Особенности технологии при использовании "сухой" анодной массы

Далее рассмотрим подробнее особенности использования пека с высокой температурой размягчения (ВТП).

Анодная масса для «сухих» анодов c использованием пека с высокой температурой размягчения. В компании «Гидро Алюминиум» точка размягчения (ТР) каменноугольного пека для производства массы методом Содерберга за последние 15 лет повысилась от 110 до 130 °С по Меттлеру или с 92 до 112 °С по Крамеру-Сарнову. Основные причины в таком увеличении - это улучшение качества производимой массы, предобожжснного анода, которое заключается в:

- уменьшении испарений/эмиссии полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) с верхней части анода;

- уменьшении угольной пыли, собирающейся на рабочей поверхности анода;

- улучшении качества подштыревой массы в предобожженных анодах;

- лучшей возможности управления сухими анодами с увеличенной силой тока внутри электролизера.

Уменьшение эмиссии ПАУ. В Норвегии предельно допустимые нормы испарений ПАУ охватывают группу из 16 компонентов, начиная с фенантрена и заканчивая 1,2,4,5-ди-бенз(а)пиреном в зависимости от точек кипения. Содержание компонентов ПАУ снижается с повышением температуры размягчения пека. Ниже приведено качество пека, поставляемого на завод компании «Гидро Алюминиум» в Кармое (Норвегия):

Год ТР, °С ПАУ 16-ая группа

По Меттлеру ppm

1996 120 96800±5800

1997 125 87400±5500

1998 130 79100±9100

2000/2001 130 76600±6500

Рисунок 2.5. Зависимость потери массы от температуры при прокаливании каменноугольного пека с температурой размягчения 65 и 130°С no Меттлеру.

При повышении ТР содержание ПАУ в пеке уменьшается, что обусловливает также испарения с верхушки анода при неизменных прочих параметрах.

Уменьшение пыли. Повышение ТР увеличивает выход кокса, что даёт больше нелетучего углерода и меньше газа, когда пек прокаливается в аноде. Рис. 2.5 показывает потери в массе в результате прокаливания каменноугольного пека в зависимости от температуры. Темп нагрева 10 °С/ч, прокаливание происходит в атмосфере азота.

Повышение ТР приводит к уменьшению объема газа, высвобождаемого в результате прокаливания, и к увеличению объема пекового кокса. В результате получается более плотный кокс. В предобожженном аноде это выражается в содержании кокса с меньшей активностью СО2.

В натурном испытании на заводе «Гидро Алюминиум» в Кармое в 1994г. 5 электролизеров были заправлены массой, замешенной на пеке с ТР 130°С (электролизеры-тесты). Сравнение проводили относительно другой группы электролизеров (всего 29) этой секции (электролизеры-эталоны). В течение 20 недель до того, как масса достигла рабочей области, и за 14 недель испытаний из электролизеров были извлечены следующие объемы пыли:

Электролизёры……………………………..Тест Эталон

Пыль, образовавшаяся до периода

испытаний, кг/т Al………………….…………16,1 18,0

Пыль, образовавшаяся во время

испытаний, кг/т Al……………………..………4,0 13,8

Испытания были повторены на 11 электролизерах-тестах и 23 электролизерах-эталонах. Объем пыли, извлеченной из электролизеров-тестов составил 25 % от объема пыли, полученной и электролизерах-эталонах.

Замеры химической активности СО2 при газообразовании и образовании пыли в лаборатории не выявили разницы между массами, произведенными из двух разных пеков. Это объясняется газопроницаемостью анода. Однако проницаемость существенно не влияет на химическую активность СО2.

Качество ниппельной анодной массы. При эксплуатации сухих анодов анодный штырь выдергивается, и ниппель остается открытым, после чего специальная масса (ниппельная масса) добавляется в ниппельное отверстие. Это масса с большим содержанием пека (35-40 %). После того как масса расплавилась, новый ниппель вводится в отверстие, и через некоторое время начинается процесс обжига. Качество предобожженной ниппельной массы зависит от объема пека в массе и, соответственно, от объема газа, образующегося при прокаливании. Так как повышение ТР пека уменьшает объем выделяемого газа, оно улучшает качество предобожженной ниппельной массы.

Увеличение силы тока в электролизере. На заводе в Кармое сила тока в электролизере Содерберга увеличена со 125 до 140 кА, или до 0,80 А/см2. В результате затраты энергии на анод значительно увеличились, что привело к высоким температурам в мягкой зоне анода. Чтобы избежать слишком сильного размягчения верхней части анода, содержание пека в массе может быть уменьшено. Но сильное сокращение содержания пека приводит к получению пористого предобожженного анода.

На заводе в Кармое повышение ТР со 120 до 130°С помогло использовать сухие аноды при большей нагрузке тока. При повышении ТР пека температура верхней части анода может повышаться без увеличения вязкости массы. При 150°С вязкость пека с ТР 120 °С в 3 раза выше, чем при ТР пека 130 °С.

Производство массы с высокой температурой размягчения. При производстве массы Содерберга каменноугольный пек смешивается с нефтяным коксом. Процесс смешивания может проводиться отдельными партиями или непрерывно.

Во время перемешивания температура должна быть достаточно высокой, чтобы смочить кокс жидким пеком и добиться впитывания пека в поры кокса. С повышением температуры смешивания степень заполнения коксовых пор возрастает и происходит заполнение пор со значительно меньшим диаметром. Так как пек занимает место газа в порах кокса, плотность массы зеленого анода увеличивается до тех пор, пока содержание пека остается постоянным.

Рис. 2.6, 2.7 показывают эффект влияния температуры смешивания на показатель текучести и на плотность зеленого анода.



Рисунок 2.6. Зависимость текучести от температуры смешивания.

Рисунок 2.7. Зависимость плотности зеленого анода от температуры смешивания.

Пек смачивал кокс при 165 °С. Дальнейшее повышение температуры обусловливало проникновение пека в поры кокса, уменьшая объем пека вокруг и между частицами кокса. В результате уменьшалась текучесть или относительное удлинение и увеличивалась плотность зеленого анода, когда пек замещал газ в порах кокса.

Когда ТР используемого пека увеличивается, температуры смешивания должны также повышаться, чтобы степень проникновения пека в поры кокса была аналогичной. Если только ТР пека увеличивается, то заполнение пор кокса пеком во время смешивания будет уменьшаться. В результате больше пека проникнет в поры кокса в мягкой зоне анодов и анодная масса «высохнет» гораздо быстрее. В результате можно получить пористый предобожженный анод, дающий большое количество пыли в электролизере.

На заводах компании «Гидро Алюминиум» для производства массы используется печное топливо, чтобы достичь высокой температуры смешивания. Если температуры кокса и жидкого пека 175 и 205 °С, то типичная температура печного топлива, подаваемого в смесители, находится в районе 230 °С (завод по производству массы в Кармое). Это приводит к температуре массы 205 °С, что превышает ТР на 75 °С. При использовании печного топлива возможно повышать ТР и установить температуру смешивания ТР + 75 °С. Таким образом, масса с ТР пека 135 °С была произведена и испытана с хорошими результатами. Возможно увеличивать ТР еще больше [20].

Вывод: увеличение ТР каменноугольного пека в массе Содерберга уменьшает ПАУ испарения и улучшает качество преобожжённого анода и ниппельной массы. С увеличением силы тока и затрат энергии на анод повышение ТР поможет стабилизировать работу сухого анода. При переходе на пек с более высокой ТР температура смешивания, которая определяется как температура над ТР, должна быть неизменной.

Анодная масса, используемая на ОАО «КрАЗ»

Технология «сухого» анода предусматривает использование нескольких типов анодной массы с различным содержанием пека (связующего) и коэффициентом относительного удлинения (КОУ).

Типы анодной массы:

-«сухая корректировочная» - с содержанием высокотемпературного пека (BТП) от 26 до 28 % в зависимости от содержания пека: «сухая нормальная» - с содержанием ВТП от 28 до 29%; «подштыревая» - с содержанием ВТП от 38 до 42 %.

При выпуске отдельных партий анодной массы содержание пека может отличаться от указанных пределов, что определяется фактическим технологическим состоянием анодов на период выпуска анодной массы.

Подштыревая анодная масса (ПАМ) подвергается дополнительной обработке на участке сушки ЦАМ в соответствии с требованиями существующей инструкции «Сушка подштыревой анодной массы в ЦАМе», на участке сушки и дробления ЭЛЦ-3 в соответствии с требованиями ТИ 3-05-2001 «Участок сушки и дробления подштыревой анодной массы».

Содержание влаги в анодной массе, поступающей в корпуса электролиза, должно быть не более 2,5 %, в подштыревой не более 0,5 %.

В технологии «сухого» анода допускается использование анодной массы на среднетемпературном пеке (СТП). В этом случае используют следующие типы анодной массы:

«сухая» - с содержанием СТП от 27 до 29 % и КОУ от 10 до 60 %;

«жирная» - с содержанием СТП от 36 до 38 % и коэффициентом текучести от 2,95 до 3,55 о.е.

«подштыревая масса» - с содержанием ВТП от 38 до 42 % и коэффициентом текучести от 3,20 до 3,60 о.е.

Таблица 2.3. Технологические параметры анода, при использовании массы на ВТП.

Параметры	Ед. изм.	Значение параметра
		Схема расстановки штырей
		12 горизонтов	18 горизонтов
1. Индекс состояния коксопековой композиции (КПК) анода	балл	от 3,0 до 3,5	от 3,0 до 3,5
2. Пустота в аноде при температуре воздуха: до минус 15°С - анодный кожух с вынесенными контрфорсами - анодный кожух с внутренними контрфорсами ниже минус 15 °С: -анодный кожух с вынесенными контрфорсами - анодный кожух с внутренними контрфорсами	см	от 4 до 10 от 4 до 10 от 4 до 12 от 4 до 12 от 4 до 12	от 0 до 6 от 4 до 10 от 0 до 10 от 4 до12
3. Уровень КПК в центре анода	см	32, не менее	32, не менее
4. Столб анода	см	160, не менее	160, не менее
5. t КПК в центре анода на глубине 5 см	°С	160, не более	160, не более
6. Конус спекания в центре анода	см	130, не более	130, не более
7.Минимальное расстояние переставляемых штырей; Среднее минимальное расстояние всех штырей	см см	23 ±1* 41,0 ±2,5*	23 ±1 * 37.5 ± 1,75 *
8. Шаг перестановки	см	36	27
9.Расстояние между горизонтами	см	3	1,5
10. Количество штырей на аноде не установленных на горизонт: - за один цикл перестановки (72 штыря) - в течении 6 месяцев после замены штырей	%	14, не более 20, не более	20, не более 25, не более
11.Расстояние от подошвы анода до нижнего среза газосборной секции («ножка»)	см	21±4	21±4
12. Коэффициент неравномерности, токораспределения по штырям	%	34±2	30±2
13. Количество штырей с токовой нагрузкой на 1 штырь: - менее 0,5 кА, более 3,5 кА	шт.	4, не более 0	4, не более 0
14. Падение напряжения в контакте "штанга-шина"	мB	10, не более	10, не более
15. Падение напряжения в аноде (АСУТП)	мВ	250 - 450	250-450
16. Количество «газящих» контрфорсов	шт.	1, не более	1, не боле
17. Количество «газящих» штырей	шт.	2, не более	2, не более
18. Величина выгорания угла анода	см	15, не более	15, не более
19. Оценка пробы анодной массы из КПК анода		«хор»
20. Баланс пека в аноде Процент загрузки анодной массы	%	Устанавливается протоколом технологического совещания
Таблица 2.4. Технологические параметры анода, при использовании массы на СТП
Параметры	Ед.	Значение параметра
	изм.	Схема расстановки штырей
		12 горизонтов
1. Индекс состояния коксопековой композиции	балл	от 3,0 до 3,5
(КПК) анода
2. Пустота в аноде при температуре воздуха:	см
до минус 15 °С:
- анодный кожух с вынесенными контрфорсами		от 3 до 7
- анодный кожух с внутренними контрфорсами		от 3 до 7
ниже минус 15 °С:
- анодный кожух с вынесенными контрфорсами		от 3 до 10
- анодный кожух с внутренними контрфорсами		отЗ до 10
3. Уровень КПК в центре анода	см	32, не менее
4. Столб анода	см	160, не менее
5. Температура КПК в центре анода на глубине	"С	160, не более
5 см
6. Конус спекания в центре анода	см	130, не более
7.Минимальное расстояние переставляемых штырей: Среднее минимальное расстояние всех штырей	см см	23 - 24 * 41,5±2*
8. Шаг перестановки	см	36
9 Расстояние между горизонтами	см	3
10. Количество штырей на аноде не установленных на горизонт: за один цикл перестановки (72 штыря): - в течении 6 месяцев после замены штырей	%	14, не более 20, не более
11. Расстояние от подошвы анода до нижнего среза газосборной секции («ножка»)	см	21±4
12. Коэффициент неравномерности токораспределения по штырям	%	34±2
13. Количество штырей с токовой нагрузкой на 1 штырь: - менее 0,5 кА более 3,5 кА	шт.	4, не более 0 .
14. Падение напряжения в контакте "штанга-шина"	мВ	10, не более
15. Падение напряжения в аноде (АСУТП)	мВ	250 - 450
16. «Газящих» контрфорсов	шт.	1, не более
17. «Газящих» штырей	шт.	2, не более
18. Величина выгорания угла анода	см	15, не более
19. Оценка пробы анодной массы из КПК анода		«хор»
20. Баланс пека в аноде Процент загрузки анодной массы	%	Устанавливается протоколом технологического совещания

* Минимальное расстояние переставляемых штырей и среднее минимальное расстояние может увеличиваться в холодный период года. Значение устанавливается приказом или распоряжением по заводу.

Примечание: анод считается «газящим» в следующих случаях:

1. «Газит» 3 и более штырей;

2. «Газит» 2 и более контрфорсов;

3. Одновременно «газит» 2 штыря и 1 контрфорс.

К «газящим» не относятся аноды, на которых в момент проверки ведется перестановка штырей, загрузка анодной массы, подъем анодной рамы или анодного кожуха, прорезка или подпрессовка анода.

Количество единовременно «газящих» анодов в корпусе не должно превышать 6 %.

2.4.2 Теоретические аспекты формирования анода

В технологии «жирного» анода с ВТ условно можно выделить две основные операции: 1- периодическая загрузка анодной массы с содержанием связующего 32-34% и коэффициентом текучести 1,9 - 2,6 (для нефтяного кокса и каменноугольного пека), и 2- перестановка штырей. Механизм формирования анода в принципе для любой технологии («жирной», «полусухой» и «сухой») один и тот же:

- коксование углеродистого материала;

- усадка углеродистого тела, образование трещин;

-проникновение пека (при перестановке штырей) в трещины и их «заживление»;

-необходимость наличия смачивающего слоя (в виде пековой пленки) на границе углеродистое тело анода - стенка анодного кожуха.

Основное отличие вышеупомянутых технологий заключается в правильно выбранном балансе пека.

В «жирном» аноде можно выделить несколько зон:

1- зона жидкой анодной массы, ограниченная снизу изотермой 180-200°С, здесь происходит расплавление массы;

2- тестообразный слой, находящийся внутри анода между изотермами 200-400°С, здесь происходит дистилляция связующего и удаление низкокипящих смол и масел;

3- полукокс, слой анода находящийся между изотермами 400-550°С, в результате разложения углеводородов, масса становится твердой;

4- кокс (при температурах выше 550°С полукокс разлагается и образуется кокс) выше 700°С анод становится электропроводным.

В работе [5] показано, что в верхней части «жирного» анода содержание пека составляет от 40 до 60%. При этом анодная масса, затекающая в лунку во время перестановки штырей имеет разное содержание связующего, поэтому вторичный анод в разных сечениях по высоте имеет неоднородную структуру как по составляющим компонентам, так и по физико-химическим свойствам. Все это приводит к ухудшению качества основного тела анода, который имеет большую пористость, окисляемость, осыпаемость, а также приводит к технологическим нарушениям таким как, протеки анодной массы под штырь и под анодный кожух. Эти нарушения приводят к снижению технико-экономических показателей работы электролизера и может привести к травматизму обслуживающего персонала корпусов электролиза. Но основным недостатком такой технологии самообжигающегося анода является большое количество возгонов пека (ПАУ) над поверхностью анода. Совсем по иному выглядит картина для «сухого» анода (рис. 2.8). Здесь зоны 1 и 2 можно рассматривать как единую «мягкую» зону, сверху которой находятся брикеты нерасплавленной анодной массы. Процессы, протекающие в мягкой зоне, имеют большое значение для конечного качества анода. Правильно сформированная КПК улавливает и возвращает в процесс углеводороды, выделяющиеся как в зоне спекания, так и дистиллируемые в самой мягкой зоне. Это происходит за счет реакций полимеризации и конденсации, при этом выход коксового остатка из связующего будет возрастать.



Рисунок 2.8. Перестановка токоподводящих штырей при ведении технологии «сухого» анода

Уровень слоя КПК также влияет на скорость (время) нагрева, которая в свою очередь влияет на степень конденсации и полимеризации углеводородов, что в конечном итоге определяет структуру кокса - связующего и прочность сцепления его с коксом наполнителя.

Текучесть и высота мягкой зоны «сухого» анода имеют особое значение для получения качественного тела анода, снижения выделения смолистых веществ и расхода анода. Содержание связующего в анодной массе должно быть оптимальным, чтобы получить «хороший» запирающий слой в верхней части анода, который в свою очередь должен обеспечить эффективное улавливание летучих веществ с поверхности анода.

К числу важнейших показателей относится пластичность КПК анода, причём, чем выше уровень технологии, тем жёстче требования, предъявляемые к ней. Основы «хорошей» пластичности верхней части анода закладываются при производстве анодной массы: чем стабильнее пластичность используемой массы, тем будет ниже вариативность и предсказуемость пластических свойств самого анода.

Пластичность анодной массы - это комплексный показатель, зависящий от грансостава коксовой шихты, процента использования связующего, его вязкостных свойств, условий перемешивания (типа смесителя, его производительности, температуры нагрева кокса, пека, анодной массы и т. д.) На КрАЗе ведётся постоянная работа по стабилизации пластических свойств анодной массы. Изменён и метод контроля текучести «сухой» массы, вместо традиционно используемого на всех родственных заводах Кт (коэффициента текучести) оценку текучести массы проводили по КОУ (коэффициенту относительного удлинения).

При обжиге анодов, сформированных из анодной массы, происходит коксование связующего - пека, при этом зёрна кокса наполнителя прочно связываются коксом из связующего и должен получаться монолитный, прочный и хорошо проводящий ток электрод.

Несмотря на кажущуюся однородность обожженного анода в его структуре чётко прослеживаются две составляющие зерна кокса наполнителя и оболочка этих зерен, состоящая из кокса - связующего. При формировании анода происходит процесс постепенного подъема температуры, при этом зерна кокса-наполнителя лишь расширяются, и никаких физико-химических процессов при этом не происходит, связующее при этом проходит несколько стадий: процесс полукоксования, коксования - при этом происходит выделение легколетучих компонентов, разложение основной массы с выделением летучих с последующей усадкой образованного кокса. При этом получается кокс более рыхлый и пористый, а значит и более реакционно-способный, чем кокс-наполнитель.

В процессе электрохимического окисления разница в реакционных способностях этих двух видов кокса приводит к неравномерному окислению, так зерна наполнителя не успевают сгореть полностью, что является одной из причин перерасхода углерода, из-за селективного выгорания частиц кокса -связующего происходит осыпание частиц углерода в электролит с образованием угольной пены.

Чем больше различие в химической активности этих двух составляющих анода, тем больше образуется «пены» и выше расход углерода. Частицы углерода легче электролита и при обычных условиях электролиза плохо им смачиваются, поэтому вместе с анодными газами они выносятся из расплава на поверхность электролита, где окисляются СО2 и кислородом воздуха.

Из расходной части баланса анодной массы электролизера с ВТ следует, что до 25% анодного материала теряется со снятой угольной пеной и за счет окисления выделяющимися при электролизе углекислым газом и кислородом воздуха.

Расход углерода с рядового анода по реакции Будуара-Белла С + СО2 = =2СО составляет в среднем около 30 кг/т Al и колеблется обычно в пределах 20 - 40 кг/т Аl. По этой реакции окисляются не только боковые поверхности анода, но и угольная пена в зоне выделения СО2. Происходит окисление в глубине анода за счет избыточного давления, фильтрации выделяющегося CО2 через поры анода.

Наличие внутрипористого реагирования изучалось в работах [22-23]. По данным [23] перерасход обожженного анода в результате фильтрации СО2 в теле анода и протекания реакции Будуара-Белла составляет 26,3 кг/т А1 и с учетом повышения осыпаемости возрастает до 50 - 60 кг/т Аl. Внутрипористое реагирование обуславливается содержанием транспортных пор, размер которых составляет 104-105A°. На величину расхода анодов при электролизе оказывает влияние, в основном, та часть объема транспортных пор, которая имеет размеры в пределах 26-73 мкм. В отличие от электрохимического реагирования химическая реакция Будуара протекает в более мелких порах размером 3,2 - 8,9 мкм.

В работе [24] сообщается об исследовании подошвы самообжигающихся анодов трех электролизеров с верхним токоподводом после отключения их на капитальный ремонт. Измерялись диаметр и глубина подштыревых "лунок", ширина и глубина трещин, их конфигурация и направление. По мнению авторов повышенное давление анодных газов и относительный перегрев в центральной зоне создают условия для двух реакций:

2СО = СО2 (адс) + С тв, ДН < 0,

СО2 (адс) + Сан = 2 СО газ, ДН > 0.

По первой реакции образуется угольная пена, по второй - интенсивное окисление (вырабатывание) центральной зоны анода. Приведенные выше реакции можно представить как один из вариантов трактовки механизма реакции Будуара в обратном (первая реакция) и прямом направлении (вторая реакция). Эти процессы определяют вогнутый (арочный) рельеф подошвы анода, увеличенные размеры лунок и трещин в центральной зоне подошвы анода.

Выявлено сильное влияние анодных эффектов на выгорание "лунок" и трещин. При увеличении частоты анодных эффектов в 2 раза размеры лунок и каналов в первом приближении увеличиваются также в 2 раза.

Таким образом, обследование промышленных анодов подтверждает ранее изложенные основные положения по механизму внутрипористого окисления анода, уточняет применительно к промышленным условиям протекание реакций, связанных с перерасходом анода и образованием угольной пены в рядовом «жирном» аноде [5].

2.4.3 Технологические аспекты обслуживания «сухого» анода

Средства технологического оснащения. При обслуживании анодного узла электролизера используют следующее оборудование:

кран штыревой, кран штыревой модернизированный, кран штыревой «NKM»,

машина для загрузки анодной массы;

машина для прорезки и подпрессовки периферии анода (МППА);

машина для подъема анодной рамы;

подставка для кассеты;

кассета для штырей;

кассета для разбраковки штырей;

бункер - дозатор для ПАМ;

подставка для бункеров с ПАМ;

оборудование на участке сушки и дробления ПАМ;

оборудование для чистки штырей;

вентиляторы (поворотные аэраторы) для обдувки поверхности анода.

Основные операции по обслуживанию анодного узла электролизёра с «сухим» анодом.

Обслуживание анода включает следующие операции:

- контроль технологических параметров;

- обдувка поверхности анода и очистка элементов конструкции анодного узла;

- загрузка анодной массы;

- перестановка штырей;

- чистка штырей;

- прорезка и подпрессовка периферии анода;

- подъем анодной рамы;

- обслуживание газосборного колокола;

- подготовка анода в капитальный и локальный ремонт;

- подготовка анода к пуску;

- обслуживание анода в послепусковой период;

- калибровка штырей;

- маркировка штырей;

- разбраковка штырей;

- замена штырей;

- замена и регулировка эксцентрикового зажима;

- устранение возможных технологических отклонений.

1. Оценка состояния КПК анода

Оценку состояния КПК анода выполняет мастер анодного хозяйства визуально. При визуальном осмотре оценивают:

- состояние КПК;

- равномерность загрузки анодной массы по всей поверхности анода;

- качество перестановки штырей;

- пустоту в аноде;

-наличие участков нерасплавленных брикетов, что может свидетельствовать о наличии пустоты в теле анода или отсутствии тока на данном участке;

- наличие участков анода с повышенной температурой;

- наличие «гажения» на аноде (наличие выделений газов возле штырей, контрфорсов и ребер охлаждения);

- чистоту поверхности анода и элементов конструкции анодного узла;

- наличие зависаний анодной массы на контрфорсах, стенках анодного кожуха;

- наличие анодной массы в зазоре «штанга - штырь» и на головке штыря.

2. Состояние КПК

Состояние КПК оценивают по движению расплавленной анодной массы в верхней части анода при надавливании на нее. Это субъективная оценка, для которой необходимо «чувствовать» движение анодной массы при надавливании на нее. При этом необходимо учитывать температуру окружающего воздуха. Состоянию КПК присваивается соответствующий индекс от «I» до «5».

Критерии индексов состояния КПК анода:

«индекс «5» - вся верхняя часть КПК жидкая - «жирная»;

«индекс «4» - отдельные участки верхней части КПК жидкие - «жирные», поверхность легко поддается деформации;

«индекс «З» - вся верхняя часть КПК нормальная - «сухая», поверхность поддается деформации, «дышит»;

«индекс «2» - вся верхняя часть КПК или отдельные участки твердые - близкие к «пересушенным», поверхность с трудом поддается деформации, возможно выделение газов;

«индекс «1» - вся верхняя часть КПК твердая - «пересушенная», поверхность не поддается деформации, наблюдается выделение газов. Индексы могут быть записаны с добавлением десятых долей. Например, «3,5» это означает, что поверхность анода более пластичная, текучая, «жирная» по отношению к индексу «З».

Дополнительной оценкой состояния КПК анода является проба анодной массы отобранная с глубины 20 - 25 см в центральной зоне анода между рядами штырей. Проба скатывается в шар диаметром от 40 до 60 мм, затем разламывается на две половины. По характеру разлома анодной массы и распределению пека и частиц кокса оценивают состояние КПК анода. При этом обращают внимание на хрупкость, вязкость, пластичность, блеск и насыщение пробы пеком на поверхности шара и изломе. С каждого анода отбирают от одной до трех проб.

Для характеристики пробы используют четыре степени оценки:

«хорошо» - проба скатывается в шар легко, на поверхности шара и в разломе имеется блеск (наличие пека), его насыщенность. При восстановлении шара и его выдержке на весу, за одну из половин, он не разламывается;

«удовлетворительно» - проба скатывается в шар, на поверхности шара и в разломе имеется незначительный блеск. Восстановление шара происходит с трудом, при выдержке на весу, за одну из половин, он разламывается;

«неудовлетворительно - сухая» - проба рыхлая, не скатывается в шар, на поверхности пробы отсутствует блеск (недостаток пека);

«неудовлетворительно - жирная» - проба очень легко скатывается в шар, на поверхности шара и в разломе имеется значительный блеск (избыток пека).

3. Обдувка поверхности анода и очистка элементов конструкции анодного узла.

Перед загрузкой анодной массы удаляют пыль (глинозем) с поверхности анода (особенно из углов и торцов) и элементов конструкции анодного узла.Загрузка анодной массы на запыленную поверхность ведет к «осыпанию» анода. Основные и вспомогательные домкраты, площадки анодного кожуха, контрфорсы очищают по необходимости, но не реже одного раза в месяц. Для обдувки анодов используют сжатый воздух или вентиляторы (поворотный аэратор).

4. Загрузка анодной массы.

Анодную массу равномерно распределяют по всей поверхности анода, особое внимание уделяют загрузке массы в углы, торцы, по периферии анода и в зазор между штырем и контрфорсом. Величина осадки брикетов анодной массы по мере их размягчения на поверхности анода составляет приблизительно 50 % от первоначальной высоты загрузки. График загрузки анодной массы координируется с графиком перестановки штырей. Загрузка массы производится не менее чем за 16 часов до перестановки штырей, чтобы исключить попадание брикетов в лунку при перестановке. Вид анодной массы подбирают в зависимости от состояния КПК анода. Оптимальное состояние КПК анода соответствует критериям индекса «З». В период перехода, с анодной массы на среднетемпературном пеке на анодную массу на высокотемпературном пеке, загрузка анодной массы на ВТП производится на анод с индексом КПК не ниже «4» баллов.

5. Перестановка штырей.

Перестановке подлежат штыри нижнего горизонта с минимальным расстоянием (расстояние от подошвы анода до нижнего торца штыря) от 22 до 24 см (при использовании анодной массы на СТП от 23 до 24 см).

Для расчета минимального расстояния штырей необходимо определить скорость сгорания анода.

Для определения скорости сгорания выбирают «контрольный» штырь (или несколько штырей) с верхнего горизонта. Измеряют минимальное расстояние «контрольного» штыря (штырей) и сравнивают с минимальным расстоянием схемы расстановки. «Контрольным» штырем (штырями) может быть любой штырь (штыри одного горизонта) минимальное расстояние которого соответствует минимальному расстоянию схемы. Для расчета скорости сгорания анода используют формулу:

Vcг.a = (Мин.пред - Мин.тек.) / С,

где Vcг.a - скорость сгорания анода, см/сут.

Мин.пред - минимальное расстояние «контрольного» штыря, первоначальное.

Мин.тек - минимальное расстояние «контрольного» штыря, повторное (после перестановки штырей шести (для 12 горизонтной схемы) или девяти (для 18 горизонтной схемы) горизонтов.

С - количество суток между измерениями минимального расстояния (первоначального и повторного).

При перестановке штырей состояние коксо-пековой композиции должно соответствовать 3,0...3,5 баллам. Холодный штырь устанавливают на заданный горизонт через 7...12 минут после загрузки ПАМ. При установке штыря на заданный горизонт, штырь медленно опускают в лунку и при погружении штыря на 15 - 20 см выдерживают паузу в течение 10-15 секунд для исключения выбросов расплавленной массы и газов из лунки. При установке штыря в лунку жидкая анодная масса должна выдавиться на поверхность анода шириной не более 50 мм, вокруг штыря.

Предварительно до перестановки необходимо обеспечить состояние поверхности анода, вокруг «заряженного» штыря, с индексом «З» балла, путем загрузки «сухой» анодной массы [18].

При несоблюдении вышеуказанных требований возможны технологические нарушения. Некоторые из них описаны в следующем подразделе.

Возможные отклонения на аноде. Причины и порядок их устранения.

Таблица 2.7. Возможные технологические отклонения на аноде и способы их устранения
Вид отклонения	Причина отклонения	Способы устранения
1.Горячий участок на поверхности анода;	Неровность на подошве анода (конус), скопление кусков, пены под анодом, образование осадка на подине;	Устранить неровность на по-дошве анода, расчистить МПР, подтянуть осадок;
2.Холодная зона на поверхности анода;	Пустоты в теле анода;	Подпрессовать поверхность анода в холодной зоне, подгрузить «нормальной» массой;
3.Интенсивное газовыделение вокруг штырей, из под контрфорсов;	Нарушения при перестановке штырей, повышенная температура поверхности анода, состояние КПК ниже 3,0 баллов;	Перекопать анодную массу в месте газовыделений, уплотнить, подгрузить «нормальной» массой;
4.Интенсивное газовыделение вдоль боковой стенки анодного кожуха;	Пустота в теле анода, «шейка», нарушения при прорезке;	Подпрессовать поверхность анода в зоне повышенного газовыделения. Загрузить «нормальную» анодную массу или смесь «нормальной» с «подштыревой». Запустить анодную массу в район «шейки»;
5.Пригорание анода к анодному кожуху в районе пояска ГСК;	Отсутствие пековой прослойки между кожухом и анодом. Высокая температура стенок анодного кожуха в результате высокой теплоизоляции нижней части анодного кожуха. Подсос воздуха. Несвоевременный подъем анодного кожуха. Неровность на подошве анода («козырьки»);	Обеспечить состояние поверхности с индексом 3,0 -3,5 балла. Уменьшить теплоизоляцию в нижней части анодного кожуха. Устранить подсос воздуха. Не нарушать регламент подъема анодного кожуха. Удалить неровность на подошве анода;
б.Прилипание анодной массы к верхней кромке анодного кожуха.	Резкий перепад температуры окружающего воздуха.	Прорезать и подпрессовать периферию анода по всему периметру.

3. Проект цеха производительностью 140 тыс. т/год

Электролизный цех представляет собой административно и территориально обособленное подразделение завода.

В состав электролизного цеха, кроме корпусов электролиза, входят приёмные склады глинозёма, подразделения по обслуживанию электротехнического и механического оборудования, объекты энергетики, газоотчистки, различные инженерные сети и коммуникации.

Электролизёры включены в цепь последовательно, образуя серии. Электролизные серии размещаю в четырёх двухэтажных корпусах, которые располагаю на промышленной площадке с подветренной стороны для эффективной работы аэрационных фонарей.

Расстояние между корпусами 40 м. Расположение электролизёров в корпусе двухрядное продольное, это обеспечивает лучшую аэрацию и освещённость. Ширину корпуса принимаю 27 м, длину 600 м, что соответствует требованиям электробезопасности и обеспечивает удобство обслуживания.

Число электролизёров в серии зависит от напряжения источников постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный необходимо использовать полупроводниковые выпрямители с напряжением 850 В. Таким образом, если напряжение выпрямительных агрегатов 850 В, то рабочее напряжение серии будет 800 В.

При расчёте количества действующих электролизёров N учитываем рабочее напряжение серии Uc, резерв напряжения на КПП для поддержания силы тока серии при одновременном возникновении нескольких анодных эффектов Uа.э (принимается до 40 В) и резерв для компенсации возможных колебаний напряжения во внешней сети (принимается равным 5% от номинального напряжения выпрямительных агрегатов, т. е. 40 В). Тогда

 шт.

Число установленных электролизёров Nу зависит от срока их службы Тмр и продолжительности ремонта Тр :

шт.

Годовая производительность серии определяется по формуле:

Qс= 365 · 24 · 0,336 · N · I · з ·10-3,

где 365 - число суток в году; 24 - число часов в сутках; I - сила тока, кА; з - выход по току; N - число действующих электролизёров, шт.

Таким образом, годовая производительность серии, состоящей из 172 электролизёров, при силе тока 167 кА и выходе по току 88,5% составит 70 тыс. т.

3.1 Конструктивный расчёт электролизёра

Конструктивный расчет электролизёра служит для определения основных размеров его элементов и узлов.

Основные параметры для расчета электролизера принимаю следующие: сила тока I=167 кА (по заданию), анодная плотность тока ia= 0,7 А/см2, выход по току з = 88,5 % .

Анодное устройство электролизера предназначено для подвода электрического тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Анодное устройство состоит из несущей рамы с токоподводящей алюминиевой шиной, вертикально установленных штырей, анодного кожуха, угольного тела анода и механизма передвижения анода и анодного кожуха.

Площадь анода определяем по формуле:

Sа = I/i а,

где Sа - площадь сечения анода, см.

I - сила тока, А.

ia - анодная плотность тока, А/см2.

Sa = 167 000 / 0,7 =238571,43см2

Выбираем анод прямоугольного сечения с шириной Ва = 270 см, тогда длина анода будет равна:

La = 238571,43 / 270= 883,6см

Высоту конуса спекания и высоту уровня жидкой анодной массы принимаем hк=120см, hж =30 см. Высота анода:

На = hк + hж= 120+30=150 см

3.1.1 Внутренние размеры катодного кожуха

Внутренние размеры шахты получаем, исходя из определенных ранее размеров анода и расстояния до стенок боковой футеровки.

Выбираем оптимальное расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки с=60 см, а от торцевой стороны анода до боковой футеровки d=55 см, тогда внутренние размеры шахты составят:

ширина: Вш = Ва + 2c = 270 + 2?60 = 390 см,

длина: Lш = La + 2d = 883,6+2?55 = 993,6см.

Глубина шахты Нш = hм +hэ+ hг. hм=45 см, hэ=15 см, hг=10 см.

Нш = 45+15+10=70 см.

3.1.2 Конструкция подины

Основные размеры подины определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и блюмсов.

Подина сборно-блочная. Блоки высотой hб=40 см, шириной вб=55,5 см, длиной lб=150 см. Число блоков определяется из длины шахты:

nб = 2 LШ / (вб+5) = 2? 993,6) (55,5 + 5) = 32 шт,

nбґ = 0,5? nб = 0,5?36 = 16 см.

где nбґ- число подовых секций в ряду,

5-ширина шва между блоками, см.

Периферийный шов по продольной стороне ванны принимаем 15 см.

Расстояние между катодными блоками и боковыми блоками в торцах шахты электролизера, см:

Lтор = Lш- ( вб? nбґ +(nбґ + l) ? 5))/2=(993,6-(55,5? 16+(16+1)? 5)) /2=10,3 см

Внутренние размеры катодного кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной теплоизоляционного материала. Боковую футеровку электролизера выполняем из угольных блоков толщиной 20 см и теплоизоляционного слоя из шамотной крупки hтеп (или из наиболее часто встречающихся в практике материалов). При этом длина катодного кожуха составит:

Lкож = Lш+2(20+ hтеп) =993,6 + 2 (20 + 6) =1045,6 см

Ширина катодного кожуха:

Вкож = Вш + 2 ( 20 + hтеп) = 390 +2(20+6) = 442 см.

Подина шахты ванны набирается из катодных блоков высотой 40 см, угольной подушки 3 см, теплоизоляционного слоя и 5 рядов кирпичей по 6,5 см каждый и шамотной засыпки толщиной 5 см. Тогда высота катодного кожуха составит: Нкож= 60 +40 +3+5?6,5+5= 137см. [4]

3.2 Материальный баланс электролизёра

В электролизер загружается глинозем, анодная масса и фторсоли. В процессе электролиза образуется алюминий и анодные газы (СО и СО2). Кроме того, в результате испарения электролита и пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема.

сухой анодный электролитический алюминий

3.2.1 Приход материалов

Приход материалов в электролизер рассчитывается по расходу сырья на 1 кг алюминия по производительности электролизера за 1 час. Расход сырья зависит от типа электролизеров, условий вентиляции, применяемых средств механизации и автоматизации и ряда других факторов. Обычно расход сырья определяют на основании накопленного опыта эксплуатации электролизеров. Для своего проекта я буду использовать данные по расходу сырья, основываясь на опыте эксплуатации электролизеров в ОАО "КРАЗ". Данные по расходу сырья (кг/кг А1) приведены в таблице 3.1.

Производительность электролизера (кг/ч) рассчитывается по формуле:

Pal = Iqз /1000=167000 ? 0,336 ?0,885/ 1000==49,66 кг/ч.

Удельный расход сырья составляет:

рг=1,9 кг/кг Al (расход глинозёма)

ра=0,6 кг/кг Al (расход анода)

рф=0,03 кг/кг Al (расход фторсолей)

Зная производительность электролизера и удельный расход сырья, рассчитаем приход материалов в ванну.

Рг = Pal ? рг = 49,66?1,9 = 94,354 кг/кг Al,

Ра = Pal ? ра = 49,66?0,6 = 29,8 кг/кг Al,

Pф = Pal ? рф = 49,66?0,03 = 1,4 кг/кг Al.

3.2.2 Расход материалов

Расход материалов включает:

1. Количество полученного в результате электролиза алюминия определяется производительностью электролизера 49,66 кг/ч.

2. Количество анодных газов рассчитывается по суммарной реакции:

Аl2О3+хС=2Аl+(3-х)СО2+(2х-3)СО,

(где х - число молей углерода, участвующее в суммарной реакции), и из состава анодных газов.

Количество СО и СО2 определяется из уравнения:

Mco=(/(2-) ?Ра1/18 = 0,17/1,83 ? 49,66/18=0,26 кмоль,

=(/l+) ? (Pal/18)=(0,83/l,83) ? (49,66/18)=1,25 кмоль,

где и -мольные доли СО и СО2 в анодных газах соответственно (зависит от типа электролизера и выхода по току). Принимаем содержание в отходящих газах Мco=0,17, ==0,83.

Весовые количества СО и СО2 определяется выражением:

Рсо = Мсо? 28 = 0,26 ? 28 = 7,28 кг

= ? 44 =1,25? 44 = 55 кг,

где 28 и 44-молекулярный вес СО и СО2 соответственно.

3. Количество израсходованного с газами углерода рассчитывается по уравнению:

Рс = (Мсо+)?12 = (0,26+1,25) ·12 =18,12 кг

Потери углерода определяются как разность между приходом анодной массы и количеством израсходованного с газами углерода Рс.

ДРс = Ра - Рс = 29,8 - 18,12 = 11,68 кг.

4. Потери глинозема в виде пыли и механические потери определяются как разность между приходом глинозема в электролизер и теоретическим расходом глинозема.

ДРг = Рг - Рг(теор) = 94,354 - 93,86 = 0,4 кг

Теоретический расход глинозема определяется из уравнения:

Аl2О3 = 2Al+1,5О2

Рг(теор )= 1/89?РAl = 93,86 кг

Потери фторсолей в виде возгонов и газов, удаляемых системами вентиляции, при пропитывании подины и теряемые с угольной пеной, принимаем равными приходу фторсолей [4].

Таблица 3.1 Материальный баланс

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозём	94,354	75,124	Алюминий	49,66	39,595
Фторсоли	1,49	1,183	Потери глинозёма	0,4	0,319
Анод	29,8	23,73	Газы: СО СО2	7,28 55	5,804 43,853
			Потери фторсолей	1,4	1,116
			Расход анода	11,68	9,313
Итого	126	100	Итого	125,42	100

Невязка баланса 0,5%.

3.3 Расчёт ошиновки электролизера

Расчет ошиновки состоит в определении сечения и длины токопроводящих проводников электролизера. Экономическую плотность тока для элементов токоподвода (алюминиевых шин) приняли равной 0,4 А/мм, что соответствует уровню экономической плотности тока для Восточной Сибири, сечение алюминиевой шины Sш приняли равной 430х60 мм. Экономическую плотность тока алюминиевых спусков приняли равной 0,7 А/мм2.

Исходя из этих условий сечение шинопровода для электролизера равно:

Sш = I/dэк = l67000 / 0,4 = 417500 мм2

Число шин в шинопроводе:

n=Sш/S1ш = 417500 / 430?60 = 16 шт

Число штырей определяется из условий оптимальной средней токовой нагрузки на штырь, около 2000А. Тогда число штырей составит:

К=I/2400=167000/2400=72 шт,

так как штыри в аноде располагаются в 4 ряда, то число штырей принимаем кратным 4, то есть 72.

Стальные катодные стержни (блюмсы) соединяются с алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням и шинам. Сечение пакета из алюминиевых лент (спусков) находится:

Sп = I/dэк ? nб=167000/0,7·32=7455,4 мм2,

где nб - число блоков, шт.

Число лент в пакете составит:

nл= Sn/S1n= 7455,4 / 200·1,5 = 24 шт

Длину элементов ошиновки выбираем исходя из геометрических размеров электролизера. Принимаем среднюю длину пакетов алюминиевых лент 700 мм, а длину стояков-3000 мм.

3.4 Электрический баланс электролизера

Для производства алюминия требуются большие затраты электрической энергии. И вопрос о снижении ее расхода является одним из важнейших в алюминиевой промышленности. Поэтому необходимо знать, на каких участках электролизера происходит потеря электроэнергии и от каких причин зависит.

Расчет электрического баланса состоит в определении падений напряжения в конструктивных элементах электролизера, в электролите и напряжении поляризации. Рассчитанные или принятые по практическим данным падение напряжения в отдельных элементах электролизера сводятся в таблицу, которая называется электрическим балансом электролизера.

В практике электролиза различают три вида напряжений:

1.Среднее напряжение Ucp -включает в себя все виды падений напряжения, в том числе среднее повышение напряжения от анодных эффектов и падение напряжения в обще серийной ошиновке.

2. Рабочее напряжение Up -это фактическое напряжение, определяемое показанием вольтметра на ванне, то есть среднее без учета падения напряжения в обще- серийной ошиновке и среднего повышения напряжения от анодных эффектов.

3. Греющее напряжение Urp -учитывающее падение напряжения во всех элементах электролизера, то есть находящихся внутри того объема, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающее пространство. Греющее напряжение обязательно включает в себя напряжение поляризации.

Вводим следующие обозначения:

Е - напряжение поляризации, В; ДUэл - падение напряжения в электролите, В; ДUa - падение напряжения в аноде, В; ДUк - падение напряжения в катоде, В; ДUош- падение напряжения в ошиновке, В; ДUаэ - падение напряжения от анодных эффектов, В; ДUc - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Uср = E+ДUэл+ДUa+ДUk+ДUош+ДUаэ+ДUc;

Up = E+ ДUэл+ДUa+ДUk+ ДUош ;

Uгр = E+ ДUэл+ДUa+ДUk+ ДUаэ.

3.4.1 Напряжение поляризации

Напряжение поляризации или ЭДС поляризации представляет собой термодинамическую величину напряжения разложения для реакции разложения глинозема с образованием СО2, плюс анодные и катодные перенапряжения, минус деполяризация, вызванная растворением алюминия в электролите в виде субфторидов алюминия и натрия. По заводским данным принимаю Е=1,6В.

3.4.2 Падение напряжения в аноде

Падение напряжения в теле анода определяется по уравнению М. А. Коробова.

ДUa=[26000 - (16000 - 10,9 ? Sа/K - 805lср - Sа ? lср /(6,85 ? К)) ? ia ]/с

где Sa - площадь сечения анода, см2;

К - количество токоподводящих штырей, шт;

ia - анодная плотность тока, А/см2;

с - удельное сопротивление анода в интервале температур 750-950 С, Ом?см. Принимаем с=7,65?10-3 Ом?см.

lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей,

lcp=lmin + ((nг-l) ?Дl))/2 = 23+((4-1) · 11)/2=39,5 см,

где lmin - минимальное расстояние от конца штыря до подошвы анода, см.

Принято 23 см;

nг - число горизонтов. Принято 4;

Дl - шаг между горизонтами, см. Принято 11 см.

ДUa=[26?103 -(16?103 -10,9?238571,43/72-805?39,5 -238571,43?39,5 /(6,85?72)·0,7 ]/7,65?10-3=0,579 B.

3.4.3 Падение напряжения в электролите

Определение падения напряжения в электролите определяется по формуле Г. В. Форсблома и В. П. Машовца:

ДUэл = Iсl / (Sa+2(A+B)(2,5+l))

где I - сила тока. А;

с - удельное электросопротивление электролита, принимаем равным 0,5 Ом·см;

l - межполюсное расстояние. По практическим данным принимаем равным 6,0 см;

Sa - площадь сечения анода, см2, по данным конструктивного расчета;

2(L+В) - периметр анода, см

ДUэл=(167000·0,5·6)/(238571,43+2(883,6+270)(2,5+6))=1,49 В.

3.4.4 Падение напряжения в катодном устройстве

Для расчета падения напряжения в катоде использовано уравнение Коробова, полученное при обработке результатов моделирования.

ДUк = [Lпр? с ? 103 + (0,0383 ? A2 + 2,87 ? а ? а1/3) ? В/S] ? ia·1000, B,

где с- удельное электросопротивление угольного блока, 0,005 ? 10 3 Ом?см;

А - половина ширины шахты, по данным расчета, 195 см;

В - ширина блоков с учетом шва, 60 см;

а - ширина настыли, 65 см;

S - сечение катодного стержня с учетом чугунной заливки, 13?26=338 см2;

ia - анодная плотность тока, 0,65 А/см2.

Приведенную длину пути тока по блоку определяем по уравнению:

Lпр= 2,5+0,92?Hбл-1,1?hст+132/Bст

где Нбл - высота катодного блока, см;

hст и Вст - высота и ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки,см.

lпр=2,5+0,92 ? 40-1,1?13+132/26 =30см

Тогда

ДUк = [30? 0,005?103+(0,0383?1952+2,87? 65? 651/3)? 60/338]? 0,7=0,379 B

3.4.5 Падение напряжения в ошиновке

Падение напряжения в ошиновке складывается из следующих величин: катодные шины на участке блюмсов; анодные шины на участке подключения штырей; от ошиновки крайнего катодного блюмса предыдущей ванны до ближайшего стояка последующей ванны; падение напряжения в обводной шине; анодные шины от стояка до крайнего штыря; падение напряжения в стояках; катодные шины, падение напряжения в контактах ошиновки.

ДUош= IсL/2Smax=167000?3,332?10-6 ? 700/2?7714,29 = 0,024 В,

где с - удельное сопротивление ошиновки при 50 C;

Падение напряжения в контактах приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2. Падение напряжения в контактах

Участок	Величина, В
Катодный стержень - спуск	0,006
Катодный спуск - катодная шина	0,005
Катодная шина - анодный стояк	0,003
Анодный стояк - гибкий пакет	0,002
Гибкий пакет - анодная шина	0,003
Анодная шина - анодный штырь	0,002
Итого	0,021

ДUош= ДUош экв+ ДUконт =0,024+0,21=0,234 В.

3.4.6 Падение напряжения от анодных эффектов

Величину падения напряжения от анодных эффектов определяем оп формуле:

ДUаэ =( Uаэ-Uр) ? к ? n ? 1000/1440

где Uаэ - напряжение самого анодного эффекта, 40 В;

n - длительность анодного эффекта, 2 мин.;

к - частота анодного эффекта, 1,2 в сутки 1440 минут в сутках.

ДUаэ =(40 - 4,282) ? 1,2 ? 2 ? 103/ 1440=0,059 В

3.4.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах ДUc=0,04B.

Электрический баланс электролизёра.

Электрический баланс рассчитываемого электролизера приведен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Электрический баланс

Наименование участков	Падение напряжения, В
Напряжение разложения	1,6
Анод	0,579
Электролит	1,49
Катод	0,379
Ошиновка	0,234
Общесерийная ошиновка	0,04
Повышение напряжения от анодных эффектов	0,059
Среднее напряжение	4,381
Рабочее напряжение	4,282
Греющее напряжение	4,107

3.5 Энергетический баланс

Энергетические балансы отражают как по существу, так и по форме не только тепловые, но и электрохимические и прочие процессы, происходящие в электролизере. Таким образом, энергетический баланс понимается как сочетание электрического и теплового балансов.

Запишем уравнение энергетического баланса:

I ? Uгр= Eг° ? I ? з + Qc,

где Urp - греющее напряжение. В;

Ег° = 2,21 В - напряжение разложения глинозема при 950 °С;

з - выход по току, доли единицы;

Qc - потери тепла в окружающее пространство, Вт.

167000?4,107 = 2,21 ? 0,885?167000 + 1345128,42? 103/3600

685869 = 700273

Невязка баланса составила 2,06%.

Рассчитаем среднее сечение электролита:

Scp=( Sа ? Sк )0.5 =(238571,43 ?((993,6+2·30)·(390+2·30)))0.5=336320,5 см2,

где Sa и Sk - площадь анода и катода с учетом настыли, см2.

Рассчитываем греющее удельное сопротивление электролизера:

rгр=(Rгр+Rаэ)?Sср=(ДUа+ДUк+ДUаэ )/I?Sср

где Rrp - сопротивление греющих конструктивных элементов электролизера (анода и катода). Ом;

Rаэ - повышение общего греющего сопротивления электролизера за счет анодных эффектов. Ом.

rгр=(0,579+0,379+0,059 )/167000?336320,5=1,93 Ом ?см2

Удельные потери тепла составят:

C=Q/Scp=373646,7833/336320,5=1,111 Вт/м2.

Вычислим плотность тока, отнесенную к среднему сечению электролита:

Icp=E-Eo?з/2?(сl+rгр)+((E-Eo?з/2(pl+ rгр)2)+C/сl+ rгр, А/см2,

где с - удельное сопротивление электролита. Ом х см;

1 - межполюсное расстояние, см;

Е - ЭДС поляризации. В;

з - выход алюминия по току, доли единицы.

Icp=1,6-2,21·0,885/2· (0,5·6+1,93)+[(1,6-,21·0,885/2(0,5·6+1,93))2+1,11/0,5·6+1,93]0,5= 0,338 А/см2.

3.5.1 Статьи прихода энергии

От прохождения электрического тока приход энергии определяется по уравнению:

Qэл=3,6 *I*Uгp,

где 3,6 - тепловой эквивалент ватт·часа, кДж/ч.

Подставляем в уравнение значение силы тока и греющего напряжения из электрического баланса:

Qэл =3,6*167000*4,107 = 244027 кДж/ч