Взаимосвязь технологии замены обожженных анодов и конструктивных параметров электролизеров для получения алюминия.

Ахмедов С.Н., Козлов В.А., Громов Б.С., Пак Р.В., Скворцов В.Г.

В процессе электролиза криолитоглиноземных расплавов происходит сгорание угольных анодов. В зависимости от выбранной плотности тока, качества угольного материала и технологии электролиза скорость сгорания анода составляет 1,5…1,8 см/сут. На электролизерах с самообжигающимися анодами через верх анодного кожуха постоянно добавляется анодная масса, которая при коксовании образует расходуемое тело угольного анода. На электролизерах с обожженными анодами, угольная часть расходуется только в определенном количестве, и затем требуется установка нового обожженного анода.

Во время замены анода изменяется тепловой баланс электролизера, происходит перераспределение тока по анодному и катодному устройствам, изменяется магнитная и газовая гидродинамика расплава. Необходимость снятия укрытия в районе заменяемого анода и разрушение корки электролита в процессе замены приводят к увеличению поступления вредных газов в атмосферу корпуса и выбросам их через фонарь. Выбор схемы расстановки анодов в электролизере должен определяться необходимостью минимизации указанных негативных факторов.

Наиболее простая схема расстановки анодов - в шахматном порядке, при котором каждый последующий заменяемый анод находится напротив и в соседнем ряду от предыдущего [1]. Схема расстановки анодов, разработанная ВАМИ [2], предполагает максимальный разброс во времени и в плане электролизера между предыдущим и вновь заменяемым анодом. При выборе данной схемы интервал между заменой напротив стоящих анодов в условных сутках (1 условные сутки равны сроку службы анода в сутках, деленному на количество анодов) равен половине числа анодов, а интервал между заменой рядом стоящих анодов - четверти числа анодов. Другими словами, разность в степени срабатывания напротив стоящих анодов равна 50%, a у рядом стоящих - 25%.

Как правило, подбор схемы расстановки обожженных анодов производится для конкретной конструкции электролизеров. Сопоставительный анализ влияния схемы расстановки анодов для электролизеров с различной силой тока может помочь определить конструктивные особенности анододержателей, анодной ошиновки, укрытий электролизеров.

Известно, что вновь установленный анод в первый период времени остается покрытым коркой электролита и не воспринимает токовую нагрузку. По мере прогрева анода корка электролита расплавляется вначале по боковым стенкам, а затем с подошвы анода. Нормально установленный анод берет номинальную токовую нагрузку примерно через сутки после установки. В дальнейшем, по мере срабатывания, у анода уменьшается толщина угольной части, но также снижается площадь анода. Эти два процесса противоположным образом влияют на сопротивление анода, поэтому можно считать, что с ростом срока работы анода токовая нагрузка на анод практически не меняется.

Количество заменяемых анодов за единицу времени зависит от анодной плотности тока и количества анодов на одном электролизере. Исходя из мировой практики, анодная плотность тока при повышении мощности электролизера уменьшается. Авторами данной работы получены аппроксимационные кривые зависимости анодной плотности тока от силы тока [3]. С другой стороны, скорость сгорания, и соответственно, цикл перестановки также зависит от анодной плотности тока. Из опыта эксплуатации российских алюминиевых заводов, при плотности тока 0,718 А/см² (электролизеры на силу тока 175 кА) скорость сгорания обожженного анода составляет 1,5 см/сут. Тогда, если принять, что скорость сгорания анода линейно зависит от плотности тока и на основании данных зависимости плотности тока от силы тока при условии использования стандартных анодных блоков размерами 1450х700х600 мм можно рассчитать оптимальное количество анодов и цикл перестановки в зависимости от выбранной силы тока на электролизере. На рис. 1 показана зависимость количества анодов и цикла перестановки анодов для электролизеров с различной силой тока. Шкала оси цикла перестановки анодов и количества анодов имеют одинаковый масштаб, что дает возможность оценивать количество заменяемых анодов на одном электролизере в сутки.

Точка пересечения кривых на графике отвечает ситуации, когда цикл перестановки анодов в сутках равен количеству анодов на электролизере, т.е. средний интервал времени между заменой анодов равен одним суткам или времени взятия номинальной токовой нагрузки вновь установленным анодом. Можно сказать, что у электролизеров с силой тока меньше 230 кА путем равномерного разнесения во времени замены каждого из анодов в каждый момент времени в электролизере будет находиться не более одного анода, не принявшего токовую нагрузку. Выбор расположения в плане следующего анода для перестановки не имеет большого значения, так как к этому времени все остальные аноды работают с примерно одинаковой токовой нагрузкой. Начиная с силы тока 230 кА, при любой схеме замены анодов не удастся избежать ситуации, когда два анода не вышли на номинальную токовую нагрузку. Поэтому для этих электролизеров появляется возможность одновременной перестановки двух анодов без существенного увеличения токовой нагрузки на остальные аноды.

Определенная таким образом величина граничной силы тока, т.е. сила тока, при которой становится целесообразным использование схемы с одновременной заменой двух анодов, справедлива для размера анодных блоков 1450х700х600 мм. В конструкциях электролизеров могут использоваться аноды и других размеров. Как правило, ширина анодов варьируется в пределах 600…1000 мм, а длина 1300…1600 мм. В каждом конкретном случае размера анодов по методике, описанной выше (рис. 1) можно определить свою величину граничной силы тока, при которой необходимо применение схемы с одновременной заменой двух анодов.

Наиболее простым вариантом одновременной замены двух анодов является применение конструкции анододержателя типа "паук", когда на одной анодной штанге и траверсе подвешены два анодных блока (спаренные аноды).

Были выполнены расчеты тепловых и энергетических полей анододержателей различных конструкций. Для расчетов распределения электрического и теплового полей использовался коммерческий пакет ABAQUS. Решалась стационарная задача распределения температуры в аноде за счет выделения Джоулева тепла при прохождении тока через анод. Температура на подошве анода принималась равной 960°С. Потери тепла с элементов конструкции анода рассчитывались за счет задания эффективного коэффициента теплоотдачи, учитывающего конвекцию и излучение. Свойства (удельное сопротивление и теплопроводность) материалов, входящих в конструкцию анода, задавались нелинейными зависимостями от температуры. Электрическая задача решалась со следующими граничными условиями:

На рис. 2 представлено распределение температур по аноду с одним (а) и двумя (б) анодными блоками. Как видно из рисунка, грани анодов, обращенные к центру электролизера, имеют более высокую температуру, чем грани, обращенные к бортам. Это явление присуще анододержателям и с одним, и с двумя анодами. По абсолютным значениям температур разница для рассчитанных конструкций анододержателя несущественная. Рассчитанное токораспределение по ниппелям траверсы равномерно для обоих типов анододержателей. Это говорит о том, что энергетическое состояние анода, тепловое поле и токораспределение по анодным блокам при переходе к использованию анододержателя типа "паук" практически не изменяется.

Вместе с тем, анододержатели типа "паук" не могут быть использованы на электролизерах малой и средней мощности (до 230 кА). Например, если принять, что удельная теплоемкость угольного материала анода равна 1717 Дж/(кг·К) [4], то для нагрева одного анода размерами 1450х700х600 мм от 25 до 950°С потребуются затраты электроэнергии 412 кВт·ч. Увеличение рабочего напряжения после перестановки обычно реализуется в алгоритмах управления электролизером. Данные затраты тем заметнее на энергетическом балансе электролизера, чем меньше сила тока. В литературе не было найдено данных по времени выхода спаренных анодов в рабочий режим, которое может оказаться больше, чем у одинарных анодов. Расчет этого времени станет предметом дальнейшей работы авторов. Но, если предположить, что нагрев анода до рабочей температуры происходит за сутки, то в течение этих суток для электролизера на силу тока 125 кА требуется увеличить рабочее напряжение на 140 мВ, для электролизера на силу тока 255 кА - на 67 мВ. То есть, при замене анода одинаковых размеров большее изменение в тепловом балансе будет наблюдаться у электролизера с меньшей силой тока. Одновременная замена нескольких анодов на таких электролизерах может привести к локальным вымерзаниям электролита в местах установки анодов.

Для анализа влияния конструкции анододержателя на объем выделения в атмосферу корпуса технологических газов рассматривались схемы с равномерным разнесением местоположения одинарных анодов (рис. 3а) и спаренных анодов (рис. 3б).

На рис. 4 представлено рассчитанное время разгерметизации электролизеров с различной силой тока в зависимости от выбранной схемы замены анодов c размером анодного блока 1450х700х600 мм. По выполненным расчетам видно, что как для одинарных анодов, так и для спаренных, с увеличением силы тока электролизеров время разгерметизации линейно возрастает. В то же время, при одной и той же силе тока время разгерметизации для спаренных анодов существенно меньше, чем для одинарных анодов.

Очевидно, чем меньше время разгерметизации укрытий, тем меньше выделений фтористых соединений в атмосферу корпуса и меньше выбросы через фонарь корпуса. Несомненным преимуществом спаренных анодов является экономия времени работы обслуживающего персонала и технологических кранов при проведении операции замены анодов. Практика показывает, что использование анододержателей типа "паук" позволяет в 1,5…2 раза сократить "крановое время".

За счет снижения количества зажимов анодных штанг, крепежных стяжек, количества выполняемых в анодной ошиновке отверстий под установку зажимов достигается заметная экономия капитальных затрат на изготовление анодного устройства электролизеров.

Спаренные аноды позволяют облегчить конструктивное выполнение анодной ошиновки для электролизеров большой мощности, когда обязательным условием является расположение по продольным сторонам "выносных" анодных стояков.

Вывод

Для электролизеров малой и средней мощности (силой тока до 230 кА) при использовании стандартных анодных блоков размерами 1450х700х600 мм оптимальным вариантом является использование одинарных анодов. Электролизеры большой мощности (230 кА и более) необходимо оснащать анодами с двумя спаренными угольными блоками, позволяющими снизить затраты на изготовление и обслуживание анодного узла и уменьшить объем выделения в атмосферу корпуса технологических газов.

Библиографический список

Реферат

Рассмотрено влияние схем расстановки анодов в электролизерах для получения алюминия на тепловое состояние электролизера, токораспределение по анодному узлу, объем выбросов в атмосферу корпуса технологических газов. Показана взаимосвязь силы тока на электролизере, конструкции анодного анододержателя и схемы замены анодов. Рассчитана граничная сила тока на электролизере, при которой целесообразно использовать конструкцию анододержателя с двумя анодными блоками, подвешенными на одной штанге.