Современные промышленные ванны сохранили основные конструктивные черты первых электролизеров. За период развития электролитического способа производства алюминия были увеличены лишь размеры ванн и усовершенствованы те или иные их детали.

Любая электролизная ванна, предназначенная для производства алюминия, состоит из металлического кожуха, футерованного изнутри огнеупорным и углеродистым материалами, проводящей ток угольной подины, которая служит катодом, и угольных анодов, погруженных в расплавленный электролит.

Промышленные алюминиевые ванны питаются постоянным электрическим током не только для осуществления электрохимического процесса, но и для внутреннего нагрева джоулевым теплом, развиваемым током при прохождении через слой электролита.

В этих условиях на боковой поверхности рабочего пространства ванны образуется гарниссаж из твердого электролита, который предохраняет футеровочный материал от разрушающего влияния расплавленных фтористых солей, а также предупреждает утечку тока через угольную футеровку.

Любой электролизер состоит из катодного устройства, анодной системы, катодной и анодной ошиновок и опорных металлоконструкций.

Алюминиевые электролизеры различаются по мощности и по конструкции анодного устройства.

По конструкции анодного устройства современные электролизеры делят на три типа:

с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом;

с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом;

с обожженными анодами.

В связи с тем, что в данной работе проектируем электролизер с обожженным анодом, то рассматриваем устройство только такого типа электролизера.

1.3.1 Катодное устройство

Катодное устройство у всех типов электролизеров одинаковое, но разные конструкции кожухов для электролизеров различной мощности.

Конструктивная основа катодного устройства - стальной кожух. По степени тепловой защиты подины различают электролизеры без днища и электролизеры с днищем.

Боковые стенки катодного кожуха футеруются 1-2 рядами угольных плит. Плиты на основе карбида кремния крепятся прямо к стенке катодного кожуха.

Размеры угольных блоков и плит:

-подовые блоки имеют сечение 400*500 и длину 600, 800, 1200 или 1600 мм, в некоторых случаях - до 2500 мм; (блоки подовые для алюминиевых электролизеров ТУ 1913-109-021-99)

-боковые плиты (SiC) - толщиной 70 мм, высотой 600-800 мм и длиной 550мм.

Подовые блоки устанавливаются на расстоянии 25-50 мм друг от друга. В пространство между блоками набивают подовую углеродистую массу, которая при обжиге подины коксуется, и образующиеся швы прочно связывают блоки между собой.

Размеры шахты электролизера зависят от мощности электролизера. Глубина шахты обычно составляет 400-600 мм, расстояние от анода до стенок шахты по продольной стороне 440-650 мм, по торцевой стороне 500-600 мм.

Кожух без днища выполняется обычно в виде рамы, сваренной из стальных балок и листа.

Для мощных электролизеров применяют кожухи с днищем. Это сваренное из листовой стали (20 мм) корыто, укрепленное балками (контрфорсами). Контрфорсы представляют собой вертикальные стойки, стянутые поперек электролизера на уровне днища стальными тягами попарно. Верхние концы контрфорсов удерживают кожух электролизера от распирающих усилий в подине, а нижние концы противоположных контрфорсов опираются попарно на железобетонные балки. Балки «работают» на сжатие, а стягивающие стальные тяги выполняют роль нулевой точки рычага. Прочность катодного кожуха определяется жесткостью контрфорсов.

Днище кожуха опирается на поперечные стальные балки, которые поставлены на продольные двутавровые балки, установленные на железобетонные балки с колоннами, заделанные в фундаменте. Футеровка кожуха такая же, как и у кожухов без днища, с той лишь разницей, что между футеровкой и стальным кожухом укладываются асбестовые листы.

Так как конструкция кожуха поднята на колоннах и рабочая площадка (уровень пола в цехе) находится на отметке +4 м над поверхностью земли, то считается, что такие электролизеры расположены на втором этаже.

На катодный кожух электролизеров четырьмя колоннами опирается несущая конструкция - каркас электролизера. На каркасе крепятся анодное устройство, укрытие электролизера, глиноземные бункеры и механизмы для перемещения анода и панелей укрытия.

1.3.2 Анодное устройство

Токоподводящим материалом анода являются анодные блоки. В ходе процесса электролиза анод постепенно расходуется, окисляясь разряжающимся на аноде кислородом, и поэтому анод необходимо периодически опускать. Периодически возникает также необходимость поднимать анодное устройство. Для перемещения анодного устройства служит специальный подъемный механизм.

ГОСТ на анодные блоки: ТУ 1913-001-00200992-95

Тип Б, размеры длина 1450 мм, ширина 700, высота 600.

1.3.3 Ошиновка электролизера

Токонесущим элементом электролизеров является ошиновка.

Ошиновка электролизера предназначена для подвода (анодная) и отвода (катодная) тока. В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные анодные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям. Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент - катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины и катодных шин. Все контакты между элементами ошиновки, как правило, выполнены сварными.

К ошиновке предъявляются требования:

подвод тока к электролизеру обязательно должен быть двусторонним, а анодная ошиновка асимметрична относительно продольной и поперечной осей электролизера с целью компенсации отрицательного влияния магнитных полей;

плотность тока в ошиновке должна быть оптимальной; затраты на ошиновку должны быть минимальными при допустимых потерях электроэнергии в ней;

необходимо иметь возможность быстрого отключения и подключения в электрическую цепь одного электролизера без нарушений работы остальных;

ошиновка должна обеспечивать стабильную форму поверхности расплавленного металла на подине, близкую к горизонтальной.

Обоснование выбора катодных угольных блоков.

В последнее десятилетие с целью снижения падения напряжения на катоде и потребления энергии, а также для лучшего соответствия повышенной силе тока на многих заводах используются графитизированные и графитовые катодные блоки, которые обладают более высокой тепло- и электропроводимостью по сравнению с аморфными и полуграфитовыми блоками.

В таблице 1.1 приведено сравнение свойств основных типов катодных блоков (согласно [5])

Таблица 1.1

Качественное сравнение различных свойств трех главных групп катодных угольных блоков

Классификация катодных блоков:

Графитизированные: весь блок (твердая часть и связующее), содержащий материалы, которые могут графитизироваться, подвергаются термической обработке до 3000 °С, давая графитовый материал.

Полуграфитизированные: весь блок (наполнитель и связующее), содержащий материалы, которые могут графитизироваться, подвергаются термической обработке до температуры приблизительно 2300 0С.

Полуграфитовые: наполнитель - графитизированный материал, но блок (кокс связующего) получился при термической обработке в условиях нормальной прокалки (приблизительно 1200 °С).

Аморфные: никакая часть наполнителя не графитизирована. Блок прокаливается до температуры 1200 °С. Аморфный углерод может иметь дополнительную классификацию: кальцинированный газом или во вращающихся печах. Твердой фазой обычно является антрацит, который равномерно прокален и графитизация при этом не имела места (ГКА). Электрокальцинированный аморфный углерод: материалом на наполнителя обычно служит антрацит, и некоторые процессы ведут к получению материала, который частично графитизирован (ЭКА). Аморфный углерод с добавкой графита: в шихту добавляется графитовый наполнитель. Количество добавки меняется в диапазоне 20-70% от состава сухой шихты.[5]

При выборе катодного блока необходимо отталкиваться от требований, предъявляемых к катодному устройству.

Идеальная катодная подина должна удовлетворять следующим требованиям:

высокая электропроводность,

высокая сопротивляемость термоударам,

малая теплопроводность,

хороший электрический контакт со встроенными токоподводами,

малая пористость,

высокая смачиваемость расплавленным алюминием,

хорошая сопротивляемость внедрению натрия и электролита,

стойкость к истиранию (эрозия от осадка, металла и/или
электролита),

Ни один из существующих материалов не удовлетворяет всем требованиям в полной мере, но при работе на повышенной силе тока и на мощных электролизерах большее внимание уделяют графитизированным и графитовым блокам.

Согласно [6] , во время работы падение напряжения на электролизерах с графитизированными блоками меньше, а их поведение отличается боее высокой стабильностью, чем у электролизеров с антрацитовыми и полуграфитовыми блоками.

По последним данным, срок службы графитовых электролизеров на заводах Alcan составляет 2400-2500 дней, а графитизированных 1800-2000 (против 1500-1600 у полуграфитовых и 1400-1500 у антрацитовых)

Высокая теплопроводность графитизированных блоков позволяет обеспечивать хороший тепловой баланс серии с высокой силой тока. Решение проблемы перегрева и потери бортовой настыли заключалось в замене полуграфитовых блоков на графитизированные.

Стоимость графитизировынных блоков гораздо ниже, чем у графитовых, поэтому, учитывая все выше сказанное, мы остановимся на графитизированных блоках, которые обладают лучшими эксплутационными качествами, чем антрацитовые и полуграфитовые, и ниже по стоимости, чем графитовые (причем графитизированные блоки достигают показателей графитовых блоков примерно через год службы электролизера)

Блок катодный графитизированный ТУ 1913-109-021-99 с полной механической обработкой.

Обоснование выбора барьерного слоя.

Барьерные материалы, расположенные непосредственно под катодными блоками, предназначены для защиты нижних теплоизоляционных слоев от теплового и химического взаимодействия компонентов ванны электролизера.

К настоящему времени в качестве барьерных материалов опробовано большое количество различных материалов анорит (CaO·Al2O3·SiO2), форстерит (2MgO*SiO2), оливин (MgO*SiO2). Наиболее широко используемые в электролизерах барьерные материалы по химическому составу представляют алюмосиликаты. [7]

При выборе барьерного слоя возможен выбор предварительно обожженных материалов или безобжиговые неформованные материалы.

Предварительно обожженные формованные материалы обладают меньшей проницаемостью по отношению к электролиту, но их недостатком является большое количество образующихся швов при кладке. С точки зрения технологичности более предпочтительны безобжиговые неформованные материалы. Несмотря на их более высокую проницаемость, через короткий промежуток времени работы электролизера они приобретают свойства сформированных материалов, обжигаясь и формируя монолитный барьер, предохраняющий нижние слои от воздействия электролита.

Проведенные испытания СБС отечественного производства и КНР показали преимущества импортной барьерной смеси [8]. Поэтому к применению в электролизере мы рекомендуем СБС Е-50, производимую в Китае и поставляемую фирмой Mayerton. Характеристики материала приведены в табл. 1.2

Табл. 1.2 Характеристики СБС Е-50.

Высота подушки барьерного слоя 50 мм.

Обоснование выбора бортовых блоков.

На электролизерах нашли применение бортовые блоки двух типов: бортовые блоки на основе углеграфитовых материалов (практически, материал подовых блоков) и бортовые блоки на основе карбида кремния (SiC).

При выборе материала бортового блока к нему предъявляются следующие требования:

малая электропроводность

высокая теплопроводность

устойчивость к окислению кислородом воздуха

устойчивость к агрессивной среде электролита.

При проектировании современного мощного электролизера мы остановим свой выбор на бортовых блоках на основе карбида кремния, т.к. они лучше удовлетворяют предъявляемым требованиям и позволяют улучшить конструкцию электролизера: увеличить площадь анода, позволят при большем тепловыделении электролизера сбалансировать тепловой поток.

Карбид кремния производится уже в течение столетия и, тем не менее, считается перспективным огнеупорным материалом.

Использование огнеупоров из карбида кремния постоянно возрастает в ходе разработки и создания новых усовершенствованных систем связок.

Поэтому огнеупоры из карбида кремния на нитридной связке (Si3N4/SiC) нашли широкое применение в алюминиевой промышленности. Этот продукт производится путем смешения зерен карбида кремния с очень чистым металлическим кремнием; этой смеси придается форма, которая затем обжигается в атмосфере азота при температуре 1400 С.

В последние годы проводилось множество опытов с различными системами связки. Опыты показали, что только карбид кремния на нитридной связке обладает необходимой прочностью.

Конечный продукт состоит из карбида кремния в матрице альфа и бета нитрида кремния (Si3N4) и небольшого количества оксинитрида кремния (Si2ON2).

Наиболее важные характеристики карбида кремния, позволяющие использовать его в качестве бортовой части подины электролизера:

Высокое сопротивление окислению

Устойчивость к расплавленному криолиту

Высокая теплопроводность

Высокое сопротивление истиранию

Высокая электросопротивляемость

Применение бортовых блоков на основе карбида кремния на нитридной связке позволит:

Более тонкие стенки увеличивают производительность

Большая емкость электролита

Улучшает образование настыли

Более тонкие стенки повышают эффективность

Увеличивается рассеивание теплоты

Чем больше размер анодов, тем ниже плотность тока [9]

Обоснование выбора теплоизоляции.

На различных заводах применяются различные решения при выборе теплоизоляции. Часто при модернизации или разработке нового проекта выбирались материалы, применяющиеся на существующих электролизерах, по причине того, что считалось, что они вполне удовлетворяют предъявляемым требованиям. При проектировании нашего электролизера мы будем опираться на новые материалы, применение которых в последнее время показало их преимущества над “классическими” теплоизоляционными материалами.

Существуют 4 различные группы изоляционных материалов: диатомитовые кирпичи, перлитовые кирпичи, вермикулитовые плиты и плиты на основе силиката кальция:

Диатомитовые кирпичи: Качество диатомитовых кирпичей бывает разным в зависимости от связующего: пластичная глина смешивается с диатомовой землей естественным образом (как в кирпичах Moler) либо же ее добавляют специально. При производстве диатомитовых кирпичей природную смесь глины и диатомовой земли нагревают перед формовкой и нарезкой. Кирпичи высушивают перед обжигом при 900-050°С в туннельных печах. На конечном этапе проводят обработку всех 6 поверхностей кирпича. Диатомовая земля обеспечивает естественную тонкую пористость кирпичей. Диатомитовые кирпичи Moler успешно применяют в качестве изоляционного материала с 1964 г.

Перлитовые кирпичи: Измельченный перлит (вулканическая порода) вспенивают при высоких температурах, за счет чего обеспечивается высокая пористость перлита. Вспененный перлит смешивают с цементом и водой, а затем прессуют кирпичи, которые высушивают. Перлитовые кирпичи также успешно применяют в течение более 30 лет.

Вермикулитовые плиты: Вермикулит (минерал, состоящий из нескольких тонких слоев) расслаивают при высоких температурах для обеспечения высокой пористости. Вермикулит смешивают с щелочным силикатным связующим и прессуют в плиты или блоки. Наибольшую известность в качестве изоляции электролизеров вермикулитовые плиты получили после статьи Tabereaux в 1982, в которой сообщалось о высокой стойкости к воздействию электролита.

Плиты на основе силиката кальция: Мел и кремнезем в определенных молярных отношениях подвергают кипячению в воде. Перед изготовлением плит в эту смесь добавляют органические армирующие волокна. Плиты подвергают автоклавной обработке при определенном давлении и температуре для формирования требуемых минеральных фаз. Ксонотлит. Кристаллы ксонотлита имеет игловидную форму и ориентированы во всех направлениях, формируя систему с очень тонкой пористостью. Применение силиката кальция (по крайней мере при максимальных рабочих температурах выше 1000°С) в электролизерах становится все более частым.[10]

Применение двух последних материалов на экспериментальных участках ОАО КрАЗ показывает, что они обладают определенными преимуществами над “классической” диатомовой изоляцией. Преимущества, выявленные при использовании вермикулитовых плит ООО”АтомСтрой” (Железногорск): практически отсутствует бой при проведении футеровочных работ, кладка плотная, ровная, произошло значительное сокращение швов и трудозатрат. Недостатки: существенное количество связанной влаги, выделение которой наблюдалось в пусковой и послепусковой период. [11]

С момента появления статьи Tabereaux в 1982, в которой особое внимание уделялось высокой стойкости вермикулита к воздействию электролита, на некоторых заводах появилась тенденция к предпочтению именно вермикулита, а не других изоляционных материалов. Материал V-1100 обладает хорошей стойкостью к воздействию электролита. Материал VIP-12, который был специально разработан для электролизеров, обладает еще большей стойкостью к воздействию электролита, чем диатомитовые кирпичи Moler. Поэтому VIP-12 также используют для защиты материала SUPER-1100 E.

Материал V-1100 (375 кг/мі) является очень гибким, его можно использовать для замены волокнистых материалов, применяемых в нижней части электролизера для адсорбции некоторых выделений других огнеупоров.

Наличие крупных плит и даже готовых комплектов для электролизеров обеспечивает быстроту установки. При зависимости от затрат на ручной труд в сравнении с затратами на материалы этот момент является весьма важным, обеспечивая снижение затрат на установку. Еще одной причиной применения плит является малое число стыков. [10]

Поэтому при выборе теплоизоляционной футеровки мы остановим свой выбор на вермикулитовых плитах.

Вермикулитовые плиты: ТУ 5716-020-92534-97

Табл. 1.3 Химический состав плит, %:

Технические характеристики плит:

1. Линейные размеры, мм

Длина 1200

Ширина 600

Толщина 65.

2. Плотность, кг/м3 - 400,600.

3. Предел прочности при сжатии, МПа - 1,1-1,2.

Предел прочности при изгибе, МПа - 0,5.

4. Пористость, % - 80-85.

5. Линейная температурная усадка, % не более, при температуре
650оС 0,1-0,2

900оС 2 [12]

Обоснование выбора огнеупорных материалов.

Основными факторами влияющими на стойкость огнеупоров в подине катодов, при воздействии электролита и криолит-глиноземного расплава являются:

Минералогический состав, т.е. соотношение глинозема и кремнезема, а также выход муллита в шамотном огнеупоре после обжига изделия сырца.

Общая пористость материала и структура порораспределения по размеру и качеству

Геометрия и внешний вид изделия

Качество сырьевых материалов, применяемых для производства изделий и технологические параметры производства огнеупоров.

Тип продуктов реакции после взаимодействия огнеупора с корродиентами при температурах электролизера.

Сопротивление криолиту огнеупорных материалов существенно зависит от содержания кремнезема:

Табл.1.4 Результаты испытаний огнеупоров в криолитовой чаше

В таблице 1.5 приведены сравнительные характеристики огнеупорных материалов применяемых в алюминиевой промышленности.

Таблица 1.5 Сравнение преимуществ и недостатков различных огнеупорных материалов

Согласно данным, представленным в [14] следует проводить различия между “сухими” (с аморфными катодными блоками) и “мокрыми” (полуграфитизированными блоками) электролизерами. Футеровка “мокрых” электролизеров подвергается большим воздействиям за счет реакций с электролитом. Поэтому такие электролизеры должны иметь огнеупоры с меньшим содержанием глинозема (Al2O3/SiO2=0.33), что поможет предотвратить проникновение электролита в процессе работы из-за образования вязкого слоя при взаимодействии с силикатной составляющей огнеупоров. На рис. 1.2 представлена зависимость устойчивости к криолиту в зависимости от пористости огнеупора [15]

Рис. 1.2. Зависимость стойкости к криолиту от кажущейся пористости огнеупорного изделия, %

Согласно [16] к прямому проникновению электролита в подину приводят поры диаметром более 50 мкм, проницаемость и скорость пропитки электролитом определяется порами размером 12-40 мкм, т.е .90 % величины проницаемости формируется порами диаметром более 12 мкм. Соответственно количество данных пор должно быть минимальным.

Согласно испытаниям, проведенным Санкт-Петербургским институтом огнеупоров в 1996 году, среди отечественных производителей более стойким по отношению к криолитглиноземному расплаву являются изделия производства Богдановичского и Боровичского огнеупорных предприятий, а также продукция огнеупорного производства ОАО “ММК”.

Основываясь на вышеприведенной информации останавливаем выбор на шамотных огнеупорах ГОСТ 390-96, размеры по ГОСТ 8691-73 изм. 1-4 и ГОСТ 6024-75 изм. 1-3. ША 1-5

1.3.2 Анодное устройство

Токоподводящим материалом анода являются анодные блоки. В ходе процесса электролиза анод постепенно расходуется, окисляясь разряжающимся на аноде кислородом, и поэтому анод необходимо периодически опускать. Периодически возникает также необходимость поднимать анодное устройство. Для перемещения анодного устройства служит специальный подъемный механизм.

ГОСТ на анодные блоки: ТУ 1913-001-00200992-95

Тип Б, размеры длина 1450 мм, ширина 700, высота 600.

1.3.3 Ошиновка электролизера

Токонесущим элементом электролизеров является ошиновка.

Ошиновка электролизера предназначена для подвода (анодная) и отвода (катодная) тока. В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные анодные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям. Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент - катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины и катодных шин. Все контакты между элементами ошиновки, как правило, выполнены сварными.

К ошиновке предъявляются требования:

подвод тока к электролизеру обязательно должен быть двусторонним, а анодная ошиновка асимметрична относительно продольной и поперечной осей электролизера с целью компенсации отрицательного влияния магнитных полей;

плотность тока в ошиновке должна быть оптимальной; затраты на ошиновку должны быть минимальными при допустимых потерях электроэнергии в ней;

необходимо иметь возможность быстрого отключения и подключения в электрическую цепь одного электролизера без нарушений работы остальных;

ошиновка должна обеспечивать стабильную форму поверхности расплавленного металла на подине, близкую к горизонтальной.

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс