книги из ГПНТБ / Вольфсон, Г. Е. Производство алюминия в электролизерах с обожженными анодами методический материал

электролизера представлена на рис. 10. В этом случае возможно разрушение футеровки, прорыв электролита и металла из электролизера. Металл начинает занимать большую площадь подины, снижается катодная плот­ ность тока, а значит, уменьшается выход по току. На поверхности боковых угольных блоков возможен раз-

ряд ионов алюминия с образованием карбида алюми­ ния по реакции

4А13+ + ЗС = 12е^ А14С3.

При холодном ходе электролизеров гарнисаж стано­ вится слишком толстым, а подовые настыли могут за­ ходить далеко под аноды. Схема формы рабочего про­ странства приведена на рис. 11. В этом случае затруд­ нена обработка электролизера, в электролит попадает недостаточное количество глинозема, что приводит к ча­ стым вспышкам. Из-за больших подовых настылей уменьшается токопроводящая площадь подины, в зна­ чительной мере повышается катодная плотность тока, что вызывает большие потери напряжения в подине. В некоторых случаях подовые настыли становятся на­ столько большими (особенно в углах электролизеров), что не позволяют поставить аноды в нужное положение:

62

края анодов упираются в настыли и невозможно уста­ новить необходимое рабочее напряжение. В такие элек­ тролизеры затруднена установка новых анодов.

7. Напряжение на электролизере поддерживается в зависимости от конструкции и условий работы 3,6— 4,2 В, что обеспечивает междуполюсное расстояние, рав­ ное 4,5—5,5 см. Подробнее о рабочем напряжении ска­ зано в следующих параграфах.

Следует отметить, что стрелка вольтметра, показы­ вающего напряжение на электролизере, может иметь

«вспышки», когда напряже­ ние возрастает до 20—35 В, до 12—15 В — тусклыми, до

15—20 В — средними. Обычно электролизеры работают с предупреждением анодных эффектов, т. е. новую пор­ цию глинозема опускают в электролит раньше, чем его концентрация снизится до 1—1,5%. Однако периодичес­ ки (один раз в 2—4 дня) электролизеру дают контроль­ ную «вспышку» — корку не пробивают, и глинозем не опускается в электролит; через несколько часов у нор­ мально работающего электролизера возникает анодный эффект.

Если анодный эффект не наступает в течение дли­ тельного времени, то, значит, в электролизер загружено больше глинозема, чем требуется для его нормальной работы, или вследствие каких-либо технологических на­

63

рушений глинозем расходуется медленно (например, изза образования на анодах «конусов», расплавления гарнисажей и подовых настылей, в которых содержится значительное количество глинозема). В этом случае пос­ ле устранения технологического нарушения корку элек­ тролита не пробивают до наступления анодного эффек­ та или уменьшают количество загружаемого глинозема. В течение смены на таком электролизере нужно прове­ рять состояние гарнисажа, так как возможно его рас­ плавление. Если гарнисаж нарушен, производят опиковку (опускают корку электролита у бортов или заби­ вают также у бортов куски оборотного электролита), принимают меры для охлаждения металла и электро­ лита.

У нормально работающего электролизера анодный эффект возникает мгновенно, накал лампочки яркий. При опускании новой порции глинозема «вспышка» лег­ ко гасится. Тусклые, средние или постепенно возникаю­ щие «вспышки» свидетельствуют о каких-либо техноло­ гических нарушениях (низкое междуполюсное расстоя­ ние, высокая температура электролита, на анодах имеются «конусы»). Такие анодные эффекты стремятся подъемом анодов довести до ясных. Делать это нужно осторожно, чтобы не допустить отрыва анодов от элек­ тролита. Как правило, «вспышки» у ненормально рабо­ тающих электролизеров гаснут не сразу, а напряжение устанавливается выше нормального. Ни в коем случае нельзя снижать напряжение до нормального опусканием анодов. Если возможно определить междуполюсное рас­ стояние, то следует установить напряжение, соответству­ ющее междуполюсному расстоянию 4—5 см.

Нередко при нарушении регулировки анодов или об­ разовании на них «конусов» возникают мигающие анод­ ные эффекты (из-за колебания напряжения лампочка то загорается, то гаснет). Иногда «вспышка» не гаснет про­ должительное время. Причины и устранение этого явле­ ния рассматриваются в следующей главе. Часто анодные эффекты возникают преждевременно из-за недостаточ­ ного количества загружаемого глинозема или его плохой растворимости в электролите. В последнем случае гли­ нозем идет в осадок, а через слой металла диффундиру­ ет в электролит медленно.

О нормальной работе электролизера, кроме вышепе­

64

речисленных признаков, свидетельствуют температура и состав электролита, междуполюсное расстояние и ра­ бочее напряжение, уровни металла и электролита. Все эти факторы рассматриваются в следующих параграфах этой главы.

§2. ТЕМПЕРАТУРА ЭЛЕКТРОЛИТА, ПОНЯТИЕ

ОТЕПЛОВОМ БАЛАНСЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Впредыдущих разделах рассматривали, в какой за­ висимости от температуры электролита находится про­ изводительность электролизера, выход по току. Поэтому при работе нужно поддерживать оптимальную темпера­ туру 955—960° С.

Температура электролита зависит от количества теп­ ла, выделяющегося в единицу времени (приход тепла),

иотдачи тепла электролизером за этот же период (рас­ ход тепла). При определенных рабочем напряжении, температуре электролита, гарнисажах и подовых насты­

лях устанавливается тепловое равновесие электролизера (приход тепла равен его расходу). Если же равновесие нарушается и приход тепла превышает расход, то темпе­ ратура электролита повышается (электролизер разогре­ вается), и наоборот, при превышении расхода тепла над приходом температура электролита понижается (элек­ тролизер работает холодно).

Основная часть тепла выделяется в электролизере за счет подводимой электроэнергии; сила тока в серии обычно изменяется незначительно. Сопротивление, сле­ довательно, падение напряжения и количество выделяю­ щегося тепла в токопроводящих элементах рабочего

пределах. Большая часть тепла выделяется в слое элек­ тролита и зависит от его удельного электросопротивле­ ния и междуполюсного расстояния. Регулированием междуполюсного расстояния и установлением соответ­ ствующего рабочего напряжения можно легко увеличить или уменьшить расход электроэнергии и приход тепла

Т а б л и ц а 5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ НА СИЛУ ТОКА 50 000 А

Выделяющееся в электролизере тепло расходуется на разложение окиси алюминия, нагревание и расплавление поступающих в него материалов (глинозема, криолита, анодов и т. д.). Основная же часть тепла, выделяющего­ ся в электролизере, рассеивается в окружающее прост­ ранство через боковую поверхность кожуха, днище, блюмсы, анодами, глиноземной засыпкой, открытой по­ верхностью электролита, укрытием электролизера, с от­ ходящими газами. По результатам замеров и рассчитан­ ным данным прихода и расхода тепла составляется теп­ ловой баланс электролизера (табл. 5).

Как следует из табл. 5, почти половина тепла теряет­ ся электролизером бесполезно в окружающее простран­ ство. Эти потери можно снизить дополнительной тепло­ изоляцией катодного узла (увеличением рядов теплоизо­ ляционного кирпича днища электролизера, боковой фу­ теровки), теплоизоляцией кожуха снаружи, анодного узла (увеличением слоя глинозема на анодах), однако

66

это допустимо до определенных пределов. Снижая тепло­ вые потери, мы должны уменьшать приход тепла, т. е. практически снижать рабочее напряжение. В свою очередь, рабочее напряжение в основном зависит от междуполюсного расстояния, которое менее оптимально­ го нецелесообразно.

При расчете электролизеров выбирают такую тепло­ изоляцию, которая при определенном составе электроли­ та, плотности тока, междуполюсном расстоянии обеспе­ чивает нормальный тепловой баланс, а следовательно, температуру электролита и производительность электро­ лизера. До некоторой степени в электролизере регули­ руется тепловой режим самостоятельно. При повышении прихода тепла или при снижении его расхода уменьша­ ется толщина боковых гарнисажей и подовых настылей. Тем самым теплоизоляция катодного узла становится меньше, расход тепла увеличивается, приход и расход тепла приходят в соответствие.

При уменьшении прихода тепла или увеличении его расхода температура электролита понижается, гарниссажи и подовые настыли становятся толще, теплоизоляция увеличивается, а тепловые потери уменьшаются. Таким образом, устанавливается новое равновесие, но при бо­ лее низкой температуре электролита.

Большой эффект для регулирования потерь тепла да­ ет засыпка анодов слоем глинозема. Потери тепла от­ крытыми поверхностями анодов почти в два раза боль­ ше, чем анодным узлом электролизера, у которого аноды укрыты слоем глинозема в 10—15 см. Этим можно ши­ роко пользоваться для стабилизации теплового режима электролизера при изменении различных факторов, от которых он зависит (температуры окружающего возду­ ха, силы тока, междуполюсного расстояния и т. д .).

Во всех случаях тепловое равновесие при изменении напряжения и силы тока на электролизере должно отве­ чать наименьшей стоимости получаемого алюминия.

§ 3. РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Для производства алюминия требуются большие за­ траты электрической энергии, и вопрос о снижении ее расхода является одним из важнейших в алюминиевой

пример, анодная шина — анододержатель), анододержателе, анодах, подине, блюмсах, в слое электролита, а также напряжение разложения.

Кроме этого, различают греющее напряжение, кото­ рое необходимо знать при составлении теплового балан­ са электролизера. Это напряжение суммирует падения напряжения на участках электролизера, при прохожде­ нии которых электрический ток выделяет тепло, необхо­ димое для нагревания и расплавления поступающих ма­ териалов, компенсации потерь тепла электролизером и поддержания нормальной температуры процесса. Тепло, выделяемое ошиновкой, анододержателями, за­ метной роли в энергетическом режиме электролизера не играет.

Кроме перечисленных, потери напряжения имеют место в соединительной ошиновке между электролизера­ ми и увеличиваются за счет анодных эффектов. Напря­ жение, включающее в рабочее напряжение эти потери, называют средним напряжением.

Потери напряжения на участках можно рассчитать или измерить непосредственно на работающем электро­ лизере. По результатам расчетов или измерений состав­ ляется электрический баланс электролизера. Примерный электрический баланс для электролизера средней мощ­ ности с обожженными анодами приведен в табл. 6.

Потери напряжения в ошиновке зависят от длины шин, их сечения, протекающей силы тока, а также удель­ ного электрического сопротивления алюминия. Рассчи­ тать падение напряжения в ошиновке можно по формуле

ДУ = рdl,

где ДУ■— падение напряжения, В; р — удельное электросопротивление, О М ' М М 2/ м ;

d — плотность тока в ошиновке, А/мм2; I — длина шины, м.

Длина шин определяется конструкцией электролизе­ ра. Удельное электросопротивление изменяется в неболь­ ших пределах в зависимости от окружающей температу­ ры (летом — больше, зимой — меньше). Плотность тока (следовательно, сечение и масса ошиновки)' должна быть такой, чтобы обеспечить минимальные капитальные затраты и расход электроэнергии. Чем ниже плотность тока, тем меньше расход электроэнергии в ошиновке, по тем больше должно быть сечение шин, их масса и стои­

69

мость всей ошиновки. При высокой плотности.тока капи­ тальные затраты уменьшаются, но увеличивается расход электроэнергии. Поэтому оптимальная плотность тока леэйит в пределах 0,3—0,5 А/мм2 и зависит от стоимости алюминия и электроэнергии.

Как следует из электрического баланса, потери на­ пряжения в контакте стальной ниппель — анод достига­ ют значительной величины; падение напряжения в этом

ского расширения стали анодные огарки могут раскалы­ ваться. Глубина ниппельного гнезда анода определяется стоимостью электроэнергии и стоимостью расходуемого анода: при меньшей глубине поверхность контакта нип­ пель — анод уменьшается, возрастает расход электро­ энергии, но уменьшается расход анодов. Оптимальная глубина ниппельного гнезда анода 80—100 мм.

Падение напряжения в контакте ниппель — анод не остается постоянным в течение работы анода, а изменя­ ется в зависимости от температуры нагрева анода и стального ниппеля. В первые сутки работы анода паде­ ние напряжения достигает 130—160 мВ, а через несколь­ ко суток снижается до 35—50 мВ. Слой глинозема, укры­ вающий анод сверху, благоприятствует снижению потерь напряжения в контакте ниппель — анод. На рис. 12 показана зависимость падения напряжения в контакте

70

Падение напряжения в контакте ниппель — анод за* висит от расстояния между поверхностью стального нип­ пеля и поверхностью анода в ниппельном гнезде. Чем больше это расстояние, тем больше требуется чугуна для заливки.

Из-за различного линейного расширения и усад­ ки железа и угля при остывании чугуна после залив­ ки образуется зазор между поверхностями чугуна и ано­ да. Контакт ухудшается, поэтому падение напряжения в первый период работы анода большое. По мере разо­ гревания чугунная заливка и стальной ниппель расши­ ряются, зазор между поверхностями ниппеля и ниппель­ ного гнезда анода уменьшается, падение напряжения снижается. Стремятся уменьшить требуемое для залив­ ки количество чугуна: при меньшей массе чугуна мень­ ше его усадка, лучше контакт ниппель — анод. Опти­ мальная толщина чугунной заливки зависит от свойств чугуна и лежит в пределах 5—15 мм.

При применении углеродистой массы для создания контакта и крепления ниппеля в ниппельном гнезде ано­ да также необходимо иметь минимальную толщину за­ бивки, так как удельное электросопротивление массы, особенно в период ее коксования, велико.

Падение напряжения в аноде зависит от плотности тока, удельного электрического сопротивления и высо­ ты анода.

Удельное электросопротивление обожженного анода определяется составом, а в основном — температурой его нагревания. Так, при 0°С удельное электросопротивле­ ние находится в пределах (68-f-75) 10-4 Ом-см, а при

900° С уже (45-у55) 10-4 Ом • см.

С точки зрения расхода электроэнергии выгодно ра­ ботать на анодах небольшой высоты, но при этом возра­ стают трудовые затраты на монтаж и замену анодов, увеличивается их расход. Оптимальная высота анода

500—600 мм. -

Падение напряжения в подине определяется кон­ струкцией электролизера и состоянием подовых насты­ лей, но в большей степени продолжительностью работы.

В первый год работы падение напряжения в подине электролизера приближается к 200 мВ, а через 3—4 го­ да достигает 300—350 мВ и даже выше. Происходит это

71