Угольные аноды и другие углеродистые материалы.

Содержание

Введение........................................................................................................................................ 3

1. Общая часть............................................................................................................................ 4

1.1. Выбор места строительства............................................................................................ 4

1.2. Характеристика сырья..................................................................................................... 5

1.2.1. Глинозем............................................................................................................................. 5

1.2.2. Фтористые соли................................................................................................................. 7

1.2.3. Анодная масса................................................................................................................... 8

1.2.4. Угольные аноды и другие углеродистые материалы................................................ 8

1.3. Теоретические основы электролиза............................................................................ 9

1.3.1. Процесс электролиза........................................................................................................ 9

1.3.2. Побочные процессы на катоде.................................................................................... 12

1.3.3. Побочные эффекты на аноде....................................................................................... 13

1.3.4. Основные показатели процесса электролиза.............................................................. 15

1.3.5. Основные свойства криолитоглиноземного расплава.............................................. 19

1.4. Выбор конструкции электролизера............................................................................. 22

1.5. Характеристика конструкции электролизера с обожженными анодам.......... 23

1.5.1. Катодное устройство........................................................................................................ 24

1.5.2. Анодное устройство......................................................................................................... 28

1.5.3.Ошиновка электролизера................................................................................................. 30

1.6. Признаки нормальной работы электролизера......................................................... 34

2. Специальная часть …………………………………………………………………...38

3. Технологические расчё т……………………………………………………………...44

3.1. Материальный баланс......................................................................................................... 44

3.2. Конструктивный расчет...................................................................................................... 46

3.2.1. Анодное устройство......................................................................................................... 47

3.2.2. Катодное устройство........................................................................................................ 49

3.3. Электрический баланс электролизера............................................................................. 53

3.3.1. Падение напряжения в обожженном аноде................................................................ 55

3.3.2. Падение напряжения в катодном устройстве............................................................. 59

3.3.3. Падение напряжения от анодных эффектов................................................................ 60

3.3.4. Падение напряжения в ошиновке электролизера...................................................... 61

3.4. Энергетический баланс....................................................................................................... 65

3.5. Расчет серии.......................................................................................................................... 72

4. Техника безопасности и охрана окружающей среды................................................ 75

5. Характеристика товарной продукции............................................................................ 77

Литература................................................................................................................................... 78

 

Введение

Алюминий — химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде. По содержанию в земной коре он занимает первое место среди металлов — 8,13 % и третье место после кислорода и кремния. По данным академика А.Е. Ферсмана, насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преи­мущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, и бо­лее 40 % из них относится к алюмосиликатам.

Первые неудачные попытки выделения алюминия в свободном виде были предприняты английским химиком Гемфри Деви в 1810 г. Впервые металлический алюминий выделил в 1825 г. датский физик Ганс Кристиан Эрстед, а уже в 1854 г. француз Анри Сент-Клер Девиль, используя работы Эрстеда и Фрид­риха Вёлера, начал его коммерческое производство. По спосо­бу русского ученого Н.Н. Бекетова в г. Гмелингеме (Германия) в 1885 г. построен завод, где за пять лет произведено 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства алюминия, полученного химическим путем за период с 1854 по 1890 г.

Производство алюминия химическим способом не могло обеспечить промышленность дешевым и достаточно чистым металлом. Положение коренным образом изменилось после организации промышленного производства электроэнергии и передачи ее на дальние расстояния. История многотоннажного промышленного производства алюминия начинается с 1886 г., когда Поль Эру (Франция) и Чарльз Холл (США) почти одновременно предложили полу­чать алюминий электролизом глинозема в расплавленном криолите. С этого времени новый способ производства алю­миния начал широко развиваться, чему способствовали совер­шенствование технологии получения алюминия и прогресс в электроэнергетике. Производство алюминия методом электролиза криолитоглиноземного расплава впервые было орга­низовано Ч. Холлом в г. Кенсингтоне близ Питтсбурга (США) в ноябре 1888 г. В небольшой мастерской были установлены две ванны, работавшие на токе 1800 А и производящие 22,5 кг алюминия в сутки.

В 1888 г. во Франции было основано Металлургическое общество (Societe Electrometallurgique), которое приобрело па­тент П. Эру. Вскоре начал работать небольшой завод Фрож в департаменте Изер, а в 1893 г. под руководством П. Эру пущен большой завод в Ла Пра в Савойях.

Общая часть

Выбор места строительства

Выбор места строительства осуществляется при разработке схемы развития цветной металлургии. Исходя из общих принципов развития промышленности и особенностей отрасли, составляется календарный план и генеральный подрядчик.

Основными закономерностями размещения объектов являются:

1) Равномерное размещение производственных сил на территории страны и региона;

2) Приближение предприятий к источникам сырья, топливоэнергитическим ресурсам и районам потребления готовой продукции;

3) Специализация и комплексное развитие хозяйства.

Металлургические заводы материалоемкие производства, поэтому транспортные расходы могут быть настолько большие, что определяют экономическую эффективность строительства таких заводов у источников сырья. Предприятия, включающие электролиз, являются энергоемкими объектами, поэтому их выгодно строить в районах, с достаточным количеством дешевой электроэнергии. Корпус для получения алюминия электролизом входит в состав алюминиевого завода и при выборе места строительства учитывается рельеф местности, который должен быть завышенным, чтобы избежать скопления вредных газов.

Состояние грунта определяет капитальные затраты на строительство фундаментов промышленных зданий и оборудования. На территории Хакасии грунт преимущественно песчано-гравийный, что предполагает достаточные прочностные характеристики фундамента при вертикальной нагрузке.

Горизонт грунтовых вод должен проходить на достаточной глубине, не позволяющей проникнуть влаге к фундаменту корпусов. Для отвода грунтовых вод используют систему водопонижения и, при проектировании объекта учитывается удобство стоков технической воды.

Особое внимание уделяется постоянному направлению ветров, чтобы избежать попадания вредных выбросов в жилые районы.

Территория завода размещается на расстоянии 4-5 километров от населенного пункта. Исходя из этих требований проектируем электролизный корпус в районе СаАЗа, то есть северо-западнее г. Саяногорска. Предлагаю привлекать рабочие руководящие кадры СПТ и КГАЦМиЗ.

Характеристика сырья

Глинозем.

Электролиз алюминия является материалоемким процессом. В качест­ве основного сырья для производства алюминия используется глинозем, который должен соответствовать требованиям ГОСТ 6912.

В глиноземе, потребляемом при электролизе алюминия, должно быть минимальное содержание окислов железа, кремния и других более электроположительных элементов, так как, выделяясь вместе с алюминием на катоде, они ухудшают качество алюминия-сырца. Нежелательно присутс­твие в глиноземе окислов щелочных и щелочноземельных металлов, так как они взаимодействуют с фтористым алюминием электролита, разлага­ют его, изменяя состав электролита. Повышенное содержание окислов калия отрицательно сказывается также и на сроке службы угольных подин электролизеров.

Глинозем должен содержать минимальное количество влаги, которая с AlF₃. образует вредный для здоровья HF (фтористый водород), кото­рый, улетучиваясь из электролита, загрязняет атмосферу цеха и тем самым повышает расход дорогостоящего AlF₃.

Физические свойства глинозема (текучесть, насыпная масса, ско­рость растворения в электролите и др.) в значительной степени зави­сят от температуры его прокалки. Содержания альфа-модификации в гли­ноземе характеризует степень прокалки глинозема: чем выше температу­ра прокалки, тем выше содержание этой модификации. Присутствие в тех­ническом глиноземе 15 - 25% α -Аl₂O₃ обуславливает его хорошую устойчивость против насыщения влагой (что особенно важно при транспортировке и длительном хранении; и необходимую скорость растворения его в расплавленном электролите. Растворимость зависит от крупности частиц глинозема и степени его прокалки; чем крупнее частицы и силь­нее прокален глинозем, тем хуже он растворяется. Очень мелкий глино­зем также нежелателен, поскольку он сильно пылит, плохо смачивается электролитом, комкуется и поэтому имеет невысокую скорость растворе­ния.

Другой важной характеристикой глинозема является текучесть. Силь­но прокаленный глинозем с высоким содержанием α - модификации плохо течет, иногда зависает в бункерах и течках. Это связано с тем, что частицы имеют на поверхности мелкие выступы (шерохова­тость), которые придают им высокую сцепляемость. Слабо прокален­ный глинозем, наоборот, сильно течет, плохо держится на корке эле­ктролита. Кроме того, такой глинозем содержит много влаги. Наилуч­шим является глинозем крупностью частиц 30-60 мкм. Он хорошо рас­творяется в электролите и в то же время не поглощает много влаги.

Большое значение для достижения высоких технико-экономических показателей расхода электроэнергии при электролизе имеют высокие утепляющие свойства глинозема. При утеплении обожженных анодов вы­соким слоем глинозема значительно снижаются тепловые потери через верх электролизера, и уменьшается падение напряжения в анодном узле. Поэтому при эксплуатации электролизеров с обожженными анода­ми необходимо использовать глинозем с высоким углом естественного откоса (выше 40°), который может быть засыпан на поверхность элек­тролита слоем большой высоты.

Глинозем представляет собой белый порошок с насыпной массой и 0,9 - 1,1 г/см³. Качество глинозема, применяемого для получения алюминия электролизом, должно соответствовать требованиям, приведенным в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Марка	Потери при прокаливании, %, не более	Примеси, %, не более			Содержание α – Al2O3, %, не более
		SiO2	Fe2O3	K2O + Na2O в пересчете на Na2O
Г – 00	0,8	0,02	0,03	0,4	30
Г – 0	1,0	0,03	0,05	0,5	25
Г – 1	0,9	0,05	0,05	0,5	30
Г – 2	0,9	0,08	0,03	0,5	30
Г – 3	0,9	0,10	0,05	0,5	30
Г – 4	1,1	0,20	0,08	0,6	25

Фтористые соли.

Расплавленной средой, в которой осуществляется электролиз алю­миния, служит криолит Na₃AlF₆ или 3NaF * AlF₆. Криолит встречает­ся в природе, но распространен ограниченно, поэтому используют в электролизе в основном искусственный технический криолит в виде некристаллического порошка белого или серого цвета, который слегка комкуется при сжатии и имеет насыпную массу 0,8 - 1,0 г/см³.

Искусственный технический криолит выпускают двух марок K-1 и К-2. Свежий криолит марки К-1 для получения алюминия должен содержать %: не менее 54 F, 13 AI, 30 Na, и не более 0,9 SiO₂, 0,1Fe₂O₃, 1,2 сульфатов, 0,8 влаги.

Производимый в настоящее время криолит имеет повышенное содер­жание фтора и криолитовое отношение 1,6 - 2,1 в связи с тем, что электролит алюминиевых ванн имеет также "кислый" состав (криоли­товое отношение 2,5 - 2,8). Криолит добавляют в ванну в количес­тве 10 - 20 кг на 1т алюминия для восстановления потерь электро­лита, связанных в основном с его улетучиванием.

В период эксплуатации в электролит добавляют фтористый алюми­ний, фтористый натрии, фтористый кальции, окись магния и хлорис­тый натрий.

Основной из них после криолита является фтористый алюминий. Содержание алюминия и фтора в этой соли находится в отношении 27: 57. Фтористый алюминий - белый или слабо розовый, легко рассыпа­ющийся и пылящий порошок, с насыпной массой 0,7 - 0,9 г/см и плотностью 2,9 г/см³. Получают его из гидроокиси алюминия и пла­виковой кислоты. Технический фтористый алюминий должен соответст­вовать требованиям, приведенным ниже: % не менее 64,5 F, 31,5 AI, не более 0,5 SiO₂ + Fe₂O₃, 1,3 сульфатов, 6,5 влаги.

При электролизе алюминия преимущественно в пусковой период рас­ходуется фтористый натрий NaF. Его получают из плавиковой кисло­ты и соды. Фтористый натрий ядовит, очень гигроскопичен, поэтому его упаковывают в бочки, т.е. герметично. Все эти соли добавляют в небольших количествах: 1-2 кг на 1 т алюминия.

В процессе электролиза, помимо свежих фтористых солей, широко используются флотационный и регенерированный криолиты, полученные из удаляемой из электролитов при технологическом обслуживании электролизеров угольной пены, из растворов, поглощающих в газоочист­ных сооружениях выделяющиеся в процессе электролиза фтористый во­дород и соли, и из отходов демонтируемой футеровки электролизеров.

Процесс электролиза.

Электролитом для производства алюминия служит расплав криоли­та с растворенным в нем глиноземом (криолитоглиноземный рас­плав). Процесс ведут при переменных концентрациях глинозема (2-8% по массе). При концентрации 1% и меньше возникает анод­ный эффект при промышленных плотностях тока. Система криолит-глинозем является простой эвтектической, но процесс растворе­ния глинозема в криолите не является чисто физическим. Криолитоглиноземные расплавы состоят из ионов Na⁺ и оксифторидных анионов:

Na₃АlF₆ + Al₂O₃ ↔ 3NaAlOF₂ ↔ 3Na⁺ + 3AlOF^-₂,                                               т.е. происходит изменение в окружении ионов Al³⁺: часть ионов F^- заменяется на ионы О^2-, чему способствует небольшое рас­хождение в размера кристаллических решеток (r_F-= 1,ЗЗА; r₀-₂ = 1,32A).

С ростом концентрации глинозема растет число оксифторидных комплексов и повышается доля ионов О^2- в окружении ионов Al³⁺. Перенос тока на 99% осуществляется ионами Na⁺.

Катодный процесс сводится к разрушению оксифторидных ионов, выделению алюминия и накоплению в прикатодном слое ионов F^- и O^2-.

3АlOF₂^- + 6е ↔ 2Аl + 6F^- + Аl^3-.

В результате переноса тока к катоду подошло 6Na⁺ и 3Nа⁺ осталось от диссоциации 3NaАlF₂, поэтому изменение состава можно представить в следующей форме:

9 Nа⁺ + 6F^- + АlO₃^3- ↔ 6NаF + Na₃AlO₃.

Но на практике молекул этих соединении не получается, а накапливаются соответствующие ионы.

Расплавленный алюминии при температуре электролиза (950-960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера.

На аноде подвергаются разряду ионы О^2-, получающиеся в ре­зультате разрушения оксифторидных ионов, и накапливаются кати­оны Аl³⁺ и анионы F^-:

3АlOF₂^- - 6e → 1,5O₂ + 3AI³⁺ + 6F^-.

Малоподвижные анионы AlOF₂^- практически не участвуют в переносе тока и остаются у анода. Если в результате переноса из анодного слоя ушло 6Nа⁺, то осталось 6AlOF₂^- три из них разрядилось, а три осталось. Вместе с избыточными ионами Al³⁺ и F^- эти оксифторидные ионы дают комбинацию ионов, которую можно рассматривать как молекулы фтористого алюминия и глинозема:

3АlOF₂^- + 3Аl³⁺ + 6F^- ↔ 4АlF₃ + Al₂O₃.

В условиях перемешивания анолита и католита избыток фтористо­го натрия и алюмината натрия на катоде и фтористого алюминия на аноде исчезает:

6NaF + NaAlO₃ + 4AlF₃ ↔ 3Na₃AlF₆ + Al₂O₃.

Единственным результатом процесса в условиях нормального техно­логического процесса является исчезновение одного моля глинозема.

Аноды при электролизе угольные. Поэтому разряжающийся кисло­род не выделяется в свободном виде, а окисляет углерод анода с образованием СО₂ через стадию хемосорбции.

Существование на аноде хемосорбированного кислорода приводит к тому, что парциальное давление кислорода на аноде становится выше, чем упругость диссоциации СО₂ на углерод и кислород. В этих условиях первичным газом может быть только СО₂ Если бы образовалось СО, оно немедленно окислилось бы избыточным хемосорбированным кислородом до СО₂. На практике же, анодные газы промышленных электролизеров со­держат в среднем 60% СО₂ и 40% СО. Такое изменение состава газа происходит в результате вторичных реакций:

а) взаимодействие первичного СО₂ с углеродом анода

С + СО₂ ↔ 2СО;

б) восстановление СО₂ растворенным в электролите алюминием в виде субфторидов натрия и алюминия (субионы - это соеди­нения алюминия низшей валентности):

3A1F + 3СО₂ ↔ Аl₂O₃ + AlF₃ + 3CO;

3Na₂F + 1,5СО₂ ↔ 1,5Na₂O + 3NaF + 1,5CO.

Известно, что равновесие реакции а) при температуре элек­тролиза сильно сдвинуто вправо - в равновесной газовой смеси содержание СО достигает 98%. То что в смеси анодных газов со­держание СO не достигает равновесного, объясняется тем, что эта реакция идет лишь в порах и трещинах анода (вне зоны поляриза­ции). Кроме того СО₂ взаимодействует с угольной пеной, взвешен­ной в электролите, а с боковыми гранями анода, выступающими из электролита.

Основное влияние на состав газа оказывают реакции восстановле­ния углекислого газа субфторидами алюминия и натрия. Известно, что с повышением температуры содержание СО₂ в анодных газах пада­ет, а СО повышается. Это связано с увеличением скорости образования Na₂F и AlF и переноса их от катода к аноду.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена следующим уравнением:

Аl₂O₃ + XC = 2Al + (3 – X) CO₂ + (2X – 3) CO.

Коэффициент X подчеркивает переменный характер расхода углерода, который зависит от многих факторов: гидродинамики электролита (т.е. зависимости между передвижением заряженных частиц и дей­ствующими на них силами в условиях расплавленного электролита), состояния и свойств анода, состава и температуры электролита, минимальный расход углерода на один грамм-атом алюминия получает­ся при Х=1,5, максимальный - при Х=3.

Таким образом, теоретически в процессе электролиза расходуется только глинозем и углерод, а также электроэнергия, необходимая не только на разложении глинозема, но и для поддержания высокой рабочий температуры электролиза, На практике же расходуется и не­которое количество криолита и других фтористых солей вследствие испарения и впитывания в футеровку.

Нормальный процесс электролиза характеризуется следующими технологическими параметрами:

Рабочее напряжение на ванне, В                             4,0 - 4,5

Межполюсное расстояние, см                                 4 - 5,5

Температура электролита, °С                                  950 - 965

Уровень металла после выливки, см                       20 - 30

Криолитовое отношение электролита                    2,5 - 2,8

Уровень электролита, см                                          15 - 20

Высокий уровень металла поддерживают из соображения усиленного теплоотвода от центра анода к периферии, что способствует вырав­ниванию температур под анодом и увеличивает общие потери тепла электролизером. Кроме того слои металла необходим для защиты подины от проникновения натрия. Но очень большие уровни металла невыгодны с точки зрения повышения количества металла в незавер­шенном производстве. При этом образуются осадки, настыли на подине, что приводит к повышению напряжения в контакте алюминий – подина.

Криолитовое отношение электролита поддерживается на основании данных, кристаллооптического анализа путем введения добавок фторис­тых солей на корку электролита. Контроль за ходом электролиза осуществляется с помощью вольтметра, установленного на каждой ванне, периодическим замером уровней металла и электролита, хи­мическим и кристаллооптическим анализами электролита и замера­ми его температуры.

При электролизе алюминия параллельно с основным процессом идут побочные, причем многие из них осложняют нормальный ход электролиза, приводят к снижению выхода алюминия, повышают рас­ход электроэнергии, снижают стойкость футеровочных материалов.

Катодное устройство.

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено для создания условий, необходимых для протекания процесса электролиза. К катодному устройству предъявляются следующие требования:

1. должно быть устойчиво к действию расплавленных фтористых солей;

2. обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами;

3. быть электропроводным в зоне протекания процесса;

4. иметь надежную изоляцию во избежание утечек тока;

5. иметь достаточно жесткую конструкцию;

6. обеспечивать продолжительную работоспособность между ремонта­ми.

Катодное устройство представляет собой шахту, выложенную уголь­ными плитами. Глубина шахты (400 – 600 мм) зависит от единичной мощности электролизера, геометрических размеров анода и типа применяемого катодного кожуха. Внутренние размеры шахты в плане зависят от геометрических размеров анода или анодного массива.

Катодный кожух.

В подине ванны развиваются большие усилия, связанные с высокой температурой и с пропиткой угольных блоков расплавом. Поэтому для обеспечения длительного срока службы электролизера катодный кожух должен иметь большую механическую прочность. Он изготавли­вается из листовой стали и из сваренных между собой двутавровых или швеллерных балок.

По устройству кожуха различают два вида катодного устройства: с кожухом без днища и с кожухом с днищем.

Кожух с днищем выполнен в виде короба, сва­ренного из стальных листов толщиной 10 - 12мм. Для увеличения прочности снаружи к нему приварены горизонтальные пояса жест­кости, изготовленные из швеллеров или двутавров. Кожух ус­тановлен на продольные и поперечные двутавровые балки, кото­рые смонтированы на бетонных стойках (колоннах), установленных на первом этаже корпуса электролиза. Для придания кожуху необходимой прочности с боковых сторон его укрепляют стальными вертикаль­ными балками – КОНТРФОРСАМИ, которые крепятся к корпусу с помощью шпилек. Один конец шпильки вставлен в отверстие контрфорса и закреплен гайкой, другой конец приварен к днищу кожуха, нижние концы противоположных контрфорсов расперты железобетонной балкой, которая препятствует повороту контрфорса под действи­ем усилий, вызываемых деформацией кожуха от химико-термического воздействия. Обвязка кожуха контрфорсами выполнена с таким интер­валом, что расстояние между ними - ШАГ - принимается равным или кратным расстоянию между катодными стержнями блюмсами, число их зависит от длины ванны.

Кожухи с днищем применяются для электролизеров большой мощности с верхним токоподводом или обожженными анодами, так как такие кожухи прочны, позволяют увеличить рациональный отвод тепла от электролизера и интенсифицировать процесс электролиза.

Кожух без днища выполняется в виде рамы, сварен­ных из стальных балок и листа. Мощные горизонтальные пояса жест­кости обеспечивают необходимую прочность катода, катодное устрой­ство с кожухомбез днища имеет цоколь из нескольких рядов крас­ного и шамотного кирпича, что обеспечивает высокую степень изоля­ции тепла подиной, к фундаменту кожух крепится с помощью анкер­ных лап. Анкер состоит из стержня и скобы с трубой которые сое­диняются между собой гайкой и изолируются друг от друга изоляцион­ной втулкой и шайбой. Верхний конец стержней приварен к внут­ренней стенке кожуха, а скоба с трубой вставлена в анкерный коло­дец в цоколе и фундаменте электролизеры. В нижней части колодцы заливают бетоном, а в зоне цоколя закладывают кирпичом. Такое крепление позволяет противодействовать вертикальным усилиям, возни­кающим в катодном устройстве при эксплуатации. Между цоколем и фундаментом проложена выравнивающая подсыпка, необходимо отметить, что при проектировании и строительстве мощных электролизеров дан­ный тип кожуха практически не применяется.

Подина электролизера.

Конструкция угольной подины электролизеров практически не зави­сит от их габаритов и типов применяемых кожухов. В мировой алюми­ниевой практике применяются подины двух типов:

- сборно-блочные (набираемые из крупных блоков);

- набивные (подина образуется из специальной угольной массы).

Набивные подины не получили широкого распространения, так как их стойкость значительно ниже стойкости крупноблочных подин, особеннопри эксплуатации электролизеров мощностью выше 100 кА.

Рассмотрим конструкцию подины, собираемой из блоков (рис. 1.1). На поверхность кирпичной кладки 1-3 накладывается слой углеродистой массы толщиной 40-55мм, называемой угольной подушкой 4. Уголь­ная подушка служит для выравнивания поверхности и для защиты огне­упорной кладки от проникновения расплава. На подушку устанавлива­ются подовые секции. Каждая секция состоит из угольного блока 5 и катодного стержня - блюмса 6. При монтаже современных электро­лизеров используют прошивные угольные обожженные блоки сечением 400x550 мм, имеющие лаз для установки в нем стального блюмса сечением 230x115 мм. Зазор между блюмсом и углем заливают чугуном 7, благодаря которому создается механически прочное и достаточно электропроводное соединение сталь - уголь. Конец блюмса выводят в специальное окно кожуха и с помощью гибкого пакета алюминиевых шин-- спусков - подсоединяют к катодной ошиновке. Для заливки по­довых секций применяют сернистый чугун с повышенным содержанием кремния и фосфора, который имеет минимальную усадку.

В конструкции подины применяют блоки разной длины, чтобы шов, проходящий вдоль продольной оси ванны,получился ступенчатым - вперевязку. Это обеспечивает дополнительное увеличение прочности подины, ширина шва между блоками не должна быть более 40 мм. Ма­териалом для набивки швов служит подовая масса - смесь антрацита, литейного кокса и графита с каменноугольным пеком.

 

Рис. 1.1. Схема устройства подины (кожух с днищем): 1-3 - кирпичная кладка, 4 - угольная подушка, 5 - подовая секция, 6 - стальной катодный стержень (блюмс), 7 - чугунная заливка блюмса в угольной части подовой секции, 8 - периферийный шов из подовой массы, 9 - теплоизоляционная засыпка, 10 - пояс из шамотного кирпича - бровка, 11 - боковые угольные плиты, 12 - шамотная крупка, 13 - бортовой фланцевый лист, 14 - опора, 15 - электроизоляция, 16 - фундамент, 17 - металличес­кий кожух.

 

После установки блоков по периферии катодного кожуха кладут пояс из шамотного кирпича, который называется бровкой 10, на ко­торую устанавливают бортовые угольные плиты 11. Для бортовой фу­теровки применяют угольные плиты толщиной 200 мм, которые устанав­ливают в один ряд. По всей высоте плиты на боковых гранях имеются выемки, так что при соединении двух плит образуется цилиндричес­кая полость, вкоторую при монтаже электролизера набивается проб­ка, из подовой массы. Во время обжига ванны пробка коксуется и связывает боковые блоки. Между боковой: футеровкой и подовыми блоками набивается периферийный шов 8. Его размеры в зависимости от кон­струкции и габаритов шахты колеблются от 50 до 150-300 мм. Тщательность монтажа электролизера, а также высокое качество боковых и особенно подовых блоков в значительной мере определяют срок служ­бы катодного устройства.

Между боковыми угольными плитами и стенками кожуха помещена теп­лоизоляционная засыпка 9, которая по высоте доходит до уровня ме­талла. Теплоизоляция в верхней зоне борта выполняется из более теплопроводного материала - шамотной крупки 12.

Такое выполнение бортовой теплоизоляции называется дифферецирован­ным; зона металла утеплена сильнее, что препятствует росту длинных подовых настылей, а зона электролита - слабее, что способствует фор­мированию надежных боковых гарнисажей.

В верхний части кожуха, по всему его периметру, закреплена стальная полоса - бортовой фланцевый лист 13, который предохраняет боко­вую футеровку от механических разрушений и от окисления воздухом. Пространство между фланцевым листом и верхней гранью бортовых плит заполнено подовой массой или гипсовой замазкой.

Анодное устройство

Анодное устройство электролизера предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса эле­ктролиза. Как говорилось, что аноды подразделяются на предваритель­но обожженные и самообжигающиеся, а по способу подвода тока - на аноды с боковым и верхним токоподводом.

Наиболее простой с точки зрения конструирования является систе­ма многоанодного типа, состоящая из предварительно обожженных угольных блоков. В современных электролизерах такого типа анодный массив набран из достаточно крупных анодных блоков шириной 700 мм, высотой 600 мм и длиной 1450 мм. Расстояние между анодами в одном ряду 30 - 50 мм, а между рядами 100 мм, если предусмотрено АПГ (автоматическое питание глиноземом), то этот размер увеличивается до 250 - 300 мм. Из-за наличия зазоров между анодами площадь анодного массива (все аноды электролизера с зазорами в целом обра­зуют анодный массив) в электролизерах: с обожженными анодами всегда превышает суммарную площадь анодов, так как соковые грани анодов, также находятся в зоне электролиза. При оценке анодной плотности тока в таком электролизере пользуются понятием "плотность тока в анодном массиве".

Четыре ниппеля каждого анода 3 (рис.1.2) подсоединяются через стальную траверсу-кронштейн 5 к алюминиевому анододержателю - штанге 6. Механический и электрический контакт стального ниппеля с те­лом анода создается с помощью чугунной заливки 2в угольном блоке 1. Соединение траверсы-кронштейна с анододержателем-штангой может осуществляться различными методами: электросваркой, сваркой при помощи взрыва, болтами или клиньями. Наиболее экономично сварное соединение - в нем меньше падение напряжения. Анододержатели с помощью винтового зажима 9 крепятся к анодной ошиновке 10, изготовляемой из алюминиевых шин крупного сечения и закрепленной к анодной раме 12.

 

 

Рис. 1.2. Схема анодного устройства электролизера с обожженными анодами:

1 – угольная часть анода; 2 - чугунная заливка; 3 - ниппель анода; 4 - рамно-створчатое укрытие; 5 - стальная траверса-кронштейн; 6 - алюминие­вый анододержатель-штанга; 7 - временный винто­вой зажим; 8 - пневмо- или электромеханический привод; 9 - винтовой зажим; 10 - анодная ошинов­ка, 11 - подъемный механизм анодного массива; 12 - анодная рама. 

      

Для перемещения анодной рамы, а, следовательно, и всего анодного массива на электролизере смонтирован подъемный механизм 11, анало­гичный основному механизму подъема самообжигающегося анода с верх­ним токоподводом. Механизм подъема установлен на металлоконструк­циях газоотсосного короба. Винты домкратов позволяют осуществлять перетяжку рамы на 300 - 400 мм. При перетяжке рамы аноды подвеши­ваются на металлоконструкциях укрытия с помощью временных зажимов винтового типа 7. Конструкция электролизера предусматривает воз­можность перетяжки анодной рамы также специальным переносным уст­ройством.

Электролизер оснащен укрытием рамно-створчатого типа 4. Внутри газоотсосного короба, расположенного по центральной продольной оси электролизера, имеются направляющие, с помощью которых газы отсасываются к торцевым сторонам электролизера, откуда через вертикальные стояки попадают в централизованную систему газоот­соса. Под коробом в поперечном направлении размещены металличес­кие балки с шагом, разным расстоянию между анодами, проемы закры­ты крышками, закрепленными шарнирно. Все крышки одной стороны, лежащие на металлических балках, образуют раму, которая при обра­ботке электролизера с помощью пневматического или электромехани­ческого привода 8 поднимается, не затрудняя обработку электроли­зера, при извлечении и замене анода на закрытом укрытии вручную открывают крышку, над заменяемым анодом, крышки изготавливаются из профилированных листов стали или из алюминия и его сплавов.

Торцевые стороны электролизера имеют постоянную герметичную стальную обшивку. Эффективность такого укрытия 95%.

Ошиновка электролизера

Электролизеры в корпусе соединены между собой в электрическую цепь последовательно - катодные шины одного электролизера соеди­нены с анодными стояками другого. С помощью анодной и катодной оши­новок электролизеры соединены вэлектролизную серию, обычно состоящую из двух корпусов, которые питаются электрическим током от одной кремнепреобразовательной подстанции (КПП).

Конструкции ошиновки зависят от конструкции электролизера, его мощности и должны удовлетворять следующим требованиям:

1. распределение электрического тока по всему сечению анода и като­да должно быть равномерным;

2. стоимость ошиновки должна быть минимальной при допустимых поте­рях электроэнергии вней;

3. ошиновка должна обеспечивать стабильную форму поверхности расплавленного металла, близкую к горизонтальной, а также наимень­шее волнение поверхности металла под действием электромагнит­ных сил;

4. ошиновка должна обеспечивать возможность быстрого отключения и подключения в электрическую цепь одного электролизерабез нару­шения работы остальных.

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

В связи с ростом единичной мощности электролизеров выбор схемы ошиновки приобретает большое значение, так как от нее зависят не только стоимость шинопроводов и потери в них электроэнергии, но и состояние металла в электролизере, что в конечном итоге определяет технологию процесса электролиза.

В зоне расплавленных электролита и металла создаются магнитные поля под действием электрического тока, которые меняются во време­ни и значительные по напряженности, взаимодействие этих полей с то­ками, протекающими в электролите и металле, приводит к искривлению поверхности металла, возникновению циркуляционных потоков, способ­ствующих повышению потерь металла, растворению боковых гарнисажей и, как следствие, к нестабильному ходу электролиза, снижению выхо­да по току и уменьшению сро