Расчет электролизера (стр. 2 из 7)
Высота анода На равна сумме высот конуса спекания (КС) hкс и коксо—пековой композиции (КПК) hкпк. Исходя из опыта работы электролизеров на ОАО "КрАЗ" принимаем для расчетов уровень КПК hкпк=35см, а уровень КС hкс=130см.
На= hкс + hкпк =35+130=165см
Исходя из данных таблицы 2, расстояние борт – анод и торец – анод равны соответственно 650 и 500 мм.Тогда внутренняя длина шахты составит:
Lш=Lа+2*l=8,4+2*0,5=9,4м
А ее внутренняя ширина:
Вш=Ва+2*b=2,85+2*0,65=4,15м
Глубина шахты Нш определяется как сумма высоты слоя металла (hм), толщины слоя электролита (hэ) и толщины корки электролита со слоем глинозема на ней (hг).
Для выбора высоты слоя металла, смотрим карты МГД устойчивости, полученные при помощи программного продукта «Arc@RusAl 1.1» [20]
Таблица 2 - Карты МГД-устойчивости электролизера С8-БМ при повышении силы тока.
| 185кА | МПР, см | Напряжение, В | Уровень металла, см | ||||||||
| 34 | 36 | 38 | 40 | 42 | 44 | 46 | 48 | 50 | |||
| 3.5 | 3.55 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | |
| 4 | 3.85 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | |
| 4.5 | 4.03 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 001 | 000 | |
| 5 | 4.21 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 111 | 001 | 000 | 000 | |
| 5.5 | 4.4 | 111 | 111 | 111 | 111 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | |
| 6 | 4.58 | 111 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | |
| 6.5 | 4.76 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | 000 | |
000- полностью устойчивое состояние, 001- относительная устойчивость с длительным затуханием колебаний, 111- неустойчивое состояние.
Математическое моделирование с применением программы расчета МГД-устойчивости «Arc@RusAl 1.1» показало:
1) при силе тока до 185 кА значительных нарушений МГД характеристик на электролизерах С8-БМ не обнаружено.
2) изменения скорости движения расплава не изменяются до величин, способствующих значительному уменьшению бортовой настыли, при которых возможно разрушение бортовых блоков;
3) плотности тока в элементах ошиновки электролизера при повышении силы тока до 185 кА находятся в пределах допустимых значений;
4) в рассмотренных случаях повышения силы тока до 185 кА прогнозируется устойчивая работа при МПР 4,5 см и уровне металла не ниже 48 см, указанные величины МПР и уровня металла являются пороговыми, их дальнейшее снижение может привести к МГД нестабильности.
Принимаем высоту металла 48 см.
Отсюда высота шахты:
Нш= hм + hэ + hг=0,48+0,18+0,06=0,72м
Однако на электролизёре С-8БМ глубина шахты составляет 58,5 см (таблица 1). Следовательно, в шахте электролизёра будет находиться весь металл и всего 10,5 см электролита. Остальные 7,5 см электролита будут находиться выше фланцевого листа за пределами шахты ванны и будут ограничены гарниссажем.
В данном проекте принимаем графитизированные подовые блоки ПБП 20 (ТУ 1913-109-021-99) высотой hб = 400 мм, шириной bб = 550 мм и длиной lб = 2200 и 1600 мм., обеспечивающие меньшее падение напряжения в катоде и, следовательно, потребление электроэнергии, более стабильное поведение подины по сравнению с антрацитовыми и полуграфитовыми блоками.
Для заделки блюмсов в подовые блоки существует 3 основных способа:
· заливка чугуном;
· вклейка блюмсов с применением жидкотекучих клеёв и паст;
· забивка блюмсов электроконтактными холоднонабивными массами.
Применяющийся на российских алюминиевых заводах способ монтажа подовой секции методом заливки блюмсов чугуном обладает неоспоримыми достоинствами – проверен временем и позволяет достигать относительно невысоких потерь напряжения в подине. Тем не менее в стремлении к совершенствованию этого способа чаще всего апеллируют к известным его недостаткам:
· необходимость применения дорогостоящего плавильного и разливочного оборудования с высоким энергопотреблением;
· необходимость применения оборудования для предварительного разогрева блоков и блюмсов перед заливкой чугуном и связанные с этим значительные энергозатраты;
· существует высокая вероятность растрескивания блоков как на стадии сборки подовых секций, так и в период обжига, пуска и эксплуатации электролизёра.
Использование технологии вклеивания блюмсов предпочтительно с точки зрения простоты реализации, надежности контакта после схватывания клеевого состава и высокой воспроизводимости качества монтажа. К недостаткам затвердевшего контактного слоя следует отнести отсутствие у него эластичных свойств, компенсирующих расширение и давление блюмса на стенки паза блока. Поэтому, как и при чугунном контактном слое, высока вероятность возникновения запредельных напряжений в узле блюмс-клей-блок, являющихся причиной разлома блока. Возможно поэтому широкомасштабные испытания вклейки блюмсов клеем BVM-51 на КрАЗе, САЗе, БрАЗе, ИркАЗе, НкАЗе не привели к положительным (в сравнении с чугунной заливкой) результатам ни по сроку службы, ни по потерям напряжения в подине.
Использование технологии заделки блюмсов массой практически исключает вероятность растрескивания блоков при монтаже, разогреве и эксплуатации, уменьшает затраты на сборку комплекта секций (в сравнении с чугуном и вклейкой), надежно крепит блюмс в блоке. По этим причинам способ используется на БрАЗе, КрАЗе, ИркАЗе с позитивным эффектом по сроку службы электролизёров, но с негативным по потерям напряжения в катоде, которые увеличились в среднем на 50 - 80 мВ (в сравнении с заделкой блюмсов чугуном). Причина: невысокие надежность электрического контакта и воспроизводимость качества монтажа секций с горизонтальным расположением блюмса, что связано с верхней, главной контактной поверхностью блок-блюмс. Эта зона контактного слоя недоступна для прямого уплотнения трамбовками или специальными устройствами. Его уплотнение производится через уложенный на слой массы блюмс. Надежность и качество уплотнения (а значит, и контактного слоя) невысокие. Это основной объективный недостаток соединения блока с блюмсом через уплотненный слой контактной массы, и устранить его простыми и дешевыми способами невозможно [6].
В данном проекте принимаем заделку блюмсов в подовые блоки электроконтактной массой марки BST 16/1. Межблочный шов шириной 40 мм набивается тёплой подовой массой с температурой набойки 30-50ºС (ТУ1914-071-05785218-99).
Число катодных блоков в подине nб=30 шт., число секций nс=15 шт. (таблица 1).
Подина набирается с перевязкой центрального шва, что достигается шахматным расположением длинных и коротких секций в ванне.
Расстояние между катодными и боковыми блоками (ширина периферийного шва) в торцах шахты электролизера:
Расстояние между катодными и боковыми блоками (ширина периферийного шва) по продольным сторонам шахты будет равно:
Таким образом, подина монтируется из 15 подовых секций с перевязкой центрального шва.
Внутренние размеры катодного кожуха определяются размерами шахты и толщиной бортовых теплоизоляционных материалов. В качестве бортовой футеровки электролизера для увеличения теплоотвода через борта принимаем углеродные блоки ББП 0,1 (ТУ 1913-109-021-99) толщиной hуб=200 мм и слой шамотной крупки ЗШБ – 1,3 класс 4 (ГОСТ23037-99) толщиной hтеп= 50 мм. При этом длина катодного кожуха составит:
,ширина :
.Подина шахты набирается из (сверху вниз):
· 30 катодных блоков высотой 400 мм;
· слоя сухой барьерной смеси ClayBurn E-50 толщиной50 мм;
· огнеупорного слоя из трех рядов шамотного кирпича ШБ 0,1 (ГОСТ 6036-89) по 65 мм каждый;
· теплоизоляционного слоя из пенодиатомитового кирпича ПД 400-И (ТУ 5764-002-25310144-99) высотой 65 мм;
· теплоизоляционного слоя из вермикулитовых плит ПВИ-ТСВ-350 (ТУ 5767-014-2168872-04) высотой 65 мм;
· слоя шамотной засыпки ЗШБ-1,3 (ГОСТ 23037-99) толщиной 50 мм.
Тогда высота катодного кожуха составит:
.2.3 Материальный баланс электролизёра
В электролизёр поступает глинозём, анодная масса и фтористые соли. В процессе электролиза образуется алюминий и анодные газы (оксид и двуокись углерода). Кроме того, в результате испарения электролита и пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.
Приход материалов в электролизёр рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия и по производительности электролизёра в час.
Производительность электролизёра, т.е. количество алюминия, выделяющегося в единицу времени (кг/час), можно рассчитать:
;где: I - сила тока электролизёра, А;
h- выход по току алюминия, доли единицы принят равным 0,89;
q- электрохимический эквивалент, г/А·ч.