1.3 Концепция разработки высокоамперных технологий

    Основные технические решения

    В апреле 2002 года была поставлена задача по разработке технологии РА-300 с использованием новых технических решений, направленных на снижение экологической нагрузки на окружающую среду. При разработке концепции высокоамперных электролизеров за основу был принят опыт эксплуатации самых мощных российских электролизеров С-255 на проектную силу тока 255 кА, эксплуатирующихся на Саяногорском алюминиевом заводе.

    Данные  электролизеры при относительно высокой достигнутой силе тока имели  уровень основных технико-экономических показателей и конструктивных характеристик, значительно ниже эталонных для отрасли. Основной проблемой являлась магнитогидродинамическая (МГД) нестабильность электролизеров, что требовало работы на повышенном уровне металла.

    Многолетний опыт промышленной эксплуатации электролизеров С-255 позволил выявить слабые места  конструкции и к старту проекта  РА-300 имелось достаточное количество наработок по улучшению конструкции  электролизеров.

    Основным  направлением концепции разработки высокоамперных электролизеров являлось создание новой схемы ошиновки, позволяющей исключить негативное влияние МГД-явлений. Работы по созданию ошиновки для мощных электролизеров были начаты в России еще более 20-ти лет назад, на основе натурных измерений магнитного поля в электролизерах и расчетов с помощью первых математических моделей. Большой вклад в создание электролизеров и ошиновок РА-300 и РА-400 внесли испытания в 1992–1993 гг. на САЗе электролизеров на 300 кА института ВАМИ и немецкой фирмы VAW.

    При разработке конструкции ошиновки РА-300 и РА-400 особое внимание было уделено  расположению и «упаковке» элементов  катодной ошиновки, компенсации влияния  соседнего ряда электролизеров.

    В марте 2004 года была поставлена задача по разработке технологии РА-400. В основу технологии РА-400 был положен весь опыт проектирования, монтажа и испытаний технологии РА-300 (табл. 1). Разработка конструкции РА-400 шла параллельно с проектированием и строительством Хакасского алюминиевого завода (ХАЗ), поэтому удачные решения в конструкции РА-400 использовали на РА-300 ХАЗа.

    Тщательная  конструкторская проработка основных технических решений позволила  сформировать общий вид новых  электролизеров РА-300, РА-400, включающий:

• Анодное устройство с новой системой удаления газов.
• Катодный кожух с минимальными деформациями и более эффективной теплоотдачей.
• Футеровку, обеспечивающую целостность подины и оптимальный энергобаланс.
• Ошиновку с высокой магнитогидродинамической устойчивостью.

    В таблице 1.1 приведены сравнительные  характеристики «высокоамперных» электролизеров РА-300 и РА-400 с С-255.

Таблица 1.1.

Сравнительные характеристики электролизеров С-255, РА-300, РА-400

 

Глава 2. Расчетная часть

2.1 Статический материальный баланс

    Исходные  данные для расчета:

• анодная плотность тока А/см².
• выход по току .
• глинозема на 1т Al: 1918 кг;
• свежего криолита на 1т Al: кг;
• фторида алюминия на 1т Al: 22,5 кг;
• фторида кальция на 1т Al: 0,3 кг;
• обожженной анодной массы на 1т Al: 540 кг.

    Материальный  баланс электролизера учитывает, что  в процессе электролиза криолитоглиноземного расплава образуется алюминий, а расходуется  глинозем и угольный анод с выделением газов. Кроме того, в результате испарения электролита, химического разложения его компонентов примесями, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

    Производительность  электролизера в килограммах алюминия в час может быть определена из закона Фарадея:

     ,  (2.1)

    где 0,335 – электрохимический эквивалент алюминия, г/(А×ч); I – сила тока, А, i_а – анодная плотность тока, А/см²; – площадь сечения одного электрода, см²; n_а – число электродов в анодном блоке; – выход по току алюминия, %.

    Зная  производительность электролизера  и расход сырья на 1 кг Al, вычисляем приход материалов в ванну:

    приход  глинозема:

     , кг/ч;    (2.2)

    приход  криолита:

     , кг/ч;      (2.3)

    приход  анода:

     , кг/ч;      (2.4)

приход фторидов (алюминия, кальция):

, кг/ч,  (2.5)

    В процессе работы в электролизере  нарабатывается алюминий, выделяются анодные газы, сгорает анод и расходуются  фториды. Количество этих материалов рассчитывают следующим образом:

    Алюминий. Количество полученного алюминия определяется производительностью электролизера  , кг/ч.

    Анодные газы. Количество анодных газов рассчитываются исходя из их состава и суммарной  реакции, протекающей в электролизере:

         _(2.6)

    где x – объемное содержание в анодных газах, %.

    Количество  и (кмоль/ч) находится из уравнений:

          (2.7)

          (2.8)

    где и – мольные доли и в анодных газах соответственно, примем и .

    Зная  и , рассчитывают массовые количества и (кг/ч)

           (2.9)

           (2.10)

    где 28 и 44 – молекулярные массы  и .

    Потери углерода (кг/ч) определяются как разность между приходом анодов и количеством израсходованного с газами углерода :

           _(2.11)

    где .

    Потери глинозема (кг/ч) в виде пыли, и механические потери принимаются как разность между приходом глинозема в электролизер и теоретическим расходом глинозема :

           _(2.12)

    здесь теоретический расход глинозема  находится из уравнения:

            _(2.13)

    Тогда , где 54 и 102 – молекулярная масса алюминия и глинозема.

    Потери  фторидов на пропитывание подины, унос с угольной пеной, газами и пылью равны приходу фторидов.

    Таблица 2.1

Сводная таблица материального  баланса

 

Глава 3 Обжиг, пуск и послепусковой период

3.1 Обжиг

    Переходный  период от вновь смонтированного  катода, имеющего обычную комнатную  температуру, до горячей "ванны" называется периодом обжига. Обычно используемый термин "пуск" применяется для  описания заливки расплавленного электролита в ванну и одновременного включения тока, т.е. это период времени, когда реально начинается электролитическое производство алюминия. В принципе возможен пуск холодной ванны посредством заливки расплавленного электролита и включения тока, но это делается очень редко в современных ваннах с высокой силой тока и только в специальных случаях, например, при пуске самых первых ванн на новом заводе.

    Качество  обжига подины электролизера является одним из основных факторов, влияющих на срок службы катодного устройства. Предварительный обжиг электролизера предназначен для приобретения межблочными и периферийными швами требуемых механических свойств, а также для разогрева подины катода до температуры пуска. В алюминиевой промышленности используется несколько методов обжига ванны перед электролизом, они могут меняться в зависимости от типа и размеров катодного устройства. Наиболее распространенными методами обжига являются:

• обжиг на сопротивлении (коксовая постель):

1. с полной силой тока серии;

2. с шунтом;

• обжиг на жидком металле;

• термонагрев:

1. с газовыми или мазутными горелками;

2. с электрическими нагревателями;

    Остановимся на каждом из вариантов более подробно:

3.1.1 Обжиг на сопротивлении

    Прямой  нагрев на сопротивлении с полной силой тока является обычным и часто удобным путем для нагрева катода, но может обеспечить только грубый и часто недостаточный контроль за скоростью нагрева и распределением температуры по подине. Метод наиболее практичен для ванн с обожженными анодами, но может также быть использован для электролизеров Содерберга. В ваннах Содерберга с ограниченными возможностями в маневрировании анодом очень трудно достигнуть надлежащего распределения тока по всей площади анода. Вследствие магнитодинамических движений жидкого металла поверхность анода Содерберга бывает недостаточно ровной, и неодинаковое контактное сопротивление может привести к неравномерному распределению тока в катоде. Поэтому необходимо шлифовать контактную поверхность анода и очень внимательно относиться к распределению сопротивления кокса между анодом и катодом, а также использовать кокс одного гранулометрического состава. Кокс с большим количеством мелочи дает более неравномерное распределение тока и увеличение возможности образования раскаленных мест в коксовой постели. В большинстве экстремальных случаев при неравномерном распределении тока, когда практически вся токовая нагрузка проходит через маленькую часть катода, блюмсы расплавляются в пазах блоков.