Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
АНОД
Содержание
Введение …………………………………….…………………………………..2
1 Расчётная часть………………………………………………………………..3
1.1 Материальный баланс……………………….……………………………….…3
1.1.1 Производительность электролизера………………………………..4
1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр.....…………………………………4
1.1.3 Расчёт продуктов электролиза..……………...……………………………5
1.1.4 Расчёт потерь сырья…………………………..……………………………6
1.2 Конструктивный расчет………………………………………………………...6
1.2.1 Анодное устройство электролизера….………….………………………..8
1.2.2 Расчёт катодного устройства…………………………………………...…9
1.2.3 Размеры катодного кожуха ……………………...…………………...….10
1.3 Электрический баланс электролизёра……………………..……….………....11
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве…………..……...………...11
1.3.2 Падение напряжения в подине….…………………….….………………..12
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов……...….…………....13
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра.........................….…..14
1.4 Тепловой баланс электролизёра…………………………….…….…………..14
1.4.1 Расчет приход тепла……………………………………..………………..15
1.4.2 Расход тепла………………….………………………………...……...…..17
1.5 Расчёт цеха…………………………………………………….…...……..…17
2 Описательная часть……………………….…………………………………20
2.1 Параметры и показатели процесса электролиза ...……………………20
2.1.1 ..….......……………………....20
2.1.2 …………………………....21
2.2 Монтаж катодного устройства и срок его службы………………………..…23
2.2.1 ………………………………………………………………24
2.2.2 …………………………………….………………………..26
2.3 Охрана труда при производстве алюминия …………………………………29
2.3.1 …………...29
2.3.2 …………………………….....31
2.3.3 …….....32
2.3.4 …………………………………..….33
3.Организационно – экономическая часть……...…………………………...37
3.1 Расчет производственной программы…………………………………..……38
Список использованных источников…………………………………………39
Алюминий и его сплавы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях. По своим свойствам алюминий очень выгодно отличается от других металлов. Для него характерны: небольшая плотность; хорошая пластичность и достаточная механическая прочность; высокая тепло- и электропроводность, коррозионная устойчивость. Алюминий способен образовывать со многими металлами сплавы. Алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные сплавы, которые применяются фасонного литья, и деформируемые сплавы, идущие на производство проката штампованных изделий. Из литейных сплавов более распространены сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами.
Важнейшие потребители алюминия и его сплавов – авиационная и автомобильная промышленность, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая, химическая металлургическая и пищевая промышленности, промышленное и гражданское строительство.
Судя по свойствам алюминия, можно сказать, что он мог бы применятся значительно шире и в больших количествах и заменять в большинстве конструкций сталь. Но этому препятствует большая по сравнению со сталью стоимость алюминия. Требуется еще много работать над дальнейшим расширением масштапроизводства алюминия и уменьшением его стоимости.
Данный проект основан на практических данных Красноярского алюминиевого завода. Проект выполнен на основе действующего оборудования корпуса. Содержание проекта представляет собой расчет электролизера. В котором производят конструктивный, материальный, электрический и тепловой расчет электролизной ванны, а также расчёт количества установленных электролизёров и производительности серии. Эти расчёты необходимы для определения технико-экономических показателей работы цеха.
Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.
При применении самообжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.
1.1 Материальный баланс
В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные окислы углерода.
На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров ОА задаёмся параметрами для расчета электролизера:
- сила тока I=176,5 кА
- анодная плотность тока dа = 0,65 А/см2
- выход по току =88,3 %
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:
- глинозем, NГ = 1,927 кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,036 кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0014 кг
- анодная масса, NМ = 0,537 кг
Для упрощения расчетов материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.
1.1.1 Производительность электролизера
Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:
РА1 = j * I * τ * , (1)
где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);
I - сила тока, кА;
τ - время, час;
- выход по току, доли единицы.
P А1 = 0,335 * 176,5 * 0,883 = 52,2 кг
1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр
Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:
- глинозема RГ, кг
RГ = PAl * NГ (2)
RГ = 52,2 * 1,927 = 100,59 кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ = PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 52,2 * ( 0,036 + 0,0014) = 1,95 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rм = 52,2 * 0,537 = 28,03 кг
1.1.3 Расчёт продуктов электролиза
1.1.3.1 Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.
При получении PAl алюминия выделится кислорода m0, кг:
(5)
где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
кг
Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:
(6)
кг
в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:
(7)
Где 60 и 40 – процентное содержание двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
кг
Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
(8)
кг
Количество углерода связанного в оксид углерода, mcco, кг:
(9)
кг
Таким образом, в час выделяется оксидов Pco2 и Pco, кг:
Pco2 = m0co2 + mcco2 (10)
Pco2 = 34,8 + 13,05 = 47,85 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 11,6 + 8,7 = 20,3 кг
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 47,85 + 20,3 = 68,15 кг
1.1.4 Расчёт потерь сырья
Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:
G = PAl * (Nг - 1,89) (13)
G = 52,2 * (1,927 – 1,89 ) = 1,931 кг
Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг = 28,03 – ( 13,05 + 8,7) = 6,28 кг
Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.
Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Материальный баланс на силу тока 176,5 кА
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
100,59 |
77,04 |
Алюминий |
52,2 |
40 |
|
СО2 |
47,85 |
36,664 |
|||
|
СО |
20,3 |
15,554 |
|||
|
Анодная масса |
28,03 |
21,47 |
Потери: |
||
|
Глинозем |
1,931 |
1,48 |
|||
|
Фтористые соли |
1,95 |
1,494 |
|||
|
Фтористые соли |
1,95 |
1,49 |
Анодная масса |
6,28* |
4,812 |
|
ИТОГО: |
130,57 |
100 |
ИТОГО: |
130,51 |
100 |
* - с учетом газов коксования и механических потерь.
1.2 Конструктивный расчет
В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
1.2.1 Расчет анодного устройства электролизера
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
см2
Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С8БМ, принимается 285 см.
Тогда длина анода La, см будет:
(16)
см
Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря равной dст = 0,19 А /мм2.
Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:
- общая длина – 2700
- длина стальной части -1950
- длина алюминиевой штанги – 1040
- максимальный диаметр – 138
- минимальный диаметр – 100
Площадь сечения всех штырей SО., мм2 определяются:
(17)
мм2
Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.
(18)
мм
Площадь сечения одного штыря Sш, мм2:
(19)
мм2
где DШ – средний диаметр штыря, мм
Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:
(20)
Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаем их количество кратным 4, то есть 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 цоколя 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 будут:
Lш =Lа + 2*в; (21)
Lш = 952,77 + 2 * 50 = 1052,77 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 hб = 40 см , шириной bб = 55 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, Nс определяют исходя из длины шахты:
(23)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина шва между блоками, 4 см.
Число катодных блоков Nб, равно:
Nб = Nс * 2 (24)
Nб = 17 * 2 =34
Подина данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 16 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, bт,
bт = (25)
bт =
- по продольным сторонам, bп:
(26)
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:
где: Lш - длина шахты, см;
3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк =1052,77 + 2 (20 + 3,5) = 1100
Ширина катодного кожуха Вк, см:
где: Вщ - ширина шахты, см;
5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.
Вк = 412 + 2 (20+5) = 439
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 + hб (29)
где: Нш - глубина шахты, см;
hб – 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 UСР. В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно:
где ЕР - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;
UА - падение напряжения в анодном устройстве, В;
UП - падение напряжения в подине, В;
∆UАЭ – доля падения напряжения при анодных эффектах, В;
UЭЛ - падение напряжения в электролите, В;
UО - падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;
UОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым, тогда ∆UА, мВ равно:
, (31)
где Sa - площадь анода, см2;
К - количество токоподводящих штырей (формула 22);
Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем 40 см.
da - анодная плотность тока, 0,65 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
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, ∆UП, мВ:
(32)
где lпр - приведенная длина пути тока (формула 33), см;
ρбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;
Вш - половина ширины шахты ванны (формула 22), см;
Вбл - ширина катодного блока (формула 34), см;
a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 63,5 см;
Scт – площадь сечения блюмса (формула 35), см2;
da - анодная плотность тока, А/см2.
Приведенную длину пути тока по блоку lпр, см определяем по уравнению:
(33)
где hбл - высота катодного блока;
hст - высота катодного стержня, 14,5 см;
Вст - ширина катодного стержня, 26 см
см
Ширина катодного блока с учетом набивного шва Вбл,см равна:
Вбл = bб + с, (34)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина набивного шва между блоками.
Вбл = 55 + 4 = 59
Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:
Sст = hст * Вст (35)
Sст = 14,5 * 26 = 377см2
Тогда падение напряжения в подине ∆UП, В составит (формула 32):
Uп = 307 мВ =0,307 В
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов
Величину падения напряжения от анодных эффектов ∆UАЭ, В определяем по формуле:
(36)
где UАЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;
n - длительность анодного эффекта, принимаем 1,5 мин;
k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;
1440 - число минут в сутках.
В
Падение напряжения в электролите
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 - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;
Sа - площадь анода, см2 (формула );
2 (La + Вa) - периметр анода, см.
В
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра
Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ∆UО = 0,3 В
Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆UОО = 0,016 В
Данные расчётов сводим в таблицу 2.
Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 165,2 кА
Размеры в вольтах
|
Наименование участков |
Ucp |
Up |
Uгр |
|
Ер |
1,500 |
1,500 |
1,500 |
|
UА |
0,588 |
0,588 |
0,588 |
|
UП |
0,307 |
0,307 |
0,307 |
|
UЭЛ |
1,765 |
1,765 |
1,765 |
|
UАЭ |
0,030 |
-- |
0,030 |
|
UО |
0,300 |
0,300 |
0,300 |
|
UОО |
0,016 |
-- |
-- |
|
Итого: |
4,506 |
4,46 |
4,49 |
1.4 Тепловой баланс электролизёра
Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх
Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы.
Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25С.
В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qэл + Qан = QГ + Q Al + Qгаз + Qп, (38)
где Qэл - приход тепла от электроэнергии;
Qан - приход тепла от сгорания анода;
QГ - расход тепла на разложение глинозёма;
Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;
Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;
Qп - потери тепла в окружающее пространство.
1.4.1 Расчет приход тепла
Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:
Q эл = 3600 * I * Uгр * τ (39)
где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;
I – сила тока, кА;
Uгр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);
τ – время, часы.
Q эл = 3600 * 176,5 * 4,49 * 1 = 2852946 кДж
Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:
Qан = Р1СО2 * ∆HTCO2 + Р1СО * HTCO (40)
где Р1СО2 и Р1СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);
∆НТСО2 и ∆НТСО – тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):
∆H298СО2 = 394 070 кДж/кмоль
∆H298СО = 110 616 кДж/кмоль
(41)
кмоль
(42)
кмоль
Qан =1,0857∙394070+0,725∙110616=508038,4 кДж
1.4.2 Расход тепла
На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:
QГ = R1Г * ∆HTГ, (43)
где R1Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 44
∆HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.
(44)
кмоль
кДж
Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.
При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆HT1Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆HT2Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:
QAl = Р1Al * (∆HT1Al - ∆HT2Al) (45)
где Р1Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:
(46)
кмоль
кДж
Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:
Qгаз = Р1СО * ( HT1CO - HT2CO) + Р1СО2 * (HT1CO2 - HT2CO2), (47)
где Р1СО и Р1СО2 – количество CO и CO2, кмоль
HT1CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль
HT2CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль
HT1CO2 – энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль
HT2CO2 – энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
Qгаз =0,72537777,575 кДж
Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:
Qп = (Q эл + Qан) - (QГ + QAl + Qгаз) (48)
кДж
Данные расчета представлены в таблице 3
Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 165,2 кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
От прохождения электроэнергии |
2852946 |
84,88 |
На разложение глинозёма |
1652536 |
49,168 |
|
С вылитым металлом |
72221,508 |
2,149 |
|||
|
От сгорания угольного анода |
508038,4 |
15,12 |
С отходящими газами |
37777,575 |
1,124 |
|
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра |
1598449,4 |
47,559 |
|||
|
ИТОГО |
3360984,4 |
100 |
ИТОГО |
3360984,4 |
100 |
1.5 Расчёт цеха
В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.
Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.
КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 2% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.
Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:
U = 850 - (U1 + U2 + U3) (49)
U = В
Число рабочих электролизеров
Число рабочих электролизеров N в серии составит:
, (50)
где:U - напряжение серии U, В
UСР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);
UАЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)
Число установленных электролизёров в серии
Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров NУ должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.
Количество резервных ванн NР рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:
, (51)
где:N – число рабочих электролизёров в серии;
t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 – 8 дней;
Т – срок службы электролизёра, 4 года;
365 – дней в году.
Принимаем 1 резервный электролизёр на серию.
Тогда в серии будет установленных электролизеров NУ, шт.:
NУ = N+ NР, (52)
где N - число рабочих электролизеров;
NР - число резервных электролизеров.
NУ = 179 + 1 = 180
При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 180 электролизеров, т.е. размещается в двух корпусах по 90 электролизеров в каждом. Один из этих электролизеров резервный, тогда рабочих электролизеров будет 179. По расчетам установленных электролизеров 181, из этого следует, что остается запас напряжения.
В 3 сериях будет 6 корпусов, в них установлено электролизёров, NУСТ:
NУСТ = NУ * n (53)
NУСТ = 180 * 3 = 540
Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:
Pс = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10-3 (54)
где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);
I - сила тока, кА;
η - выход по току, д. е.;
8760 - часов в год;
N - число работающих ванн в серии.
РС = 0,335 * 176,5* 0,877 * 8760 * 179 * 10-3 = 81310,428 т
Годовая производительность цеха Рц, т будет:
Рц = Рс * n (55)
Рц = 81310,428 * 3 = 243931,284 т
Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:
(56)
кВт/ч
Выход по энергии
(57)
г/кВт*ч
2 Описательная часть
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
КРИОЛИТО-ГЛИНОЗЕМНЫХ РАСПЛАВОВ
Состав электролита
Электролиты - это жидкие или твердые вещества и системы, в которых в сколько-нибудь заметной концентрации присутствуют попы, обусловливающие прохождение электрического тока. Распад молекул растворенных веществ на ионы в результате взаимодействия с растворителем называется электролитической диссоциацией. Ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации, несут положительны” (катионы) или отрицательный (анионы) заряд. При диссоциации любого соединения суммарный заряд катионов равен суммарному заряду анионов.
Проводники электрического тока, которые обладают ионной проводимостью, относятся к проводникам Bтopoгo ряда в отлично от проводников первого ряда, обладающих электронной проводимостью. Электролиты относятся к проводникам второго рода. Ими являются водные растворы кислот, щелочей и солей, а также соли и другие вещества в расплавленном состоянии.
Совокупность процессов электрохимического окисления (восcтaнoвлениe), происходящих на погруженных в электролит электродах (катодах и анодах) при прохождении электрического тока, называется электролизом. Чтобы вызвать разряд катиона, необходимо создать па катоде избыток электронов, придав катиону некоторый отрицательный потенциал относительно раствора или расплава. Причем для каждого типа катионов значение этого потенциала различно. Чем легче катион присоединяет электроны, тем меньший избыток их на катоде требуется для разряда этого катнопа. Аналогичные превращения происходят с анионами, только в этом случае нужно придать аноду определенный для каждого вида анионов положительный потенциал относительно раствора или расплава.
Следует отметить, что требуемый для разряда скачок потенциала (электродный потенциал) зависит от природы растворителя и температуры, чем и объясняются некоторые особенности протекания процесса электролиза в расплавленных средах. В зависимости от величины электродного потенциала металлы, а также водород можно расположить в следующий так называемый электрохимический ряд напряжений: литий, калий, кальций, натрий, магнии, алюминии, кремний, железо, водород, медь и так далее1.
В этом ряду элементы расположены слева направо по мере возрастания электродного потенциала. Следовательно, при электролизе они будут выделяться в обратной очередности.
Алюминий обладает высокой химической активностью и большой энергией образования соединений. В электрохимическом ряду напряжений алюминий занимает место среди наиболее электроотрицательных металлов. Высокий отрицательный потенциал алюминия делает невозможным выделение его электролизом из водных растворов, так как при этом на катоде в первую очередь будет выделяться водород. Этот же фактор создает большие ограничения в выборе расплавленных электролитов для осуществления процесса электролиза алюминия. Рассматривая электрохимический ряд напряжений, легко убедиться, что в состав такого электролита, кроме соединений алюминия, могут входить лишь соединения щелочных и щелочноземельных металлов.
1 Ряд напряжений дан в сокращенном виде.
До настоящего времени единственным применяющимся в крупномасштабном промышленном производстве способом получения металлического алюминия является электролитическое разложение его оксида, растворенного в расплавленном криолите Na3AlF6 (или ЗNаF.AlF3).
С 1886 г., когда Эру во Франции и Холл в Америке практически одновременно предложили использовать в качестве электролита для электролиза алюминия криолито-глиноземный расплав. электролит принципиально не изменился. Все многочисленные попытки изыскания лучшего состава электролита для процесса электролиза алюминия, не увенчались успехом.
Применяемый в настоящее время для электролиза алюминия промышленный электролит в основном состоит из обогащенного фтористым алюминием криолито-глиноземного расплава, свойств которого улучшены добавками различных химических соединений.
Сумма этих добавок, как правило, не превышает 8—10%. Наибольшее распространение в качестве добавок к промышленному электролиту получили следующие соединения: CaF2, LiF, NaCl. MgF2. Основное назначение добавок — снижение температуры плавления электролита и увеличение его электропроводности. Однако все добавки приводят в той или иной степени к снижению растворимости глинозема в электролите, что ограничивает их содержание в промышленном электролите.
В промышленных электролитах практически всегда содержится 2—3 % CaF2, поступающего в виде примеси с сырьем.
Кроме того, с исходными материалами в электролит поступают следующие примеси: Fe2О3, SiO2, P2O5, V2O5, SO42-.CuO и др. Следует помнить, что ионы металлов, электродный потенциал которых более электроположительный, чем потенциал алюминия, разряжаются в процессе электролиза и загрязняют алюминий. Поэтому к степени чистоты сырья для производства алюминия всегда предъявляются повышенные требования.
В практике электролиза алюминия принято выражать состав электролита молекулярным отношением его составляющих NaF:AlF3, так называемым криолитовым отношением. Следовательно, для криолита (ЗNаF.А1F3) молекулярное отношение равняется 3. При избытке в составе электролита фтористого алюминия криолитовое отношение будет меньше трех (кислые электролиты), а при избытке фтористого натрия —больше трех (щелочные электролиты).
Ниже приведено содержание основных компонентов и кислых промышленных электролитах различного состава, % (по массе):Криолит ........... 75—90
Фтористый алюминии (AlF3) 5—12
Фтористый кальции (CaF2) 2—1
Фтористый магний (MgF2) 2—5
Глинозем (Al2O3 ) ....... 1—10
Криолитовое отношение .... 2,5—2,9
Свойства криолито-глиноземного расплава
Физико-химические свойства криолито-глиноземного расплава определяются свойствами его компонентов и продуктов их взаимодействия. К основным физико-химическим свойствам относятся: температура плавления, растворимость глинозема, плотность, электропроводность, вязкость, поверхностное натяжение и давление насыщенных паров.
Температура плавления определяет границу существования жидкого состояния системы, поэтому очень важна для практических целей. Знание температур плавления различных систем помогает выбрать нужные соотношения компонентов электролитов.
Используя свойство расплава скачкообразно изменять энтальпию при охлаждении в момент перехода из одного состояния в другое и измеряя во времени температуру охлаждающегося сплава, можно установить, при каком ее значении происходит то или иное превращение. Все превращения, происходящие с расплавом при изменении температуры и состава, обычно выражают графически в виде диаграммы состояния, которая представляет собой обобщение результатов всех наблюдении за данной системой расплавов.
В диаграммах состояния систем, включающих две пли более фаз, форма границы между жидким н твердым состоянием позволяет обнаружить химические соединения, возникающие между компонентами смеси, и судить о степени их термической диссоциации в расплаве. Кроме того, по форме этой границы в известной степени удастся предсказать изменение свойств смеси в зависимости от ее состава, так как максимумы и минимумы на этой границе обычно соответствуют изменениям физико-химических свойств.
Впервые фундаментальные исследования физико-химических свойств криолито-глиноземного расплава были выполнены П. П. Федотьевым и В. П. Ильинским. Приведенная ими диаграмма состояния системы NaF—AlF3 (рис. 96) подтверждена рядом исследователей с незначительными уточнениями.
Фтористый натрии имеет температуру плавления 997°С; фтористый алюминий возгоняется при 1270 °С, не плавясь. Криолит Na3AlF6 образуется при 25 % (мол.) AlF3; температура его плавления около 1000 °С. Резко выраженный максимум, отвечающий образованию криолита, свидетельствует о прочности этого химического соединения. При 37,5 % (мол.) АlF3 образуется другое химическое соединение—хиолит 5NаF.ЗАlF3, температура плавления которого около 725°С. Это соединение непрочно и распадается при температуре его плавления на криолит и фтористый алюминий. Более поздними исследованиями и данной системе найдено еще одно химическое соединение (NaAlF4) и одна эвтектика.
На диаграмме видно, что при избытке фтористого алюминия (уменьшение криолитового отношения) в избытке фтористого натрия (увеличение криолитового отношения) понижается температура плавления расплава. Добавление к криолито-глиноземному расплаву фтористого алюминия нашло практическое использование при электролизе алюминия. Однако не следует забывать, что увеличение содержания фтористого алюминия в смеси приводит к увеличению испарения расплава. Избыточное содержание фтористого натрия также приводит к нежелательным последствиям, увеличивая вероятность выделения натрия на катоде.
Установлено, что температура плавления глинозема 2030 ?С, а алюминия технической чистоты 659 ?.
Растворимость глинозема в криолите имеет большое практическое значение при использовании криолито-глиноземных распла
вов в качестве электролита. Система Na3AlF6—Al2O3 исследовалась многократно и различными методами. Результаты этих исследований значительно расходятся, особенно в области заэвтсктнческих сплавов. Предпочтение отдастся результатам, полученным 3. Ф. Лундиной (рис. 97). Анализ этой диаграммы состояния показывает, что глинозем значительно снижает температуру плавления криолита, по имеет ограниченную растворимость в нем. При содержании около 15 % (по массе) Al2O3 криолит с глиноземом образуют эвтектику, температура плавления которой 938 ?С. Дальнейшее незначительное растворение глинозема происходит при существенном повышении температуры расплава. При 950 °С растворимость глинозема в криолите составляет примерно 15 % (по массе).
Для снижения температуры плавления промышленною электролита в него всегда вводят некоторый избыток фтористого алюминия.
Наиболее полно тронная система Nа3AlF6— АlF3—Al2O3 исследована А. А. Костюковым (рис. 98). Эта система характеризуется четырьмя полями первичной кристаллизации —криолита, хиолита, фтористого алюминия и глинозема и двумя тронными точками—тройной эвтектической (678°С) и тройной перитектической (710 ?С). На диаграмме видно, что в области первичной кристаллизации криолита температура плавления расплавов снижается от
Рис. 98. Диаграмма состояния системы Nа3A1F6 - АlF3—Al2O3 (по А.А. Костюкову)
криолита к тройной переходной точке. Крутизна поверхности ликвидуса увеличивается по мере повышения концентрации фтористого алюминия в расплаве; при этом содержание глинозема в расплаве понижается.
Многочисленными исследованиями установлено, что растворимость глинозема в криолите при избыточном содержании в нем фтористого алюминия понижается. Для расплава с избытком фтористого алюминия, соответствующим криолитовому отношению 2,2—2,4, растворимость глинозема снижается до 8—10 % (мол.).
При повышении содержания фтористого натрия до 86 % (мол.) растворимость глинозема увеличивается, а затем начинает понижаться. В чистом фтористом натрии глинозем практически не растворяется.
Плотность криолита в твердом виде 2,95 г/см3, алюминия 2,7 г/см3, глинозема 3,9 г/см3. В расплавленном состоянии плотность алюминия примерно на 10 % выше, чем криолито-глиноземного расплава, что вполне достаточно для их разделения.
Плотность криолита и алюминия в расплавленном состоянии зависит от температуры. Этa зависимость определяется по уравнениям:
для алюминия d = 2,382 — 0,000273 (t — 659), для криолита d = 2,112 — 0,00093 (t— 1000),
где t— температура, ?С; d—плотность, г/см3. Добавки к криолиту NaF, АlF3 и Al2O3 снижают плотность расплава.
С повышением температуры плотность криолито-глиноземного расплава, как и чистого криолита, понижается. Для расплава, содержащего 5% Al2O3, при 960 °С она составляет 2,1 г/см3, при этой же температуре плотность алюминия равна 2,3 г/см3.
Плотность алюминия с повышением температуры понижается медленнее, чем плотность криолито-глиноземных расплавов. При понижении температуры плотности криолито-глиноземного расплава и алюминия увеличиваются не в одинаковой степени. Так как у электролита это происходит быстрее, то при снижении температуры может наступить такой момент, когда плотности металла и электролита будут близки и произойдет их перемешивание. При этом металл может всплыть на поверхность, что нарушит процесс электролиза.
Электропроводность криолито-глиноземных расплавов имеет весьма существенное значение в процессе электролиза, так как от величины падения напряжения в слое электролита зависят затраты электроэнергии. Поэтому естественно стремление применять электролит возможно более высокой электропроводности.
Измерения удельной электропроводности расплавленной смеси фторида натрия и алюминия показывают, что наиболее высокой электропроводностью обладает чистый NaF. Удельная электропроводность уменьшается с возрастанием содержания фтористого алюминия, подчиняясь линейной зависимости. Так, удельная электропроводность NaF при 1000 ?С равна 4,46, криолита 2,67, а смеси с 40 % (мол ) АlF3 2,01 См */см.
Удельная электропроводность криолито-глиноземного расплава находится в прямой зависимости от содержания глинозема. При изменении содержания глинозема в криолите от 2 до 15 % удельная электропроводность расплава соответственно уменьшается от 2,6 до 1,9 См/см.
При практических расчетах пользуются обратной величиной—удельным электросопротивлением (?, ??.см). Для расплава с 2% Al2O3 при 1000 °С удельное электросопротивление будет равно:
?= 1/? == 1/2,6=0,385, ?де ?.—удельная электропроводность, См/см.
* См—симменс (СИ)==1/Ом.
Электропроводность алюминия зависит от содержания в нем примесей. Так, электропроводность алюминия марки А995 составляет 65,45 % от электропроводности меди, а марка А0 62,5 %.
Удельное электросопротивление жидкого алюминия при температурах 950—1000°С равно 3.10-5 Ом.см, что составляет в 15000 раз меньшую величину, чем удельное электросопротивление промышленного электролиза.
Вязкость оказывает существенное влияние на процесс электролиза, так как от нее зависят скорость диффузии компонентов электролита, полнота отделения от него металла, удаление анодных газов и другие процессы. Исследованиями вязкости расплавленных смесей фтористого натрия и фтористого алюминия установлено, что в этих смесях максимум вязкости отвечает криолиту (2,75.10-3 Пa.c при 1000°С). При добавлении к криолиту фтористого алюминия снижается вязкость расплава; с повышением температуры расплава вязкость также понижается.
Наибольшее влияние на вязкость криолита оказывают глинозем: при добавлении к криолиту 10% (по массе) Al2O3 вязкость криолитоглиноземного расплава увеличивается на 23 % по сравнению с вязкостью расплавленного криолита при 1000°С. Повышение вязкости криолито-глиноземного расплава по мере увеличения концентрации в нем глинозема объясняется Л. П. Беляевым повышением в расплаве концентрации громоздких комплексных
ионов тина А1О2- и A1O+. Эти ионы увеличивают внутреннее трение, а следовательно, и вязкость расплава.
Вязкость алюминия (99,998% А1) при 950 °С 0,082 Па. с. С понижением температуры вязкость алюминия возрастает и при 660°С составляет 0,118 Па. с.
Поверхностное натяжение —это избыток свободной энергии в поверхностном слое жидкости на границе раздела двух фаз, отнесенный к единице площади поверхности. Если поверхностное натяжение измерять как силу натяжения, действующую на единицу длины (нормальной к направлению силы) вдоль поверхности, то результаты измерения выражают в ньютонах на метр (или на сантиметр).
При электролизе криолито-глиноземных расплавов представляет интерес поверхностное натяжение на границах: расплав—газ, металл—газ, расплав—металл, а также смачиваемость твердых углеродистых материалов криолито-глиноземным расплавом и металлом.
Наибольшим поверхностным натяжением на границе с газовой фазой в системе NaF—АlF3 обладает NaF—1998 мкН/см при 1000 °С. С повышением содержания А1Рз поверхностное патяженнс системы понижается, и для криолита оно составляет 1455 мкН/см, а для смеси с 50% (мол.) АlF3 - 863 мкН/см. Поверхностное натяжение этой системы на границе с газовой фазой практически не зависит от содержания глинозема. Поверхностное натяжение металлического алюминия при 1000 °С более чем в три раза выше, чем криолита.
По данным А. Д. Герасимова и А. И. Беляева, поверхностное натяжение на границе жидкий алюминий —расплав в системе NaF—АlF3 с повышением содержания АlF3 увеличивайся. Если для криолита оно составляет 5200 мкН/см, тo при содержании 33% (мол.) АlF3 -5800 мкН/см, а при 40 % (мол.) АlF3—6400 мкН/см.
Поверхностное натяжение на границе с твердой поверхностью характеризуется краевым углом смачивания (рис. 99). Краевые углы меньше 90° характеризуют низкое, а больше 90°—высокое поверхностное натяжение. В системе NaF—АlF3 на границе расплав—твердая углеродистая поверхность—фтористый натрий имеет наименьший краевой угол смачивания. Под влиянием АlF3 краевой угол смачивания возрастает и достает максимальной величины у криолита. Дальнейшее увеличение содержания АlF3
практически не изменяет угол смачивания. Это показывает, что фтористый натрий (катион Na+) в системе NaF—АlF3 является поверхностноактивным веществом. Этим, в частности, объясняется хорошо известная из практики избирательная способность угольной футеровки поглощать из расплава фтористый натрий.
Растворенный в криолите глинозем уменьшает краевой угол смачивания на границе с твердой углеродистой поверхностью.
По данным Л. И. Беляева, уменьшение содержания глинозема в криолите с 15 до 5% (по массе) при 1000°С увеличивает краевой угол смачивания соответственно с 90 до 125°. Дальнейшее уменьшение содержания глинозема приводит к незначительному изменению краевого угла смачивания. В системе криолит—глинозем поверхностно-активным веществом на границе с твердой углеродистой поверхностью является глинозем (анион О2- ).
В системе твердая углеродистая поверхность—электролиз—металл смачивающей жидкостью является элекролит. Проникая под металл, электролит пропитывает угольную футеровку электролизера. В криолито-глиноземных расплавах наиболее поверхностно-активными компонентами на границе раздела электролит—углеродистый материал являются KF, NaF и Al2O3 .
Давление насыщенного пара компонентов системы NaF и АlF3 возрастает с увеличением содержания фтoристого алюминия, насыщенный пар которого обладает наибольшим давлением. При повышении концентрации АlF3 сверх его содержания в криолите наблюдается резкое повышение давления насыщенного napа, а чем оно выше, тем выше летучесть вещества.
Преимущественное улетучивание при электролизе фтористого алюминия приводит к потерям его и к изменению состава электролита. С повышением температуры летучесть расплава и, следовательно, его потери увеличиваются.
При увеличении содержания глинозема в системе криолит - глинозем давление насыщенных паров всех компонентов системы понижается. При 1000°С и содержании 15 % (по массе) Al2O3 н криолите сумма давлении паров всех компонентов этой системы составляет 482,5 Па (3,62 мм pт. ст.), что в 2 paзa ниже давления пара криолита.
Высокое давление насыщенных паров фторидов натрия и алюминия приводит к потере этих компонентов в процессе электролиза вследствие испарения. Давление насыщенною пара алюминия при температуpax процесса электролиза (950—970 °С) незначительно, следовательно, испарения алюминия, находящеюся под слоем электролит, практически не происходит.
§ 60. Промышленный электролит. Влияние различных добавок и примесей
Промышленный электролит обладает всеми свойствами криолито-глиноземного расплава как основной его части (рис. 100).
Вместе с тем в cocтaвa промышленного электролита, кроме криолито-глиноземного расплава, несколько обогащенного фтористым алюминием, входят различные добавки и примеси, поступающие с сырьем, которые в значительной мере изменяют свойства электролита.
Ранее упоминалось, что в состав промышленною электролита вместе с сырьем покупают CaF2 и оксиды различных химических соединений, а также частицы углеродистых материалов. Кроме того, для улучшения некоторых свойств криолито-глиноземного расплава в промышленный электролит вводят в виде добавок LiF, MgF2 и NaCl. В результате взаимодействия всех этих составляющих свойства промышленного электролита значительно отличаются от свойств криолито-глиноземного расплава
Наиболее детально свойства промышленных электролитов исследованы А. И. Беляевым, А. А. Костюковым, М. М Витюковым.
Измерением плавкости, плотности, вязкости и электропроводности установлена количественная разница между этими свойствами образцов промышленного электролита и свойствами соответствующих расплавов системы Na3AlF6— АlF3—Al2O3 при 1000 °С.
В процессе электролиза содержание примесей относительно постоянно —изменяется во времени на незначительную величину, как и содержание добавок к электролиту. Переменными величинами, от которых зависят свойства электролита при оптимальном режиме, являются концентрация глинозема и криолитовое отношение. При применении непрерывного питания электролизеров глиноземом концентрацию его в электролите можно принять постоянной. В этом случае влияние глинозема на свойства электро
лита будет практически одинаковым для электролита с различным криолитовым отношением.
Промышленный электролит, содержащий 5% (по массе) Al2O3 и 4 % (по массе) CaF2, в зависимости от изменения криолитового отношения от 2,1 до 2,7 обладает соответственно следующими свойствами: температура начала кристаллизации 935—960°С;
плотность 2,09—2,11 г/см3; вязкость 0,295—0,325 Па.с; удельная электропроводность 1,85—2,05 См/см. Если учесть, что перегрев электролита, необходимый для нормального протекания процесса, составляет 15°С, то рабочая температура электролита такого состава должна быть 950—975 °С.
В табл. 9 приведены полученные А. И. Беляевым значения некоторых физико-химических свойств промышленною электролита,
содержащею 4—6% (по массе) CaF2, в зависимости от содержания в нем глинозема и от криолитового отношения (К. О.).
Т а б л и ц а 9. Свойства промышленного электролита с 4—6% (по массе) CaF2 Al2O3 , % (по массе)
К. О. 8 5 1.3-2
Температура начала кристаллизации, ?С
2,8—2,6 945—940 960—955 975—970
2,6—2,4 910—935 955—950 970—965
2,4—2,3 935- 930 950—945 965—960
2,3—2,2 930—920 945—935 960—950
2,2—2,1 920—910 935—925 950—940
Плотность,* г/см3
2,7—2,4 2,105—2,085 2,110—2,090 2,125—2,105
2,4-2,1 2.085-2.050 2,090—2,065 2,105—2,075.
Вязкость * ?•10-3, Па.с
2,7—2,5 3,65-3,50 3,25—3,10 2,95 - 2,80
2,5—2,3 3,50—3,35 3,10—2,95 2,80—2,65
2,3—2,1 3,35—3,20 2,95—2,80 2,65—2,50
Удельная электропроводность,* См/см
2,7—2,5 1,85—1,75 2,05—1,95 2,25 – 2,15
2,5—2,3 1,75—1,65 1,95—1,85 2,15—2,05
2,3—2,1 1,65—1,55 1,85—1,75 2,05—1,95
* При рабочей температуре электролиза.
Более низкая электропроводность и повышенная вязкость промышленного электролита по сравнению с криолито-глиноземным расплавом соответствующего состава объясняется отрицательным влиянием примесей, поступающих с сырьем, и углеродистых частичек, всегда присутствующих в промышленном электролите. При содержании в электролите 0,5% (по массе) углерода снижается его электропроводное и, на 6—7% Обычно при нормальной работе в электролите содержится 0,05- 0,1 % (по массе) углерода.
Введение различных добавок в промышленные электролиты необходимо для снижения температуры ею плавления и улучшения других его физико-химических свойств Наиболее часто применяемые добавки CaF2, LiF, MgF2 и NaCl. Все эти добавки в большей степени, чем АlF3, снижают температуру плавления электролита, а это позволяет работать с криолитовым отношением 2,7-2,9, при котором значительно уменьшается летучесть компонентов электролита и повышается его электропроводность.
Наибольшее снижение температуры плавления электролитa (на 50-55 ?С) достигается добавлением LiF; NaCl снижает температуру плавления па 30-35°С, остальные добавки—на 20—25 °С.
Хлористый натрий и фтористый литий повышают электропроводность электролита. Фтористый кальций и в несколько меньшей степени фтористый магний повышают его плотность и вязкость, фтористый литий и хлористый натрий понижают плотность и вязкость.
Фториды кальция и особенно магния значительно повышают межфазное натяжение расплава на границе с углеродистой поверхностью за счет влияния неактивных ионов Mg2+ и Са2+, отчего уменьшается отрицательное воздействие от пропитки угольной футеровки.
Отрицательным свойством всех добавок является значительное уменьшение растворимости глинозема в электролите, что осложняет обслуживание электролизеров. Для создания приемлемых условии работы содержание отдельных компонентов или суммы добавок в промышленном электролите не должно превышать 10 % (по массе), что соответствует максимальной растворимости глинозема 8—10% (по массе). При введении добавок следует учитывать также, что в их присутствии скорость растворения глинозема в электролите уменьшается.
Присутствие в электролите NaCl снижает межфазное натяжение расплава на границе с углеродистой поверхностью.
§ 61. Напряжение разложения. Строение криолито-глиноземных расплавов
Напряжение разложения
Конечным результатом электролиза криолито-глиноземных расплавов является выделение на катоде алюминия, a на анодегазообразных оксидов углерода. Но чтобы провести электролиз, необходимо подвести к полюсам электролизера — аноду и катоду —напряжение, превышающее некоторую величину, называемую напряжением разложения Под напряжением разложения понимают разность между равновесными электродными потенциалами анода и катода.
В общем падении напряжения на действующем электролизере электрохимическая составляющая, т. е. напряжение разложения, достигает 30—40%; остальное приходится на омические потери (потери вследствие сопротивления прохождению тока).
Омическая составляющая напряжения состоит из потерь напряжения на преодоление электросопротивления электролита, анода и ошиновки.
Напряжение разложения глинозема зависит от материала, из которого изготовлен анод. При применении в качестве анода инертных к кислороду материалов напряжение разложения глинозема определяется свободной энергией реакции
Al2O3 ? 2 Al + 1,5O2. (1)
К таким материалам, известным в настоящее время, относятся: платина, ферриты и нитриды, высокая стоимость которых исключает возможность широкого применения их в промышленности.
На практике электролиз криолито-глиноземных расплавов осуществляется с применением анодов из углеродистых материалов.
В этом случае конечными продуктами анодного процесса являются СО2 и СО, а напряжение разложения глинозема определяется свободной энергией реакции:
2Al2O3+ЗС?4А1+ЗСО2; (2)
Al2O3 +ЗС?2А1+ЗСО. (3)
Результаты теоретических расчетов, подтвержденные измерением напряжения разложения глинозема, показали, что обратимое напряжение разложения при применении платиновых анодов при 1000 °С равно 2,19 для реакции (1). При использовании угольных анодов термодинамическими расчетами получены значения:
1,167 В для реакции (2) и 1,034 В для реакции (3).
Однако измеряемая электрохимическая составляющая падения напряжения на промышленных электролизеpax равна 1,3—1,6В. Объясняется это тем, что выделение СО2 и СО на угольном аноде испытывает затруднения, связанные с образованием и разложением промежуточных кислородуглеродных соединений. Для преодоления этих затруднений требуется более высокий положительный потенциал анода, а на электролизере —некоторое перенапряжение.
Величина перенапряжения зaвисит от температуры и состава электролита, плотности тока на аноде и концентрации глинозема в электролите. При повышении температуры перенапряжение уменьшается, при повышении анодной плотности тока, а также при понижении концентрации глинозема - возрастает.
Напряжения разложения AlF3, NaF, MgF2, LiF и СаF2, рассчитанные по термодинамическим данным (при Т=1300 К), равны соответственно, В: 3,97; 4,37; 4,61; 5,11 и 5,16. Поэтому эти вещества не подвергаются электрохимическому разложению при электролизе криолито-глиноземных расплавов.
Строение криолито-глиноземных расплавов
При изучении веществ вблизи температуры кристаллизации было обнаружено, что их cтрoeниe в твердом и жидком состояниях имеет много общею. Поэтому о некоторых свойствах расплавленных солей можно судить по строению их в твердом виде.
Ценные сведения о строении расплавов могут быть получены при исследовании их физико-химических свойств по диаграммам состав—свойство.
Как уже упоминалось ранее, в состав промышленного электролита могут входить следующие соединения Na3AlF6, NaF, А1F3, Al2O3, CaF2, МgF2, LiF и NaCl, а также примеси в виде оксидов различных элементов. Кристаллические решетки этих химических соединении nocтpoены из ионов. Пpocтыe ионы образуют в расплавах различные более или менее устойчивые группировки, или комплексные попы, находящиеся при данных условиях в динамическом равновесии с другими ионами расплава.
Исследование физико-химических свойств расплавов системы NaF—AlF6 указывает на существование комплексных ионов в жидкой фазе. Наиболее вероятными схемами диссоциации AlF3-6 могут быть: AlF3-6 ?Al3++6F- и AlF3-6 ? AlF4-+2F-.
Таким образом, расплавы системы NaF—А1Р3 состоят из ионов:
Na+, AlF3-6 , АlF4-, AlF3+ и F-.
Сравнительно высокая растворимость глинозема в расплавленном криолите, снижение плотности расплава при добавлении к криолиту оксида алюминия и другие факты свидетельствуют о том, что в расплавах системы Na3AlF6—Al2O3 происходит взаимодействие между компонентами с образованием комплексных ионов.
Связи между атомами алюминия и кислорода в кристаллах Al2O3— ионного типа, т. е. кристаллы Al2O3 состоят из ионов A13+ и О2-. В расплавах возможны и более сложные группировки-типа AlO2-, АlO+, Al2O4+ и АlO33-.
Фториды лития, кальция и магния вносят в расплав ионы Li+, Са2+, Mg2+ и дополнительное количество уже имеющихся ионов F-. При использовании добавок NaCl в электролите появляются ионы Na+ и C1-.
§ 62. Процессы, протекающие у электродов
Участие ионов в электродных процессах не следует смешивать с участием их в переносе тока. При электролизе криолито-глиноземных расплавов ток переносится всеми ионами: Al3+, Na+, АlO+, Са+, Mg2+, Li+, AlF3-6, AlF4-, F-, А1O2-, A1O33- и, возможно, другими. На электродах разряжаются ноны, обладающие наиболее положительным (катионы) или наиболее отрицательным (анионы) потенциалом разряда. В соответствии с величинами потенциалов разряда в процессе электролиза криолито-глиноземных расплавов на электродах должны разряжаться ноны Al3+ и О2.
Основным процессом на катоде является восстановление ионов трехвалентного алюминия: Аl3++Зе>A1.
Наряду с основным процессом возможен неполный разряд ионов алюминия с образованием субиона: Аl3++2е>A1+ .
Разряд одновалентных ионов алюминия происходит с выделением металла: Аl++е>A1.
В результат диффузии н конвекции электролита, а также окисления анодными газами уменьшается концентрация А1+ в прикатодном слое, а это способствует образованию субиона.
В конечном итоге эти процессы приводят к увеличению потерь тока на разряд Al3+ до Al+.
Установлено, что в криолитовом расплаве алюминии более электроположителен, чем натрии. Однако при относительно большой концентрации ионов натрия н высокой температуре электролита на катоде может происходить разряд ионов натрия с образованием металла или полувалентных ионов: Na++е>Na или 2Na++е>Na2+. Этот процесс также снижает выход металла, так как при его протекании ток расходуется бесполезно.
На аноде основным процессом является разряд кислородсодержащих ионов с образованием СО и СО2. Первичным анодным газом при электролизе криолито-глиноземных расплавов с угольным анодом является СО2. Но анализ состава анодных газов показывает, что они содержат до 60 % оксида углерода. Это обусловлено протеканием вторичных реакции:
2А1+ЗСО2=Al2O3 +ЗСО;
ЗАl+ + ЗСО2 = Al2O3 + ЗСО + Al3+ ;
2Na2+ + CO2 == Na2O + CO + 2Na+; С + СО2 == 2СО.
Основные потери электрического тока, а следовательно, и снижение производительности процесса при электролизе алюминия происходят из-за протекания трех первых реакции.
Современное представление о механизме явлений в анодном процессе при применении угольного анода исходит из того, что процесс горения состоит из стадии химической адсорбции кислорода на угле, образования промежуточных углерод-кислородных соединений СхОу, распада их на СО и СО2 и десорбции этих газов с поверхности анода.
Общим для всех углеродистых материалов, независимо от технологии их изготовления, является кристаллизация этих материалов
и форме гексагональных решеток, в узлах которых расположены атомы углерода. Активность различных точек на поверхности кокса угольного анода далеко не одинакова. Места с наибольшим нарушением правильности решетки самые химически активные,и в этих местах происходит хемосорбция1 кислорода; на наименее активных участках наблюдается физическая адсорбция1. Хемосорбированный кислород как бы раздвигает слои решетки графита. В таких условиях нельзя говорить о каком-либо определенном составе углерод-кислородных соединении. В общем виде их
можно обозначить как СхОу, имея в виду, что соотношение индексов х и у является функцией времени, температуры, природы угольного электрода, плотности тока и некоторых других факторов. В этих соединениях связи кислорода с углеродистой решеткой во времени перераспределяются, и процесс завершается формированием и десорбцией газообразных оксидов углерода.
При повышении плотности тока или при снижении концентрации кислородсодержащих ионов анод может запассивироваться до потенциала, достаточного для разряда фторсодержащих ионов. Тогда наряду с основным процессом на аноде начнется их разряд:
4F-+C>CF4+4е или 4AlF63- +3C> 4A1F3+ЗСF4+ 12е.
Эти процессы наблюдаются во время возникновения анодного эффекта, который характеризуется практически мгновенным повышением напряжения от 4,1—4,3. В при нормальном состоянии процесса электролиза до 35—60 В. При этом на границе соприкосновения анода с электролитом возникают мельчайшие искровые разряды. Возникновение анодного эффекта связано со снижением концентрации глинозема, так как при растворении его в электролите анодный эффект прекращается. При анодном эффекте в отходящих газах концентрация CF4 доходит до 30%. Отмечено, что с увеличением напряжения анодного эффекта концентрация фтористого углерода возрастает.
Анодные эффекты отрицательно влияют на технико-экономические показатели процесса электролиза алюминия, приводя к повышению расхода электроэнергии, угольного анода и фтористых солеи, снижению производительности электролизера, к необходимости создания специальных систем по стабилизации тока и создания резерва напряжения на преобразовательных подстанциях. Однако анодные эффекты позволяют контролировать работу алюминиевых электролизеров.
Существуют различные мнения о причинах возникновения анодного эффекта и о механизме этого процесса. Установлено, что падение напряжения во время анодного эффекта сосредоточено на поверхности раздела анод—электролит. Наступление анодного эффекта заключается во внезапном повышении сопротивления на этой границе. В настоящее время можно считать общепризнанным, что при наступлении анодного эффекта образуется газовая пленка, отделяющая анод от электролита. Известно, что при снижении напряжения анодный эффект не всегда исчезает быстро. Основной
____________________ 1Хемосорбция — поглощение одних веществ другими, при котором частицы поглощаемого вещества и поглотителя химически взаимодействуют. Адсорбция — поглощение веществ из растворов или газов поверхностью твердого тела или жидкости.
причиной возникновения устойчивой газовой пленки к наступления анодного эффекта является изменение смачиваемости анода электролитом, связанное с изменением состояния его поверхности.
Анодный эффект возникает в системе, состоящей из трех фаз:
твердой (анод), жидкой (расплав) и газообразной (пузырьки выделяющегося на аноде газа). Следовательно, в этой системе действуют три вида межфазных натяжении: ?т.г (электрод—газ), ?ж.г (расплав—газ) и ?т.ж (электрод—расплав), соотношение между которыми определяют степень смачиваемости анода расплавом. Для смачиваемости анода необходимо соблюдение неравенства: ?т.г> ?ж.г + ?т.ж
Смачиваемость угольного электрода характеризуется краевым углом смачивания 0, который зависит от этих трех типов межфазных натяжении:
cos 0 = (?т.г - ?т.ж)/ ?ж.г
Уменьшение краевого угла 0 под влиянием того или иного фактора свидетельствует об улучшении смачивания электрода расплавом, увеличение же 0 указывает на ухудшение смачивания.
Исследованиями, проведенными X. Вайтенбергом и А.И. Беляевым, установлено, что поверхностное натяжение ?ж.г практически не зависит от состава газовой фазы.
Наиболее убедительным объяснением причины наступления анодного эффекта следует признать гипотезу В. П. Машовца и Ю. Н. Александрова, которые на основе изучения электрохимических процессов, протекающих на аноде, и явлении взаимодействия выделяющегося на аноде газа с материалом анода показали, что причиной наступления анодного эффекта является образование на поверхности анода соединения типа СхFу. Когда 'поверхность анода полностью покроется таким соединением, наступает резкое ухудшение смачиваемости вследствие изменения ?т.ж и ?т.г . Эта гипотеза подтверждается наличием соединения типа CхFy в отходящих газах, отобранных во время анодного эффекта, а также высокими электроизоляционными свойствами галогенуглеродных соединений и плохой их смачиваемостью.
Рассматривая процессы, протекающие на электродах при электролизе криолито-глиноземных расплавов, можно констатировать,
что единственным расходуемым при электролизе компонентом электролита является глинозем. Заметный разряд других ионов, таких, как Na+ и F-, а следовательно, и значительный расход их могут происходить только при отклонениях от нормальных условий протекания процесса. К нарушениям нормальных условий электролиза можно отнести: повышение температуры и напряжения процесса, значительные отклонения состава электролита от оптимального, продолжительные анодные эффекты.
Большое влияние на эффективность процесса электролиза оказывает взаимодействие алюминия с криолито-глиноземным расплавом и связанные с этим потери катодного металла. Это взаимодействие происходит в результате химических реакции металла с расплавом с образованием соединений низшей степени окисления — субсоединений.
Под растворимостью металла в расплавленной соли обычно понимают количество металла, которое при данной температуре переходит в солевой расплав, находящийся в равновесии с жидим металлом. Характер взаимодействия расплавленных солей с металлом зависит от активности присутствующих в расплаве компонентов. Различают два типа взаимодействия металла с расплавленными солями.
Первый тип—металл взаимодействует со своей солью или смесью солей, в которой присутствует его катион. При этом в результате реакции образуются субсоединения. В случае взаимодействия алюминия с криолито-глиноземным расплавом протекает реакция А1F3+2A1 ?ЗA1F.
Второй тип —металл взаимодействует с расплавленной солью другого металла. Для криолито-глнноземного расплава такое взаимодействие выражается реакцией 3NaF+Al ? 3Na+AlF3.
Очевидно, что при избытке NaF больше вероятность взаимодействия второго тина, а при избытке A1F3 — первого. Доказано, что протекание как первого, так и второго типа взаимодействия облегчается в присутствии углерода. Минимум потерь алюминия при этом отмечается в расплаве с криолитовым отношением около 2,0.
Растворимость алюминия в криолито-глиноземном расплаве составляет десятые доли грамма на 100 г. расплава, однако потери металла при электролизе значительны, так как растворенный металл непрерывно окисляется анодными газами, и равновесие приведенных реакций сдвигается вправо.
Некоторое количество алюминия попадает в расплав в результате отрыва частиц катодного металла под действием гидродинамических усилий. Основную же массу катодного алюминия, растворяющегося в расплаве, поставляет реакция разложения субфторида ЗA1F=A1F3+2A1.
Переход металла в солевую фазу с образованием раствора в большей степени возможен для натрия из-за высокого давления его насыщенного пара.
Таким образом, механизм потерь металла при электролизе кролито-глиноземных расплавов представляется как четырехсталийный процесс: 1) реакция взаимодействия на границе металлэлектролит; 2) молекулярная диффузия продуктов взаимодействия через прикатодный слой; 3) конвективный перенос через толщу электролита; 4) взаимодействие продуктов растворения с анодными газами.
Исследованиями влияния различных факторов на потери алюминия при электролизе криолито-глиноземных расплавов установлено, что с повышением температуры процесса растворимость алюминия и, следовательно, потери его возрастают. В присутствии добавок фторидов кальция и магния к электролиту потери алюминия уменьшаются. Здесь наряду с уменьшением растворимости алюминия в расплаве играет роль и увеличение его вязкости под влиянием фторидов, что затрудняет перенос растворенного металла к поверхности расплава и уменьшает его окисление анодными газами.
Растворимость алюминия в электролите уменьшается с повышением поверхностного натяжения на границе металл—электролит.
§ 63. Величины, характеризующие процесс электролиза
Количество алюминия, выделяющееся при электролизе криолито-глиноземных расплавов, в соответствии с законами Фарадея
определяется зависимостью: m=0,336/?/1000, ??е m—количество алюминия, выделяющееся при электролизе, кг; 0,336 (точнее, 0,33577)—электрохимический эквивалент алюминия, г/(А.ч); I— сила тока, А; ?—время протекания процесса, ч.
Выход по току—коэффициент полезного использования тока;
определяется как отношение количества алюминия, выделившегося в процессе электролиза, к количеству алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея. Обычно выход по току (?т) выражается в процентах и характеризуется зависимостью ?т=Р?100/m, где Р—количество алюминия, выделившегося в процессе электролиза (производительность электролизера), кг; m—количество алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея, кг.
Подставив в это выражение значение m, получим ?т=P•1000x100/(0,336/?).
Отсюда производительность электролизера, кг: ;
Р==0,336/? ?г/1000 • 100==0,336/? ?г •10-5.
Величина выхода по току зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени не удалось разработать достаточно
надежного и простого метода непосредственного измерения выхода но току на промышленном электролизере. Чтобы найти выход по току за определенный промежуток времени, необходимо знать количество металла в электролизере на начало и конец исследуемого периода.
Известно несколько методов определения выхода по току: метод индикаторов, по составу выделяющихся газов, по составу и объему выделяющихся газов. Для вычисления выхода по току этими методами предложен целый ряд уравнений.
Метод индикаторов основан на добавлении к алюминию, находящемуся в шахте ванны, в качестве индикатора известного количества другого металла (меди) или радиоактивного элемента (изотопа золота) и на определении изменения содержания введенного металла или степени радиоактивности за конкретный промежуток времени.
В случае применения в качестве индикатора другого металла выход по току вычисляют по уравнению
?г= m (100—С) (С1 —С2) 105<0,336/? (?2 -С) (С1 —С)
где m—количество введенного металла в качестве индикатора, кг; С—начальная концентрация индикатора в алюминии, %; С1— суммарная концентрация индикатора в алюминии в начале измерения, %; С2—суммарная концентрация индикатора в алюминии
после проведения электролиза в течение ? ч, %; I—сила тока, А. При применении в качестве индикатора радиоактивного изо-
топа выход по току определяется из уравнения
где А — количество алюминия, вылитого из электролизера за время tч, кг; Qл и Q'л — масса введенной в алюминии радиоактивной лигатуры соответственно в начале и конце измерения, г;
nл—удельная активность лигатур в начале измерения, имп/(мин.г); nм — удельная активность пробы алюминия в начале измерения, инп/(мин.г); п'л—удельная активность введенной в алюминий лигатуры в конце измерения, имп/(мин.г); nкм=удельная активность пробы алюминия в конце измерения, имп/(мин.г); nнм—удельная активность пробы алюминия в начале измерения (до введения лигатуры), имп/(мин.г); I—сила тока, А.
Для определения выхода по току по составу отходящих газов А. А. Костюковым предложена зависимость:
?r=(NCO2+nCO2)(1-K+ 4а)/2,
где NCO2 —объемная доля СO2 в анодных газах; nCO2 —доля СО2, исчезающего по реакции Н2+СО2=Н2О+СО, за вычетом доли СО2, появляющейся при окислении СО кислородом воздуха и анода; К—доля потерь алюминия (тока), не связанная с окислением алюминия CO2; а—расход кислорода но реакции С+СО2=2СО, моль/Кл.
Определение выхода по току по составу и объему выделенных анодных газов производят по уравнению
?r = К (100 + % СО2) VP/[I?(273 + t)],
где К=859,54•10-8; %CO2—содержание углекислого газа в анодных газах; V—объем выделенных газов (CO2+CO) при давлении Р, Па, и температуре t, °С за время ? ч, м3; Р—атмосферное давление, Па; I — сила тока, А.
Выход по энергии W, или удельный расход электроэнергии, определяется расходом электроэнергии на единицу массы алюминия, кВт.ч/т:
W=IUср?/P,
где I—сила тока, A; Ucp—среднее напряжение электролизера, В; Р—производительность электролизера, т.
Подставляя значение Р и производя соответствующие упрощения, получаем выражение удельного расхода электроэнергии:
W =Uср105/ (0,336?т).
В практике часто пользуются обратной величиной, называемой выходом и выражаемой в граммах на киловатт-час (условно она
называется также выходом по энергии). Эта величина выражает количество алюминия, выделяемого 1 кВт.ч электроэнергии постоянного тока, г/(кВт.ч):
На промышленных электролизерах в зависимости от их конструктивных особенностей и условий технологического режима выход составляет от 60 до 70 г/(кВт-ч). Чем выше выход по току и чем ниже среднее напряжение на электролизере, тем эффективнее расходуется электрическая энергия при производстве алюминия.
§ 64. Влияние различных факторов на выход по току
При промышленном электролизе криолито-глиноземных расплавов выход по току при нормальном технологическом режиме составляет 82—92%. Основные потери металла связаны с протеканием вторичных и побочных химических и электрохимических процессов, о чем говорилось ранее.
Основными факторами, от которых зависит выход по току, являются: температура процесса, расстояние между электродами (междуполюсное расстояние), плотность тока, состав электролита, высота (уровень) слоя технологического алюминия в шахте ванны, электромагнитные силы, конструкция, геометрические размеры и система обслуживания электролизера.
Установлено, что повышение температуры процесса электролиза - криолито-глиноземного расплава на 10 градусов приводит :
к снижению выхода но току на 2—3 %. Результаты многочисленных исследований показывают, что оптимальная температура процесса на промышленных электролизерах 945—965 °С.
Расстояние между нижней поверхностью анода электролизера и поверхностью алюминия в шахте ванны называют междуполюсным расстоянием. В промышленных электролизерах при нормальной технологии это расстояние 4—6,5 см. Известно, что с увеличением междуполюсного расстояния повышается выход по току.
Однако одновременно возрастает падение напряжения в электролите, что приводит к увеличению расхода электроэнергии. При междуполюсном расстоянии менее 4 см резко снижается выход по току в результате возрастания интенсивности вторичных процессов.
В алюминиевом электролизере различают три вида плотности тока: анодную (dа — в сечении анода, катодную dк—определяемую площадью поверхности жидкого алюминия, и среднюю D—в сечении электролита. Средняя плотность тока представляет coбoй среднеквадратичную величину анодной и катодной плотностей тока:
Анодная плотность тока промышленного электролизера всегда несколько выше катодной. При постоянных условиях протекания процесса электролиза с увеличением катодной плотности тока выход по току повышается.
Для определения зависимости выхода по току oт плотности тока и междуполюсного расстояния Г. А. Абрамовым предложено уравнение: ?г == K1/Dl, где K - коэффициент зависящий oт температуры, состава электролита, формы и конструкции электролизера; D—средняя плотность тока, А/см2; l—междуполюсное расстояние, см.
Анализируя приведенное выражение при неизменных температурных условиях, а также конструктивных и технологических параметрах, легко убедиться, что с возрастанием плотности тока до определенных пределов происходит увеличение выхода по току, а затем наблюдается его снижение.
Промышленные электролизеры современных конструкций в зависимости от мощности (силы тока) и выбранных параметров технологического процесса работают на анодной плотности тока 0,6—1,1 А/см2. С увеличением мощности электролизера (силы тока) оптимальная анодная плотность тока снижается.
Влияние состава электролита на выход по току определяется свойствами компонентов, входящих в его состав. Следует подчеркнуть, что на выход по току наиболее существенное влияние оказывают такие свойства электролита, как температура плавления, растворимость в нем алюминия и электропроводность. Чем ниже температура плавления электролита, тем при более низкой температуре можно вести процесс электролиза и, следовательно, иметь повышенный выход по току. Поэтому криолитовое отношение промышленных электролитов необходимо поддерживать в пределах 2,6—2,8 при содержании в нем суммы добавок не выше 10 %.
При снижении растворимости алюминия в электролите уменьшается вероятность протекания вторичных процессов, что способствует увеличению выхода по току. Повышение электропроводности создает при прочих равных условиях возможность проведения процесса с увеличенным междуполюсным расстоянием, а это тоже увеличивает выход по току.
Особо следует остановиться на отрицательном влиянии оксидов некоторых металлов, дающих несколько степеней окисления (ванадий, читай, фосфор и др.). Установлено, что наличие таких оксидов в виде примесей к промышленному электролиту даже в небольших количествах приводит к значительному снижению выхода по току. В связи с этим в стандартах на сырье, применяемое в производстве алюминия, отмечены необходимые ограничения. Так, в частности, ГОСТом па глинозем предусмотрено содержание примеси P2O5 не более 0,002 %.
Высота слоя технологического алюминия в шaxте электролизера оказывает определенное влияние па выход по току при прочих равных условиях и всегда принимается во внимание при подборе технологических параметров процесса. Чем выше интенсификация процесса (плотность тока) при одинаковых конструктивных размерах электролизера, тем большим должен быть уровень жидкого металла. Технологический металл способствует выравниванию теплового поля под анодом электролизера за счет высокой теплопроводности алюминия и отвода тепла через боковые стороны
катодного устройства Уменьшение уровня металла при прочих равных условиях приводит к снижению выхода по току.
Хороню известно, что при прохождении постоянного тока через проводник возникают электромагнитные поля, которые вызывают искривления поверхности жидкого алюминия в электролизере, а это приводит к снижению выхода по току. На электролизеры большой мощности (свыше 100 кА) электромагнитные явления оказывают такое отрицательное влияние, что для его устранения приходится пpинимaть специальные меры. Более подробно о путях устранения влияния электромагнитных полей на показатели рабoты электролизера рассказано в следующей главе.
Влияние на выход по току таких факторов, как конструктивные особенности и геометрические размеры электролизера, способы его обслуживания, обусловлено влиянием этих факторов на анодную и (особенно) катодную плотности тока. Практика эксплуатации электролизеров с предварительно обожженными анодами показывает, что при прочих равных условиях выход но току при работе на электролизерах этой конструкции выше, чем на электролизерах с самообжигающимся анодом. Это, очевидно, объясняется лучшими условиями теплоотдачи и более равномерным температурным полем в междуэлектродной зоне.
2. (54) КАТОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
(57) Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому получению алюминия, к катодным устройствам электролизеров для получения алюминия. Техническим результатом является повышение срока службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому получению алюминия, к катодным устройствам электролизеров для получения алюминия.
Известно катодное устройство алюминиевого электролизера, состоящее из металлического кожуха, набивной подины и катодных стержней, выполненных в виде сборных пакетов шин, у которых величина шага между шинами соответствует шагу раскладки шин в рабочей зоне катодного устройства, а концы шин в местах выхода пакетов из кожуха объединены в общий контактный узел (Авторское свидетельство СССР N 270254, С 22 D 3/02, С 22 D 3/12, опубл. 08.05.70 г.).
Недостатком такого катодного устройства является его малый срок службы, который связан, прежде всего, с использованием на-бивной подины, имеющей малый срок службы. Малый срок службы набивной подины объясняется тем, что, во-первых, такая подина после ее набивки имеет низкую плотность, поскольку в процессе набивки такой подины невозможно создать достаточные усилия для необходимого уплотнения подовой массы. Во-вторых, в процессе обжига такой подине вы-деляется большое количество газа, который разрыхляет структуру спекающейся подины, уменьшая тем самым ее плотность, что, в свою очередь, снижает ее механические характеристики. В-третьих, для качественного обжига угольных материалов необходимы соответствующие условия, в частности температура выше 1000°С и неокислительная атмосфера, что невозможно создать при изготовлении набивной подины в алюминиевых электролизерах.
Помимо малого срока службы катодного устройства, связанного с использованием набивной подины, малый срок службы такого катодного устройства связан еще и с тем, что при выполнении катодных стержней в виде сборных пакетов шин, у которых величина шага между шинами соответствует шагу раскладки шин в рабочей зоне катодного устройства, а концы шин в местах выхода пакетов из кожуха объединены в общий контактный узел, не обеспечиваются условия для создания необходимой формы рабочего пространства, характеризующейся обязательным наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, и при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом. Невозможность создания таких условий формирования рабочего пространства объясняется тем, что при использовании указанных катодных стержней не обеспечивается необходимый отвод тепла от зоны электролита и зоны металла. Отсутствие по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, может привести к разрушению футеровки, проникновению расплава к металлическому кожуху и к его прорыву из шахты катодного устройства алюминиевого электролизера.
Кроме того, малый срок службы набивной подины, а следовательно, и катодного устройства связан еще и с тем, что при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы из-за различных значений температурных расширений набивной подины и заделанных в подину во время ее набивки катодных стержней, выполненных в виде сборных пакетов шин, возникают усилия, способные вызвать деформацию катодных стержней, образование полостей и трещин в подине и ее разрушение.
Наиболее близким к заявленному является катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее металлический катодный кожух прямоугольной формы, подину, выполненную из размещенных перпендикулярно продольной оси элек-тролизера подовых блоков с катодными стержнями, закрепленными в них посредством чугунной заливки или заделки специальной угольной массой и выведенными через продольные стороны катодного кожуха, и боковую футеровку (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. -М.: Металлургия, 1971, с. 186-206).
По сравнению с набивной подиной подина, выполненная из подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями, так называемая сборно-блочная подина, имеет более высокий срок службы.
Однако несмотря на более высокий срок службы указанной подины, недостатком такого катодного устройства является то, что при использовании подины, выполненной из размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера подовых блоков с закрепленны-ми в них и выведенными через продольные стороны катодного кожуха катодными стерж-нями, не обеспечиваются условия для создание необходимой формы рабочего пространства, характеризующейся, как уже было отмечено выше, обязательным наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, к при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом. При выполнении подины из размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями, выведенными через продольные стороны ка-тодного кожуха, обеспечивается более интенсивный отвод тепла по продольным сторонам катодного устройства, нежели по его торцевым сторонам. Более интенсивный отвод тепла от зоны электролита и зоны металла по продольным сторонам катодного устройства обеспечивается благодаря наличию выведенных через продольные стороны катодного кожуха катодных стержней, имеющих высокую теплопроводность. При этом отвод тепла обеспечивается благодаря охлаждению воздухом выведенных из катодного кожуха частей указанных катодных стержней. Более интенсивный отвод тепла по продольным сторонам катодного устройства способствует образованию устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадаю-щей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров по указанным сторонам катодного устройства. При этом же торцевые стороны катодного устройства находятся в более худших условиях с точки зрения формирования рабочего пространства ввиду отсутствия элементов, способствующих интенсивному отводу тепла и формированию устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей по-довой настыли в зоне металла по указанным сторонам катодного устройства, причем достаточных размеров. Отсутствие по торцевым сторонам катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров может привести к разрушению футеровки в указанной части катодного устройства, проникновению расплава к металлическому кожуху и к его про-рыву из шахты катодного устройства алюминиевого электролизера.
Помимо малого срока службы катодного устройства, связанного с различными условиями формирования рабочего пространства по его продольным и по его торцевым сторонам, недостатком такого катодного устройства является то, при использовании подины, выполненной из размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера подовых блоков с закрепленными в них и выведенными через продольные стороны катодного кожуха катодными стержнями, усилия от температурного расширения каждого закрепленного в подовом блоке катодного стержня, от температурного расширения самого подового блока и от расширения подового блока в результате проникновения в него натрия, суммируются и действуют в продольном осевом направлении алюминиевого электролизера от его центра к его торцевым сторонам. При этом в худшем положении оказываются крайние подовые блоки подины, поскольку именно на них приходится максимальное суммарное усилие от температурного расширения каждого закрепленного в подовом блоке катодного стержня, от температурного расширения самих подовых блоков и от расширения подовых блоков в результате проникновения в них натрия. При этом это усилие приходится на боковые грани указанных подовых блоков, причем неравномерно по длине подового блока. Особенно это проявляется при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы. Воздействие указанного усилия на боковые грани крайних подовых блоков подины приводит к развороту указанных блоков. В результате этого возникают напряжения, способные вызвать образование трещин в указанных подовых блоках и их разрушение, а также способные вызвать образование трещин в футеровке катодного устройства в результате давления на нее указанных подовых блоков и закрепленных в них катодных стержней при их развороте. То, что максимальное усилие приходится именно на крайние подовые блоки подины, видно из того, что при эксплуатации алюминиевых электролизеров в первую очередь развернуты катодные стержни крайних подовых блоков. Помимо возможности образования трещин в указанных подовых блоках и образования трещин в футеровке возможно замыкание катодных стержней на катодный кожух при их развороте вместе с указанными подовыми блоками, что также отрицательно сказывается на сроке службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Учитывая недостаточность размеров защитного гарнисажа в зоне электролита и подовой настыли в зоне металла по торцевым сторонам катодного устройства, возможность образования трещин в крайних подовых блоках подины и их разрушения в результате воздействия на них усилий, возникающих от температурного расширения катодных стержней, закрепленных в других подовых блоках, от температурного расширения самих этих подовых блоков и от расширения этих подовых блоков в результате проникновения в них натрия, а также возможность образования трещин в футеровке катодного устройства в результате давления на нее крайних подовых блоков при их развороте из-за воздействия на их боковые грани указан-ных усилий, еще в большей степени повышает вероятность преждевременного выхода из строя катодного устройства алюминиевого электролизера.
В основу изобретения положена задача создания конструкции катодного устройства алюминиевого электролизера, обеспечивающей условия для создания необходимой формы рабочего пространства, характеризующейся обязательным наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, и при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом, за счет выравнивания условий формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства, а также обеспечивающей преобразование усилий, возникающих при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы в результате термического расширения катодных стержней, термического расширения подовых блоков, а также в результате расширения подовых блоков из-за проникновения в них натрия, и действующих на крайние подовые блоки подины, из поперечных, действующих на боковые грани крайних подовых блоков, в продольные, действующие вдоль продольной оси указанных блоков, что позволит повысить срок службы катодного устройства алюми-ниевого электролизера.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в катодном устройстве алюминиевого электролизера, включающем металлический катодный кожух прямоугольной формы, подину, выполненную из подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями, и боковую футеровку, одна часть подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями размешена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая -параллельно продольной оси электролизера, при этом для образования по всей периферии катодного устройства защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадаюшей подовой настыли в зоне металла, катодные стержни, размещенные перпендикулярно продольной оси электролизера, выведены через продольные стороны катодного кожуха, а катодные стержни, закрепленные в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, выведены через торцевые стороны катодного кожуха.
Выполнение подины из подовых блоков, одна часть которых размещена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая - параллельно про-дольной оси электролизера, и при этом вывод катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, через продольные стороны катодного кожуха, а катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размешенных параллельно продольной оси электролизера, через торцевые стороны катодного кожуха, обеспечивает создание не-обходимой формы рабочего пространства, характеризующейся обязательным наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, и при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом, за счет выравнивания условий , формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства, что позволяет повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Размещение части подовых блоков подины катодного устройства параллельно продольной оси электролизера и вывод закрепленных в них катодных стержней через торцевые стороны катодного кожуха обеспечивает формирование по торцевым сторонам катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров. формирование по торцевым сторонам устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров обеспечивается благодаря выводу закрепленных в подовых блоках катодных стержней через торцевые стороны катодного кожуха. При этом выведенные через торцевые стороны катодного кожуха катодные стержни благодаря своей высокой теплопроводности служат средством, обеспечивающим интенсивный отвод тепла от зоны электролита и зоны металла по торцевым сторонам катодного устройства, что и способствует образованию по указанным сторонам катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров. Наличие по торцевым сторонам катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, предохраняет футеровку указанных сторон катодного устройства от разрушения. При этом размещение части подовых блоков перпендикулярно продольной оси электролизера и вывод закрепленных в них катодных стержней через продольные стороны катодного кожуха обеспечивает формирование по продольным сторонам катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и устойчивой крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров.
Таким образом, выполнение подины из подовых блоков, одна часть которых размещена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая - параллельно продольной оси электролизера, и при этом вывод катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, через продольные стороны катодного кожуха, а катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, через торцевые стороны катодного кожуха, обеспечивает выравнивания условий формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства и создание необходимой формы рабочего пространства по периферии шахты катодного устройства. Наличие по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров предохраняет футеровку катодного устройства от разрушения, что и позволяет повысить срок его службы.
Кроме того, следует отметить, что помимо защитных функций гарнисаж в зоне электролита и подовая настыль в зоне металла служат теплоизоляцией и играют роль своеобразного терморегулятора алюминиевого электролизера; при увеличении степени перегрева электролита над температурой его плавления их толщина будет уменьшаться и - увеличиваются тепловые потери за счет уменьшения теплового сопротивления боковых стенок и, наоборот, при снижении степени перегрева электролита их размеры будут возрастать и будет увеличиваться тепловое сопротивление. Это способствует улучшению теплового режима алюминиевого электролизера.
Помимо выравнивания условий формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства выполнение подины из подовых блоков, одна часть которых размещена перпендикулярно продольной оси электроли-зера, а другая -параллельно продольной оси электролизера, и при этом вывод катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, через продольные стороны катодного кожуха, а катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, через торцевые стороны катодного кожуха, обеспечивает преобразование усилий, воз-никающих при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы в результате термического расширения катодных стержней, термического расширения подовых блоков, а также в резуль-тате расширения подовых блоков из-за проникновения в них натрия, и действующих на крайние подовые блоки подины, из поперечных, действующих на боковые грани указанных подовых блоков, в продольные, действующие вдоль продольной оси указанных блоков.
При размещении части подовых блоков подины катодного устройства параллельно продольной оси электролизера и выводе закрепленных в них катодных стержней через торцевые стороны катодного кожуха усилия, возникающие при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в на-чальный период его работы в результате термического расширения катодных стержней, закрепленных в расположенных перпендикулярно продольной оси электролизера подовых блоках, термического расширения указанных подовых блоков, а также в результате расширения этих подовых блоков из-за проникновения в них натрия, приходятся не на боковые грани крайних подовых блоков, а на их внутренние торцевые грани и действуют в направлении продольной оси указанных подовых блоков, что исключает их разворот при действии на них указанных усилий. Исключение разворота крайних подовых блоков способствует сохранению целостности футеровки и указанных подовых блоков подины и тем самым повышению срока службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Помимо исключения разворота крайних подовых блоков при размещении крайних подовых блоков подины катодного устройства параллельно продольной оси электролизера и выводе закрепленных в них катодных стержней через торцевые стороны катодного кожуха вышеуказанные усилия, приходящиеся на боко-вые грани крайних подовых блоков при их размещении перпендикулярно продольной оси электролизера, действуют теперь на внутренние торцевые грани крайних подовых блоков и распределяются по нескольким размещенным параллельно продольной оси электролизера крайним подовым блокам, уменьшая тем самым действие вышеуказанных усилий на каждый размещенный параллельно продольной оси крайний подовый блок, что также способствует повышению срока службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Таким образом, благодаря выполнению подины из подовых блоков, одна часть которых размещена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая параллельно продольной оси электролизера, и при этом вывод катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, через продольные стороны катодного кожуха, а катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, через торцевые стороны катодного кожуха, обеспечиваются условия для создания необходимой формы рабочего пространства, характеризующейся наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого за-щитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла достаточных размеров при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом, за счет выравнивания условий формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства, а также обеспечивается сохранение целостности футеровки и крайних подовых блоков подины за счет преобразования усилий, возникающих при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы в результате термического расширения катодных стержней, закрепленных в расположенных перпендикулярно продольной оси электролизера подовых блоках, термического расширения указанных подовых блоков, а также в результате расширения этих подовых блоков из-за проникновения в них натрия, и действующих на крайние подовые блоки подины, из поперечных, действующих на боковые грани крайних подовых блоков, в про-дольные, действующие вдоль продольной оси указанных блоков, что и позволяет повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено катодное устройства алюминиевого электролизера, вид в плане.
Катодное устройство алюминиевого электролизера включает металлический катодный кожух 1 прямоугольной формы, подину, выполненную из подовых блоков 2 с закрепленными в них и выведенными через продольные и торцевые стороны катодного кожуха 1 катодными стержнями 3, и боковую футеровку 4. При этом одна часть подовых блоков 2 размещена перпендикулярно продоль-ной оси электролизера, а другая -параллельно продольной оси электролизера, при этом катодные стержни 3, закрепленные в подовых блоках 2, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, выведены через продольные стороны катодного кожуха 1, а катодные стержни 3, закрепленные в подовых блоках 2, размещенных параллельно продольной оси электролизера, выведены через торцевые стороны катодного кожуха 1.
Монтаж катодного устройства алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.
После сборки и установки катодного кожуха 1 его днище внутри выравнивается слоем шамотного заполнителя, на который затем осуществляется кладка цоколя. Кладка цоколя производится, как правило, из нескольких нижних рядов пенодиатомитового кирпича и нескольких верхних рядов шамотного кирпича. После чего поверхность кирпичной кладки цоколя покрывается слоем подовой массы, на который затем в соответствии с проектом устанавливаются подовые блоки 2 с закрепленными в них катодными стержнями 3. Закрепление катодных стержней 3 в подовых блоках 2 производится при помощи чугунной заливки или заделки угольной массой. Часть подовых блоков 2 размещается перпендикулярно продольной оси электролизера двумя рядами с выводом закрепленных в них катодных стержней 3 через продольные стороны катодного кожуха 1, а часть подовых блоков 2 размещается параллельно продольной оси электролизера с выводом закрепленных в них катодных стержней 3 через торцевые стороны катодного кожуха 1. При этом количество подовых блоков 2, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, и количество подовых блоков 2, размещенных параллельно продольной оси электролизера, определяется исходя из размеров шахты катодного устройства алюминиевого электролизера и размеров подовых блоков 2. Так, например, при длине шахты катодного устройства 9400 мм и ее ширине 3900 мм и при использовании подовых блоков 2 сечением 550х420 мм количество подовых блоков 2, расположенных в два ряда перпендикулярно продольной оси электролизера равно 22 по 11 в каждом ряду, а количество подовых блоков 2, расположенных параллельно продольной оси электролизера, равно 12 по 6 на каждую торцевую сторону катодного устройства. После установки подовых блоков 2 производится кладка так называемой бровки, представляющей собой кладку шамотного кирпича вдоль стенок катодного кожуха. Последующей операцией является монтаж бо-ковой футеровки 4. Боковая футеровка 4 вы-полняется из боковых блоков. Завершающей и самой ответственной операцией монтажа катодного устройства является набойка швов между подовыми блоками 2 и периферийных швов между подовыми блоками 2 и боковой футеровкой 4.
Такая конструкция катодного устройства алюминиевого электролизера, благодаря выполнению подины из подовых блоков, одна часть которых размещена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая '-параллельно продольной оси электролизера, и при этом вывод катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, через продольные стороны катодного кожуха, а катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, через торцевые стороны катодного кожуха, обеспечивает условия для создания необходимой формы рабочего пространства, характеризующейся обязательным наличием по периферии шахты катодного устройства устойчивого защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла, причем достаточных размеров, и при отсутствии осадка и настыли на подине под анодом, за счет выравнивания условий формирования рабочего пространства по продольным и торцевым сторонам катодного устройства, а также обеспечивает сохранение целостности футеровки и крайних подовых блоков подины за счет преобразования усилий, возникающих при нагреве в период обжига и пуска алюминиевого электролизера и в начальный период его работы в результате термического расширения катодных стержней, закрепленных в подовых блоках, расположенных перпендикулярно продольной оси электролизера, термического расширения указанных подовых блоков, а также в результате расширения этих подовых блоков из-за проникновения в них натрия, и действующих на крайние подовые блоки подины, из поперечных, действующих на боковые грани крайних подовых блоков, в продольные, действующие вдоль продольной оси указанных блоков, что позволяет повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера.
Формула изобретения
Катодное устройство алюминиевого электролизера, включающее металлический катодный кожух прямоугольной формы, подину, выполненную из подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями, и боковую футеровку, отличающееся тем, что одна часть подовых блоков с закрепленными в них катодными стержнями размещена перпендикулярно продольной оси электролизера, а другая - параллельно продольной оси электролизера, при этом для образования по всей периферии катодного устройства защитного гарнисажа в зоне электролита и крутопадающей подовой настыли в зоне металла, катодные стержни, закрепленные в подовых блоках, размещенных перпендикулярно продольной оси электролизера, выведены через продольные стороны катодного кожуха, а катодные стержни, закрепленные в подовых блоках, размещенных параллельно продольной оси электролизера, выведены через торцевые стороны катодного кожуха.
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУ |
540 |
|
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт. |
135 |
|
|
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней |
t |
8 |
|
Длительность планового ремонта, дней |
T |
365 |
|
Число электролизёров в ремонте, шт. |
3 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
539 |
|
Сила тока, А |
I |
176500 |
|
Выход по току, % |
η |
88,3 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,252 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,506 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
15233 |
|
|
Количество алюминия 3 серий, т/год |
M = N*m*T |
245398,26 |
3.1 Расчет производственной программы
На основании расчётных данных производственная часть приведена в таблице 4
Таблица 4 – План производства алюминия-сырца на силу тока 168 кА.
Список использованных источников
1. Троицкий И.А. Железнов В.А. 2-е издание, дополненное и переработанное Металлургия алюминия. М.: Металлургия – 1984 .
2. Минцис М.Я., Поляков П.В. Электрометаллургия алюминия. – Новосибирск: Наука, 2001
3. Сушков А.И., Троицкий И. А. Металлургия алюминия. – М.: Металлургия – 1965.
4. Янко Э.А. Производство алюминия в элекрализерах с верхним токоподводом. – М.: Металлургия – 1976.
5. Деев П.З. техника безопасности в производстве алюминия. – М.: - Металлургия – 1978.
6. Инструкция по охране труда для работающих в подразделениях ОАО «КрАЗ», ИОТ №1-04, ОАО «КрАЗ», 2004.
7. Инструкция о мерах пожарной безопасности ЦЗЛ.
8. Технико-экономический вестник “Русского алюминия”, №12, сентябрь 1998
9. Сборник нормативных документов по ОТ и ТБ ОАО КрАЗ