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.