Основы расчета алюминиевого электролизера

 

1.4 Ошиновка  электролизера

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей — анодной и катодной. Электролизеры, располагаемые рядами один за другим, соединены токопроводами из алюминиевых шин различного сечения и включены в электрическую цепь последовательно: катодные шины одного электролизера соединены с анодными шинами другого. Группа электролизеров, объединенная в одну цепь, называется серией.

В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные шины, от которых  ток при помощи специальных контактов передается к штырям (самообжигающиеся аноды) или штангам (обожженные аноды). Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент—катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины, и катодных шин.

Существует много схем устройства шинопроводов электролизеров. Выбор схемы ошиновки зависит от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. При выборе ошиновки следует руководствоваться следующими данными: оптимальная плотность тока в ошиновке, наименьшее влияние взаимодействия магнитных полей на процесс электролиза и возможность быстрого отключения и подключения в электрическую печь одного электролизера без нарушения работы остальных.

В связи с ростом единичной  мощности электролизеров выбор схемы  ошиновки приобретает все большее значение, так как от нее зависит не только стоимость шинопроводов и потери в них электроэнергии, но и состояние расплава в электролизере, что в конечном итоге определяет технологию процесса электролиза. Хорошо известно, что вокруг всех токопроводящих элементов электролизера под влиянием проходящего по ним постоянного тока создаются магнитные поля, а, следовательно, возникают электромагнитные силы, вызывающие перемещение катодного металла и электролита, и поверхность металла в электролизере перестает быть горизонтальной. Электромагнитные силы действуют во всех конструкциях электролизеров, однако наиболее существенное влияние на процесс электролиза эти силы начинают оказывать при единичной мощности электролизера свыше 160 кА.

Современное представление о влиянии электромагнитных сил на процесс электролиза алюминия наиболее полно дано в результате исследований, проведенных во Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (ВАМИ). Оно сводится к следующему. Влияние магнитного поля на технологический режим работы электролизеров выражается в колебании (волнении) поверхности расплавленного алюминия, а также направленном перемещении расплава, что наряду с движением расплава под действием анодного газа является причиной специфической (электромагнитной) циркуляции металла и электролита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.4.1 - Схема ошиновки электролизера средней мощности с боковым токоподводом, контакты сварные:

1—анодный стояк: 2—уравнительная  шина; 3—анодные шины; 4—анод;

5—катодное устройство; 6—катодные стержни; 7—катодные  спуски; 8— катодные шины; 9 — место шунтирования электролизера

Наиболее вредное действие на технологический режим оказывает  взаимодействие магнитного поля с горизонтальными  токами в металле; от взаимодействия с поперечным током появляются добавочные продольные электромагнитные силы, величина которых зависит от состояния периферийной части подины (размеров настыли и осадка) и поэтому может изменяться в период между обработками. В результате, действия таких сил могут возникать значительные колебания поверхности расплавленного алюминия.

От взаимодействия магнитного поля с продольным током в металле  возникают поперечные электромагнитные силы, которые служат причиной повышенной циркуляции расплава на правой (по ходу тока) стороне электролизера, а это  способствует уменьшению настыли и может привести к прорывам расплава.

Чтобы ослабить вредное влияние  электромагнитных сил в электролизере, магнитное поле токов ошиновки должно уменьшать магнитное поле объемных токов. Если это выполнить невозможно, то необходимо, чтобы напряженность  магнитного поля токов ошиновки была минимальной, а оси электролизера служили осями симметрии магнитного поля. Это, как правило, достигается размещением шинопроводов по разным сторонам электролизера, например заменой одностороннего токоподвода (рисунок 1.4.1) двусторонним (рисунок 1.4.2), т. е. подводом и отводом тока небольшими частями.

 

 

Рисунок 1.4.2 – Схема  ошиновки электролизеров большой мощности с верхним анодным токоподводов:

1 – анод; 2 – катодное  устройство; 3 – анодные шины; 4 –  анодные шины; 5 – катодные шины; 6 – анодные штыри; 7 – катодные спуски; 8 – место шунтирования электролизера.

 

Уменьшение силы поперечного  тока в металле можно достичь  изоляцией частей катодных блюмсов  или подины, расположенных между  анодом и бортом электролизера. Сила продольного тока снижается при секционировании подины.

В промышленной практике электролизеры на силу тока до 160 кА, как правило, оборудуются односторонней схемой ошиновки, а электролизеры на силу тока свыше 160 кА—двусторонней ошиновкой с секционированием подины.

 

1.5 Газоулавливающие  устройства

Назначение газоулавливающих устройств как составной части  электролизера—сбор выделяющихся в  процессе электролиза газов (максимально  достижимой концентрации) на месте  их возникновения и последующая  эвакуация газов в газоочистную систему. Выбор конструкции устройства для газоулавливания во многом зависит от типа электролизера. Наилучшей конструкцией является укрытие всего электролизера.

Электролизеры с самообжигающимися  анодами и боковым токоподводом (см. рисунок 1.1.1) оборудованы навивными шторными укрытиями, полностью закрывающими рабочее пространство электролизера. Эти укрытия открывают только на время, необходимое для обслуживания анодного узла или подачи очередной порции глинозема. Основным недостатком такой системы является большое разбавление улавливаемых газов из-за трудности герметизации.

Для электролизера с  самообжигающимся анодом и верхним  токоподводом практически невозможно применение устройств для газоулавливания, предусматривающих полное укрытие  электролизера, так как их очень трудно обслуживать, а полную герметизацию осуществить практически невозможно. Для электролизеров данного типа широкое распространение получила так называемая колокольная конструкция газоулавливания (см. рисунок 1.1.2). Основным преимуществом этой конструкции является улавливание концентрированных газов и возможность дожигания летучих составляющих, образующихся при коксовании анода, а также дожигания СО до CO₂ в специальных устройствах — горелках.

“Колокольное” устройство представляет собой набранную из отдельных секций конструкцию, опоясывающую по периметру анод на уровне нижнего края анодного кожуха. Недостатком такой системы является неполное улавливание (до 70%) отходящих от электролизера газов.

Наиболее просто решается проблема улавливания и эвакуации газов на электролизерах с предварительно обожженными анодами (см. рисунок 1.1.3). В связи с тем, что электролизеры этого типа имеют относительно небольшую высоту, легко создать конструкцию, полностью укрывающую рабочую зону и исключающую подсосы воздуха. Относительно небольшой объем отсасываемых газов позволяет получить их в более концентрированном виде, чем у конструкции электролизеров с самообжигающимися анодами и боковыми токоподводом. Учитывая, что предварительно обожженные аноды не выделяют летучих веществ, сопутствующих процессу коксования самообжигающихся анодов, этот тип электролизера наиболее полно отвечает требованиям охраны труда и окружающей среды.

 

1.6  Монтаж  электролизеров 

Алюминиевый электролизер — это дорогостоящий агрегат  сложной конструкции. Основная причина отключения электролизеров на капитальный ремонт—разрушение катодного устройства. Поэтому на всех этапах развития алюминиевой промышленности совершенствованию конструкции катодного устройства и качеству футеровочных материалов придается первостепенное значение.

Разрушение подины катодного  узла, как правило, происходит из-за проникновения жидкого алюминия и криолито-глиноземного расплава под  угольную футеровку. В результате разъедания катодных стержней алюминием создается  аварийная ситуация, при которой возможно вытекание всего расплава из шихты алюминиевой ванны. В процессе эксплуатации угольная футеровка постепенно изнашивается, что в конечном итоге приводит к проникновению расплава в шамотную кладку, а взаимодействие расплава с шамотной кладкой — к разрушению подины.

Современные электролизеры  в зависимости от их единичной  мощности имеют средний межремонтный срок службы от 3 до 6 лет. Поскольку  в период ремонта электролизеров алюминий не производится, а в первый период эксплуатации после ремонта производительность их значительно ниже обычной, вопросам монтажа, особенно катодного устройства, придается первостепенное значение.

Операции монтажа алюминиевых  ванн можно подразделить на следующие  основные группы: обработка подовых блоков и сборка катодных секций; монтаж катодного устройства; монтаж металлоконструкций; монтаж ошиновки; формовка анода для самообжигающихся анодов или установка предварительно обожженных анодов. Часть операций монтажа электролизеров может быть осуществлена одновременно.

Большое внимание уделяется  транспортировке и хранению футеровочных материалов. Особое значение придается  обереганию их от воздействия атмосферных  осадков. Хранение футеровочных материалов разрешается только в закрытых сухих  помещениях.

К монтажу электролизеров приступают после окончания строительства здания, чтобы избежать попадания атмосферных осадков на монтирующийся электролизер.

Обработка подовых блоков и сборка катодных секций

В электролизер следует  устанавливать проверенные в  соответствии со специальной инструкцией подовые блоки. Применение влажных подовых блоков не допускается. Перед монтажом катодных секций осуществляют керновку гладких стенок паза и торцовых граней подового блока при помощи перфораторов или сверлильных приспособлений (пневмодрели). Керновку выполняют в виде углублений диаметром 20—25 мм, глубиной 15—20 мм, расстояние между углублениями 100 мм. Катодные стержни перед сборкой секций тщательно очищают от окалины и загрязнений.

При сборке подовых секций катодные стержни устанавливают по шаблону так, чтобы длина выступающей части стержня и расстояние между ним и стенками паза соответствовали размерам на рабочем чертеже монтируемого электролизера и были одинаковыми для всех секций. Закрепление катодного стержня в блок осуществляют “впотай”: стержень не должен доходить до конца 
паза на расстояние 80—100 мм (в зависимости от конструкции электролизера). При изготовлении секций из нескольких подовых блоков расстояние между ними в секции должно быть в пределах 35—45 мм.

В отечественной практике при монтаже катодных секций наибольшее распространение получило закрепление катодных стержней в блоки путем заливки чугуном специального состава. Температура чугуна непосредственно перед заливкой должна быть не ниже 1200°С. Проверяют температуру чугуна с помощью оптического пирометра. От каждой плавки чугуна отбирают пробы для производства экспресс-анализа.

Заливку катодных секций чугуном выполняют при горизонтальном, наклонном или вертикальном их положении  в несколько приемов в зависимости от длины блока и метода заливки. Блоки перед заливкой должны быть сухими и иметь температуру не ниже 10 °С. При горизонтальной установке секций паз разделяют перегородками из огнеупорной глины на отдельные ячейки длиной 200—300 мм в крайней и 300—400 мм в центральной частях блока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.6.1 – Две подовые  секции, подготовленные к заливке  катодных стержней чугуном:

1 – катодный стержень; 2 – угольный блок; 3 – разделяющая  пластина; 4 – перегородки из огнеупорной  глины; 5 – стяжка; 6 – стеллаж.

 

В каждый прием заливку  чугуном осуществляют через 1—2 ячейки, начиная с середины блока. Крайние  ячейки заливают в последнюю очередь. Перед заливкой чугуном очередных ячеек вертикальные перемычки из огнеупорной замазки удаляют (рисунок 1.6.1).

При наклонной заливке  подовые блоки устанавливают  на подставку из двутавровых балок  под углом 20—45°. Перед заливкой зазоры между катодным стержнем и стенками паза в нижнем конце блока уплотняют асбестом. Первую заливку осуществляют в нижней части блока. Перед второй заливкой паз на длину 200—300 мм перекрывают угольной плитой, а на катодный стержень 
вплотную к торцу подового блока укладывают кирпич. Стык между кирпичом и блоком промазывают огнеупорной глиной. Заливку ведут под угольную плиту на всю ее длину; через 15—20 мин плиту передвигают для заливки следующей порции чугуна. Перед заливкой двух последних порций чугуна зазор между стержнем и стенками паза у верхнего торца стержня замазывают огнеупорной глиной, после чего производят дальнейшую заливку.