Основы расчета алюминиевого электролизера

Введение

 

Алюминии — химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Устойчивых изотопов алюминии не имеет.

Алюминий имеет электронную  конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На третьем (внешнем) энергетическом уровне атома алюминия находятся три электрона, и в химических соединениях алюминии обычно трехвалентен. Из трех валентных электронов два расположены на s-подуровне и один на p-подуровне (3s²3p¹).

Так как один p-электрон с ядром атома связан слабее, чем два спаренных s-электрона, то в определенных условиях, теряя p-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом, образуя соединения низшей валентности (субсоединения). Кристаллизуется алюминии в гранецентрированной кубической решетке.

Алюминий химически активен. Уже  в обычных условиях он взаимодействует  с кислородом воздуха, покрываясь очень  тонкой и прочной пленкой оксида Al₂S₃. 
 Эта пленка защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает его довольно высокую коррозионную стойкость, а также ослабляет металлический блеск. Чем чище алюминий, тем выше его стойкость против коррозии, что объясняется более прочным сцеплением оксидной пленки с поверхностью чистого металла. Из присутствующих в алюминии примесей наиболее сильно снижают его коррозионную стойкость примеси железа.

Температура плавления алюминия технической  чистоты (99,5 % А1) 658°С. 
 С повышением степени чистоты температура плавления алюминия возрастает и для металла высокой чистоты (99,996 % А1) составляет 660,24°С. Удельная теплота плавления алюминия—около 390 Дж/г, удельная теплоемкость при 0°С—0,88 Дж/(г°С). При переходе алюминия из жидкого состояния в твердое объем его уменьшается на 6,6 % (99,75% А1). Кипит алюминий при 2500 °С.

Следует отметить, что удельная теплота плавления алюминия по сравнению с другими металлами очень высока; например, удельная теплота плавления меди 205 Дж/г, железа 273 Дж/г.

В твердом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резанию. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу.

Пластичность алюминия возрастает по мере повышения, его чистоты. Временное  сопротивление литого алюминия технической  чистоты составляет 88—118 Па, прокатанного 176—275 Па. Относительное удлинение  соответственно равно 18—25 и 3—5 %, а твердость по Бринеллю НВ 235—314 и 440—590.

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность. В зависимости  от чистоты теплопроводность алюминия составляет 238 Вт/(м°С) (99,7% А1) и 247 Вт/(м°С) (99,99% А1). Электропроводность алюминия также зависит от его чистоты. Для алюминия технической чистоты (99,5 % А1) она составляет 62,5 % от электропроводности меди, а для алюминия высокой чистоты (99,997% А1) 65,45 %. Различные примеси влияют на электропроводность алюминия в неодинаковой степени. Наиболее сильно электропроводность снижают примеси хрома, ванадия и марганца. В меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки. Отрицательное влияние деформации на электропроводность устраняется отжигом. Удельное электросопротивление отожженной проволоки из алюминия технической чистоты (99,7% А1) составляет (0,0279-0,0282)*10^-6 Ом*м.

Следует также отметить, что алюминий обладает высокой способностью отражать световые и тепловые лучи, которая близка к отражающей способности серебра и увеличивается с повышением чистоты металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание  конструкции электролизера

 

 

1.1 Общая характеристика  алюминиевых электролизеров

Электролизные ванны 80-х годов прошлого столетия и электролизеры, применявшиеся в промышленности вплоть до конца 20-х—начала 30-х годов нашего столетия, были малой мощности (до 10 кА), с блочными предварительно обожженными анодами, периодического действия. Анодная плотность тока на таких электролизерах составляла 6,5—1,4 А/см², а расход электроэнергии на производство алюминия 80000—25000 кВт*ч/т. С 30-х годов нашего столетия начинается новый этап развития конструкции электролизных ванн.

Еще в начале 20-х годов  в электрометаллургии начали внедряться непрерывные самообжигающиеся электроды (по патенту Зодерберга), были сделаны первые попытки использовать принцип устройства таких электродов в алюминиевой промышленности. Однако устройство непрерывных самообжигающихся анодов с токоподводом по принципу непрерывных самообжигающихся электродов электропечей (посредством прижимных контактных плит) не дало желаемых результатов в алюминиевой промышленности. Значительное падение напряжения в прижимном контакте, которое не имеет решающего значения в условиях работы электродов в электропечах, крайне неблагоприятно при эксплуатации алюминиевых электролизеров.

В различных странах, в том числе и Советском  Союзе, были проведены большие экспериментальные  работы по изысканию конструкции  непрерывного электрода (анода) для нужд алюминиевой промышленности. В результате появилась система токоподвода при помощи штырей, забиваемых и неспеченную зону тела анода сбоку—так называемая система бокового токоподвода к самообжигающимся анодам. Эту систему начали внедрять в промышленность с начала 30-х годов, и, постепенно совершенствуясь, она стала конкурировать с системой обожженных анодов. Совершенствование электролизеров с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым токоподводом связано, прежде всего, с увеличением единичной мощности (силы тока) электролизеров и с отказом от первоначальных двух- и трехэлектродных конструкций в пользу сохранившейся до настоящего времени одноэлектродной конструкции анодной системы, что обеспечило широкое применение электролизеров этого типа в производстве алюминия вплоть до 50-х годов.

На рисунке 1.1.1 схематично представлена конструкция современного электролизера этого типа. В настоящее время работают промышленные серии электролизеров с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом на силу тока от 60 до 140 кА. Анодная плотность тока электролизеров этой системы составляет 0,7—1,0 А/см², расход электроэнергии от 22,0 до 14,5 тыс. кВт*ч/т.

Переход на электролизеры  с самообжигающимися анодами  способствовал ускорению и удешевлению производства алюминия, так как из технологической схемы были исключены дорогостоящие переделы прессования и обжига анодов. На начало 1980 г. около 15 % алюминия производилось в электролизерах с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом.

Переход на применение электролизеров повышенной мощности (свыше 160 кА) с непрерывными самообжигающими анодами привел к разработке другой системы токоподвода — при помощи штырей, запекаемых в анод сверху. Электролизеры с анодным устройством такой системы, известные под названием электролизеров с верхним токоподводом, стали широко применяться в промышленности с пятидесятых годов нашего века. Эта система токоподвода позволила увеличить единичную мощность электролизеров и значительно упростить их обслуживание, что обеспечило рост производительности труда. На рисунке 1.1.2 дана схема современной конструкции электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. С 50-х до 70-х годов подавляющее большинство вновь вводимых электролизных корпусов в алюминиевой промышленности оборудовалось электролизерами этого типа. Единичная мощность таких электролизеров составляла от 100 до 165 кА плотность тока 0,6—0,75 А/см², расход электроэнергии 14,2— 15,5 кВт ч/т. К началу 1980 г до 26 % алюминия производилось в электролизерах с верхним токоподводом.

Наряду с развитием  и внедрением систем электролизеров с неnpepывными самообжигающимися  анодами постоянно продолжались работы в направлении модернизации и совершенствования системы  предварительно обожженных анодов. Этому  способствовало развитие автоматизированного производства крупногабаритных анодных блоков, позволившее снизить стоимость и улучшить 
качество анодов. В результате создания автоматизированных линий монтажа и демонтажа анодов, а также создания механизмов для обслуживания анодного узла значительно coкратились тpyдовые затраты при работе на электролизерах с обожженными анодами. Главное же в конструкции таких электролизеров—дальнейшее увеличение единичной мощности при резком сокращении 
вредных выделений в атмосферу, особенно канцерогенных веществ, образующихся в результате коксования самообжигающихся анодов. Возросшие требования к улучшению условий труда и охране природы сделали конструкцию электролизеров с предварительно обожженными анодами наиболее перспективной.

В настоящее время работают серии электролиза на силу тока от 50 до 250 кА, оборудованные электролизерами с предварительно обожженными анодами. Имеются опытные электролизеры на силу тока свыше 260 кА, при этом плотность тока в анодном массиве составляет 1,1—0,65 А/см², а расход электроэнергии 13,8—15 кВт ч/т. На рисунке 1.1.3 представлена схема современной конструкции электролизера с самообжигающимися анодами. Начиная с середины 70-х годов, большинство вновь вводимых электролизных корпусов оборудуется электролизерами этого типа. 

 

 

 

Рисунок 1.1.1 – Схема  конструкции с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом:

                    1 – катодное устройство; 2 – анодное  устройство; 3 – анодная ошиповка; 4 – механизм перемещения        анода; 5 -  укрытие шторного типа; 6 – токоподводящие штыри.

Рассматривая совершенствование  конструкции алюминиевых электролизеров за весь период развития алюминиевой  промышленности, можно сделать основной вывод, что доминирующим на всех его  этапах является рост единичной мощности агрегата при одновременном сокращении трудовых затрат на его обслуживание, снижении расхода электроэнергии, улучшении условии труда и уменьшении вредных промышленных выбросов в окружающую среду. При выборе той или иной конструкции электролизеров для нового алюминиевого завода в первую очередь учитывают эти факторы.

Рассматривая различные  системы конструкции электролизеров, легко убедиться, что все они  практически состоят из аналогичных  узлов катодного и анодного устройства, системы газоулавливания и системы  ошиновки.

В процессе развития электролитического производства алюминия с увеличением  единичной мощности электролизеров увеличивались его размеры и  совершенствовались конструктивные элементы: катодное и анодное устройство, система  газоулавливания, токоподвод (ошиновка), а также конструкция подъемных механизмов и другие конструктивные узлы.

Современные алюминиевые  электролизеры по конструкции катодного  устройства подразделяют на электролизеры  с днищем и без днища, с набивной и блочной подиной; по способу  токоподвода _ с односторонней и двусторонней схемой ошиновки; по способу улавливания газов—на электролизеры открытого типа, с колокольным газоотсосом и укрытого типа. К неудовлетворительным свойствам всех существующих конструкций алюминиевых электролизеров следует отнести недостаточно высокий коэффициент использования электроэнергии, непродолжительный срок их службы и недостаточную эффективность улавливания отходящих газов. Дальнейшее совершенствование конструкции электролизеров должно идти по пути увеличения его единичной мощности, механизации и автоматизации всех операций обслуживания, полного улавливания всех отходящих газов с последующей регенерацией их ценных компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1.2 – Схема  конструкции электролизера с самообжигающимися анодом и верхним токоподводом:

1 – катодное устройство; 2 – анодное устройство; 3 – горелка  газосборной системы; 4 – анодная  ошиновка; 5 – механизмы перемещения  анодного устройства; 6 – газосборный  колокол; 7 – токоподводящие штыри.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1.3 - Схема конструкции  электролизера с предварительно обожженными анодами:

1 – катодное устройство; 2 – анодная ошиновка; 3 – механизмы  перемещения анодного устройства; 4 – анодный блок; 5 – газосборное  укрытие.                    

1.2 Катодное  устройство

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено  для создания условий, необходимых  для протекания процесса электролиза  в криолитно-глиноземном расплаве. Поскольку электролиз идет в весьма агрессивной среде при 950—1000°С, катодное устройство должно быть устойчиво к действию расплавленных фтористых солей; обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, чтобы до минимума сократить потери тепла, быть электропроводным в зоне протекания процесса и иметь надежную изоляцию во избежание утечек тока; иметь достаточно жесткую конструкцию, способную выдержать напряжения, возникающие от протекания физико-химических реакций; обеспечивать продолжительную работоспособность между ремонтами и мобильность при замене в целях сокращения простоя электролизера в ремонте. На рисунок 1.2.1 приводится схема катодного устройства современного электролизера.

Катодное устройство представляет собой заключенную  в металлический кожух шахту  либо выложенную угольными блоками, либо набитую углеродистой массой. Между кожухом и угольной футеровкой размещены теплоизоляционные материалы, как правило, шамотный кирпич или шамотная засыпка. Угольная футеровка монтируется на цоколе из теплоизоляционных материалов. Такая футеровка стойка против воздействия криолитового расплава и сравнительно хорошо проводит ток, что особенно важно, так как подина служит катодом электролизера. Во время работы электролизера расплавленный алюминий и электролит проникают в толщу теплоизоляционных материалов, вызывая в них физикохимические превращения, приводящие к возникновению значительных деформирующих напряжений. Для защиты шахты от разрушающего действия этих напряжений служит металлический кожух. Существует два вида катодных кожухов: с металлическим днищем и без него.