которое можно открывать вверх целиком с помощью пневматического механизма или откидывать створки в порознь вручную. Газоотсосный короб расположен по продольной оси электролизера.

      По  сравнению с электролизерами с самообжигающимися анодами электролизеры с обожженными анодами обладают существенными преимуществами:

      -аноды  изготавливают на электролизных  заводах, поэтому никаких вредных  выделений во время работы  в атмосферу цеха не поступает;

      -более  легкая конструкция анодного узла и больше потери тепла, меньше падения напряжения в аноде, а следовательно можно увеличить силу тока, то есть интенсифицировать процесс электролиза;

      -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).