Содержание

      Введение

      В настоящее время в мире существует тенденция перевода мощностей алюминиевых  заводов, работающих на технологии Содерберга, на обожженные аноды. В то же время  этот процесс достаточно длительный и требует многомиллионных инвестиций, что делает его трудноосуществимым для крупных российских заводов, в частности для КрАЗа. Поэтому при определенных условиях имеет смысл в рамках менее дорогой и менее длительной по времени модернизации осуществить ряд мероприятий, которые сделали бы существующую технологию более конкурентоспособной и более приемлемой с точки зрения экологии. Можно выделить комплекс таких мероприятий:

1. Оснащение корпусов электролиза установками по «сухой» очистке газов.
2. Перевод технологии анода на использование анодной массы, изготовленной на основе высокотемпературного пека (технология «сухого анода»).
3. Оснащение электролизеров Содерберга системами точечного питания и современными системами АСУТП.
4. Перевод технологии электролиза на «кислые» либо литиевые электролиты.
5. Увеличение силы тока – именно увеличение силы тока на электролизерах Содерберга — основа проведения любой модернизации (кроме тех, что имеют исключительно экологическую направленность), т.е. именно то, ради чего делается все остальное, и это преимущественно самый экономически целесообразный способ повышения производительности существующего оборудования. Если говорить в цифрах, то повышение силы тока на 1 кА на КрАЗе означает выпуск дополнительно 5600 тонн алюминия в год. Необходимо отметить, что потенциал увеличения силы тока на электролизерах С-8БМ заложен в проектных характеристиках этого электролизера: проектная сила тока — 155 кА, проектная анодная плотность тока – 0,647 А/см².

      Однако  простое увеличение силы тока для  электролизёра существующей конструкции приведет к его разбалансировке, т.е. к изменению технологических и энергетических показателей. Поэтому наряду с увеличением силы тока необходимо изменять и некоторые конструктивные параметры электролизёра, чем мы и займемся в ходе проектирования.

       1 Обоснование выбранных  параметров

      Важнейшими  факторами, определяющими технический  уровень и экономику электролиза  алюминия,  как уже оговаривалось, являются мощность (производительность) и степень совершенства применяемых  конструкций электролизеров.

      Для технико-экономической оценки электролизеров в качестве критерия эффективности  был принят показатель минимума приведенных  затрат, который представляет собой  сумму текущих расходов и известной  доли единовременных затрат.

      От  выбранной  в  проекте  анодной  плотности  тока  i_а зависят удельные  капиталовложения  и удельный  расход  электроэнергии  W.  Чем выше  анодная плотность тока,  тем больше  производительность  электролизера на  единицу площади подины,  но повышается  расход  электроэнергии.  При  меньшей  плотности  тока  для  достижения  той  же  производительности  требуется  электролизер  больших  размеров,  но  расход  электроэнергии  при  этом  снижается.  Для  сохранения  теплового  режима  электролизера  в  этом  случае  необходима  усиленная  его  теплоизоляция.

      Увеличение  мощности позволяет снижать удельные капитальные вложения, затраты на рабочую силу, расходы на понизительную  и преобразовательную подстанции, электротехническое и крановое оборудование, повышать производительность труда за счет механизации и автоматизации процесса и ускорять ввод в действие новых производственных мощностей. Но следует учитывать, что с ростом силы тока увеличиваются требования к конструкции ошиновки, от которой зависит сбалансированность магнитного поля в расплаве ванны.

      При  выборе  анодной  плотности  тока,  кроме  мощности  и  конструктивных  особенностей  ванны,  необходимо  учитывать  технологический  режим,  межполюсное  расстояние,  состав  электролита,  электрический  режим  и  т.д.

      В  данной  работе будем проектировать электролизер Содерберга на силу тока 185 кА и выходом по току 89 % на базе электролизера С-8БМ. Электролизер оснащен системой точечного питания и современной системой АСУТП, а также “сухой” очисткой газов.

       2 Расчёт электролизёра

      2.1 Конструктивный размер  электролизёра

      В данной работе мы проектируем электролизер на базе С-8БМ, который применяется  в настоящее время на КрАЗе. В  таблице 1 приведены его технические характеристики, при дальнейшем проектировании мы будем пользоваться ими. 

Таблица 1 – Технические характеристики электролизера типа С-8БМ

      Алюминиевый электролизер состоит из трех основных частей:

• анодное устройство;
• катодное устройство;
• ошиновка.

      Анодное устройство электролизера предназначено  для подвода электрического тока в зону непосредственного протекания электролиза. Анодное устройство состоит из несущей рамы с токоподводящей алюминиевой шиной, вертикально установленных штырей, анодного кожуха, угольного тела анода и механизма передвижения анода и анодного кожуха.

      Будем проводить расчёт электролизёра  с анодом Содерберга типа С-8БМ, которые  составляют основную часть электролизёров на ОАО КрАЗ. По данным таблицы 2, площадь анода составляет 23,94 м².

      Анодная плотность тока составит: 

      i_а = I / S_а = 185000 / 23,94 = 0,773 А/см²             

      Это значение больше проектного 0,647 А/см² на 0,126 А/см². Такое повышение приведет к интенсификации генерации омического тепла во всех элементах электролизера, главным образом, в электролите, следовательно, возрастут тепловые потоки через анод и борта электролизера [1]. Значит, следует предусмотреть условия прохождения этих потоков с целью сохранения рабочей температуры процесса, нормальной ФРП ванны.

      В промышленности в основном применяются  электролиты на основе натриевого криолита (Na₃AlF₆) с добавками фторидов алюминия (AlF₃) и кальция (CaF₂). Основной целью снижения криолитового отношения электролита, то есть увеличения содержания фторида алюминия в нем, является увеличение выхода по току, так как AlF₃ снижает температуру ликвидуса, плотность электролита и растворимость металлического алюминия. Отрицательными моментами увеличения избытка фторида алюминия можно считать снижение растворимости глинозема и электропроводности, увеличение упругости пара и потерь фтора за счет образования фторида водорода при гидролизе, повышение риска образования подовых настылей и коржей, повышение растворимости в электролите карбида алюминия. Добавка фторида кальция уменьшает упругость пара над расплавом, снижает растворимость металла в расплаве, делает более мягкой корку электролита, снижает температуру ликвидуса, способствует выгоранию пены. С другой стороны, добавка фторида кальция снижает электропроводность электролита и растворимость глинозема, а также увеличивает плотность расплава [2].

      Заданное  значение выхода по току 89% является очень высоким для электролизеров ВТ в связи с большими размерами анода, что обуславливает большие размеры и больший путь пузырей анодных газов под подошвой анода по сравнению с электролизерами ОА. На выход по току в электролизерах Содерберга основное влияние оказывают температура процесса электролиза и избыток фторида алюминия, то есть криолитовое отношение [3].  

      В настоящее время на ОАО «КрАЗ» работают электролизеры С8-БМ на силу тока 180 кА со средним составом электролита, % масс: 78,0 Na₃AlF₆; 4,0 Al₂O₃; 10,5 AlF₃; 7,5 CaF₂. (К.О.=2,2). В данном проекте воспользуемся тем же составом.

      По  данным таблицы 1, ширина и длина анода: 2,85 и 8,4 м² соответственно.

        Высота анода Н_а равна сумме высот конуса спекания (КС) h_кс и коксо—пековой композиции (КПК) h_кпк. Исходя из опыта работы электролизеров на ОАО "КрАЗ" принимаем для расчетов уровень КПК h_кпк=35см, а уровень КС h_кс=130см. 

      Н_а= h_кс + h_кпк =35+130=165см

      Исходя  из данных таблицы 2, расстояние борт –  анод и торец – анод равны соответственно 650 и 500 мм.Тогда внутренняя длина шахты составит: 

      L_ш=L_а+2*l=8,4+2*0,5=9,4м 

      А ее внутренняя ширина: 

      В_ш=В_а+2*b=2,85+2*0,65=4,15м 

      Глубина шахты Н_ш определяется как сумма высоты слоя металла (h_м), толщины слоя электролита (h_э) и толщины корки электролита со слоем глинозема на ней (h_г).

      Для выбора высоты слоя металла, смотрим карты МГД устойчивости, полученные при помощи программного продукта «Arc@RusAl 1.1» [20]  

Таблица 2 - Карты МГД-устойчивости электролизера С8-БМ при повышении силы тока.

      000- полностью устойчивое состояние, 001- относительная устойчивость с  длительным затуханием колебаний, 111- неустойчивое состояние. 

      Математическое  моделирование с применением  программы расчета МГД-устойчивости «Arc@RusAl 1.1» показало:

1. при силе тока до 185 кА значительных нарушений МГД характеристик на электролизерах С8-БМ не обнаружено.
2. изменения скорости движения расплава не изменяются до величин, способствующих значительному уменьшению бортовой настыли, при которых возможно разрушение бортовых блоков;
3. плотности тока в элементах ошиновки электролизера при повышении силы тока до 185 кА находятся в пределах допустимых значений;
4. в рассмотренных случаях повышения силы тока до 185 кА прогнозируется устойчивая работа при МПР 4,5 см и уровне металла не ниже 48 см, указанные величины МПР и уровня металла являются пороговыми, их дальнейшее снижение может привести к МГД нестабильности.

      Принимаем высоту металла 48 см.

      Отсюда  высота шахты: 

      Н_ш= h_м + h_э + h_г=0,48+0,18+0,06=0,72м

      Однако  на электролизёре С-8БМ глубина шахты  составляет 58,5 см (таблица 1). Следовательно, в шахте электролизёра будет находиться весь металл и всего 10,5 см электролита. Остальные 7,5 см электролита будут находиться выше фланцевого листа за пределами шахты ванны и будут ограничены гарниссажем.

      2.2 Конструкция подины

      Основные размеры  подины определяются геометрическими  размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и блюмсов. В конструкции электролизера С-8БМ применяется сборно-блочная подина с перевязкой центрального шва, каждый ряд состоит из двух блоков: короткого и длинного. Данный тип монтажа имеет оптимальное соотношение стоимостных и эксплуатационных характеристик.

        В данном проекте принимаем  графитизированные подовые блоки  ПБП 20 (ТУ 1913-109-021-99) высотой h_б = 400 мм, шириной b_б = 550 мм и длиной l_б = 2200 и 1600 мм., обеспечивающие меньшее падение напряжения в катоде и, следовательно, потребление электроэнергии, более стабильное поведение подины по сравнению с антрацитовыми и полуграфитовыми блоками.

      Для заделки блюмсов в подовые  блоки существует 3 основных способа:

• заливка чугуном;
• вклейка блюмсов с применением жидкотекучих клеёв и паст;
• забивка блюмсов электроконтактными холоднонабивными массами.

      Применяющийся на российских алюминиевых заводах  способ монтажа подовой секции методом заливки блюмсов чугуном обладает неоспоримыми достоинствами – проверен временем и позволяет достигать относительно невысоких потерь напряжения в подине. Тем не менее в стремлении к совершенствованию этого способа чаще всего апеллируют к известным его недостаткам:

• необходимость применения дорогостоящего плавильного и разливочного оборудования с высоким энергопотреблением;
• необходимость применения оборудования для предварительного разогрева блоков и блюмсов перед заливкой чугуном и связанные с этим значительные энергозатраты;
• существует высокая вероятность растрескивания блоков как на стадии сборки подовых секций, так и в период обжига, пуска и эксплуатации электролизёра.

      Использование технологии вклеивания блюмсов предпочтительно  с точки зрения простоты реализации, надежности контакта после схватывания  клеевого состава и высокой воспроизводимости качества монтажа. К недостаткам затвердевшего контактного слоя следует отнести отсутствие у него эластичных свойств, компенсирующих расширение и давление блюмса на стенки паза блока. Поэтому, как и при чугунном контактном слое, высока вероятность возникновения запредельных напряжений в узле блюмс-клей-блок, являющихся причиной разлома блока. Возможно поэтому широкомасштабные испытания вклейки блюмсов клеем BVM-51 на КрАЗе, САЗе, БрАЗе, ИркАЗе, НкАЗе не привели к положительным (в сравнении с чугунной заливкой) результатам ни по сроку службы, ни по потерям напряжения в подине.

      Использование технологии заделки блюмсов массой практически исключает вероятность  растрескивания блоков при монтаже, разогреве и эксплуатации, уменьшает затраты на сборку комплекта секций (в сравнении с чугуном и вклейкой), надежно крепит блюмс в блоке. По этим причинам способ используется на БрАЗе, КрАЗе, ИркАЗе с позитивным эффектом по сроку службы электролизёров, но с негативным по потерям напряжения в катоде, которые увеличились в среднем на 50 - 80 мВ (в сравнении с заделкой блюмсов чугуном). Причина: невысокие надежность электрического контакта и воспроизводимость качества монтажа секций с горизонтальным расположением блюмса, что связано с верхней, главной контактной поверхностью блок-блюмс. Эта зона контактного слоя недоступна для прямого уплотнения трамбовками или специальными устройствами. Его уплотнение производится через уложенный на слой массы блюмс. Надежность и качество уплотнения (а значит, и контактного слоя) невысокие. Это основной объективный недостаток соединения блока с блюмсом через уплотненный слой контактной массы, и устранить его простыми и дешевыми способами невозможно [6].

      В данном проекте принимаем заделку блюмсов в подовые блоки электроконтактной массой марки BST 16/1. Межблочный шов шириной 40 мм набивается тёплой подовой массой с температурой набойки 30-50^ºС (ТУ1914-071-05785218-99).

      Число катодных блоков в подине n_б=30 шт., число секций n_с=15 шт. (таблица 1).

      Подина  набирается с перевязкой центрального шва, что достигается шахматным  расположением длинных и коротких секций в ванне.

      Расстояние  между катодными и боковыми блоками (ширина периферийного шва) в торцах шахты электролизера: 

      Расстояние  между катодными и боковыми блоками (ширина периферийного шва) по продольным сторонам шахты будет равно: 

      Таким образом, подина монтируется из 15 подовых  секций с перевязкой центрального шва.

      Внутренние  размеры катодного кожуха определяются размерами шахты и толщиной бортовых теплоизоляционных материалов. В  качестве бортовой футеровки электролизера  для увеличения теплоотвода через  борта  принимаем углеродные блоки  ББП 0,1 (ТУ 1913-109-021-99) толщиной h_уб=200 мм и слой шамотной крупки ЗШБ – 1,3 класс 4 (ГОСТ23037-99) толщиной h_теп= 50 мм. При этом длина катодного кожуха составит: 

       ,   

      ширина :

       .                 

        Подина шахты набирается из (сверху вниз):

• 30 катодных блоков высотой 400 мм;
• слоя сухой барьерной смеси ClayBurn E-50 толщиной 50 мм;
• огнеупорного слоя из трех рядов шамотного кирпича ШБ 0,1 (ГОСТ 6036-89) по 65 мм каждый;
• теплоизоляционного слоя из пенодиатомитового кирпича ПД 400-И (ТУ 5764-002-25310144-99) высотой 65 мм;
• теплоизоляционного слоя из вермикулитовых плит ПВИ-ТСВ-350 (ТУ 5767-014-2168872-04) высотой 65 мм;
• слоя шамотной засыпки ЗШБ-1,3 (ГОСТ 23037-99) толщиной 50 мм.

      Тогда высота катодного кожуха составит: 

       .   

      2.3 Материальный баланс  электролизёра

      В электролизёр поступает глинозём, анодная  масса и фтористые соли. В процессе электролиза образуется алюминий и  анодные газы (оксид и двуокись углерода). Кроме того, в результате испарения электролита и пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.

      2.3.1 Приход материалов

      Приход  материалов в электролизёр рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия и по производительности электролизёра в час.

      Производительность  электролизёра, т.е. количество алюминия, выделяющегося в единицу времени (кг/час), можно рассчитать:

       ;                                                                                              

      где: I - сила тока электролизёра, А;

      h- выход по току алюминия, доли единицы принят равным 0,89;

      q- электрохимический эквивалент, г/А·ч.  

      Р_AI = = 55,32 кг/ч. 

      В таблице 3 приведены данные по расходу сырья (кг/тAl), полученные на основании данных технической информации по ЭЛЦ-1 для электролизеров, оборудованных АПГ и “сухой” газоочисткой за июнь 2008г.   

Таблица 3 - Расход сырья (кг/т Al)

      Р_кр.см.= Р_AI · p_кр.см.= 55,32 · 0,0136 = 0,752 кг/ч;

      Р_AlF3= Р_AI · p _AlF3= 55,32 · 0,0255 = 1,489 кг/ч                                            

      Р_CaF2=Р_AI · р _CaF2= 55,32 · 0,00039 = 0,022 кг/ч. 

      Зная  производительность электролизёра  и удельный расход сырья, рассчитываем приход материалов в электролизер: 

      Р_{(AI2O3-вторичный)} = P_AI · p_г = 55,32 · 1,8382 = 101,69 кг/ч;

      Р_{(AI2O3-первичный)} = P_AI · p_г = 55,32 · 0,0968 = 5,35 кг/ч;

      Р_ан. = Р_AI · p_ан. = 55,32 · 0,521 = 28,82 кг/ч;                                             

      Р_{фтор.сол.}= Р_AI · р_{фтор.сол.} = 55,32· (0,0136+0,02692+0,00039) = 2,263 кг/ч.

      2.3.2 Расход материалов

      Выход материалов включает:

1. Алюминий. Количество полученного в результате электролиза алюминия определяется производительностью электролизёра Р_AI,кг/ч.
2. Анодные газы. Количество анодных газов рассчитывается из суммарной реакции:

      AI₂O₃+xC = 2AI+(2x-3)CO+(3-x)CO₂ 

      протекающей в электролизёре, и из состава  анодных газов.

      Количество  СО и СО₂, кмоль/ч, определяется из уравнений: 

       ;

       ; 

      где Nco и Nco₂ - мольные доли СО и СО₂ в анодных газах.

      Согласно  уравнению[19]: 

      %CO= [200G-2(%CE)-8]/G= [200*1.15-2(89)-8]/1.19= 43.7%

      %CO₂= 100- %CO= 100- 43.7= 56.3% 

      Таким  образом,  = 0,563   и = 0,437 

       кмоль/ч,

        кмоль/ч, 

      Весовые количества СО и СО₂, кг/ч:

      Рсо = Мсо · 28 = 0,859 · 28 = 24.052 кг/ч;

      Рсо₂ = Мсо₂  ·44 = 1,107 · 44 = 48.708 кг/ч;                                        

      где 28 и 44 - молекулярные веса СО и СО₂. 

3. Потери  углерода. Определяются как разность между приходом анодной массы и количеством израсходованного с газами углерода.

      Количество  израсходованного с газами углерода рассчитывается по уравнению:

      Р_С = 12· (М_СО + М_СО2);

      P_C = 12· (0,859 + 1,107) = 23.59 кг/ч;   

      D Р_с = Р_а-Р_с = 28,82 – 23,59 = 5.23 кг/ч.  

4. Потери глинозёма в виде пыли и механические потери принимаются как разность между приходом глинозёма в электролизёр и теоретическим расходом глинозёма.

      Теоретический расход глинозёма определяется из уравнения:

      Al₂O₃ = 2Al+1,5O₂;

        и составляет:

        Р_{(Al2O3)теор.} = 1,89 · P_Al = 1,89 · 55,32 = 104,55 кг/ч;                   

      DР_{(Al2O3 )}= P_(Al2O3) - P_{(Al2O3)теор .}= 107,04 – 104,55 = 2,49 кг/ч.  

5. Потери фтористых солей в виде возгонов и газов, удаляемых системами вентиляции, на пропитывание подины и с угольной пеной, если она снимается, принимают равными приходу фторсолей.

Таблица 4 - Материальный баланс