Характеристики электролиза

Процесс электролиза характеризуется величинами напряжения разложения, обратной ЭДС, рабочего напряжения, выхода по току, выхода по энергии, удельного расхода электроэнергии.

Минимальное значение напряжения, которое необходимо приложить к электродам, чтобы начался процесс электролиза с образованием электродных продуктов, называется напряжением разложения (Е_н.р.).

Методика определения напряжения разложения по кривым i- и i-U показана на рис 3.2.

а б

Рис.3.2. Вид поляризационных кривых в координатах

i -  (a), i- U (б)

Напряжение разложения может быть также найдено как разность равновесных потенциалов для электродных реакций, реализующихся на аноде и катоде.

Е_н.р может быть вычислено и по величинам изменения энергии Гиббса Gр соответствующей электрохимической реакции

Е_н.р = Е_н.р. = - . (3.7)

Величина обратной ЭДС (Е_обр.) при определенных i_a и i_к включает в себя напряжение разложения и величины катодной и анодной поляризаций при рассматриваемых плотностях тока (рис.3.2):

Е_обр=Е_н.р +_а+_к. (3.8)

С другой стороны величина обратной ЭДС равняется рабочему напряжению на электролизере за вычетом омического падения напряжения в электролите и электродах: IR= IR_эл + IR_эд (pиc.3.3).

Е_обр=U_р-IR. (3.9)

Обратная ЭДС определяется в момент отключения тока электролиза (рис.3.3). Величина же рабочего напряжения равна

U_p = Е_н.р+ _к + _а + IR_эл+ IR_эд+ IR_пр , (3.10)

где IR_пр - падение напряжения в подводящих проводах (ошиновке электролизера).

Рис.3.3. Принцип определения обратной ЭДС

Важнейшей характеристикой процесса электролиза является величина выхода по току.

Выходом по току _т называется отношение количества вещества, фактически образовавшегося на электроде (m_факт), к количеству вещества, которое должно было бы образоваться в соответствии с законом Фарадея (m_теор).

Выход по току выражается в долях единицы либо в процентах:

_т= либо 100%. (3.11)

Значение m_факт определяется взвешиванием, m_т рассчитывается по уравнению (3.4). Выход по току, как правило, не равен 100%, потому что часть тока расходуется на побочные процессы (i_поб):

_т = . (3.12)

В частности, на разложение более легко восстановимых веществ расходуется остаточный ток i_o (см.рис.3.2). В том случае, если это единственный побочный процесс, выход по току при определенной плотности тока i может быть найден по уравнению

_т = . (3.13)

Доля тока, расходуемая на побочные реакции, в принципе не одинакова для катодного и анодного процессов, поэтому различают катодный и анодный выходы по току. Необходимо также помнить, что выход по току, строго говоря, не остается постоянным во времени, а изменяется с изменением условий электролиза, поэтому различают выходы по току интегральный (усредненный за все время электролиза) и парциальный (в определенный момент).

Выход по току характеризует эффективность использования по назначению тока электролиза. Для характеристики эффективности использования электроэнергии применяют показатели удельного расхода электроэнергии (W_ф) и выхода по энергии (_э).

Под удельным расходом электроэнергии (W_ф) понимают ее количество, затраченное на получение единицы массы продукта электролиза:

W_ф= . (3.14)

Поскольку m_ф = m_т _т = qI_т, получаем

W_ф= = . (3.15)

Таким образом, величина фактического расхода электроэнергии определяется величиной рабочего напряжения, электрохимического эквивалента и выхода по току.

Выход по энергии (_э) равен отношению минимально возможного удельного расхода электроэнергии на получение данного целевого продукта W_т к реальному или фактическому удельному расходу электроэнергии W_ф ^:

_э = . (3.16)

По аналогии с уравнением (3.15) для минимально возможного удельного расхода энергии (U_p = Е_н.р, _т = 1) справедливо уравнение

W_Т= . (3. 17)

Подставив уравнения (3.15) и (3.17) в (3.16), имеем

_э = . (3.18)

Видно, что эффективность использования электроэнергии определяется в равной степени как эффективностью использования тока (_т), так и рациональным использованием рабочего напряжения (Е_н.р/U_p). Это определяет значимость обоснованной минимизации всех составляющих рабочего напряжения (уравнение (3.10)), исключения либо сведения к минимуму побочных электрохимических процессов (уравнение (3.12)).

Рассмотренные показатели являются методологической основой для исследования и совершенствования реальных электрохимических процессов.

Глинозём

Глинозём А1₂О₃ является основным исходным материалом в производстве алюминия. Рудной базой для производства глинозёма служат преимущественно бокситы, а также нефелины, алуниты и некоторые другие глинозёмсодержащие руды.

Первая модификация - α-глинозём представляет собой без­водную форму оксида алюминия с плотностью 4,0 г/см³ эта форма глинозёма практически негигроскопична. Поверхность зёрен имеет повышенную шероховатость. Это придаёт глинозёму меньшую сы­пучесть и он с трудом просыпается через отверстия; α-глинозём об­ладает повышенной абразивностью.

Плотность γ-глинозёма равна 3,77 г/см³. Эта модификация глинозёма гигроскопична, структура зёрен рыхлая. Зёрна γ-глинозёма имеют развитую поверхность и химически весьма активны. Сцепле­ние зёрен γ-глинозёма невелико и такой глинозём отличается повышен­ной текучестью. По мере повышения температуры и продолжитель­ности кальцинации зёрна γ-глинозёма уплотняются, промежутки между кристаллитами сокращаются и γ-глинозёма переходит в модифи­кацию α- глинозёма.

Как выбрать необходимый для производства глинозём и правильно оценить его качество? Можно назвать несколько опреде­ляющих требований к качеству глинозёма:

• повышенная скорость растворения в электролите и доста­точная адсорбционная (поглащающяя) активность поверхности от­носительно летучих фтористых соединений;

• хорошая текучесть при возможно меньшем пылении;

• удовлетворительные теплофизические свойства.

В промышленных условиях следует стремиться к макси­мальному совмещению этих свойств в используемом глинозёме. В табл. 2.1 приводится общеизвестная классификация глинозёма по видам.

Таблица 2.1 Классификация глинозёма по физическим свойствам

Вид глинозёма	Содержание частиц менее 45 мкм, %	Средний размер частиц, мкм	Угол естеств. откоса, град	Удельная по­верхность по БЭТ, м2/г	Содержание а- А12О3, %	Плотность насыпная, г/см3
Мучни­ стый	20-35	<50	35-45	100-110	5-20	>1,0
Слабопро­ калённый	15-20	50-70	30-40	>90	5-10	>0,95
Песчаный	< 10	80-100	29-35	60-80	^ 5,0	<0,9

Согласно этой классификации глинозёмы подразделяются на следующие типы:

• мучнистый (пылевидный);

• с пониженной степенью кальцинации (слабопрокалённый);

• песчаный (крупнозернистый).

Второй тип глинозёма производится для некоторых отечест­венных предприятий с учетом использования его в установках «су­хой» очистки газа.

Скорость растворения являются наиболее значимым показателем качества глинозёма. Промышленный опыт пока­зывает, что узкий диапазон частиц глинозёма +45-100 мкм со сдвигом крупности ближе к 100 мкм и содержание α-А1₂О₃ не более 10% (остальное γ-А1₂О₃) обеспечивают хорошую смачи­ваемость и удовлетворительную скорость растворения глино­зёма в электролите.

Это достигается за счёт большого содержания в глинозёме частиц γ-А1₂О₃ имеющих развитую ультрапористую структуру, дос­таточно большую удельную поверхность (более 60-80 м²/г), опреде­лённую методом гелиевой адсорбции или сокращенно «по БЭТ», и высокую степень насыщения структуры не скомпенсированными химическими связями. Особенно велико их химическое сродство к фтору, что и придаёт им свойства повышенной растворимости в электролите. Химическое сродство глинозёма к фтору проявляется также в эффективном улавливании фтористых соединений в сухой газоочистке.

Не менее важным свойством глинозёма является его способ­ность образовывать устойчивую корку на поверхности электролита. Мягкая, но достаточно плотная корка с хорошим сцеплением частиц образуется при использовании глинозёма с теми же характеристика­ми по содержанию α-А1₂О₃ и класса менее 45 мм, которые указаны выше для песчаного глинозёма.

Такая корка хорошо пропитывается электролитом и содер­жит больше глинозёма, легче поддаётся разрушению при обработке электролизёров и при ударе пробойника АПГ, чем корки, образую­щиеся при использовании мучнистого глинозёма. Следует также от­метить, что устойчивая корка образуется при условии, когда глино­зём хорошо смачивается электролитом. Мучнистый глинозём, в от­личие от песчаного, смачивается значительно хуже, и корка состоит преимущественно из застывшего электролита, поверх которого на­ходится глинозём. Прочность такой корки очень высока.

Теплопроводность и объёмная плотность глинозёма играют большую роль в тепловом балансе электролизёра, в том числе в ре­гулировании тепловых потерь через глинозёмную засыпку или ук­рытие анодного массива у электролизёров ОА, в поддержании ста­бильного уровня электролита и защите боковых поверхностей анода от окисления.

Текучесть глинозёма определяется в основном грануломет­рическим составом материала, а также содержанием в нём α-А1₂О₃. Материалом с хорошей текучестью можно считать глинозём с по­ниженной степенью прокалки. Он имеют крупность зерна более 45 мкм, высокую степень однородности гранулометрического соста­ва и угол естественного откоса 30-40°. Однако в наибольшей степе­ни требованию высокой текучести удовлетворяет песчаный глино­зём, содержащий фракцию < 45 мкм не более 10% и α-А1₂О₃ в пре­делах 5%, с углом естественного откоса менее 35°.

Глинозёмы со слабой текучестью и углом естественного от­коса >40-45° комкуются при контакте с электролитом. Образовав­шиеся комки обволакиваются электролитом и, имея больший удель­ный вес, оседают через границу металл-электролит, образуя осадок.

Кроме того, на электролизёрах ВТ глинозёмы с плохой текучестью при перемещении анода зависают, образуя пустоты, по которым воздух проникает до боковых граней анода и окисляет их. Однако если текучесть глинозёма будет слишком велика, то надежное укры­тие анодов будет затруднено, что особенно важно для электролизё­ров с обожженными анодами.

Потери глинозема за счет уноса с анодными газами в виде пыли зависят, главным образом, от его гранулометрического состава (от содержания фракции менее 10-20 мкм), от технологии обработки электролизёров, настройки АПГ и частоты анодных эффектов. Сум­марные потери мучнистого глинозёма составляют 17-25 кг/т алюми­ния, что на ~ 10-15 кг/т выше по сравнению с результатами для пес­чаного глинозёма.

В глинозёме, используемом для производства алюминия, должно содержаться минимальное количество соединений железа, кремния, тяжелых металлов с меньшим потенциалом выделения на катоде, чем алюминий, т.к. они легко восстанавливаются и перехо­дят в катодный алюминий. Нежелательно также присутствие в гли­нозёме избытка оксидов щелочных металлов, поскольку они всту­пают во взаимодействие с фтористым алюминием электролита по реакции, разлагают его и тем самым нарушают установленное криолитовое отношение. Для восстановления к.о. требуется корректировка элек­тролита фтористым алюминием, что удорожает стоимость первич­ного алюминия. В случае содержания Na₂О в глинозёме 0,3 % и бо­лее при работе на кислых электролитах начинается наработка из­лишнего количество электролита, который необходимо периодиче­ски сливать из ванны.

Для расчёта количества A1F₃ {Сфа, кг), требуемого для кор­ректировки электролита, можно пользоваться формулой И.П. Гупало

Сфа = 2т (K1 — К2) / С (2 + K1)K2

где: K1 и К2 - к.о. электролита соответственно до и после корректировки; т - масса корректируемого электролита, кг; С - со­держание A1F₃ в промышленной соли фтористого алюминия, доли ед.

Эта формула с соответствующими коэффициентами на со­став сырья, срок службы электролизёра, температуру электролита и др. служит основой существующих методик расчета корректирую­щей дозы фтористого алюминия.

Пример. Примем в формуле И.П. Гупало m = 10 000кг, С = 0,9, ис­ходное к.о. 2,4, целевое к.о. 2,35. Для корректировки потребуется 106 кг фтористого алюминия.

На основании изложенного материала можно считать, что

весьма приемлемыми свойствами обладает глинозём следующей спецификации:

Содержание α- А1₂O₃, %, не более 10

Гранулометрический состав по фракциям, %

История 1

Физические свойства 1

Нахождение в природе 2

Химические свойства 2

Производство 3

Применение 6

В качестве восстановителя 6

Сплавы на основе алюминия 6

Алюминий как добавка в другие сплавы 8

Ювелирные изделия 8

Стекловарение 8

Пищевая промышленность 8

Алюминий и его соединения в ракетной технике 8

Алюминий в мировой культуре 9

В произведениях эпохи знакомства человечества с алюминием 9

Токсичность 9

См. также 10

Ссылки 10

Строение криолито-глиноземных расплавов 18

33

Разложение фторидов 33

3A1ОF₂^- + 6е = 2А1 + 6F^- + АlO₃^3- . (22) 34

3A1ОF₂^- - 6е + 1,5С = 1,5СO₂ + 3А1³⁺+ 6F^- . (23) 34

A1 + 1/2A1F₃ = ³/₂A1F. (25) 34

Взаимодействие анодных газов с электролитом 36

Механизм катодного процесса 38

Структура угольного анода и закономерности горения углерода 39

Анодное перенапряжение 41

Анодный эффект 42

Факторы, определяющие расход углерода 45

Поведение угольных частиц в электролите 45

Катодный выход по току и потери металла 46

а б 51

Рис.3.2. Вид поляризационных кривых в координатах 51

Глинозём 53

КОНСТРУКЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРО­ЛИЗЕРОВ, ИХ МОНТАЖ И ДЕМОНТАЖ 57

Общая характеристика и классификация электролизе­ров 57

62

Анодное устройство 62

Катодное устройство 67

Футеровка катодного кожуха 69

Пропитка угольной футеровки 73

Ошиновка электролизера 73

Газовая гидродинамика 79

Сбор анодных газов и укрытие электролизёра 87

89

Электрическая изоляция 89

ОБЖИГ И ПУСК ЭЛЕКТРОЛИЗЁРОВ 90

90

Обжиг подины 90

92

Пуск ванн на электролиз 92

РАБОТА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА В НОРМАЛЬНОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 94

Междуполюсное расстояние (МПР). Рабочее и среднее напряжение т.е. расстояние между подошвой анода и поверхностью жидкого металла, выполняющего роль катода. По­скольку в междуполюсном зазоре реализуется большая часть энер­гии электролизера (порядка 75-80%), то значение МПР существенно влияет на все стороны его работы. 95

5.5. Форма рабочего пространства 97

5.7. Технологическое обслуживание электролизеров 99

НАРУШЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО ХОДА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА И ПУТИ ИХ УСТРАНЕНИЯ 126

9Л. Энергоснабжение электролизных серий 141

9.2. Механизация процессов обслуживания электролизеров. 144

9.3. Автоматическая система управления технологическим процессом (АСУТП) 146

9.4. Централизованная раздача и автоматизированное пи­тание ванн глинозёмом 154

По химическому составу глинозём должен соответствовать требованиям, приведенным в ГОСТ 30558-98 «Глинозём металлур­гический» (табл. 2.2).

Таблица 2.2 Требования к глинозёму

Марка	Массовая доля примесей, %, не более
	Si02	Fe203	Тяже­ лые примеси	ZnO	Р205	Na20 + к2о	П.п.п.
Г-000	0,02	0,01	0,01	0,001	0,001	0,3	0,6
Г-00	0,02	0,03	0,01	0,001	0,002	0,4	1,2
Г-0	0,03	0,05	0,02	0,002	0,002	0,5	1,2
Г-1	0,05	0,04	0,02	0,003	0,002	0,4	1,2
Г-2	0,08	0,05	0,02	0,003	0,002	0,5	1,2

Примечания: 1. Тяжелые примеси - сумма оксидов Ti0+V₂0₅+Cr₂0₅+Mn0.

2. П.п.п. - потери при прокаливании, имеющие физический смысл контроля остаточных летучих веществ после кальцинации.

КОНСТРУКЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРО­ЛИЗЕРОВ, ИХ МОНТАЖ И ДЕМОНТАЖ

Общая характеристика и классификация электролизе­ров

На предприятиях алюминиевой промышленности эксплуати­руются электролизеры весьма разнообразных конструкций и мощ­ности. Условно их разделяют на три большие группы:

Электролизеры малой мощности иа силу тока до 100 кА. Этот тип ванн оснащен одним самообжигающимся анодом с боко­вым подводом тока (БТ) и одноэтажным (напольным) размещением в корпусе (рис. 3.1). Это наиболее старые с конструктивной точки зрения электролизеры и доля их в мировом производстве алюминия невелика (по РФ около 15%).

Рис. 3.1. Поперечный разрез электролизера с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока: а - схематическое изображение; б - поперечный разрез электролизёра; 1-катодные стержни (блюмсы); 2-подовые блоки; 3-набивныс швы; 4- боковые плиты; 5-штыри; 6-трап; 7-тяга временной подвески анода; 8- глиноземная течка; 9-механизм перемещения анода; 10-ручка открытия глиноземных бункеров; 11-анодные стояки; 12-катодные спуски; 13- катодные шины

Электролизеры средней мощности на силу тока 100-165 кА, оснащенные также одним самообжигающимся анодом с верхним подводом тока (ВТ) и преимущественно с размещением на отметке + 4,0 м. Этот тип ванн (рис. 3.2) осваивался в нашей стране в 60-70-е годы и на его долю в РФ приходится большая часть произ­водственных мощностей (около 70%).

Рис.3.2. Электролизер с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока:

а - схематическое изображение; б - поперечный разрез электролизера 1-огнеупорный кирпич катодного устройства; 2-подовые блоки; 3-жидкий алюминий; 4-боковые плиты; 5-катодный кожух; 6-электролит 7-корка электролита; 5-глинозем; 9-газосборный колокол; 10-угольный анод; 11-конус спекания; 12-жидкая фаза анода; 13-анодный кожух; 14- анодные штыри; 15-анодные шины; 16-рама; 17-механизм перемещения анода; 18-катодные стержни; 19-катодная ошиновка

Электролизеры средней и большой мощности на силу то­ка от 160 до 400 кА и более, оснащенные предварительно обожжен­ными анодами (ОА) (рис. 3.3). Количество анодов на электролизере зависит от его мощности. Размещение ванн преимущественно на отметке + 4,0 м. Это наиболее современный тип электролизеров, хо­тя именно с такого типа ванн небольших размеров начиналась исто­рия развития алюминиевой промышленности.

Рис. 3.3. Алюминиевый электролизер с предварительно обожженными анодами: а-схематическое изображение; б-поперечный разрез электролизера; в- корпус электролиза с поперечным расположением электролизёров на силу тока 180 кА (VAW, Германия)

В чем преимущества или недостатки того или иного типа электролизеров? Первые два из них, оснащенные самообжигающимися анодами, отличаются простотой конструкции и возможностью использовать для формования анода относительно дешевый матери­ал - анодную массу. Использование для обжига тепла выделяющегося в электролизере. Отсутствуют какие-либо отходы от использо­вания анодов в электролизном производстве. Не требуется больших инвестиций в производство анодной массы. Затраты на производст­во единицы продукции на электролизерах этого типа существенно ниже.

Недостаток электролизеров с самообжигающимися анодами состоит в том, что на них ограничены возможности повышения еди­ничной мощности ванн, а также весьма затруднено использование средств механизации и автоматизации, в том числе систем автомати­зированного питания глиноземом (АПГ). В электролитический алю­миний поступает значительное количество железа из-за коррозии стальных штырей и газосборных секций, что ограничивает возмож­ность получать алюминий высших сортов (особенно на электроли­зёрах ВТ). При обжиге анодов в атмосферу попадает значительное количество вредных для здоровья углеводородов - смол и газов. Кроме того система газо и пыле улавливания работает не эффективно из за мене удачной конструкции анодного узла.

Что касается третьего типа электролизеров (ОА), то они ли­шены этих недостатков. На этом типе электролизера возможно по­вышение мощности путём увеличения числа анодов и расширения геометрических размеров ванн. Электролизёр ОА более приспособ­лен для механизации и автоматизации технологических операций, а сбор и очистка анодных газов производятся с большей эффективно­стью, в газах нет смолистых веществ и углеводородов. На этом типе ванн больше возможностей получить алюминий высших сортов, в том числе марки А8.

В настоя­щее время все вновь строящиеся алюминиевые заводы оснащаются электролизёрами ОА на силу тока 275-350 кА. На электролизёрах этого типа при анодной плотности тока 0,85-0,88 А/см² достигнут выход по току ~ 95%, удельный расход электроэнергии -13,3 кВт*ч/т А1, расход анодов 515/415 кг (брутто/нетто).

Фирма Alcan (Канада) планирует строительство опытного завода в Jonquiere с электролизёрами АР50 мощностью 500 кА. В настоящее время нет технических ограничений для создания ещё более мощного электролизёра. Например, моделирование МГД, тер­моэлектрических и механических параметров показывает, что элек­тролизёры ОА могут работать при силе тока 740 кА и выше (A.Tabertaux).

В то же время себестоимость алюминия на электролизерах этого типа за счет больших инвестиционных затрат и высокой стои­мости обожженных анодов на 10-15% выше. Другой проблемой можно считать образование анодных огарков, которые составляют 16-20% от массы анодов и требуют специальной обработки и утилизации в анодном производстве.

Постоянная модернизация и совершенствование конструк­ции позволяет успешно эксплуатировать все три типа электролизе­ров с использованием преимуществ каждого из них.

Как видно на рис. 3.1-3.3, на которых показаны основные типы электролизеров, принципиально алюминиевый электролизер любой конструкции состоит из катодного и анодного устройств, ошиновки (анодной и катодной) и вспомогательных конструкций, удерживающих или перемещающих отдельные узлы, а также уст­ройств для сбора и отвода анодных газов (колокол, горелки, укры­тия, балка-коллектор). Рассмотрим более детально конструктивные особенности основных типов электролизеров.

Анодное устройство

Электролизеры с самообжигающимися анодами.

Конструкция самообжигающегося анода как с верхним, так и с боковым подводом тока в значительной степени определяется осо­бенностями механизма формования анода из анодной массы. В со­ответствии с этим анод разделяется на две зоны:

-верхнюю, состоящую из слоя расплавленной жидкой или размягчённой анодной массы;

- нижнюю, состоящую из слоя обожженной и затвердевшей анодной массы и называемую конусом спекания, т.к. форма его на­поминает направленный вверх конус.

Одновременно с расходованием анода в процессе электроли­за на поверхности конуса спе­кания идет непрерывное коксование анодной массы и наращивание конуса спекания по высоте. Тем самым обеспечивается непрерыв­ность работы анода. Ток подводится к аноду с помощью стальных штырей, которые устанавливаются сбоку (БТ) или сверху (ВТ).

На рис. 3.4 схематически показано размещение токоподво­дящих штырей относительно конуса спекания самообжигающегося анода. На анодах с БТ штыри забиваются в жидкую часть анода ближе к конусу спекания под углом 8-15° к горизонту. Наклон шты­рей задается с целью выровнять электрическое сопротивление в центре и по периферии анода. Длина забитой части должна быть по возможности максимальной, что позволяет снизить потери напря­жения в аноде.

Рис. 3.4. Схема установки токоподводящих штырей в само- обжигающихся анодах: а-боковой; б-верхний подвод тока; а: 1- рама жесткости; 2-алюминиевая обечайка; 3-ребро; 4 -штырь; б: 1-стальной штырь; 2-алюминиевая штанга; 3-анодная шина; 4- контактный зажим; 5-анодная рама

По мере расходования анода штыри нижнего горизонта при­ближаются к электролиту и требуется их перемещение. С этой це­лью штыри нижнего ряда БТ извлекаются, а в ряд верхнего горизон­та устанавливаются сменные штыри, охлажденные и очищенные от окалины. Во время извлечения штырей анод крепится к анодной раме с помощью временных тяг присоединённых ко второму ряду штырей. После извлечения нижнего ряда штырей, анодная рама подымается вверх, пока не войдет в контакт со вторым рядом штырей и не примет вес анода. После этого временные тяги убирают и второй ряд штырей становится первым. После извлечения нижнего ряда штырей и перетяжки анодной рамы в верхнюю часть анода забивается новый ряд штырей. Штыри располагаются по продольным и торцевым сторо­нам в 4-6 рядов, из которых два нижних проводят ток, а верхние на­ходятся в зоне спекания массы, т.е. за пределами зоны электриче­ской проводимости анода.

Ток к штырям подводится с помощью гибких алюминиевых или медных шинок, которые соединяют анодную шину со штырями с помощью клинового контактного устройства (рис. 113). Стальная рама, опоя­сывающая анод по периферии, служит одновременно частью анод­ного кожуха и устройством для подвеса анода. В нижней ее части имеются вертикальные ребра жесткости, между которыми устанав­ливаются штыри. К ребрам крепятся удерживающие стальные петли (сережки), на которые опираются два токоподводящих ряда штырей. Рама подвешивается на тросах (винтах или полиспастах) (рис. 111) к опорным колон­нам несущей конструкции. Таким образом, анод удерживается и пе­ремещается с помощью штырей, анодной рамы и тросов.

Рис, 113. 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

Внутри анодной рамы устанавливается обечайка из алюми­ниевого листа, которая по мере продвижения вместе с анодом вниз наращивается. Обечайка вместе с рамой является формующей емко­стью для анода и препятствует вытеканию анодной ассы из анода.

Укрытие электролизера БТ состоит из подъемных гофриро­ванных штор, закрывающих продольные и торцевые стороны анода и ванну, привода подъема штор и колонн, на которые опирается анодная конструкция. Пространство над анодом укрывается метал­лическими крышками или оставляется свободным. При перетяжке рамы анод подвешивают на опорную конструкцию с помощью вре­менных подвесок, которые крепят к нескольким штырям нижнего ряда.

На самообжигающихся анодах с верхним подводом тока (рис. 3.4, б) стальные штыри устанавливаются в аноде вертикально и соединяются с анодной шиной с помощью зажимов. На электроли­зерах ВТ используются составные сталеалюминиевые штыри, со­стоящие из стальных цилиндров с коническим основанием и алю­миниевой штанги.

Использование алюминиевой штанги позволяет снизить электрическое сопротивление между шиной и анодом, уменьшить расход энергии.

Анодные штыри соединяются с анодной токоведущей шиной зажимами, принципиальная схема которых показана на рис.3.5. Прижим алюминиевой штанги к шине осуществляется за счет пово­ротного эксцентрика, который давит на прижимную колодку. Экс­центрик приводится в движение через штангу от гидропривода мос­тового крана. Анодные штыри являются токоподводящими и грузо- несущими элементами одновременно. За счет прочного сцепления стальной части штырей с обожженной частью анода вся масса анода удерживается в подвешенном состоянии.

Рис. 3.5. Зажим для сталеалюминиевых штырей: i-штанга поворотного механизма; 2-эксцентрик; 3-прижимная ко­лодка; 4-анодная шина; 5-алюминиевая штанга штыря

Угольный анод заключен внутри стального кожуха (анодной рубашки), снабженного по боковым сторонам стальными вертикаль­ными ребрами для усиления жесткости и повышения теплоотдачи от анода (см. рис.3.2). Верхняя часть кожуха 13 крепится к раме 16 с помощью домкратов, а снизу по периметру кожуха размещается чу­гунный газосборный колокол 9, состоящий из отдельных секций. Для отсоса анодных газов из-под колокола к нему присоединены по углам два чугунных патрубка, по которым анодные газы направля­ются в горелки для дожигания содержащихся в них оксида углерода и смолистых продуктов коксования анода.

Анодный кожух сверху заполнен анодной массой, загружае­мой в виде мелких брикетов и образующей в верхней части анода фазу размягченной анодной массы 12 толщиной 35-45 см по центру и 70-80 см по периферии. Для предотвращения выделения газов кок­сования и смол с поверхности размягченной массы на ней целесооб­разно поддерживать твердый слой брикетов, выполняющих роль затвора выделению газов. Ниже слоя размягченной массы образует­ся обожженная твердая фаза (конус спекания).

Кожух с анодной рамой опираются на П-образные стойки или специальные колонны, установленные между торцами соседних электролизеров. С помощью домкратов 17 анод может перемещаться в вертикальном направлении и строго фиксироваться относительно поверхности 3 жидкого алюминия, образуя междуполюсное про­странство. При постепенном сгорании анода производится подъем анодной рубашки относительно самого анода и перестановка шты­рей на более высокий горизонт.

Предварительно обожженные аноды.

В отличие от самообжигающихся анодов этот тип анодов не является неотъемлемой частью конструкции электролизера и при срабатывании угольной части примерно на 2/3 по высоте анод вме­сте с анододержателем подлежит замене на новый. Как видно на рис. 3.6 а,б, на котором показан анодный блок с анододержателем в сборе, анододержатель состоит из вертикальной алюминиевой штан­ги и стальной траверсы (кронштейна) с несколькими ниппелями.

Стальной кронштейн и алюминиевая штанга не могут быть сварены напрямую. Для их соединения применяется так называемая сталеалюминиевая вставка, которая представляет собой две метал­лические пластины - стальную и алюминиевую, соединенные между собой сваркой взрывом. Между пластинами помещается барьерный слой из титановой фольги, который препятствует химическому взаимодействию железа и алюминия с образованием хрупкой про­слойки интерметаллидов состава Fe_nAl_m. Интерметаллиды вызывают резкий рост электрического сопротивления и снижение механиче­ской прочности контакта.

Рис. 3.6. Обожженный анод в сборе: а- анодное устройство в сборе; б- установка биметалличе­ских пластин и схема заливки ниппелей

Ниппели анододержателя соединяются с угольным анодом с помощью чугунной заливки.

После срабатывания анода угольный остаток (огарок) удаля­ется, а чугунная заливка раздавливается на специальной машине и также удаляется. После зачистки ниппелей анододержатель вновь используется для монтажа следующего анода.

Число устанавливаемых анодов зависит от мощности элек­тролизера, но размещение их в плане ванны в любом случае произ­водится в два ряда. Крепление штанги анододержателя к анодной шине выполняется с помощью механических зажимов.

С целью защиты анодов от окисления и снижения тепловых потерь анодный массив укрывается специальным укрывным мате­риалом, состоящим из смеси глинозёма и оборотного электролита (более подробно в разделе 7.2.5).

Поскольку аноды размещены плотно друг к другу по про­дольным сторонам, то в образовавшуюся между ними щель также попадает укрывной материал, хорошо защищающий продольные стороны от окисления. В менее благоприятных условиях находятся торцевые аноды, одна из продольных сторон которых не закрыта глинозёмом и в меньшей степени защищена от окисления.

Катодное устройство

Катодное устройство электролизера любого типа представ­ляет собой ванну, выложенную из углеграфитовых подовых блоков и бортовых угольных или карбидокремниевых плит. Вся конструк­ция заключена в металлический кожух. Между стенками кожуха и блоками размещается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Специально изготовленные конструкционные материалы подины устойчивы против агрессивного воздействия расплавленного элек­тролита и являются достаточно хорошими проводниками тока. По­следнее обстоятельство особенно важно, т.к. подина служит одно­временно и катодом.

В процессе электролиза происходит пропитка угольной и огнеупорной футеровок фтористыми солями, их разбухание и воз­никновение внутренних напряжений в конструкции катода. Для со­хранения формы и функционального назначения катодного устрой­ства металлический кожух ванны должен обладать устойчивостью против деформации, но иметь достаточную возможность компенса­ции расширения подины в процессе пропитки. С учётом этого тре­бования конструкция катодных кожухов подразделяется на два типа: катоды с рамным кожухом, не имеющим днища, и катоды с кожу­хом, имеющим металлическое днище (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Конструкция катодных кожухов: а- рамный кожух без днища: 1-кожух; 2-швеллерные балки; 3-анкерное крепление;

б- контрфорсный кожух с днищем: 1-кожух; 2-контрфорсная балка; 3- стягивающая шпилька; 4-распорная балка;

в- шпангоутный кожух с днищем: 1-кожух; 2-шпангоутное устройство; 5-распорная балка

Катодное устройство с кожухом рамного типа размещается на цоколе из нескольких рядов огнеупорного шамотного и красного кирпича. Назначение цоколя состоит в том, чтобы предохранить фундамент (из огнеупорного бетона) от высоких температур и создать необходимую тепловую изоляцию подины. Кожух крепится к фундаменту с помощью ан­керных лап, которые удерживают кожух от смещения под воздейст­вием вертикальных усилий, возникающих из-за расширения футе­ровки в результате пропитки фтористыми солями. Анкерное крепле­ние - очень важный узел катодного устройства. Отрыв катодного кожуха от анкеров приводит к деформации катодного узла и быст­рому выходу электролизёра из строя.

Катодными кожухами рамного типа (без днища) оснащаются преимущественно электролизеры БТ небольшой мощности и элек­тролизеры ВТ на 120 -130 кА. Основным недостатком такой конст­рукции следует считать сложность капитального ремонта электроли­зера. При каждом ремонте разборка цоколя может производиться только на месте, занимая продолжительный период времени.

Более удобны с этой точки зрения катодные устройства, ос­нащенные кожухами с днищем. Применяют несколько конструкций кожухов с днищем: цельносварные контрфорсные, шпангоутные с вертикальными и наклонными стенками, рамно-шпангоутные. На рис.3.7,б,в приведена принципиальная схема кожухов контрфорсного и шпангоутного типа.

Основным элементом конструкции кожуха контрфорсного типа с днищем можно считать наличие вертикальных балок (контр­форсов), размещенных вдоль продольных стенок. Контрфорсы удерживают стенки кожуха от деформации. В своей средней части контрфорсы с помощью шпилек жестко соединены с днищем, а в нижней части между противоположно расположенными балками размещены распорные железобетонные балки. Верхняя часть контрфорсов упирается в борта стального кожуха, осуществляя об­жатие их по всей длине продольной стенки.

Продольные и торцевые стенки кожуха сделаны в виде сплошного листа толщиной 8-10 мм и усилены по высоте продоль­ными поясами жесткости. Сам кожух свободно, без жесткого креп­ления укладывается на опорные П-образные балки. Контрфорсы равномерно распределены между выходными окнами для блюмсов катодного кожуха, т.е. между выступающими концами блюмсов.

Отличие катодного кожуха шпангоутного типа состоит в том, что жесткость его конструкции обеспечивается системой шпан­гоутов, напоминающих ребра остова морских судов и имеющих большой момент сопротивления распирающим усилиям между про­тивоположными стенками футерованного кожуха.

Бортовые стенки и днище в кожухах шпангоутного типа из­готовлены из листовой стали толщиной 14-20 мм и сварены по все­му периметру кожуха. Сами шпангоуты установлены с шагом, рав­ным ширине подового блока (как и в контрфорсном кожухе). Верх­няя часть шпангоутов по всему периметру кожуха связана с поясом жесткости, сделанным из стального профиля или листа. В некоторых конструкциях шпангоутные кожухи изготовляются с наклонными продольными стенками с углом наклона 15-22°, повторяя конфигу­рацию ванны с наклонной бортовой стенкой.

Достоинством кожухов шпангоутного типа можно считать повышенную жесткость их конструкции, что позволяет повышать единичную мощность алюминиевого электролизера и увеличивать срок службы до 80-90 мес. против 50-60 мес. с контрфорсными ка­тодными устройствами. Однако чрезмерная жесткость конструкции кожуха может иметь и отрицательные последствия и способствовать разрушению подин. Использование шпангоутного кожуха следует совмещать с применением катодных блоков с высоким содержанием графита, имеющих низкий коэффициент теплового расширении, а также точно рассчитывать компенсационные засыпки.

Свободная установка кожухов на опорные балки позволяет существенно упростить капитальный ремонт с вывозом катодного устройства ремонтируемой ванны в специализированные ремонтные цехи.

Футеровка катодного кожуха

Основу катодной футеровки алюминиевой ванны составляют угольные катодные блоки, подводящие ток стальные стержни (блюмсы), соединенные с блоками с помощью чугунной заливки или специальной склеивающей пасты. Заделка блюмсов может быть од­нопазовая или двухпазовая (рис. 3.8).

В последнем варианте заделки, применяемом для электроли­зеров большой мощности, удается заметно снизить перепад напря­жения в подине.

Катодные блоки изготавливают из углеродных материалов, в основе которых лежит электрокальцинированный (прокаленный в электрических печах сопротивления) антрацит и связующий матери­ал - каменноугольный пек. Углеродная масса смешивается, прессу­ется на прошивных прессах или формуется на вибромашинах. Полу­ченные «зеленые» блоки обжигают при температуре 1150-1200°С, после чего они приобретают свойства термической устойчивости, сопротивления агрессивному воздействию расплавленного электро­лита и алюминия, а также необходимую электрическую проводи­мость.

Рис.3.8. Однопазовая (а) и двухпазовая (б) схемы заделки токопод­водящих стержней в угольные катодные блоки

В последние годы в состав шихты стали вводить добавки ис­кусственного графита, что повышает электропроводность катодных блоков и способствует их устойчивости против пропитки электроли­том, «разбухания» материала. На отечественных предприятиях про­изводят блоки с добавкой 25-30% графита, испытываются блоки с 50 и 70% графита.

Некоторые зарубежные предприятия стремятся полностью заменить антрацит на графит и в качестве наполнителя используют 100% графита (графитовые блоки). Другие предприятия производят блоки из нефтяных «игольчатых» коксов, затем обжигают их и графитизируют, доводя содержание графита почти до 100% (графитизированные блоки).

Подобные усовершенствования дают возможность снизить удельное электрическое сопротивление (УЭС) с 30-50 мкОм*м у блоков рядового состава до 18-20 мкОм*м у графитовых блоков и до 12-13 мкОм*м у графитизированных. Относительное расширение («разбухание») в электролите при этом снижается соответственно с 1,0 до 0,3 и 0,03 %. Последний фактор предохраняет подину от де­формации и способствует повышению срока службы электролизера.

Препятствием для широкого использования графитовых ка­тодных блоков является их низкая устойчивость к истиранию. Поэтому большая часть специали­стов склоняется к тому, что рациональнее использовать блоки с 70- 80% графита (остальное антрацит), что повышает их устойчивость к истиранию.

В качестве бортовой футеровки используют боковые уголь­ные блоки толщиной 200 мм, произведенные на основе антрацита. Однако все шире используются плиты толщиной 65-100 мм на осно­ве термостойкого материала - карбида кремния. Несомненным пре­имуществом карбидокремниевых плит является то обстоятельство, что они не электропроводны и исключают работу ванны «в борта». Они не окисляются в агрессивной среде, практически не пропиты­ваются электролитом. Толщина карбидокремниевых плит в 2-3 раза меньше толщины угольных блоков, что позволяет уменьшить разме­ры и массу электролизера.

Цокольная часть катодного устройства выкладывается из огнеупорного и теплоизоляционного кирпича, как показано на рис. 3.9. Для кожухов без днища нижнюю часть цоколя выкладывают тремя-четырьмя рядами красного кирпича, верхнюю - тремя рядами огнеупорного шамотного кирпича, т.к. температура в этой части цо­коля составляет 700-900°С. Ниже располагается бетонный фунда­мент и выравнивающая подсыпка на его поверхности (рис. 3.9,а).

Цокольная часть катодного кожуха с днищем отличается большей сложностью, т.к. требует более тщательной тепловой изо­ляции днища кожуха (рис. 3.9,6). Для этого используются целый ряд специальных материалов и так называемая дифференцированная система футеровки. На дне металлического кожуха размещается тонкий слой выравнивающей подсыпки из дробленого шамота или крупнозернистого песка. На него укладывают 2-3 ряда (130-200 мм) теплоизоляционного кирпича, например диатомита.

В последние годы всё большее распространение получают легковесные крупногабаритные плиты из силиката кальция или вер­микулита, имеющие коэффициент теплопроводности не более 0,15 Вт/(м*К), Следует отметить очевидные преимущества вермикулитовых плит, которые являются не только прекрасным теплоизоля­ционным материалом, но и термически устойчивы до 900-1000°С, более устойчивы против смачивания и пропитки электролитом. Большие размеры плит (например, 1000x2000 мм) позволяют уско­ренно вести футеровочные работы.

Рис.3.9 Огнеупорная и теплоизоляционная футеровка ка­тодного кожуха алюминиевого электролизера: а - футеровка кожуха без днища: 1-стальной кожух; 2- цоколь; 3-бетонный фундамент; 4-анкерные лапы; 5- электроизоляционная втулка; 6-анкерный колодец; 7-подсыпка; 8 - красный кирпич; 9- огнеупорный шамотный кирпич;

б - дифференцированная футеровка катодного кожуха с днищем: 1-выравнивающая подсыпка; 2-теплоизоляционный кир­пич; 3-шамот; 4-СБС; 5-угольные блоки; 6-чугунная заливка; 7- катодный стержень; 8-набойка из подовой массы; 9-бортовая засып­ка; 10-бровка; 11-бортовые плиты; 12-выравнивающий слой засыпки бортовых плит; 13-фланцевый лист

Поверх слоя теплоизоляции укладывается ряд легковесного шамотного кирпича и далее 2-3 слоя шамота. Если для теплоизоля­ции используются вермикулитовые плиты, то поверх их можно ус­танавливать 3 слоя шамота.

В последние годы находит применение специальный сорт шамотного кирпича, называемого «барьерный». Этот кирпич отли­чается низкой пористостью (особенно сквозной или проходной), ко­торая составляет менее 14%, и низкой проницаемостью для расплава электролита и металла. За счет высокого содержания муллита ЗА1₂O₃ *SiO₂ (более 30%) «барьерный» кирпич химически более ус­тойчив к воздействию фтористых соединений.

На поверхности огнеупорной кладки накатывается слой по­довой массы (угольная подушка) или помещается слой так называе­мой сухой барьерной смеси (СБС), состоящей из смеси глинозема, силикатов, оксида кальция и магния. Иногда применяют дроблёное стекло. Этот слой также выполняет барьерные функции для распла­ва и одновременно служит выравнивающим слоем под катодные блоки.

На большинстве предприятий используют упомянутую выше дифференцированную теплоизоляционную футеровку цоколя. Зада­ча такой футеровки состоит в том, чтобы не допустить мощные го­ризонтальные потоки тепла вдоль катодных блоков и блюмсов, имеющих высокую теплопроводность. С этой целью теплоизоляци­онный кирпич выкладывается по всей периферии катодной части, включая цоколь и торцевую часть катодных блоков. Тем самым уда­ется избежать охлаждения угольной подины, образования длинных, уходящих под анод настылей.

В самом цоколе теплоизоляционный кирпич выкладывается ступенькой, как это показано на рис 3.9,б. Что касается центральной части подины, то её тепловая изоляция обеспечивает сохранение достаточной температуры рабочей поверхности (950-960°С).

Катодные блоки размещаются на угольной подушке или на слое СБС таким образом, что концы блюмсов выступают наружу через окна в катодном кожухе. Блоки по длине имеют два размера, например 2200 и 1600 мм. В один ряд укладываются два блока раз­ной длины, чтобы в сумме получить 3800 мм. Укладка ведется в пе­ревязку, т.е. два соседних блока имеют разную длину. Это позволяет иметь центральный шов по длинной оси ванны не сплошной, а в пе­ревязку, что обеспечивает дополнительную прочность подины.

На электролизерах большой мощности используют длинные сплошные катодные блоки и соответственно сплошные блюмсы. Та­кой блок укладывается от борта до борта, а набивного шва по центру подины в них удается избежать. Преимущество сплошных блоков очевидно как с точки зрения прочности подины, так и более равно­мерного распределения тока в ней. В последние годы сплошные блоки находят все большее применение также на электролизерах средней и малой мощности. Трудность заключается в процедуре ус­тановки сплошных блоков. Они не умещаются в кожух по длине и кожухи приходится делать разъёмными с одной из продольных сто­рон.

После установки катодных блоков по периферии цоколя вы­кладывают пояс из шамотного кирпича (бровку), тщательно подго­няя кирпич к выступающим над цоколем блюмсам. Назначение бровки - создание плотной среды вокруг катодных стержней, пре­пятствующей проникновению воздуха к угольной футеровке и про­сачиванию расплава к катодным стержням. Бровка служит также основанием для установки боковых плит. В ряде случаев бровка де­лается составной: наружная стенка выкладывается из теплоизоляци­онного кирпича, внутренняя со стороны блока - из шамота. Эго уси­ливает тепловую изоляцию в направлении наибольших тепловых потоков.

На бровку устанавливаются бортовые плиты. Если это угольные боковые блоки, то между ними и стенкой кожуха помеща­ется заливка огнеупорным бетоном или засыпается молотый шамот­ный порошок. Карбидокремниевые плиты наклеиваются к стенке кожуха с помощью пасты, содержащей аналогичные плитам компо­ненты. Пространство между бровкой и подовыми блоками заполня­ется набоечной массой в виде периферийного шва.

Ширина шва между подовыми блоками составляет, как пра­вило, 30-40 мм. Швы набиваются углеродной подовой массой и об­жигаются перед пуском ванны или в процессе её обжига в серии, что превращает подину в монолит. Подовая масса изготовляется смеше­нием прокаленного антрацита (наполнитель) и каменноугольного пека (связующий материал). Для снижения температуры размягче­ния набиваемой массы и проведения набойки при низких темпера­турах применяют добавку легкоплавких масел. Последний фактор очень важен, т.к. позволяет производить набойку швов без предва­рительного подогрева. Такая масса носит название холоднонабив­ной. Если используют блоки с высоким содержанием графита, то применяют другой сорт набоечной массы, содержащей графитовый компонент.

В верхней части кожуха, над бортовыми плитами устанав­ливается толстая стальная пластина - фланцевый лист, предохра­няющий бортовой блок от механического воздействия инструмен­том или обрабатывающей техникой. Фланец крепится к кронштей­нам, приваренным к кожуху.

Когда подина полностью смонтирована, для снижения пере­пада напряжения в контакте алюминий-угольный блок поверхность подины можно обработать веществами, способствующими смачива­нию угля алюминием. Это позволяет уменьшить перепад напряже­ния в контакте жидкий алюминий-подина на 30-50 мВ. Для этого готовятся пасты на основе боридов и карбидов титана и циркония, которые тонким слоем наносятся на подину. В отечественной про­мышленности это направление еще не получило должного развития, но достаточно успешно развивается рядом американских и австра­лийских фирм.

Пропитка угольной футеровки

Пропитка подины расплавленными солями является серьёз­ной проблемой промышленного электролизера. Жидкий алюминий, имеющий большое поверхностное натяжение на границе с углем, не смачивает катодные блоки. В отличие от алюминия электролит, по­верхностное натяжение которого значительно меньше, хорошо сма­чивает футеровку и пропитывает её.

Находящийся на подине металл не может защищать футе­ровку от пропитки, т.к. электролит проникает под металл. Подина впитывает к концу службы электролизера до 40% от её массы. Про­питка идет избирательно: свыше 70% пропитывающего расплава состоит из NaF.

Большое влияние на скорость пропитки оказывают раство­ренные в электролите А1₂O₃ и алюминий. Этот эффект можно объяс­нить тем обстоятельством, что растворённый алюминий и его оксид снижают поверхностное натяжение на границе с углем и повышают смачивание, т.е. являются поверхностно-активными веществами. Пропитка идет по крупным порам и снижается по мере уменьшения диаметра пор. В меньшей степени проникают кислые электролиты, смачивание которыми значительно ниже.

По современным воззрениям одной из важнейших причин выхода из строя угольных подин можно считать проникновение па­рообразного натрия в кристаллическую структуру углерода. В ре­зультате проникновения натрия происходит усиленное разбухание подин, их деформация и разрушение. Проникновение натрия замед­ляется при использовании кислых электролитов.

В большей степени смачиванию солями и проникновению натрия противостоят графиты. Все это говорит о целесообразности применения катодных материалов с высоким содержанием графита.

Ошиновка электролизера

Важнейшей составной частью электролизера является ошинов­ка, обеспечивающая не только подвод тока к ванне, но и определяю­щая магнитное поле в расплаве.

Еще в середине 60-70 гг. прошлого века наиболее широкое применение находили шины сечением 250x29 мм. Однако с вводом в работу электролизеров ВТ для анодной ошиновки начали применять шины сечением 310x35 мм, а затем и 430x50 мм. Для катодной оши­новки практически на всех вновь вводимых корпусах катодная ошинов­ка изготавливалась из шин сечением 430x60 мм. В настоящее время, в связи с увеличением силы тока, находят применение шины значитель­но большего сечения, вплоть до 800x150 мм. Очевидно, что примене­ние шин большого сечения экономически выгоднее, как с точки зрения их изготовления, так и их монтажа.

При выборе ошиновки электролизеров следует иметь в виду следующее:

• в настоящее время материалом для шин служит алюминий, температурный коэффициент электрического сопротивления которого равен 0,004. Это означает, что при изменении температуры шин на 10 °С, его сопротивление изменяется на 4%;

• при конструировании катодной ошиновки желательно под­ключать равное количество блюмсов. Это позволит улучшить распре­деление тока по шинам и снизить потери энергии в них;

• гибкую часть ошиновки следует располагать так, чтобы она была доступна для обозрения. Так, например, на электролизерах ВТ типа С8Б и С8БМ гибкая часть ошиновки расположена между электро­лизерами и ниже уровня днища катодного кожуха. Ее недостаточная гибкость в сочетании с увеличенным подъемом анодной рамы приво­дит к тому, что ошиновка имеет возможность касаться катодного кожу­ха, шунтируя часть тока. Кроме того, установлено, что чрезмерный подъем анодной рамы приводит к надрывам в отдельных лентах гиб­кой части;

• ошиновка должна быть надежно изолирована от "земли" с целью уменьшения величины утечек тока.

Рис. 3.11. Схемы ошиновки электролизеров: а - односторонний подвод тока к аноду (продольное расположе­ние в корпусе);

б - двусторонний подвод тока к аноду (продольное расположе­ние);

в - двусторонний подвод тока к аноду (поперечное расположение)

На рис 3.11 приведены наиболее распространенные схемы ошиновки в зависимости от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. Влияние магнитного поля существенно возрастает по мере повышения мощности ванн и токовой нагрузки на серию электролиза. Электролизеры малой мощности (рис. 3.11,а) в силу относительно низкой напряженности магнитного поля, не­большой плотности горизонтальных токов и ограниченного объема жидкого металла не требуют чрезмерного усложнения ошиновки. Хорошие результаты при электролизе достигаются даже при одно­стороннем отводе тока от катода и одностороннем подводе тока к анодной ошиновке. Располагаться в корпусе такие электролизеры могут продольно по два или четыре ряда, что существенно не отражается на взаимном воздействии магнитных полей.

Ошиновка электролизеров ВТ и ОА средней мощности на силу тока 160 - 200 кА представляет собой более сложную конст­рукцию (рис. 3.11, б). Для электролизеров этого типа применя­ется асимметричная двусторонняя схема ошиновки с так называе­мыми «расщепленными пакетами».

При этом с каждой продольной стороны ванны ток отводит­ся от группы блюмсов самостоятельным пакетом. Пакеты, отводя­щие ток от первой (по направлению движения тока) половины элек­тролизера, направляются к ближайшим стоякам следующего элек­тролизера, а от второй половины - к дальним стоякам. Соединение дальних стояков со второй половиной пакетов предыдущей ванны производится за счет шин, которые носят название обводных.

Таким образом, катодные шины с каждой стороны ванны оказываются разделенными («расщепленными») на два участка. «Расщепление» катодной ошиновки дает возможность более равномерно отводить ток с отдельных участков катодного устройства. Электролизеры в серии располагаются с уменьшенным рас­стоянием между торцами и увеличенным расстоянием между ряда­ми.

Для электролизеров большей мощности (более 200 кА) пе­речисленные конструктивные усовершенствования оказываются не­достаточными, и приходится использовать более сложный набор технических решений. Наиболее эффективное из них - поперечное размещение электролизеров в корпусе. Это позволяет резко снизить вклад напряженности магнитного поля от катодной ошиновки. Из­меняя число стояков, число блюмсов, соединенных с каждым стоя­ком, пропуская шины под катодом, а также меняя их уровень и при­ближая к кожуху, можно достичь сбалансированного и устойчивого магнитного поля.

Следует отметить, что при поперечном расположении элек­тролизеров наибольшее влияние на магнитное поле оказывают токи, направленные вдоль бортов по длинной стороне электролизеров. Снижение вредного воздействия этих токов достигается более тщательным секционированием катодной ошиновки, применением двухпазовых катодных блоков, а также переходом от контрфорсного к шпангоутному катодному кожуху.

Катодная ассимитричная ошиновка электролизера С-8БМ

На рисунке 7.8 приведена развернутая схема участка серии, со­стоящего из двух рядом расположенных электролизеров.

Ток к электролизеру подводится 14-ю шинами размерами 430 х 60 мм, общее сечение которых 361200 мм². При токе 170 кА, средняя плотность тока в ошиновке составляет 170000/361200 = 0,47 А/мм². По имеющимся сведениям, в зарубежной практике плотность тока в оши­новке, как правило, не превышает 0,4 А/мм².

Рисунок 7.8 - Развернутая схема ошиновки электролизеров С-8БМ

Катодные шины делятся на 4 пакета (стояка), каждый из кото­рых через узлы А, Б, В и Г подсоединен к анодной ошиновке. Стояки состоит из разного числа шин, и к ним подключено разное количество блюмсов, т.е. ошиновка асимметрична. Это вызвано необходимостью оптимизации магнитного поля в расплаве, что подробно рассматрива­ется в следующем разделе. Распределение тока по стоякам, рекомен­дованное "ВАМИ" ("Всероссийский алюминиево-магниевого институт"), и рассчитанное по данным рисунка 7.8 при равномерном распределе­нии тока по блюмсам, приведены в таблице 7.7.

Таблица 7.7 - Распределение шин и тока по стоякам

Показатели	Стояки, подключенные к узлу
	А	Б	В	Г
Количество шин в стояке	4	5	3	2
Сила тока в стояке, расчетная,%	28,6	35,7	21,4	14,3
Сила тока в стояке, (ВАМИ),%	33	40	17	10

Если распределение тока по блюмсам равномерно, то ошинов­ка, приведенная на рисунке 7.8, обеспечивает заданное распределе­ние тока по стоякам, но плотность тока в отдельных шинах недопустимо высока (до 0,66 А/мм²), из-за чего по­тери мощности возрастают на 6,5%.

Анодная ошиновка электролизеров С-8БМ

Анодная ошиновка электролизеров С-8БМ выполнена из 16 шин размерами 430 х 50 мм. (рисунок 7.9), общее сечение которых состав­ляет 344000 мм², и при токе 170 кА, плотность тока в ней составляет 0,494 А/мм², что выше, чем в катодной ошиновке. В настоящее время эти электролизеры на некоторых заводах работают на силе тока 173 кА, а плотность тока возросла до 0,502 А/мм², что превышает все мыслимые нормы.

К узлам анодной ошиновки (А, Б, В и Г) подключены стояки, идущие от катодной ошиновки предыдущего по ходу тока электроли­зера, к каждой шине которых подсоединено разное количество блюм­сов. Это приводит к тому, что плотность тока в шинах, подходящих к узлам анодной ошиновке различна (таблица 7.8).

Анодная ошиновка состоит из четырех параллельных ветвей (I, II, III, IV), к каждой из которых подсоединяются по 18 анодных штырей. Как видно на рисунках 7.8 и 7.9, а также в таблице 7.9, к ветвям анод­ной ошиновки подключено разное количество блюмсов. Но если узлы А, Б, В и Г хорошо сварены и имеют надежный электрический контакт, то количество блюмсов, подключенных к левой (ветви I и II) и правой (ветви III и IV) половинам анода, будет одинаково и равно 15.

Рисунок 7.9 - Анодная ошиновка электролизера С-8БМ

Таблица 7.9

Количество блюмсов, подключенных к анодным ветвям

Узел	Кол-во шин в стояке, шт.	Кол-во блюмсов, подключенных к стояку, шт.	Кол-во блюмсов, подключенных к анодной ветви, шт.
			I	II	III	IV
А	4	10	4	6	-	-
Б	5	12	-	-	4	8
В	3	5	3	2	-	-
Г	2	3	-	-	1,5	1,5
Итого	14	30	7/23,3	8/26,7	5,5/18,3	9,5/31,7

Примечание: В знаменателе указан ток в ветви (%), при условии его равно­мерного распределения по блюмсам

Конфигурация анодной ошиновки (рисунок 7.9), с точки зрения распределения тока в ней, крайне неудачна. Плотность тока в ошиновке перед первым токоведущим штырем каждой ветви I-IV, со­ответственно, составляет 0,65; 0,79; 0,67 и 0,39 А/мм². Такое неравно­мерное распределение тока приводит к повышенным потерям энергии и дополнительные потери мощности составляют 5,3%.

Пути оптимизации ошиновки

Таким образом, неравномерное распределение тока в подине и ошиновке автоматически передается на анод следующего электроли­зера. Но прежде чем рассматривать возможные пути оптимизации ошиновки, еще раз следует обратить внимание на недопустимо высо­кую плотность тока и, особенно, в анодной ошиновке. Положение усу­губляется еще и тем обстоятельством, что в последние годы, в связи с переводом технологии на "кислые" электролиты, резко возросла сила тока практически на всех заводах. Это привело к тому, что средняя плотность тока уже достигает 0,5 А/мм², что крайне неэкономично.

К настоящему времени ошиновка электролизеров на большин­стве электролизеров давно превысила нормативный срок службы и приносит дополнительную прибыль, и поэтому логично было бы ис­пользовать эту прибыль для увеличения сечения ошиновки. В услови­ях же безудержного роста цен на электроэнергию необходимо пере­считать экономически выгодную плотность тока в ошиновке, которая, по-видимому, не должна превышать 0,4 А/мм².

Конструкция катодной ошиновки на электролизерах С-8БМ на подавляющем большинстве электролизеров выполнена шинами сече­нием 430x60 мм. Такая конструкция ошиновки требует больших расхо­дов на обслуживание, занимает много места и пр. Однако, по мнению [18], более рациональна алюминиевая ошиновка в виде полос боль­шого сечения, свариваемых с торца, преимуществами которой явля­ются дешевизна, компактность, легкость монтажа, простота обслужи­вания и доступность для наблюдения. По этим же данным, для токо- провода длиной 400 м применение полос большого сечения (1500x300 мм) вместо шин 325x70 мм позволяет снизить капитальные затраты на монтаж в 1,5 раза.

Конструкция анодной ошиновки, как показано выше, не опти­мальна и, безусловно, требует замены. В анодной ошиновке сила тока изменяется по длине, и поэтому изменяются потери энергии в каждом участке шины. Поэтому удобно ввести понятие об эквивалентном (с точки зрения потерь мощности) сечении шины, которая обеспечит та­кие же потери, которые были бы при равномерном токе в шине.

Наиболее удобно ошиновку ветви изготавливать из одной ши­ны, и ее сечение S_B можно принять равным 1/3 сечения шины на входе от стояка к анодной ошиновке S_c [20]. Если принять, что ток на 5- шинном стояке равен 40% от общего тока, то на каждую ветвь придет­ся 20% общего тока. При токе 160 кА это составит 32 кА, а при плотно­сти тока 0,35 А/мм² S_c = 32000/0,35 = 91430 мм², и в этом случае S_B = 91430/3 = 30500 мм². Если принять ширину шины равную, например, 600 мм, то ее толщина составит чуть больше 50 мм. Такая ошиновка будет технологична в изготовлении и заметно упростит конструкцию узла "стояк-анодная шина".

Контакт "стояк-анодная шина" на большинстве электролизе­ров выполняют сваркой. Практика показывает, что после проведения капитального ремонта электролизера, сварку этого узла приходиться вести в условиях мощных магнитных полей, которые воздействуют на дугу и резко ухудшают ее качество.

На подавляющем большинстве зарубежных заводов этот узел выполняется сборным на болтах, что обеспечивает невысокий пере­пад напряжения, надежность в работе и простоту сборки и разборки при проведении капитальных ремонтов.

Опытные конструкции ошиновки на "КрАЗе", выполненные с применением болтовых контактов, производят приятное впечатление, так как просты в изготовлении и удобны в работе. Для снижения по­терь мощности в узлах тяжелой ошиновки рекомендуется возвратить­ся к сборным болтовым контактам и применению сварки в среде арго­на.

Распределение тока по анодному узлу неравномерно и не ста­бильно во времени, основной причиной этого является отсутствие ме­таллической связи между I-II и III-IV ветвями анодной ошиновки. Необ­ходимость установки перемычек между ветвями ошиновки была обос­нована еще в 80-е годы [4], а в работах [11, 21] показано, что зарубеж­ные электролизеры, расположенные в корпусе продольно, оснащены такими перемычками.

Перемычки между рядами анодных шин необходимы и на элек­тролизерах с обожженными анодами, так как при замене анодных бло­ков резко нарушается распределение тока. Удачная конструкция таких перемычек применена на электролизерах "СаАЗа", а на электролизе­рах с обожженными анодами на "КрАЗе" используется другая, но не менее удачная конструкция.

Электромагнитные и газо-гидродинамические явления в электролизере

На технологический режим и технико-экономические показатели работы электролизеров значительное влияние оказывают процессы тепло- и массопереноса, определяемые гидродинамикой расплава [1], которая влияет на растворение и транспорт глинозема, потери метал­ла, усреднение состава электролита, формирование температурного поля и рабочего пространства ванны, теплообмен в ней и потери теп­ла в окружающую среду. Причем роль гидродинамических процессов резко возрастает с увеличением размеров и мощностей электролизе­ра.

Гидродинамические потоки расплава в электролизере форми­руются в результате совместного воздействия трех сил: газо­гидродинамической, электромагнитной (пондеромоторной) силы и кон­векции, обусловленной наличием температурных и концентрационных градиентов. Электромагнитные силы в расплаве возникают в резуль­тате взаимодействия магнитного поля, создаваемого током, проте­кающим по конструктивным элементам электролизера, с токами, про­ходящими через электролит и металл. Выделяющийся на аноде диок­сид углерода в виде пузырьков, их рост и движение по подошве анода и в пространстве "борт-анод", являются причиной возникновения газо­гидродинамических сил. Рассмотрим особенности возникновения этих процессов в промышленных электролизерах.

Газовая гидродинамика

В современных мощных электролизерах на силу тока 200- 300 кА с подошвы анода выделяется 3,3-5 м³/мин. газа. Даже при от­сутствии электромагнитных сил и свободной конвекции, под воздейст­вием таких объемов выходящих из-под анода газов, образуется мощ­ное движение двухфазного газожидкостного течения в междуполюсном зазоре и пространстве "борт-анод", которые практически не под­даются расчету.

Центрами образования газовых пузырьков являются неровно­сти на аноде. Газовая фаза под анодом в зависимости от ряда факто­ров, находится в виде пузырьков или протяженных пленок, но может иметь место и комбинация этих структур. Толщина пленок мало зависит от плотности тока и состав­ляет около 5 мм для анодов Содерберга, и 3-4 мм для обожженных анодов. Скорости перемещения по подошве анода пузырьков и пленок зависит от их размеров - чем они крупнее, тем выше их скорость, ко­торая составляет от 6-8 см/с для маленьких пузырьков, и до 20-25 см/с для больших пузырей [2].

Количество газа, находящегося в расплаве (газонаполнение), зависит от многих причин. Для электролизеров Содерберга на 150-160 кА составляет около 45%. С увеличение глубины погружения анода газонаполнение заметно возрастает, а с повышением темпера­туры, наоборот, газонаполнение уменьшается.

Электромагнитные силы в электролизере

Изучение магнитных полей в алюминиевых электролизерах и применение полученных результатов в практической деятельности было одним из главных факторов улучшения выхода по току и сокра­щения потребления энергии при производстве алюминия, достигнутые за последних два десятилетия [3, 4]. В этом разделе рассмотрены ос­новы электромагнетизма в приложении к производству алюминия электролизом. Более подробные сведения можно найти в многочис­ленных публикациях, в журналах и научно-технических сборниках.

Прежде чем приступить к изучению влияния магнитного поля на работу алюминиевого электролизера, рассмотрим определение пара­метров и понятий, которые специфичны при изучении электромагне­тизма.

Магнитные свойства материалов. Известно [5], что все веще­ства в отношении их магнитных свойств делятся на три группы: диа­магнитные, парамагнитные и ферромагнитные. У диамагнитных ве­ществ относительная магнитная проницаемость μ_r немного меньше единицы (Сu, Bi), а у парамагнитных веществ μ_r - немного больше единицы (Al, Si, С, Mg, Na, Li). У ферромагнитных веществ (Fe, Ni, Со) μ_r много больше единицы и доходит до 10⁴, а у некоторых материалов даже до 10⁶. Согласно существующей классификации все вещества делятся на: ферромагнитные, у которых μ_r много больше единицы, и неферромагнитные, у которых μ_r практически равно единице [5].

Магнитное поле - особое состояние материи. На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, прямо пропор­циональная вектору тока.

Связь магнитного поля с током. Магнитное поле создается током, который не обязательно должен протекать в непосредственной близости от пространства, где присутствует поле.

Основные величины, характеризующие магнитное поле – это магнитная индукция В и намагниченность J . Магнитная индукция - векторная величина, определяемая по силовому воздействию магнит­ного поля на ток. Намагниченность - магнитный момент единицы объ­ема вещества. Кроме этих двух величин, магнитное поле характеризу­ется также напряженностью магнитного поля I . Эти три величины В , J , I связаны друг с другом следующей зависимостью [2]:

B=μ₀*(H+I)= μ₀* μ_r*H (8.2)

где μ₀- постоянная, характеризующая магнитные свойства веще­ства в вакууме;

μ_г-относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина). Для алюминия, который является парамагнитным веществом, μ_r = 1 и поэтому ее можно не учитывать.

Так как магнитная индукция, в нашем случае, рассматривается не в вакууме, а в электролизере, а для алюминия μ_r = 1, можно утвер­ждать, что

В = H (8.3)

Единицей измерения магнитной индукции В является тесла (Тл - в системе СИ). Применяются и другие единицы измерения, соотношения между которыми приведено ниже:

1 Тл = 1 Вб/м² = 1В*с/м² = 1 Н/А*м² = 10⁴ Гс = 10⁸ Мкс/м², (8.4)

где Вб - вебер;

В - вольт;

с - секунда;

Н - ньютон;

Гс - гаусс;

Мкс - максвелл.

В зарубежной практике магнитную индукцию в алюминиевом электро­лизере обычно измеряют в гауссах.

Одним из основных проявлений магнитного поля является его воздействие на проводник с током, помещенным в это поле. Опыт по­казывает, что сила F , с которой магнитное поле воздействует на элемент проводника длиной dl с током I, определяется следующим выражением:

F =I*(dl*B)=I*(dl*H) (8.4)

Для расчетов удобнее рассматривать силу f, действующую на 1 см³ расплава:

f=0.1*(i*H), (8.5)

где f - электромагнитная сила, Н/см³;

i - плотность тока в расплаве, А/см²;

Н- напряженность магнитного поля, А/см.

Следует обратить внимание на то, что электромагнитная сила - векторная величина, которая пропорциональна произведению плотно­сти тока на напряженность магнитного поля. Протекающий по алюми­ниевым электролизерам ток, создает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна этому току. А так как электромагнитная си­ла f равна произведению значений силы тока и напряженности маг­нитного поля, то возникающие электромагнитные усилия (при прочих равных условиях) пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому по мере увеличения силы тока на электролизерах, электромагнитные си­лы возрастают в квадрате, что вызывает необходимость более тща­тельного подхода к расчету электромагнитных сил, возникающих в расплаве.

Определение и анализ электромагнитных сил удобнее произ­водить по их проекциям на координатные оси, которые в общем слу­чае выражаются уравнениями:

fx = 0,1-(i_yH_z-i_zH_y),

f_y=0,1(i_zH_x-i_xH_z), (8.7)

fz = 0,1(i_xH_y-i_yH_x),

где i_x, i_y, i_z, H_x, H_y, H_z - продольная, поперечная и вертикальная со­ставляющие плотности тока (А/см²) и напряженности магнитно­го поля (А/см), соответственно.

Направление силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током, всегда перпендикулярно к направлению тока и к направлению магнитного поля. При определении направления элек­тромагнитной силы обычно рекомендуется пользоваться правилом правой или левой руки. Такая неопределенность зависит от принятого направления тока. Если условно за направление тока принято направ­ление движения положительных зарядов, то, в этом случае, следует пользоваться правилом правой руки. Если же за направление тока принято направление движения электронов, то следует пользоваться правилом левой руки. Связь между направлением тока (положитель­ных зарядов) и направлением созданного им магнитного поля опреде­ляется правилом буравчика.

Электромагнитная сила возникает в любой точке электролизе­ра, но ее воздействие проявляется только в расплаве, в котором из­меняется форма поверхности металла, деформируется междуполюсное расстояние (МПР), возникает циркуляция и т.д. Электромагнитные силы возникают и в других частях электролизера, но они не приводят к каким-либо последствиям, и поэтому их не следует учитывать.

В жидком металле имеет место взаимодействие двух физических полей - электрического и магнит­ного. Взаимодействие магнитного поля проводника и протекающего через него тока генерируют так называемую силу Лапласа (электро­магнитную индукцию), действующую на единицу объема расплав­ленной среды перпендикулярно движению тока (правило правой руки). Именно силы Лапласа вызывают перемещение расплавленно­го металла.

Схематически характер возникновения и воздействия электро­магнитных сил на расплавленный металл и электролит в электролизе­ре ВТ изображен на рисунке 8.5.

Рисунок 8.5 - Схема действия сил Лапласа в расплаве электролизера

На рисунке 8.5 показано взаимо­действие магнитного поля, создаваемого током, протекающим по анодным шинам, с вертикальным током в металле. Хорошо видно (ис­пользуя правило буравчика), что вектор напряженности магнитного поля от тока анодных шин направлен параллельно поперечной оси ванны справа налево (Н₁), а от тока катодной шины (Н₂) - вертикально

вниз. Применив правило левой руки, получим, что от взаимодействия магнитного поля, создаваемого током в анодных шинах, с вертикаль­ным током в металле (i₁) возникают электромагнитные силы, перпен­дикулярные к плоскости рисунка в сторону от читателя (f₁). От взаимо­действия же магнитного поля катодной шины (Н₂) с поперечным током в металле (i₂) возникают силы противоположенного направления (f₂).

Воздействие сил Лапласа весьма многообразно. В значи­тельной мере это связано с тем, что ток в расплавленном металле протекает не строго вертикально, а под некоторым углом, в направ­лении меньшего электрического сопротивления, например к тем участкам подины, которые свободны от настылей и осадков. Поэто­му вектор плотности тока в металле можно разложить на три со­ставляющие: Iz - вертикальная и Iу и Iх - две горизонтальные (попе­речная - Iу и продольная - Iх).

Наиболее сильное влияние оказывает взаимодействие вер­тикальной составляющей магнитной индукции Bz с горизонтальны­ми токами в металле Iх и Iу. В результате взаимодействия с попереч­ным током Iу (от центра к борту), значение которого зависит пре­имущественно от состояния бортовых настылей, возникают про­дольные электромагнитные силы, сдвигающие металл к центру ван­ны (к поперечной оси) и увеличивающие продольный перекос алю­миния. Если направление поперечного тока от борта к центру, то его взаимодействие с Bz вызывает силы обратного направления. В обоих случаях имеют место значительные колебания поверхности рас­плавленного алюминия.

Взаимодействие Bz с горизонтальным током, протекающим в том же направлении, что и ток серии, вызывает поперечные элек­тромагнитные силы, которые на входной половине ванны направле­ны к продольной оси, а на выходной - к бортам ванны. При обрат­ном направлении тока электромагнитные силы будут действовать в противоположном направлении.

Профиль скорости циркуляции металла формируется под дей­ствием вихревой силы. Эпюра циркуляции металла носит многоконтурный характер, т.е. в пределах одного электролизёра имеет место несколько контуров циркуляции.

Рисунок 8.6 - Схемы циркуляции электролита (а) и катодного металла (б) в электролизерах ВТ на силу тока 150 кА

Максимальная скорость циркуляции может достигать 15-20 см/с и более. На рис. 8.6, б приведен пример многоконтурного поля циркуляции металла в ванне.

Горизонтальные составляющие магнитной индукции By и Bх, взаимодействуя с вертикальным током Iz, вызывают электромаг­нитные силы, направленные к поперечной и продольной осям, т.е. к середине ванны. При этом поверхность металла приобретает купо­лообразную форму или форму выпуклой арки, как вдоль продоль­ной, так и поперечной осей ванны. Однако возникающие в расплав­ленном металле горизонтальные токи Iу и Iх при взаимодействии с вертикальной составляющей магнитной индукции Bz вызывают си­лы других направлений и меняют конфигурацию перекоса. На про­мышленных электролизерах перекос металла составляет 2-5 см и более. На рис. 1.4 показан пример реальной конфигурации зеркала металла и перекоса границы раздела «металл-электролит».

Рис. 1.4. Конфигурация зеркала металла на промышленном электролизере

Для обеспечения устойчивой ра­боты ванн необходимо применить следую­щие мероприятия: увеличить МПР, повысить уровень металла, сни­зить анодную плотность тока, улучшить параметры ошиновки (Bz); сблизить площадь катодного металла с проекцией анода или анодно­го массива; увеличить разность плотностей металла и электролита (повысить к.о., увеличить температуру элек­тролита). Необходимо учесть, что выполнение всех перечисленных требований одновременно мало вероятно, а часть из них не может быть выполнена по ряду известных условий (к.о., анодная плотность тока и т.д.)

На нормально работающей ванне высота волн в пространст­ве между анодом и бортом составляет 4 см и более, а под анодом примерно в два раза меньше. При усилении МГД-нестабильности электролизёра высота волн соответственно возрастает. Однако на электролизёрах малой мощности возможность короткого замыкания металла с анодом мало вероятна. Это говорит о том, что при относи­тельно небольшой силе тока отсутствуют значительные электромаг­нитные силы, способные привести к развитию МГД-возмущений, как по перекосу металла, так и устойчивости поверхности раздела металл/электролит. Однако на электролизёрах повышенной мощно­сти такая вероятность всегда существует.

Роль ошиновки в оптимизации магнитного поля

Кроме основного своего назначения - подвода тока к электро­лизеру, система ошиновки должна обеспечить хорошо сбалансиро­ванное магнитное поле. С увеличением силы тока масса ошиновки достигает 50 т, и поэтому она должна быть, по возможности, простой, поскольку ее стоимость составляет около 10% общих затрат на соору­жение серии. Малое сечение ошиновки приведет к большим потерям напряжения в серии, а низкая плотность тока в ней увеличит расходы на ее сооружение, но уменьшит потери энергии.

Обычно ванны Эру-Холла силой тока до 150-160 кА располага­ют в корпусе продольно в два ряда. Расстояние между рядами состав­ляет около 10 м, для обеспечения проезда транспорта и обрабаты­вающей техники. Однако и такое значительное расстояние приводит к влиянию магнитного поля соседнего ряда ванн. Так, при расстоянии 10 м и токе 125 кА соседний ряд ванн будет образовывать в расплаве напряженность, равную 25 Гс, что не может не сказаться на техноло­гическом состоянии ванн.

Поэтому при повышении тока выше 150 кА в зарубежной прак­тике нередко используют поперечное расположение ванн с размеще­нием стояков по длинным сторонам электролизера. Это позволяет за счет рационального расположения катодной ошиновки частично ком­пенсировать негативное влияние магнитных полей. Однако при таком расположении ванн необходимо использовать комплексные мостовые краны, так как стояки, расположенные на длинных сторонах ванны, за­трудняют обработку. Влияние конструкции токоподвода на топогра­фию поверхности расплавленного металла показано на рисунке 8.7.

На электролизерах с односторонним токоподводом (рисунок 8.7 а), преимущественно на электролизерах БТ, перекос металла име­ет место в выходном торце. Для этого типа ванн значение Н_у на вход­ном торце достигает 170 Гс и значительно меньше (до 90 Гс) - на вы­ходном. Это объясняется тем, что Н_у на входном торце является сум­мой напряженностей от тока по стоякам и по аноду, которые одинако­во направлены, а в выходном торце они противоположны, и поэтому Н_у - есть разность напряженностей этих полей. На рисунке 8.7 б пред­ставлена типичная картина для электролизеров при продольном раз­мещении их в корпусе и двухстороннем подводом тока к аноду. Здесь межфазная граница искривлена за счет бугра в центре.

а - односторонний подвод тока к аноду; б-двухсторонний подвод тока к аноду; в - подвод тока к аноду с продольных сторон; г- комбинированный подвод тока к аноду с торцов и продольных сторон

Рисунок 8.7 - Влияние расположения стояков на топографию металла

На рисунке 8.7 в и г показаны ошиновки для ванны с ОА на силу тока более 150 кА. Основная идея - расположить ошиновку таким об­разом, чтобы зеркало металла было как можно более плоским.

Поперечное расположение ванн позволяет весь ток или его часть с входного торца пропустить под низом катода, чтобы избежать пропуска всего тока вокруг углов ванны, где значения напряженности магнитного поля самые большие.

При одностороннем токоподводе к аноду, который широко при­меняется в России на всех типах электролизеров БТ, предложить ка­кие либо усовершенствования не представляется возможным, и по­этому этот вид ошиновки используется на электролизерах малой мощности, где влияние магнитного поля ощущается слабо.

При двустороннем токоподводе к аноду и при двухрядном рас­положении ванн в корпусе (независимо от вида токоподвода) очень важно скомпенсировать влияние соседнего ряда ванн. Наиболее про­сто эта задача решается путем более высокого расположения катод­ных и обводных шин, по отношению к уровню металла, и увеличением силы тока на обводных шинах, расположенных на ближней к соседне­му ряду стороне электролизера. Вследствие этого вертикальная со­ставляющая H_z напряженности магнитного поля от собственных токов в анодных, катодных и обводных шинах, а также в гибких анодных па­кетах будет распределена асимметрично по отношению к продольной оси электролизера. Схема такой ошиновки приведена на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8 - Схема двухсторонней асимметричной ошиновки

Как видно из этого рисунка, распределение тока на входном торце составляет 33 и 40%, а на выходном, соответственно, - 17 и 10%. Именно по такой схеме и выполнены все ошиновки на электро­лизерах типов С8Б и С8БМ.

На рисунке 8.9 показано три вида ошиновки при продольном расположении ванн. Схема "б" весьма удобна для двустороннего под­вода тока, а схема "а", широко применяемая в России, наиболее бла­гоприятно влияет на величину В_у. Схема "в" с его асимметричным вхо­дом характеризуется компенсирующим эффектом на величину B_z, по­скольку она складывается с составляющей B_z, которая создается со­седним рядом ванн, в этом случае расположенным слева.

Рисунок 8.9 - Схемы ошиновок электролизеров при продольном их расположении в корпусе

Вертикальную составляющую H_z магнитного поля можно ском­пенсировать с помощью дополнительной ошиновки. Для этого рядом с основной ошиновкой (с внешней или внутренней стороны, или с обеих сторон одновременно) монтируется петля (рисунок 8.10), по которой течет ток (около 10 кА) от собственного источника. При этом направ­ление тока во внутренней петле должно совпадать с направлением тока серии, а во внешней петле - оно должно быть противоположным. Для этого петли могут быть соединены последовательно. Такой метод сбалансирования вертикальной составляющей дорог, но иногда при­меняется, например, на заводе "ALUAR" (г. Пуэрто Мадрин, Аргентина) и на "САЗе".

Рисунок 8.10 - Схема компенсирующих петель в ошиновке

На рисунке 8.11 показаны две схемы ошиновки для поперечного расположения ванн, который иллюстрирует один из вариантов распо­ложения шин. Изменяя размер ошиновки, число стояков, число блюм­сов, соединенных с каждым стояком, пропуская шины под катодом и т.д., можно изменить систему ошиновки, для создания более благо­приятного магнитного поля. Однако, следует подчеркнуть, что система ошиновки должна быть простой, чтобы уменьшить затраты и, что маг­нитные поля должны быть измерены на реальной ванне, чтобы оце­нить влияние отдельных стальных частей.

Легко видеть, что вывод тока с концов катода имел бы положи­тельный эффект на величину вертикального магнитного поля в углах (хотя, по-прежнему, безо всякой пользы). Компоненты горизонтального магнитного поля будут быстро возрастать при расположении ошиновки ниже уровня металла, так как они зависят от синуса угла между ме­таллом и шиной. Такое расположение шин вызовет несколько мень­шую вертикальную составляющую магнитного поля в металле, которая изменяется как косинус угла между металлом и шиной.

а - подвод тока к аноду с торцов и продольной стороны; б - подвод тока к аноду с торцов и продольной стороны, но шины проходят под катодным кожухом

Рисунок 8.11 - Конфигурации ошиновки при поперечном расположении ванн в

корпусе

При прохождении тока под катодом возрастает, главным обра­зом, горизонтальная компонента поля. Возрастают несколько верти­кальная компонента и компонента, связанная с разницей в уровнях между металлом и ошиновкой. Если необходимо увеличить верти­кальную составляющую, например, для компенсации больших величин магнитного поля в углах, ошиновка должна быть расположена таким образом, чтобы угол между анодным ребром и шиной был равен 45 ⁰ по отношению к горизонтальной плоскости. Следует подчеркнуть, что до сих пор при рассмотрении влияния магнитного поля на технологию ванны, не учитывалось влияние ее стальных элементов ванны на электромагнитные силы, что может вносить определенные ошибки в результаты расчетов. Поэтому, наиболее убедительным способом оценить качество ошиновки, является эксперимент, т.е. исследования ошиновки на модели. Однако такой путь дорог и долог и поэтому к на­стоящему времени разработаны программы, позволяющие с помощью расчетов на ЭВМ, учесть влияние стальных масс (катодный кожух, анодная балка, чугунные плиты перекрытия шинных каналов и пр.) на значения составляющих магнитного поля. И, тем не менее, до сих пор конструкция электролизера принимается к широкому внедрению толь­ко после тщательной проверки ее на опытных участках.

Сбор анодных газов и укрытие электролизёра

Анодные газы, образующиеся в процессе электролиза, со­держат вредные для здоровья компоненты: фтористый водород, па­ры солей фтора, угарный газ и смолистые вещества. Для сохранения окружающей среды и поддержания нормальной атмосферы в рабочей зоне корпусов электролиза предусмотрена система сбора и очи­стки анодных газов.

Рис. 3.15. Укрытие электролизера и средства сбора газов: а - шторное укрытие с индивидуальным приводом электролизера БТ,

б - чугунные секции колокольного газосборника электролизера ВТ, в - анодное укрытие электролизера ОА

Для электролизеров БТ все четыре боковые стороны ванн закрываются с помощью навивных шторных укрытий 1 (рис. 3.15,а), набираемых из стальных звеньев и обладающих необходимой гиб­костью. Шторы поднимаются путем накручивания на стальной ба­рабан 2 с помощью механического привода 3. Размеры штор долж­ны быть достаточными для полного укрытия каждой из сторон. Отсос и эвакуация анодных газов осуществляется через патрубки, ус­тановленные в верхней части анодного пространства.

У электролизеров ВТ по всему нижнему периметру анодного кожуха на стальном поясе навешивается колокольный газосборник, состоящий из отдельных чугунных секций 1 (рис. 3.15,5). Секции соединяются между собой через боковые приливы с помощью бол­тов и клиньев. Стыки между соседними секциями уплотняются ог­неупорными прокладками или специальной пастой. В результате все пространство над электролитом перекрывается сплошным поясом газосборника.

Нижняя кромка секций газосборника во время работы элек­тролизера должна находиться выше уровня электролита на 12-15 мм. Для герметизации системы укрытия нижняя часть газосборных секций присыпается глиноземом, что предупреждает подсосы воз­духа и выбивание газа из-под колокола.

Уловленные анодные газы направляются в горелки на дожи­гание смол и газов. На каждом электролизере в двух угловых секци­ях установлено по горелке. В горелки кроме газа поступает некото­рое количество воздуха, необходимого для сжигания горючих со­ставляющих и смол коксования, а также оксида углерода. За счет разрежения в горелке анодные газы после дожигания горючих ве­ществ удаляются в центральную систему газоотсоса и поступают на газоочистку.

На некоторых предприятиях непосредственно за горелками устанавливаются двойные патрубки, выполняющие функции улав­ливания из анодных газов пыли и сажи. Принцип их действия прост: поток газа направляется в низ входного патрубка и частицы пыли высаживаются на выдвижной поддон, который чистится по мере на­копления пыли. Обеспыленный анодный газ через выходной патру­бок разворачивается вверх и удаляется в систему газоотсоса. Такое устройство позволяет снизить нагрузку на центральную систему очистки газов.

Укрытие электролизера ОА производится с помощью лег­ких алюминиевых крышек 1 (рис. 3.15, в). Крышки опираются на продольные анодные балки и борта ванны, обеспечивая герметиза­цию рабочего пространства. Подъем и опускание крышек произво­дится с помощью механического привода 2 или вручную. Анодные газы направляются через сборный короб в систему газоочистки. На электролизерах ОА анодные газы не содержат смолистых веществ и горючих газов коксования и сжигание их не требуется, что является их существенным преимуществом перед электролизерами с само- обжигающимися анодами.

Электрическая изоляция

Электрическая изоляция необходима для предотвращения коротких замыканий и утечек тока между следующими токоведу­щими частями:

-анодным и катодным устройствами;

-катодным устройством и землей;

-соседними электролизёрами.

Замыкание между катодом (серией) и землей наиболее опас­но, т.к. разность потенциалов между ними может достигать 850-1500 В. Утечки тока между катодом и анодом напрямую, минуя междуполюсное пространство, также крайне нежелательны, т.к. приводят к непродуктивному расходованию электроэнергии. Во из­бежание этого между металлическими конструкциями анодного и катодного узлов помещается изоляционный разрыв. Он выполнен в виде прокладок и втулок из миканита, текстолита, диабаза, паранита или других изоляционных материалов.

Утечки тока и короткие замыкания электролизера с землей могут происходить через катодную ошиновку и через катодный ко­жух. Поэтому кожух и ошиновка должны быть тщательно изолиро­ваны соответственно от фундамента и опор. На электролизерах с днищем кожух изолируется от железобетонных стоек с помощью изоляционных плит.

На электролизерах без днища кожух изолирован от фунда­мента в соединении верхней и нижней частей анкерных лап. Изоля­ция состоит из текстолитовой втулки и шайбы из того же материала.

Сопротивление изоляции по отношению к земле всех посто­янно находящихся или потенциально возможных оказаться под на­пряжением частей электролизера должно составлять не менее 0.5 мкОм.

Подключение электродвигателей, установленных на конст­рукциях электролизера, включая механизмы подъема анода, анод­ных рам и штор, производят через два последовательно установлен­ных разделительных трансформатора, у которых не заземлена вто­ричная обмотка. Это исключает попадание постоянного тока в сеть переменного тока, что могло бы вызвать нарушение работы питаю­щих трансформаторов.

В корпусах электролиза предусмотрены также и другие ме­роприятия по предотвращению замыкания серии на землю. Строи­тельные конструкции в современных корпусах электролиза изготов­ляют из железобетона и на высоту 3,5 м от пола рабочей площадки покрывают изолирующим слоем бетона толщиной не менее 30 мм. Железобетонные перекрытия полов покрывают асфальтом, а в от­дельных точках - плитками из каменного литья. Металлические рифленые плиты, опирающиеся одним концом на катодный кожух и имеющие потенциал электролизера, изолируются в другой точке опоры от строительных конструкций.

Грузоподъемные механизмы мостовых кранов должны иметь изоляцию от моста крана. Механизмы, установленные на те­лежке, изолируются от её корпуса, а крюк изолируется от обоймы. Каждая ступень изоляции должна иметь сопротивление не менее 1,5 мкОм. Подкрановые пути не изолируются и имеют потенциал земли.

В процессе эксплуатации изоляцию обдувают, очищают от пыли и грязи, периодически замеряют электрическое сопротивле­ние.

Алюминиевый электролизер - это сложный и дорогой агре­гат. Продолжительность работы его от пуска до отключения на ка­питальный ремонт называется сроком службы.

По опубликованным в печати данным, срок службы отдель­ных алюминиевых электролизеров на предприятиях передовых алюминиевых фирм достигает 10 лет и более. Однако разброс про­должительности срока службы весьма существенный. На многих предприятиях даже 60 мес. непрерывной эксплуатации считается вполне удовлетворительным результатом.

Что же определяет срок службы электролизера в наиболь­шей степени? Прежде всего, это устойчивость против разрушения футеровки катодной части и катодного кожуха. Условия обжига и пуска электролизёров могут либо усилить, либо ослабить эти тен­денции. Другие причины, в том числе поломки механического обо-

рудования, разрушение анодов и др., оказывают несравнимо мень­шее влияние на срок службы электролизёров.

ОБЖИГ И ПУСК ЭЛЕКТРОЛИЗЁРОВ

Пуск новых корпусов и серий - сложная и ответственная за­дача. От качества пуска во многом зависит не только срок службы электролизера, но и сортность выпускаемого металла, а также общее технологическое состояние электролизера.

Пуск электролизеров (как отдельных, так и в составе серии) можно разделить на три этапа: обжиг подины, собственно пуск и послепусковой период до приведения электролизеров к нормально­му технологическому режиму.

Обжиг подины

Обжиг подины - первый этап пусковой процедуры электро­лизёра. Он заключается в сушке и прогреве всего массива катодной футеровки, в обжиге центральных и периферийных швов. При этом углеродная часть катода становится монолитной, способной удер­живать расплав (электролит и металл) и отвечать принятому назна­чению - «электролизная ванна». Обжиг подины производится двумя способами: путём подключения в серию с использованием тепла электрической энергии или с применением внешних источников те­пла (газовые или жидкотопливные горелки). Последний способ получает всё большее распространение, как при капитальном ремонте электролизёров, так и при пуске новых серий.

Перед обжигом газопламенным способом анодный массив поднимается над подиной, по продольным сторонам и в торцах ус­танавливаются топливные горелки. В местах установки горелок по направлению факела подину желательно защитить стальными лис­тами или другим способом. Очень важно расположить горелки па­раллельно к поверхности катода, чтобы избежать фронтального по­падания пламени горелок на катодные блоки, избежать местных пе­регревов и окисления поверхности.

Анодный массив и пространство борт-анод электролизёра утепляется специальным укрытием с использованием теплоизоляци­онного материала, а также пускового сырья. На подину устанавли­ваются термопары контроля и управления.

Обжиг пламенным способом с использованием современных автоматизированных топливных систем обеспечивает более равно­мерное температурное поле в подине и хорошую управляемость процесса. Хорошие результаты получены при использовании авто­матизированной топливной системы обжига английской фирмы Hotwork, оснащенной топливными горелками, работающими на ди­зельном топливе или керосине. Контрольно-управляющее устройст­во этой системы, смонтированное на транспортной тележке, вклю­чает регулятор температуры, панель электрического управления, топливный насосный узел, топливные фильтры, клапанные меха­низмы для топлива и сжатого воздуха.

Перед розжигом горелок в программу исполнения контроль- но-управляющего устройства вводится график обжига, и система обжига включается в автоматический режим. Эффективность этой системы позволяет сократить время обжига до 62-64 часов.

При заданном темпе подъёма температуры и продолжитель­ности обжига температура подины достигает 900°С и выше. При этом следует учитывать некоторые особенности температурного ре­жима огневого обжига. До 270-300°С температура подины может быть поднята с высоким темпом (до 50°С и более в час), т.к. в этом интервале в связующем материале набивной массы не происходит глубоких структурных изменений, а в самом катоде не возникает серьезных температурных напряжений.

Интервал от 300 до 600°С наиболее ответственный при об­жиге. При этих температурах формируется коксовая структура в на­бивных швах с удалением в качестве газов коксования преимущест­венно метана и смол. Чем меньше будет темп подъема температуры (например, 7-8°С в час), тем более плотная структура набивного шва будет образована. Этот период обжига заканчивается образованием полукокса. Выше 600°С происходит уплотнение уже образованной структуры с удалением в качестве продукта коксования водорода. Темп подъема температуры может быть ускорен (до 12-14°С в час).

Обжиг подины считается законченным при достижении за­данной температуры нагрева и завершения коксования всех швов - центральных и периферийных. Если этого не удаётся достичь, то окончание коксования швов происходит при пуске ванны в резуль-

тате заливки большого количества расплава и мгновенного повыше­ния температуры. Естественно, что такой вариант завершения обжи­га ванны будет иметь негативные последствия.

Пуск ванн на электролиз

На этом этапе предусматривается вывод ванн в режим элек­тролиза. Пуск ванн включает операции наплавления электролита и металла, формирования междуполюсного пространства анод-катод и начало технологического процесса производства электролитическо­го алюминия.

В качестве подготовки к пуску к электролизерам доставля­ют пусковое сырье и необходимый технологический инструмент. Загрузка сырья производится в следующей последовательности: на подину вокруг анодного массива ровным слоем засыпают фтори­стый кальций, поверх него загружают фтористый натрий. Далее за­сыпают свежий криолит и кусковой оборотный электролит, либо смесь свежего криолита и фтористого натрия с расчетным криоли- товым отношением 2,5-3,0. Допускается добавка до 10% оксида магния. Возможна частичная замена свежего криолита смесью фло­тационного и регенерированного.

После загрузки пусковых материалов напротив леток уста­навливают желоба для заливки в ванну жидкого пускового материа­ла. Лётки устанавливаются с таким расчётом, чтобы стекающая с них струя попадала под анод, не задевая периферийных швов, т.к. степень термообработки их к концу обжига все ещё ниже, чем в цен­тре подины. При прямом попадании струи расплава возможно меха­ническое разрушение периферийных швов.

Непосредственно пуск электролизера начинают с мини­мальным разрывом после завершения обжига подины, не допуская остывания подины и анодного массива. На практике известно два вида пуска ванн на электролиз - пуск на металле и пуск на электро­лите. Пуск ванн на металле производится в следующем порядке. Не­посредственно после подготовки электролизера к пуску и загрузки в него пускового материала заливают один-два ковша жидкого алю­миния. Далее в ванну заливается жидкий электролит и производится пуск её на электролиз.

Заливка металла в шахту предварительно прогретой ванны позволяет усреднить и повысить в среднем на 40-50°С температуру подины, завершить коксование периферийных швов и участков с недостаточным прогревом, т.е. завершить обжиг подины. Кроме то­го, слой алюминия защищает угольную подину от внедрения натрия при пуске на электролиз.

Отрицательным фактором пуска на металле следует считать опасность проникновения жидкого алюминия в трещины и поры в футеровке, т.к. жидкий алюминий обладает высокой текучестью. По этой причине пуск на металле применяется достаточно редко и тех­нологи отдают предпочтение пуску на электролите.

При пуске ванны на электролите пусковая операция начина­ется с заливки в шахту от 6 до 20 т (в зависимости от мощности ван­ны) жидкого электролита. При этом скорость подачи ковшей должна быть достаточно быстрой, чтобы не допустить замерзания электро­лита в шахте ванны. Одновременно с заливкой электролита подни­мают анод и повышают рабочее напряжение по следующему графи­ку: после заливки первого ковша до 4-6 В, второго ковша - 6-8 В, третьего - до 9-10 В, после последующих ковшей напряжение удер­живается в тех же пределах, но не выше 15 В. Этот график может уточняться по требованиям технологии.

К пуску ванны готовят несколько так называемых «ванн- маток», в которых производят наплавку пускового электролита. Дальнейшее наплавление электролита ведут путем переплавки обо­ротного электролита. После достижения температуры электролита 980-990°С, но не ранее, чем через 12 ч после пуска, начинается за­ливка жидкого металла. Критерием окончания наплавления электро­лита и металла может служить заполнение шахты расплавом до уровня не ниже 3-5 см от края борта, что предотвращает окисление бортовых плит.

Если количество заливаемого при пуске электролита недос­таточно для нормальной работы электролизера, то анод поднимают до возникновения искусственной вспышки, т.е. повышают напряже­ние до 25-35 В, которое удерживается вплоть до стабилизации тем­пературы электролита на нужном уровне. Это приводит к дополни­тельному выделению тепла и расплавлению загруженного пускового материала, в том числе оборотного электролита, смешанного реге­нерированного и свежего криолита, т.е. электролит искусственно наплавляется.

Пуск на вспышке требует больших энергетических затрат. Кроме того, при вспышке неизбежны большие потери сырья за счет уноса его в виде пыли и парогазовой смеси. Поэтому предпочти­тельнее заливать в пусковую ванну максимальное количество элек­тролита. При пуске одиночных ванн после капитального ремонта такие возможности всегда имеются.

Пуск на электролите целесообразней производить при высо­кой температуре подины. При относительно низких температурах на подине образуются зоны застывшего электролита и подовые насты­ли, затрудняющие равномерное распределение тока. Это вызывает местные перегревы катодных блоков, сколы и разрушения.

При пуске на электролите в его состав должны входить соли кальция и магния. Катионы этих металлов, концентрируясь у по­верхности угольной подины, служат электрохимической защитой от выделения свободного натрия и разрушающего проникновения его в угольную футеровку. Окончательный выбор того или иного способа пуска на электролиз определяется конкретными условиями обжига, наличием пускового сырья, жидкого металла и электролита.

С повышением единичной мощности электролизёров до 300- 400 кА возникают серьёзные трудности с наплавкой большого коли­чества пускового электролита. Использование для этих целей «ванн- маток» связано с выводом из нормального технологического состоя­ния группы электролизёров, со снижением их производительности и ухудшением сортности металла. Поэтому весьма актуальна пробле­ма создания специальной печи для наплавления электролита из ис­ходного сырья. Наличие на крупном заводе такой печи обеспечит пуск ванн на электролиз без указанных выше проблем.

Признаки нормального пуска: наличие полной шахты рас­плава с температурой 970-980°С, равномерное распределение тока по штырям (анодам) и активное бурление электролита вокруг анод­ного массива, отсутствие признаков расслоения или «шелушения» катодных блоков, протеков расплава в катодную футеровку.

Тем не менее, во время пуска или в ближайшие 5-10 ч не­редко имеют место протеки металла в окна для катодных стержней, покраснение бортов катодного кожуха и т.д. Восстановить нормаль­ный режим в таких случаях удается только пропиковкой мест протё­ков оборотным электролитом с фтористым кальцием или магнези­том. Однако проникший к катодным стержням, под подовые блоки и в цоколь расплав в последующем может проявлять свое разрушаю­щее действие при каждом выходе электролизера на «горячий ход».

РАБОТА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА В НОРМАЛЬНОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

После завершения пускового периода электролизёры рабо­тают в режиме текущей эксплуатации. К этому моменту достигается тепловое равновесие, т.е. приход и потери тепла при установившем­ся режиме электролиза уравниваются. Заканчивается формирование рабочего пространства, устанавливается нормальное рабочее напря­жение, стабилизируется состав электролита. Приводятся в соответ­ствие с технологической инструкцией уровни металла и электроли­та, междуполюсное расстояние, частота анодных эффектов.

Показателем нормальной работы электролизера может слу­жить ряд определяющих признаков состояния ванны: корка элек­тролита должна быть прочной и равномерной по всей площади, гарнисажи и настыли должны соответствовать оптимальной форме ра­бочего пространства, осадок глинозема может располагаться только по периферии ванны и быть незначительным. Электролит должен быть «холодным», не запененным и равномерно работать по пери­метру анодного массива.

О нормальном ходе электролизера свидетельствует интен­сивное горение анодных газов в горелках или на выходе из корки электролита, оттенок огней должен быть фиолетовым. Угольная пе­на должна хорошо выделяться как на вспышке, так и без вспышки. На электролизерах с предварительно обожженными анодами и на небольших ваннах с боковым подводом тока пена, как правило, не образуется в значительных количествах, полностью сгорает и не снимается. Проба застывшего электролита в изломе имеет белый цвет, без заметных включений угля.

Рабочее напряжение на ванне задаётся технологической ин­струкцией и составляет, как правило, 4,1-4,3 В. Значения рабочего напряжения определяются электрическим сопротивлением по всей цепи электролизёра: ошиновки, подины, электролита, штырей (ВТ и БТ) или анододержателей (ОА) и самих анодов.

Сопротивление в указанных частях ванны в процессе рабо­ты меняется несущественно, за исключением сопротивления элек­тролита в междуполюсном пространстве. Достаточно поднять или опустить анод, чтобы изменить перепад напряжения в МПР. Однако если положение анода стабильно, то и в этом случае рабочее напря­жение будет медленно подниматься за счет сгорания анода, измене­ния состава электролита, постепенного ухудшения смачивания ано­да электролитом между обработками ванны и перед анодным эф­фектом.

Чтобы поддерживать рабочее напряжение в заданных пре­делах, необходимо периодически регулировать положение анода. Это производится с помощью автоматизированной системы управ­ления технологическим процессом АСУТП или в ручном режиме.

Междуполюсное расстояние (МПР). Рабочее и среднее напряжение т.е. расстояние между подошвой анода и поверхностью жидкого металла, выполняющего роль катода. По­скольку в междуполюсном зазоре реализуется большая часть энер­гии электролизера (порядка 75-80%), то значение МПР существенно влияет на все стороны его работы.

Междуполюсное расстояние, при котором достигается мак­симальная производительность ванны, носит название оптимального МПР. При оптимальном МПР достигается наибольший выход по току и низкий расход фтористых солей на тонну алюминия. Для ка­ждого типа и мощности электролизеров подбирается свое оптималь­ное значение МПР, которое может составлять от 4,5 до 6,0 см.

Расход электроэнергии на тонну алюминия пропорционален уменьшению МПР и общему электрическому сопротивлению ванны . Например, при уменьшении междуполюсного расстояния с 5,5 до 5,0 см рабочее напряжение на ванне снизится примерно на 0,15 В, а расход электроэнергии на 1т металла уменьшится на 500 кВт ч. От­рицательное воздействие сближения анода с катодом в этом случае будет компенсироваться снижением греющей мощности в междупо­люсном зазоре и уменьшением за счет этого температуры электро­лита.

Напротив, с увеличением междуполюсного расстояния вы­ше оптимального значительно повышается рабочее напряжение и перегрев электролита. Проведенные измерения показали, что при рабочем напряжении 4,2 В перегрев электролита под центром анода относительно периферии (электролизер ВТ на 160 кА) составляет 6- 8°С, при 4,4 В он равен 9-12°С, а при 4,6 В - 15°С. Выход по току будет соответственно ниже приблизительно на 0,7 и 1,5%. Положи­тельный эффект удаления анода от поверхности расплавленного алюминия в этих примерах теряется из-за существенного роста греющей мощности и увеличения перегрева электролита.

Значительные перекосы, усиленная циркуляция и волнение металла на электролизерах большой мощности, как правило, не по­зволяют уменьшить МПР ниже 5,0-5,5 см. Однако для современных электролизёров ОА с минимальным уровнем МГД-нестабильности (как за счёт технологических, так и конструкционных факторов) це­левым значением МПР является 4,5 см.

В то же время на электролизерах малой и средней мощности междуполюсное расстояние в пределах 4,5-5,0 см можно считать вполне реальным. При снижении междуполюсного зазора ниже кри­тического происходит «зажатие» МПР и выход ванны на «горячий» режим, о чем будет сказано в следующей главе.

Оптимальные значения междуполюсного зазора находятся в прямой зависимости от целого ряда факторов, включая тепловую изоляция катода, силу тока, частоту обработок, число анодных эф­фектов и др. Все процессы, связанные с увеличением приходной части теплового баланса или уменьшением расходной части, долж­ны сопровождаться корректировкой МПР. В противном случае пре­вышение прихода тепла над расходом приведет к разогреву электро­лизера. Если какой-либо тип ванн работает на нижнем допустимом (критическом) пределе МПР, то повышение силы тока в серии должно компенсироваться повышением частоты и качества обработ­ки, снижением числа анодных эффектов и интенсификацией тепло­отдачи от ванны.

Рабочее напря­жение на ванне складывается из перепада напряжения на отдельных её участках. Падение напряжения в электролите происходит за счет его активного омического сопротивления и составляет 1,6-1,8 В, па­дение напряжения в катоде равно 0,30-0,35 В, а перепад напряжения в аноде зависит от его типа и составляет 0,50-0,65 В на самообжи- гающихся анодах и 0,30-0,40 В - на обожженных. Падение напряже­ния в ошиновке зависит от её конструкции и способа подключения измерительного прибора.

Технолог должен стремиться к максимальному снижению всех составляющих рабочего напряжения, что обеспечивает мини­мальный расход энергии на электролиз. Для выполнения этого усло­вия необходимо обратить наибольшее внимание на надлежащее ис­полнение следующих операций.

1. На электролизерах ВТ для уменьшения перепада напря­жения в аноде необходимо обеспечить заданную установку штырей на горизонты, не допуская число отклонений по установке более 3% от общего числа штырей. Очень важен хороший контакт между штырем и угольным анодом, поэтому поверхность штыря должна быть тщательно зачищена от окалины.

Для уменьшения перепада напряжения в самом теле анода необходимо производить своевременную перестановку штырей, не допуская завышения расстояния штырь-анод, которое должно соот­ветствовать требованиям технологической инструкции. Кроме того, необходимо выполнять все требования, направленные на соблюде­ние необходимых условий формирования анодов.

На электролизерах БТ должны быть выполнены аналогичные условия с учётом специфики бокового подвода тока. На электроли­зерах ОА специфика иная, связанная с условиями чугунной заливки ниппелей и состоянием анододержателей. Более подробно техноло­гия ведения анодного хозяйства изложена в главе 7.

2. Для уменьшения перепада напряжения в электролите сле­дует строго выдерживать оптимальное значение МПР, своевременно снимать угольную пену и не допускать науглероживания электроли­та, подбирать состав электролита с максимальной электрической проводимостью, поддерживать уровень электролита в пределах, за­данных технологической инструкцией.

3. Для уменьшения перепада напряжения в подине следует своевременно подтягивать осадки к борту, не допускать образования подовых настылей и «коржей», следить за состоянием контактов блюмс-гибкая шинка и шинка-катодная шина.

Оптимальное значение рабочего напряжения для всех типов электролизеров находится в пределах 4,1-4,3 В. Для расчёта средне­го напряжения на электролизёре необходимо учесть перепады на­пряжения в соединительной ошиновке и за счёт анодных эффектов.

Повышение среднего напряжения за счет анодных эффектов зависит от их длительности и частоты, а также от среднего напряже­ния во время вспышки. Если число анодных эффектов в сутки 2, длительность 3 минуты, рабочее напряжение 4,3 В, напряжение на ванне во время анодного эффекта 30 В, то увеличение среднего на­пряжения за счет вспышек составит на 1 ванну.

U = ²⁽³⁰ ~^4,3)3 = 0,107В 1440

Уменьшить эту величину можно за счет сокращения дли­тельности и частоты анодных эффектов. Это достигается путем ис­пользования современных систем управления технологическим про­цессом, основанных на предупреждении анодных эффектов в авто­матическом режиме.