Расчет электролизера

      2.4 Ошиновка электролизёра

      Ошиновка электролизёра  служит для подвода (анодная) и отвода (катодная) тока. В анодную часть  ошиновки входят гибкие пакеты, анодные  стояки и уравнительные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передаётся к штырям. Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент – катодных спусков, отводящих ток от блюмсов, и катодных шин.

      Конструкция ошиновки

      должна  удовлетворять следующим основным требованиям:

• возможность быстрого включения и отключения ванны в цепь без нарушения работы всей серии;
• плотность тока в шинах должна быть экономически выгодной, то есть такой, при которой сумма затрат энергии и стоимости ошиновки будет минимальна;
• обеспечение равномерного распределения электрического тока по аноду и катоду;
• минимизация волнений и искривления поверхности расплавленного алюминия, возникающих под действием электромагнитных сил и приводящих к снижению выхода по току и срока службы электролизера.

       На электролизерах С-8БМ анодная ошиновка каждой из сторон ванны состоит из двух пар металлически не связанных между собой анодных пакетов (I–II и III–IV), которые соединены с катодными блюмсами, выходящими на одну сторону ванны (рисунок 1).

      Рисунок 1 – Развернутая схема ошиновки электролизеров С-8БМ

      А, Б, В, Г – узлы соединения анодной  ошиновки с 4-, 5-, 3- и 2-шинными

      стояками. Соответственно I, II, III и IV – пакеты анодных шин 

      По  проекту ошиновка выполнена из алюминиевых  шин сечением 430×60 мм. На продольных сторонах катода расположено по семь шин, разбитых на четыре секции и подсоединенных к соответствующему узлу анодной ошиновки следующего по ходу тока электролизера. При этом пять шин катодной ошиновки, расположенные на правой (по ходу тока) стороне ванны, подключены к узлу Б анодной ошиновки следующего по ходу тока электролизера, а две обводные шины – к узлу Г. На левой стороне ванны четыре шины катодной ошиновки подсоединены к узлу А, а три обводные шины – к узлу В анодной ошиновки следующего по ходу тока электролизера. Таким образом, ток к аноду подводится четырьмя стояками: входные стояки состоят из пяти и четырех шин, а обводные — из двух и трех шин.

      Однако, как следует из рисунка 1 и таблицы 5, к каждой катодной шине подсоединено разное количество блюмсов (от полутора до трех). При равномерном распределении тока по блюмсам плотность тока, по крайней мере в десяти шинах из 14, значительно превышает экономически выгодную, находящуюся для алюминиевых шин в пределах 0,20 – 0,35 А/мм² [2]. 

Таблица 5 – Плотность тока в катодных шинах

 

      Анодная ошиновка электролизера состоит  из четырех параллельных ветвей      (I – IV), к каждой из которых подсоединяются по 18 анодных штырей. К каждой из ветвей анодной ошиновки подключено разное количество блюмсов. Если узлы А, Б, В и Г имеют надежный контакт, то количество блюмсов, подключенных к левой (ветви I и II) и правой (ветви III и IV) половинам анода, будет равно 15, это должно обеспечить равномерное распределение тока по аноду

      Ошиновка  электролизера выполнена 14 шинами, по 7 шин с каждой стороны, поперечное сечение шины 430×60 мм. Общее сечение шинопровода составляет: 

       ,                              

      где  S_1ш – площадь поперечного сечения одной шины, мм²;

      n – число шин. 

      Средняя плотность тока в шинах: 

       .                                     

      Плотность тока в шинах превышает экономически выгодную практически в 2 раза.

      Катодные  стержни (блюмсы) сечением 230×115 мм изготавливают  из стали марки Ст–3. Они соединяются с катодными шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент–спусков, приваренных к катодным стержням и шинам.

      Сечение пакета из алюминиевых лент (спусков): 

       ,                                  

      где d_эк – экономически выгодная плотность тока для алюминиевых спусков.

      Число лент в пакете: 

       ,                                          

      где S_1л – сечение одной ленты, 1,5×200 мм.

      Ток к аноду подводится 72 сталеалюминиевыми  штырями (ТУ 48-22-77-81), расположенными в 4 ряда. Общая длина штыря составляет 2850 мм, длина стальной части 2090 мм, наибольший диаметр конической части 138 мм, наименьший диаметр 100 мм, длина алюминиевой штанги 1150 мм, сечение штанги 80 50 мм. Среднее сечение анодного штыря S_ср составляет:    

                         

       .           

              

      Общая площадь штырей S_o составляет: 

        . 

                                  

      Тогда средняя плотность тока в штырях составит: 

       .        

                                  

      То  есть плотность тока в штырях незначительно  превышает экономически выгодную плотность  тока для стали, равную 0,2 А/мм².

      Плотность тока в электролите i_э, рассчитываем с учетом площади зеркала металла S_Al. Если принять толщину гарниссажа на уровне металла 5 см, то площадь поверхности зеркала металла составит: 

       ,   

       

      где g – толщина гарниссажа на уровне металла.

      Тогда плотность тока в электролите (катодная плотность тока) составит: 

       .                                     

      2.5 Электрический баланс электролизёра

      Для производства алюминия требуются большие  затраты электрической энергии, и вопрос о снижении её расхода  является одним из важнейших в  алюминиевой промышленности. Вот почему необходимо знать, на каких участках электролизёра происходят потери электроэнергии, и от каких причин они зависят.

      Расчёт  электрического баланса состоит  в определении падений напряжения в конструктивных элементах электролизёра, в электролите и напряжений поляризации.

      Различают три вида напряжений:

      1. Среднее напряжение U – включает в себя все виды падения напряжения, в том числе среднее повышение напряжения от анодных эффектов и падение напряжения в общесерийной ошиновке;

      2. Рабочее напряжение U_р – это фактическое напряжение, определяемое показаниями вольтметра на ванне, т.е. среднее напряжение без учёта падения напряжения в общесерийной ошиновке и среднего повышения напряжения от анодных эффектов;

      3. Греющее напряжение U_гр – учитывает падение напряжения во всех греющих элементах электролизёра, т.е. находящихся внутри того объекта, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающее пространство. Греющее напряжение обязательно включает в себя и напряжение поляризации.

      Таким  образом  можно   записать:

       ;                       

       ;                                   

       ,                                   

      где: Е – напряжение поляризации, В;

      DU_эл – падение напряжения в электролите, В;

      DU_а – падение напряжения в аноде, В;

      DU_к – падение напряжения в катоде, В;

      DU_ош – падение напряжения в ошиновке ванны, В;

      DU_аэ–повышение падения напряжения за счёт анодных эффектов, В;

      DU_с – падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

      2.5.1 Напряжение поляризации

      Напряжение поляризации, или ЭДС поляризации представляет собой термодинамическую величину напряжения разложения для реакции  разложения глинозёма с образованием СО₂, плюс анодные и катодные перенапряжения, минус деполяризация, вызванная растворенным в электролите алюминием [7].

      Оценить величину напряжения поляризации (ЭДС  поляризации) можно по значениям  трех её составляющих: напряжения разложения глинозема, катодного и анодного перенапряжений.

      Величину  практического напряжения разложения глинозема можно выразить следующим образом [7]:  

       ,

        

      где – напряжение разложения глинозема до СО₂, составляющее 1,19 В при температуре 1223 К; – напряжение разложения до СО, составляющее 1,08 В при температуре 1223 К.

      Анодное перенапряжение имеет концентрационную составляющую, связанную с замедленной  доставкой оксифторидных ионов, и составляющую, связанную с замедленностью химической реакции. Перенапряжение реакции описывается следующим уравнением [8]:  

       ,                    

                                    

      где: i_lim – предельная плотность тока, А/см²;

      Т – температура электролиза, К. 

      Предельная  плотность тока:

       .     

             

      Тогда перенапряжение реакции составит: