Характеристика различных типов алюминиевых электролизеров

Действующие алюминиевые заводы оборудованы тремя типами электролизеров , различающихся в основном по конструкции анодного устройства :

А) с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом (тип БТ) ,

Б) с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (тип ВТ) ,

В) с предварительно обожженным анодом (тип ОА) .

При этом чаще всего применяют единый тип катодного устройства – сборно-облучную подину с катодным кожухом контрфорсного типа.

Электролизеры типа БТ являются в настоящее время устаревшими , они работают с повышенной плотностью тока (0,7 – 1,0 А/см²) и удельным расходом электроэнергии порядка 14500 – 22000 кВт.ч/т. В таких электролизерах сила тока не превышает 100 кА. В них еще производится около 20% мирового производства алюминия.

Электролизеры типа ВТ рассчитаны на силу тока 100-160 кА и обеспечивают около 60% мирового производства алюминия. Анодная плотность тока в них снижена до 0,6 – 0,75 А/см² , а удельный расход электроэнергии составляет 13500 – 15500 кВт.ч/т.

Наиболее перспективными являются электролизеры типа ОА , рассчитанные на силу тока до 300 кА. Они работают при плотности тока 0,6-0,75 А/см² и наименьшем расходом электроэнергии (13200 – 14500 кВт.ч/т).

Расчет геометрических размеров электролизера

Вариант № 8

Вариант	Сила тока ,кА	Тип анодного устройства	Анодная плотность А/см2	Выход по току , %
6	130	ВТ	0.7	89

Размеры анода :

Размеры единственного в ванне самообжигающегося анода в электролизерах БТ и ВТ зависят от мощности электролизера (силы тока I ) и принятой анодной плотности тока j_a . Площадь горизонтального прямоугольного сечения анода определяется из выражения :

S_a = I / j_a = 130 / 0.7 = 185714 см²

Ширина анода при силе тока 120 кА ,будет B_a= 270 см. Тогда длина анода А будет равной

А = S_a + B_a = 185714 + 260 = 714 см .

Высота самообжигающегося анода Н_а представляет собой сумму высот спекшийся части h_сп / принимаем по данным практики 110 см / и слоя жидкой анодной массы h_ж (принимаем 35 см). Отсюда

H_a = h_сп + h_ж = 110 + 35 = 145 см.

Размеры шахты электролизера :

Шахта электролизера футерована изнутри угольными блоками или футерована угольной массой , заключенной в металлический кожух ,и образует боковые стенки ванны .

Внутренние размеры шахты в плане зависят от геометрических размеров анода. В электролизерах типа БТ и ВТ расстояние от продольных сторон анода до стенки шахты принимают равными : 550-650 мм, а от торцевых сторон 500 – 600 мм.

В нашем случае принимаем расстояние от продольных сторон анода до стенки шахты а = 600 мм, а от торцевых сторон до анода b =550 мм . Тогда внутренние раз меры шахты электролизной ванны составят :

ширина В_ш = В_а + 2а = 2600 + 2 ∙ 600 = 3800 мм ,

длина L_ш = А + 2b = 7140 + 2 ∙ 550 = 8240 мм .

Глубина шахты зависит от мощности электролизера , геометрических размеров анода , типа применяемого катодного кожуха и находится в пределах 400 – 600 мм . Она рассчитывается как сумма слоев жидкого алюминия ( h_M) , электролита (h_Э) и корки электролита с глиноземом (h_К) . По практическим данным принимаем :

Н_ш = h_M + h_Э + h_К = 320 + 180 + 50 = 550 мм .

Размеры подины электролизера :

Подина , выполненная из предварительно обожженных угольных блоков , служит катодом алюминиевого электролизера . Зазоры между блоками ( подовые швы ) набиты специальной углеродистой массой . Ток к подине подводится с помощью стальных катодных стержней . Катодные стержни заделывают в угольные блоки специальной углеродистой массой или заливают чугуном .

Основные размеры катодного подового устройства определяются геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами катодных блоков и стержней . Обычно для кладки подины применяют угольные катодные блоки высотой 400 мм , шириной 550 мм и длиной от 600 до 2200 мм .

В нашем примере при ширине ванны 3900 мм выбираем длину катодных блоков, равную 2000 и 1600 мм . Тогда расстояние между катодными и боковыми блоками по продольной стороне шахты ванны будет равно :

(3800 – (2000 + 1600 + 40 )) / 2 = 80 мм

Где 40 – ширина шва между катодными блоками , мм .

Учитывая что длина шахты 7450 мм при ширине угольных катодных блоков 550, принимаем что подина электролизера монтируется из 22 катодных секций (пара блок – стержень ),расположенных в два ряда по 11 секций . В паз каждого блока заделываются стальные стержни 115 х 230 мм , длиной 2590 мм для блоков 400 х 500 х 2000 мм и длиной 2190 мм для блоков 400 х 550 х 1600 мм . При этом расстояние между катодными и боковыми блоками в торцах шахты ванны будет равно :

(8240 – ( 13 ∙ 550 + 12 ∙ 40 ) ) / 2 = 305 мм

Где 11 – число катодных блоков в ряду ;

10 – число набивных швов между катодными блоками .

Размеры катодного кожуха :

В алюминиевых электролизерах всех типов преимущественно используют катодные кожухи с днищем контрфорсного типа . Эти кожухи состоят из двух частей : самого кожуха , сваренного из листовой стали ,и балок – контрфорсов . Прочность таких кожухов определяется жесткостью конструкции контрфорсов ,число которых зависит от длины электролизера . Расстояние между контрфорсами принимаем равным расстоянию между катодными стержнями .

При подине , смонтированной из 22 катодных секций по 11 в ряду и длине шахты 7450 мм , число контрфорсов принимаем равным 20 – по 10 с каждой стороны кожуха .

Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты и толщиной слоя теплоизоляции . Принимаем , что в качестве боковой футировки используют угольные плиты толщиной 200 мм и теплоизоляционный слой шамота толщиной 60 мм ,а подина выполнена из катодных блоков высотой 400 мм, угольной подушки толщиной 30 мм и теплоизоляционного слоя из 5 рядов шамотного кирпича и шамотной засыпки 50 толщиной 50 мм . Тогда внутренние размеры катодного кожуха составят :

Длина L_кож = L_ш + 2(200+60) = 8240 + 2(200 + 60) = 8760 мм ,

Ширина В_кож = В_ш + 2(200+60) = 3800 + 2(200+60) = 4320 мм ,

Высота Н_кож = Н_ш+400+30 + 5 ∙ 65 + 50 = 550 + 400 + 30 + 5 ∙^. 50 + 50 = 1280мм .

Электрический расчет электролизера

Электрический расчет электролизера состоит в определении сечения и длины токоподводящих проводников (ошиновки) электролизера и составлении баланса напряжения .

Расчет элементов ошиновки :

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и делится на две части – анодную и катодную. В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты , анодные стояки и уравнительные шины , от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям ( самообжигающиеся аноды ) или штангам (обожженные аноды) . Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент – катодных спусков , отводящих ток от катодных стержней подины ,и катодных шин .

Ошиновку рассчитывают согласно принятым допустимым плотностям тока , А/мм² : алюминиевые шины 0,3 ; медные спуски 1,2 ; стальные стержни и штыри 0,2. При этом рекомендуется принимать следующие размеры элементов ошиновки :

- сечение алюминиевых шин………………………………….430 х 65 мм ,

- сечение алюминиевых лент…………………………………1,5 х 200 мм ,

- сечение катодных стальных стержней……………………...115 х 230 мм ,

- сечение анодных штырей……………………………………110 х 130 мм ,

- длина штырей…………………………………………………2100 – 2400 мм .

Плотность тока в анодных и катодных пакетов из алюминия J_Al принимаем равной 0,3 А / мм² . Тогда сечение ошиновки для рассматриваемого электролизера будет равно :

S_ош = I / J_Al = 130000 / 0,3 = 433333 мм²

Принимаем для изготовления пакетов алюминиевых шин сечением 430 х 65 мм. При этом их число составит :

433333 / 430 ∙ 65 = 16

Принимаем 16 шин которые собирают в пакеты по 8 шин и располагаются с двух сторон электролизера .

Число штырей и площадь их сечения определяем из условия оптимальной средней токовой нагрузки на штырь 2000 А и плотность тока для стальной части штыря 0,2 А/мм² . Внашем случае число штырей в аноде К получится равным :

К = 130000 / 2000 = 65= 64 шт .

При этом площадь сечения стальной части штыря будет равна :

S_шт = I / (К ∙ J_CT ) = 130000 / (64 ∙ 0.2) = 10156 мм²

Тогда средний диаметр стальной части штыря составит

d_ШТ = √4 ∙ S_ШТ ∕╥ = √4 ∙ 10156 / 3.14 = 114 мм .

Принимаем штырь с максимальным диаметром рабочей части 130 мм , минимальным диаметром 100 мм ,длиной рабочей части штыря 1400 мм , длиной алюминиевой части 1000 мм .

Плотность тока в стержнях составит :

J _K.C. = I / 26 S_K.C.= 130000 / (26 ∙ 115 ∙ 230 ) = 0,189 А / мм² ,

что допустимо для стали .

Стальные катодные стержни соединяются с алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент , приваренным к стержням и шинам . Сечение пакета из алюминиевых лент будет равно :

S_П = 130000 / (26 ∙ 0,7 ) = 7143 мм² .

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

n_Л = S_n / S_л = 7143 / (1.5 ∙ 200 ) = 23,8 = 24 шт.

Принимаем 26 лент в пакете. Исходя из размеров катодного устройства ,принимаем общую длину катодных пакетов равной 8100мм .

5.2. Баланс напряжения

Составление баланса напряжения электролизвра заключается в определении величины, составляющих среднего напряжения на ванне U_ср .В, в соответствии с выражением:

U_cp = Δ U_а.у. + Δ U_э + Δ U_к.у.+ Δ U_а.э. + Δ U_н.р. + Δ U_о.о.

Δ U_а.у – падение напряжения в анодном устройстве , В.

Δ U_э – то же , в электролите .

Δ U_к.у – то же , в катодном устройстве .

Δ U_а.э – доля падения напряжения от анодных эффектов.

Δ U_н.р. – напряжение разложения.

Δ U_о.о. – падение напряжения в общесерийной ошиновке.

5.2.1.Падение напряжения в анодном устройстве.

Оно определяет собой сумму падений напряжения в ошиновке , контактах и аноде.

Падение напряжения в анодной ошиновке определяется из выражения :

Δ U_о.а. = I ∙ R_а.о. = 130000 ∙ 1.11 ∙ 10^-6 = 0.144 В.

Падение напряжения в контактах принимается по практическим данным. В сварных контактах анодных шин со стояком, стояк с гибким пакетом шин, гибкого пакета шин с катодными шинами падение напряжения составляет соответственно 0.004 + 0.003 +0.003 = 0.01 В. В прижимном контакте анодной шины с алюминиевой штангой штыря и в сварном контакте алюминиевой и стальной частей штыря падение напряжения равно 0.015 + 0.015 = 0.03 В. Таким образом , общее падение напряжения в контактах анодного устройства составит 0.04 В.

Падение напряжения в теле анода зависит от размеров анода , формы и размеров токоподводящих штырей , среднего расстояния от штырей до подошвы анода , удельного сопротивления анода и плотности тока. М.А.Коробовым предложены следующие эмпирические зависимости для расчета напряжения для верхнего токоподвадо :

Δ U_а = (26000 – ( 16000 – 10.9 ∙ (S_a / K) – 805 ∙ l_cp – (l_cp ∙ S_a / 6.85 ∙ K )) J_a / p_a = (26000 – ( 16000 – 10.9 ∙ (185714/ 64) – 805 ∙ 45 – (45 ∙ 185714 / 6.85 ∙ 64 )) 0.7 / 9 ∙ 10^-3 = 681 мВ = 0.681 В.

Суммируя составляющие , находим падение напряжение в анодном устройстве :

Δ U_а.у. = Δ U_а.о. + Δ U_а.к. + Δ U_а. = 0.144 + 0.04 + 0.681 = 0.865 В.

5.2.2. Падение напряжения в электролите

Этот вид падения напряжения определяется по эмпирическому уравнению , предложенному Г.В. Форсбломом и В.П. Машовцом :

Δ U_э. = ( I ∙ p_a ∙l ) / (S_a + 2 ( A + B )(2.5 + l )) = ( 130000 ∙ 0.5 ∙5 ) / (185714 + 2 ( 714 + 260 )(2.5 + 5 ))

5.2.3. Падение напряжения в катодном устройстве.

Оно складывается из падения напряжения в подине , в частях катодных стержней , не заделанных в подину , в соединительных алюминиевых лентах , катодной ошиновки и контактные анодные стержни – соединительные пакеты – катодная ошиновка.

Падение напряжения в подине , смонтированной из стандартных угольных блоков шириной 550 мм , рассчитывается по эмпирическому уравнению М.А.Коробова :

Δ U_п. = (l_пр ∙ p_бл ∙ 10³ + ( 3.83 ∙ 10^-2 ∙ В²_ш + 2.87 а ) / b_бл / S_ст ∙ J_a = (30 ∙ 372 ∙ 10³ + ( 3.83 ∙ 10^-2 ∙ 190² + 2.87 60 ) / 59 / 338 ∙ 0.7 = 0.34 В.

Приведенную длину пути тока по катодному блоку вычисляют по уравнению :

l_пр = 2.5 + 0.92 ∙ 40 -1.1 ∙ 13 + ( 132/26) = 30.0 Ом.

Подставляя в уравнение принятые и вычесленные значения , находим величину перепада напряжения в подине :

Δ U_п. = (30 ∙ 3.72 ∙10^-3 ∙ 10³ + ( 3.83 ∙ 10^-2 ∙ 1.95² + 2.87 ∙ 60 ) ∙ 59 / 338 ∙ 0.7 = 340 мВ = 0.34 В.

Падение напряжения на участках катодных стержней ,не заделанных в подину , определяют из выражения :

Δ U_к.с. = I ∙ R_к.с. = 130000 ∙ ((0.22 ∙ 0.3) / 529000) = 0.016 В.

Падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах рассчитывается аналогично . Удельное сопротивление алюминия при средней температуре лент 80^о С равно 0.036 Ом.мм² /м. При принятой длине алюминиевых соединительных лент 0.8 м площадь их поперечного сечения составит 1.5 ∙ 200 ∙ 24 ∙ 20 = 144000 мм² .

При этом падение напряжения в алюминиевых лентах получается равным :

Δ U_л = 130000 ∙ ((0.036 ∙ 0.8) / 144000) = 0.02 В.

Падение напряжения в катодной ошиновке определяется аналогичным образом. Удельное сопротивление алюминиевых шин при их средней температуре 50^о С равно 0.032 Ом.мм² /м. При принятой дляне ошиновки 8.1 м и площади поперечного сечения 430 ∙ 65 ∙ 12 = 335400 мм² получаем :

Δ U_к.о. = 130000 ∙ (( 0.032 ∙ 8.1 ) / 335400 ) = 0.10 В.

Падение напряжения в сварных контактах , катодный стержень – пакет алюминиевых шин и пакет алюминиевых шин - катодная ошиновка, принимаем по данным практики равным соответственно 0.006 и 0.004 В.

Тогда суммарное падение напряжения в катодном устройстве составит :

Δ U_к.у. = Δ U_п. + Δ U_к.с. + Δ U_к.о. + Δ U_л + Δ U_к. = 0.34 + 0.016 + 0.1 + 0.026 + 0.01 = 0.492 В.