Основы расчета алюминиевого электролизера

Глубина шахты катодного  устройств зависит от единичной  мощности электролизера, геометрических размеров анодного массива, типа применяемого катодного кожуха и составляет 400—600 мм. Внутренние размеры шахты в  плане зависят oт геометрических размеров анодного массива. В промышленных электролизерах расстояние от продольных сторон анода до стенки шахты принимается равным 550—650 мм, а от торцовых сторон 500—600 мм. В некоторых конструкциях электролизеров с предварительно обожженными анодами расстояние между продольной стороной анодного массива и стенкой шахты составляет до 300 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2.1 – Катодное устройство электролизера средней  мощности (кожух без днища):

 а – продольный  разрез; б – поперечный разрез; 1 – фундамент; 2 – песчаный слой; 3 – кладка из красного кирпича; 4 – кладка из шамотного кирпича; 5 – анкер; 6 – угольная подушка (слой подовой массы); 7 – угольная футеровка стенок; 8 – засыпка; 9 – металлический кожух; 10 – бортовой лист; 11 – подовый шов; 12 – угольные подовые блоки; 13 – катодный стержень.

 

 

Рисунок 1.2.2 – Кожух  рамного типа:

 а – продольный  размер и план; б – поперечный  разрез и сечение стенок; 1 –  рама кожуха; 2 – кронштейны для  крепления бортового листа; 3 –  бортовой лист; 4 – манжет окна  для пропускания катодного стержня.

Катодные кожухи

От прочности катодного  кожуха в большой степени зависит  продолжительность межремонтного  срока работы электролизера В  связи с ростом единичной мощности электролизеров все большее распространение  получают катодные кожухи рамного типа прямо угольной формы без металлического днища и контрфорсного типа с днищем.

 

 

 

Рисунок 1.2.3 – Кожух  контрфорсный: а – продольный вид  и разрез; б – поперечный разрез; 1 – корыто кожуха; 2 – элементы жесткости  продольных стенок; 3 – контрфорсы; 4 – торцовые стенки. 

 

Кожух без днища выполняется  в виде сварной конструкции из стальных балок и листа. Существует много различных конструкций  кожухов без днища, отличающихся друг от друга в основном профилем применяемых балок, а также размещением  их по высоте кожуха. Наибольшее распространение получили кожухи без днища, сваренные из двутавровых балок или швеллеров (рисунок 1.2.2). В верхней части кожуха с внутренней его стороны приварены кронштейны для установки бортового листа, закрывающего сверху боковую футеровку и защищающего ее от окисления во время эксплуатации. В нижней части кожуха вдоль продольной его стороны прорезаны окна для пропуска катодных токоотводящих стержней.

Катодные кожухи с  днищем состоят из двух частей: корыта кожуха, сваренного из листовой стали, и балок — контрфорсов. 
Прочность таких кожухов определяется жесткостью конструкции контрфорсов, число которых зависит от длины электролизера. На рисунке 1.2.3 показана схема конструкции контрфорсного кожуха с днищем. Бортовой лист, кронштейны для его крепления, окна для катодных стержней в кожухе этого типа выполняются так же, как и в кожухе рамного типа без днища.

Цоколь и подина

Кожух без днища устанавливают  на кирпичную кладку—цоколь. Такую  кладку обычно сооружают на бетонном фундаменте;

она состоит в нижней части из четырех-пяти рядов красного, а в верхней части двух-трех рядов шамотного кирпича. Кирпичная кладка может быть заменена блоками из жаростойкого бетона.

Теплоизоляционную футеровку  подины электролизера с днищем выполняют  из шамотной засыпки высотой 30—50 мм, листового асбеста высотой 10 мм и нескольких рядов шамотного кирпича.

 

 

 

 

Рисунок 1.2.4 – Подовая  секция сборно-блочной подины:

1 – катодный стержень; 2 – угольный блок; 3 – чугунная  заливка; 4 – подовая масса

 

Для большей теплоизоляции нижние ряды шамотной кладки выкладывают легковесным кирпичом. В отечественной промышленности применяется только сборно-блочная конструкция подины, состоящая из предварительно обожженных угольных подовых и боковых блоков. Зазоры между блоками набиты специальной углеродистой массой (подовой). В мировой практике существуют 
конструкции подин, в которых вместо блоков по всей площади подины набита специальная углеродистая масса.

Подину любого типа перед  началом электролиза обжигают, чтобы  удалить из подовой массы летучие составляющие связующего материала (пека) и превратить подину в монолитный плотный массив, хорошо проводящий электрический ток. Ток к подине подводится по стальным полосам квадратного или прямоугольного сечения, называемым катодными стержнями—блюмсами. Отечественной промышленностью выпускаются прошивные катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм, длиной 600—2200 мм. Катодные стержни заделывают в угольные блоки специальной углеродистой массой или заливают чугуном. Назначение чугунной заливки или углеродистой набивки—создание механически прочного и хорошо проводящего электричество соединения катодного стержня с угольным блоком. Такая пара образует подовую секцию (рисунок 1.2.4).

При монтаже подовых  секций предусматривается предохранение  торцового конца блюмса от проникновения расплавленного алюминия, для чего в эту часть паза блока набивают углеродистую массу (80—100 мм).

В отечественной практике обычно применяют катодные стержни  из горячекатаной стали сечением 115х115 мм или 230х115 мм. Подовые блоки изготавливают на мощных прессах продавливанием угольной массы через мундштук, по форме отвечающий нужной конфигурации блока. Специальная насадка позволяет получать блоки с необходимым для заделки блюмсов пазом. Число катодных стержней в подине выбирают таким, чтобы плотность тока в них не превышала 0,18—0,20 А/мм².

По физико-механическим характеристикам угольные блоки  должны удовлетворять следующим  показателям: коэффициент разрушаемости (К_р) не более 1,7; пористость не более 24%; механическая прочность на сжатие не менее 22 МПа.

Футеровка катодного  устройства с днищем практически  не отличается от футеровки такового без днища.

 

1.3 Анодное  устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Основным материалом анода служит углеродистый материал. По мере протекания процесса электролиза анод постепенно окисляется, и его необходимо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм анодного устройства.

Как уже говорилось, аноды  подразделяются на предварительно обожженные и самообжигающиеся, а самообжигающиеся аноды по способу подвода тока — на аноды с боковым и верхним  токоподводами. Анодные устройства с предварительно обожженными анодами подразделяются на многоанодные и блочного типа (рисунок 1.3.1). Последний тип не получил в настоящее время массового pacпространения из-за трудности его обслуживания, но представляет большой интерес для дальнейшего совершенствования конструкции электролизеров

В отечественной алюминиевой  промышленности наиболее распространен  тип электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (рисунок 1.3.2). Анод находится внутри металлического кожуха, назначение которого—удержать жидкую часть угольной массы и придать ей по мере коксования нужную форму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3.1 – Схема  электролизера с предварительно обожженным анодом блочного типа: 1 –  катодное устройство контрфорсного  типа; 2 – анод; 3 – токоподводящие спуски.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3.2 – Схема  электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом: 1 – катодное устройство; 2 – анод; 3 – токоподводящий штырь.

 

Ток к аноду подводится с помощью сталеалюминевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминевый штырь в отличие от ранее применяемых стальных не только обладает повышенной электропроводностью, но и способствует стабилизации электромагнитного поля электролизера, так как в алюминиевой части не обладает магнитными свойствами.

Штыри при помощи специальных  эксцентриковых зажимов крепятся к  анодной раме. Назначение рамы—удерживать  анод в горизонтальном положении  и подводить ток к штырям. Анодную  раму, как правило, изготавливают из стальных балок, вдоль которых монтируют токоподводящие алюминиевые шины. В электролизерах наиболее современных конструкций анодная рама полностью выполнена из алюминиевого сплава и, обладая высокой электропроводностью, является несущей конструкцией. В современных электролизерах этого типа на силу тока 150—160 кА масса анода со штырями составляет 70—80 т

Для перемещения анодной  рамы с подвешенным к ней анодом в вертикальном направлении служит подъемный механизм. В отличие  от механизма, необходимого для периодического вертикального перемещения анодной рамы относительно угольного анода, этот механизм называется основным.

Таким образом, анодное  устройство электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом состоит  из несущей токоподводящей рамы, вертикально установленных штырей, угольного анодного массива н механизмов перемещения анода и анодной рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3.3 – Схема  электролизера с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом:

1 – катодное устройство; 2 – анод; 3 – токоподводящий штырь.

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3.4 – Полиспастный механизм перемещения анода электролизера  с боковым токоподводом (с тексронной передачей):

1 – электродвигатель; 2 – тексронная передача; 3 – редуктор; 4 – шестерня цилиндрическая; 5 –  барабан; 6 – тросы; 7 – регулировочный  болт; 8 – стопорная планка; 9 –  анодная рама; 10 – блоки в коробке. 

 

Конструкция анодного устройства с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом (рисунок 1.3.3) отличается от рассмотренной выше тем, что ее штыри забиты сбоку выше зоны коксовавшегося анода в так называемый тестообразный слой. Для бокового токоподвода применяются стальные штыри. Контакты между штырем и токоподводящим спуском осуществляют несколькими способами, наиболее распространены клиновой и сварной контакты.

В электролизерах этой конструкции  анодная рама выполнена в виде короба. В большинстве случаев  для систем с боковым токоподводом характерно применение механизмов вертикального перемещения анода полиспастного типа (рисунок 1.3.4) Как правило, перемещение анодной рамы осуществляется основным механизмом, а вспомогательные механизмы отсутствуют. Анод при этом закрепляется в стационарном положении при помощи установки временных тяг.

Формование анода у  электролизеров этого типа происходит в алюминиевом кожухе, изготавливаемом  из листового алюминия толщиной 0,8—1,0 мм. Назначение алюминиевого кожуха: предохранить от вытекания жидкий слой анодной массы, а в нижней части — предохранить анод от окисления. Тело анода заключено в анодную раму, сваренную из листовой стали и усиленную швеллерами, к которым приварены стальные балки — перья. К нижней части перьев подвешены стальные изогнутые в форме “серег” прутья, на которые опирается нижний ряд штырей, и тем самым вес анода передается на раму. Существуют конструкции, у которых “серьги” заменены клиньями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3.5 – Схема  электролизера с предварительно обожженными анодами:

1 – катодное устройство; 2 – аноды; 3 – токоподводящий  анододержатель.

 

Конструкция блочного обожженного  анода напоминает вышеописанную. Токоподвод к нему осуществляется при помощи штырей, забитых в специальные  гнезда сбоку. Отличительной особенностью анода этого типа является его наращивание предварительно обожженными блоками по мере сгорания. Для создания монолитного анода блоки “склеиваются” между собой специальной углеродистой массой.

Наиболее простой с  точки зрения конструирования представляется система многоанодного типа, состоящая из предварительно обожженных угольных блоков (рисунок 1.3.5). В современных электролизерах такого типа анодный массив набран из достаточно крупных анодных блоков. Как правило, применяют угольные аноды шириной 700—900 мм, высотой 550—650 мм, длиной 1450—1600 мм. Механический и электрический контакты между анододержателем и угольным анодом осуществляются при помощи заливки чугуном или заделки углеродистой массой.

Анододержатель представляет собой алюминиевую штангу, соединенную со стальным кронштейном. Это соединение осуществляется различными методами: электросваркой, сваркой трением, сваркой при помощи взрыва и болтами. Наибольшее распространение получили сварные конструкции анододержателей. Алюминиевые штанги анододержателя прижимаются специальными зажимами к анодным шинам, закрепленным на анодной раме. Для перемещения анодной рамы, а следовательно, и всего анодного массива на электролизере смонтирован подъемный механизм, аналогичный основному механизму подъема самообжигающегося анода с верхним токоподводом. Во время периодически производимой перетяжки анодной рамы аноды фиксируются с помощью временных зажимов, установленных на электролизере, или специальным устройством.