Основы расчета алюминиевого электролизера

В электролизерах современных  конструкций при соединении конструктивных узлов ошиновки практически повсеместно  применяют электросварку в отличие  от применяемых ранее прижимного и болтового соединений.

При монтаже ошиновки особое внимание обращают на качество электроизоляции между пакетами шин и опорными столбиками.

Подготовка к формовке и формовка анода.

Прежде чем приступить к формовке анода, следует проверить и опробовать смонтированные на электролизере механизмы подъема анода, электроизоляцию анодной части электролизера и газоходов, а также качество монтажа остальных механизмов и элементов металлоконструкции и ошиновки.

При формовке анода с  верхним токоподводом анодный кожух опускают с таким расчетом, чтобы расстояние от его нижнего пояса до подины составляло 500—550 мм. Внутри кожуха на подину плотно устанавливают временный алюминиевый короб высотой 800—900 мм и алюминиевую обечайку, которые изготавливают из алюминиевых листов толщиной 1—1,5 мм, а швы между ними заделывают в замок. Нижнюю часть формуемого анода усиливают стальным поясом шириной 450—500 мм из листа толщиной 1,5—2,0 мм и распорками.

Для утепления рабочего пространства ванны при обжиге во время монтажа должны быть подготовлены специальные стальные крышки, которые укладывают на газосборный колокол и борт ванны и изолируют от борта кирпичом или асбестом. Между уложенными крышками не должно быть щелей.

Анодную раму опускают в  нижнее положение, но при этом необходимо предусмотреть возможность подъема анодного кожуха относительно рамы не менее чем на 150 мм. Перед установкой штырей к ним приваривают стальные подставки неодинакового сечения и разной длины, к нижнему концу которых приваривают стальные диски диаметром 90-100 мм и высотой 10—15 мм, либо эти подставки заливают алюминием в виде дисков на высоту 20— 30 мм. Высоту подставок и их сечение для различных групп штырей подбирают в зависимости от принятой для обжига схемы расстановки штырей, мощности электролизера и графика подъема силы тока. Назначение подставок—обеспечить одновременный и равномерный обжиг анодного массива. Анодные штыри устанавливают строго вертикально так, чтобы подставки плотно встали на алюминиевый лист. Затем тщательно затягивают зажимы, которыми штыри прикрепляются к анодной раме. Установленные штыри не должны касаться элементов металлоконструкции анодного кожуха; зазор между ними и кожухом должен быть не менее 15 мм.

Для формовки анода применяют  как разогретую, так и твердую  мелкобрикетную или дробленую анодную массу крупностью не более 50—6O см. В нижнюю часть формуемого анода загружают массу уменьшенной текучести, сверху — стандартную. Массу загружают в анод равномерно по всей поверхности между анодными штырями и по периферии анода на высоту 1000—1100 мм.

При формовке анода с  боковым токоподводом на подину электролизера  укладывают алюминиевый короб высотой 250 мм. Внутрь анодной рамы и алюминиевого короба устанавливают алюминиевую  обечайку. Внизу снаружи алюминиевого короба устанавливают стальной пояс из листов толщиной 2 мм и высотой не менее 250 мм. Во избежание деформации нижней части анода перед его формовкой между боковой футеровкой и стальным поясом укладывают распорки; распорки ставят и по углам анода.

Перед началом формовки анода в алюминиевой обечайке делают отверстия по диаметру штырей; оси отверстий наносят согласно рабочему чертежу проекта. Оси нижнего ряда штырей должны находиться на расстоянии менее 300 мм от подины электролизера. Затем в анод равномерно по всему его сечению слоями загружают разогретую анодную массу. Растекающаяся масса должна плотно прилегать к стенкам анодного кожуха. В нижнюю часть формуемого анода загружают массу уменьшенной текучести.

После загрузки в анод слоя разогретой анодной массы осуществляют забивку штырей каждого ряда так, чтобы концы забиваемых штырей лежали на поверхности массы. Штыри забивают под углом 15—20°. Для правильной фиксации штырей в требуемом положении устанавливают шаблоны. Зазоры между алюминиевой обечайкой и штырями обмазывают асбестовой замазкой. Анод загружают массой на высоту 1000—1200 мм; дальнейшую загрузку массы в анод производят во время обжига.

Кроме описанного способа  формовки, применяется формовка анода  мелкокусковой анодной массой с  установкой двух нижних горизонтов штырей на специальные подставки.

Монтаж электролизеров при капитальном ремонте

Монтаж электролизера  при капитальном ремонте практически  ничем не отличается от монтажа нового электролизера. Последовательность операций при монтаже катодной части электролизера при капитальном ремонте полностью идентична описанной выше; при монтаже анодной части электролизера используют готовый (обожженный) анод предыдущей кампании, который устанавливают вместе со всей металлоконструкцией, ошиновкой и механизмами.

Катодный кожух и узлы анодного устройства ремонтируют либо в корпусе на специально отведенных для этого местах, либо в цехе капитального ремонта. На современных заводах все операции капитального ремонта электролизеров выполняют в специально оборудованных цехах. Полностью смонтированные катодные устройства транспортируют на большегрузных платформах к месту установки в корпусе. В отечественной практике для транспортирования катодных устройств внутри корпуса применяют электромостовые краны большой грузоподъемности. Футерованный катодный кожух транспортируют с применением специальных приспособлений — траверс, предохраняющих футеровку от повреждений.

 

1.7 Демонтаж электролизеров

Как уже упоминалось  ранее, в процессе эксплуатации все  элементы конструкции алюминиевого электролизера претерпевают деформацию. Наибольшие изменения, приводящие, как правило, к выходу электролизера из строя, претерпевают конструктивные узлы катодного устройства. Это обусловливается высокой агрессивностью среды, в которой протекает процесс электролиза алюминия. Расплав фтористых солей оказывает разрушающее действие на футеровку катодного устройства; натрий, проникающий в кристаллическую решетку углерода, и физико-химические взаимодействия расплавленных фтористых солей с огнеупорной кладкой приводят к разрушению подины.

При применении высококачественных футеровочных материалов и высококвалифицированном выполнении монтажа катодного устройства износ футеровки протекает постепенно. Средний срок службы электролизеров между ремонтами для конструкций с набивной подиной составляет около 3 лет, для сборно-блочных конструкций подин 3,5—6 лет в зависимости от конструктивных особенностей катодного устройства и единичной мощности, а значит, и размеров электролизера. При применении низкокачественных футеровочных материалов и главное — при плохом качестве монтажных работ создаются предпосылки к ускоренному проникновению расплавленных фтористых солей под угольную футеровку, что обусловливает бурное протекание физико-химических превращений в ней и приводит к преждевременному выходу электролизера из строя, а иногда и к аварийному выходу из строя в первые дни после пуска.

Основные причины отключения электролизеров на капитальный ремонт следующие: проникновение расплава под угольную футеровку и ее разрушение; полный износ бортовой футеровки и проникновение расплава к металлическому кожуху; деформация катодного кожуха, приводящая к нарушению целостности футеровки; отрыв анкерных лап и перекос всего катодного устройства.

Для отключения электролизеров от электрической цепи применяют специальные шунтирующие устройства. Перед отключением на капитальный ремонт выполняют несколько подготовительных операций: заблаговременно принимают меры к тому, чтобы снизить уровень жидкой массы в аноде, извлекают из ванны по возможности весь расплавленный алюминий и электролит.

После отключения электролизера  анод поднимают на позволяющую механизмом подъема высоту, и демонтаж анодного устройства ведут с помощью мостового  крана или с применением специального устройства для выкатки анода.

На современных заводах катодное устройство транспортируют для капитального ремонта в специальные цехи или на специально отведенные для этого площадки внутри корпуса. На давно построенных сериях капитальный ремонт электролизеров осуществляют на месте их установки.

После охлаждения катодного устройства из него удаляют остатки застывших фтористых солей и алюминия, которые отправляют на переплавку в действующих электролизерах. После удаления остатков электролита ванну заливают водой, которая, взаимодействуя с различными химическими соединениями, разрыхляет футеровку, что значительно облегчает дальнейшее ее извлечение. Разрушение и извлечение оставшихся в шахте материалов производятся специальными машинами после полного испарения воды. При ремонте катодного устройства контрфорсного типа с днищем демонтаж футеровки осуществляют после вырезки продольной стенки кожуха. При демонтаже электролизеров с железобетонными днищами принимают меры, исключающие дополнительное разрушение элементов днища и химически стойких блоков при заливке в электролизер воды и выбивке подины.

Катодный кожух при  демонтаже проверяют на возможность  его дальнейшей эксплуатации. Годным считается такой кожух, у которого прогиб стенок в горизонтальной плоскости  не превышает 100 мм.

Подготовку отходов  для дальнейшей переработки начинают непосредственно во время демонтажа; степень их измельчения определяется условиями максимального сокращения продолжительности простоя электролизера в ремонте и зависит от конструкции катодного устройства и рабочих характеристик механизмов, применяемых для демонтажа. Дополнительное измельчение и разделение отходов осуществляют на специально оборудованной площадке в соответствии с техническими условиями на материалы демонтируемых электролизеров и с общей технологической схемой их транспортировки и переработки.

 

 

2 Основы расчета  алюминиевого электролизера

 

 

При проектировании электролизного цеха производят конструктивный, материальный, электрический и энергетический расчеты основного агрегата —  электролизной ванны, а также  расчет количества установленных электролизеров и производительности серии. Эти расчеты необходимы для определения технико-экономических показателей работы цеха.

 

2.1 Расчет числа  электролизеров и производительности  серии

Число работающих электролизеров в серии определяется средним напряжением электролизера (без составляющей от анодных эффектов) и напряжением выпрямительных агрегатов. При этом учитываются: потери напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции (принимаем 1 %), резерв напряжения для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта 
(принимаем 30 В) и резерв напряжения для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %). 
При этих условиях для подстанции на 850 В определяющее число устанавливаемых в серии электролизеров напряжение составит:

 

850—(8,5+30+8,5) =803 В.

 

При работе в режиме, когда  допускается один анодный эффект в сутки продолжительностью 1,5 мин  с напряжением 35 В, составляющая часть  от анодных эффектов в среднем  напряжении электролизера будет  равна:

 

= 0,036 В (принимаем 0,4 В),

 

 где 24—число часов  в сутках;

        60—число минут в часе.

Число рабочих электролизеров n раб в серии составит:

 

n_раб = = 189 (округленно).

 

Для максимального использования  возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии число устанавливаемых в ней электролизеров должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

Число резервных электролизеров в серии определяется продолжительностью межремонтной эксплуатации (принимаем 3 года) и числительностью простоя на ремонте (принимаем 18 сут с обжигом). При этих условиях число резервных электролизеров n₁ составит:

 

n₁ = ,                                             (1)

 

где 365—число дней в году.

 

n₁ = = 3 (округленно).

 

Общее число устанавливаемых  в серии электролизеров n составит:

 

n = n_раб+n₁                                                                   (2)

 

n = 189+3= 192.

 

При наиболее распространенном двухрядном расположении электролизеров серия из 192 электролизеров размещается  в двух корпусах электролиза по 96 электролизеров в каждом.

Годовая производительность серии рассчитывается по формуле

 

Р= I · 8760 · 0,335 η_тn_раб · 10^-6                                                          (3)

 

 P = 260 000 ·8760 ·0,335· 0,865·189 · 10^-6 = 124738 т,

 

где I—сила тока серии, А;

      8760—число часов в голу;

       0,335—электрохимический эквивалент, г/(А.ч);

      η_т—выход по току, доли единицы;

      n_раб—число работающих электролизеров в серии.

 

2.2 Конструктивный  расчет электролизера

При конструктивном расчете  определяют основные размеры (габариты) электролизера.

Размеры анода. Площадь сечения анода S_a определяется по силе тока I и анодной плотности тока d_a:

 

S_a= = =371429 см² (округленно).

 

Ширину анода В_а принимаем равной 270 см, тогда длина (А) определяется как А =S_а/B_а= 371429/270=1376 см (округленно).