Основы расчета алюминиевой ванны

29.01.2017

Расчет алюминиевой ванны включает в себя: 1) конструктивный расчет, 2) материальный расчет, 3) электрический расчет и 4) энергетический расчет.
Перед тем, как приступить к расчету ванны, производят выбор конструкции (типа) ванны и се электрических параметров.
При выборе конструкции ванны обычно пользуется накопленным опытом действующих предприятий отечественной и зарубежной алюминиевой промышленности, а также нередко прибегают к результатам испытаний специально сооруженных опытных алюминиевых ванн.
Haиболee распространенными и совершенными в настоящее время являются ванны с одним непрерывным самообжигающимся анодом прямоугольной формы.
В зависимости от мощности ванны размер узкой стороны анода, по данным заводской практики, не должен превышать для ванн:
Основы расчета алюминиевой ванны

При большей ширине анода затрудняется удаление из-под анода угольной пены и газообразных продуктов; электролит под таким анодом перегревается. Все это приводит к снижению выхода по току и к повышенному расходу электроэнергий.
Подвод тока к аноду может быть осуществлен как с боковых сторон, так и сверху. В алюминиевой промышленности в настоящее время все больше переходят к верхнему подводу тока, при котором обслуживание ванн облегчается и упрощается.
Кожухи с днищем, усиленные контрфорсами, применяют для мощных ванн, для ванн средней мощности применяют кожухи без днища, при которых потерн тепла ванной меньше и несколько ниже удельный расход электроэнергии.
Как показала практика, наиболее удобной в эксплуатации является заглубленная ванна, у которой кожух над уровнем пола выступает лишь на 25—30 см.
Запроектированный газоотсос должен давать возможность отсасывать от ванны при открытых шторах в 3—4 раза больше газов, чем при закрытых шторах. У ванны с верхним подводом тока должен предусматриваться газоотсос как из-под колокола, так и с поверхности анода, а также сжигание окиси углерода в горелке.
Основными электрическими параметрами, определяющими работу ванны, являются: величина тока I, плотность тока D, среднее напряжение на ванне Eср и выход по току ηт.
Зная удельный расход электроэнергии и выход по току, можно определить среднее напряжение на ванне по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где W — удельный расход энергии на 1 г алюминия, квт*ч;
ηт — выход по току, доли единицы.
Для питания ванн постоянным током, как правило, устанавливают ртутные выпрямители, имеющие высокий к. п. д. и обеспечивающие максимальное напряжение на стороне выпрямленного тока, равное 825 в.
При определении количества работающих ванн в серии учитывают резерв напряжения на случай возникновения одновременно двух анодных эффектов на ваннах серии Еа.э и потери напряжения Eп в пределах РПП (в катодных реакторах выпрямителей, шунтах, автоматах, в сборном шинопроводе и т. п.).
Eа.э обычно составляет 70—80 в, a Eп принимают по практическим данным равным 25—30 в.
С целью полного использования мощности ртутных выпрямителей при определении количества рабочих ванн исходят из среднего напряжения на ванне Eс.р, из которого исключают прирост напряжения ΔЕа.э за счет вспышки, т. е при расчете оперируют формулой
Основы расчета алюминиевой ванны

Число работающих ванн (Np) в серии определяют по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

где Eр.в — напряжение на клеммах источника постоянного тока (ртутного выпрямителя или двигателя-генератора), в.
Количество резервных (находящихся в ремонте) ванн принимают исходя из длительности капитального ремонта и продолжительности работы ванн между капитальными ремонтами. Отсюда общее количество N ванн, которое необходимо установить в серии, определится из уравнения
Основы расчета алюминиевой ванны

где t — время, необходимое для капитального ремонта ванны, дни;
T — продолжительность работы ванны между капитальными ремонтами, годы;
365 — число дней в году.
Время капитального ремонта ванны и продолжительность работы ее между капитальными ремонтами принимают по практическим данным передовых заводов.
Величину тока I определяют исходя из заданной производительности завода (или цеха) (P) и зависимости
Основы расчета алюминиевой ванны

где nc — число серий ванн на заводе (или в цехе);
k — электрохимический эквивалент алюминия, равный 0,335 г/а*ч;
τ — время работы ванны, часы;
ηт — выход по току, доли единицы;
10в-6 — коэффициент для перевода граммов в тонны.
Если производительность P задана в тоннах в год, то
Основы расчета алюминиевой ванны

Число серий ванн на заводе или в цехе может быть принято различным, в связи с этим и величина тока I может получиться различной. Поэтому такой расчет производят методом подбора.
Обычно величина тока па современных алюминиевых заводах составляет 53 030—75 000 а, но в последнее время характерной тенденцией в развитии алюминиевой промышленности является увеличение тока. Уже сейчас па новых алюминиевых заводах и цехах применяют ванны на ток 100 000—125 000 а, а отдельные ванны испытываются на ток 130 000—140000 а.
В ванне различают три плотности тока: 1) da — анодную, являющуюся отношением величины тока к площади поперечного сечения анода; 2) dк — катодную, которая является отношением величины тока к поверхности катода (подины), и 3) D — среднюю, которая находится как среднегеометрическая величина из da и dк , т. е.
Основы расчета алюминиевой ванны

При проектировании ванны, как правило, исходят из анодной плотности тока, иногда из средней. Катодная плотность тока всегда ниже анодной, что вытекает из самих конструктивных особенностей алюминиевой ванны.
Я.А. Бернштейн расчетом установил, что, при прочих равных условиях, чем больше мощность ванны, тем меньше должна быть плотность тока (рис. 111).
Указанная зависимость между величиной тока и анодной плотностью тока хорошо согласуется с данными И.П. Гупато, полученными им при анализе работы алюминиевых заводов, оборудованных однотипными ваннами различной мощности и работающих с примерно одинаковой технологией.
Основы расчета алюминиевой ванны

Практика работы алюминиевых заводов показывает, что оптимальная анодная плотность тока в зависимости от мощности ванны составляет примерно 0,7—1 а/см2.
Механическую прочность кожуха обычно рассчитывают с учетом обеспечения равномерно распределенной нагрузки на стенки кожуха, причем интенсивность нагрузки на продольные стенки ориентировочно принимают равной 2 кг/см2, а на поперечные стенки равной 7 кг/см2. Соответственно полученным данным принимают тот или иной номер швеллера или двутавровой балки для усиления кожуха.
Количество анкерных лап принимают по практическим данным: по две лапы для каждой продольной стороны кожуха и по две для каждой торцевой стороны.
Ликерные лапы рассчитывают, согласно практическим данным, на разрывное усилие, равное 25 т на каждую лапу.
В задачу материального расчета входит определение производительности ванны и расхода материалов. Расчет ведут на 1 час работы ванны. Для расчета производительности P ванны пользуются формулой
Основы расчета алюминиевой ванны

Выход по току ηI принимают на основании практики работы передовых заводов. Он обычно составляет примерно 0,87—0,9.
Расходные коэффициенты, исчисляемые на 1 кг получаемого алюминия, обычно следующие:
Основы расчета алюминиевой ванны

Расходные коэффициенты устанавливают и пересматривают исходя из практики передовых заводов.
В задачу электрического расчета ванны входит определение сечения и длины проводников электрической цепи от анода до катодной ошиновки и составление баланса напряжения, т. е. определение среднего напряжения на основании расчета потерь его на отдельных участках электрической цепи ванны.
Основы расчета алюминиевой ванны

При расчете учитывают температурные условия, в которых работают элементы ванны, служащие проводником тока. Средняя температура участков шинопровода на работающей ванне средней мощности приведена на рис. 112. Плотность тока в сечении проводника выбирают обычно на основании данных практики. Для алюминиевых проводников, работающих при относительно небольшом нагреве (например, анодная и катодная ошиновки), плотность тока принимают равной 0,6—0,7 а/мм2. Для стали эта величина составляет 0,15—0,2 а/мм2, для меди— 1—1,2 а/мм2.
В контактах ошиновки площадь соприкосновения проводников проверяют на допустимую контактную плотность тока. Допустимая контактная плотность тока для различных материалов (учитывая, что контакты работают в условиях повышенной температуры) обычно принимается следующей: для контакта алюминий — алюминий 0,025 а/мм2; для контакта алюминий — сталь 0,015 а/мм2.
Для чистого электролита удельное сопротивление составляет примерно 0,37 ом*см, а для промышленного электролита обычно бывает 0,5 ом*см.
В ванне величина междуполюсного расстояния l определяется необходимостью получения высоких выходов по току и обеспечения необходимого количества джоулевого тепла для поддержания электролита в расплавленном состоянии Для обеспечения указанных требований между электродное расстояние l обычно в промышленных ваннах поддерживают равным 4—5 см.
При расчете падения напряжения в конструктивных элементах ванны (IΣR) обычно различают:
а) падение напряжения во внутренних элементах ванны, в которых тепло от электроэнергии используется для нагревания ванны;
б) падение напряжения во внешних элементах ванны, из которых выделившееся тепло теряется в окружающую среду, минуя ванну.
Сопротивление в контактах обычно не рассчитывают, а падение напряжения в них принимают по практическим данным (табл. 16).
Основы расчета алюминиевой ванны

Падение напряжения в ошиновке определяют в зависимости от расстояния серии от РПП и расстояний между ваннами. Удельные потери напряжения в ошиновке Eош определяют путем деления падения напряжения в ошиновке до РПП и между ванна ми на число работающих ванн.
Среднее напряжение Eср необходимо отличать от рабочего напряжения Eр, которое учитывают по показаниям вольтметра, включенного параллельно каждой ванне.
Рабочее напряжение меньше среднего напряжения на величину потерь напряжения Eош в соединительной ошиновке и на среднее повышение напряжения ΔЕа.э за счет анодного эффекта.
Наконец, для энергетического расчета ванны пользуются величиной так называемого «греющего напряжения» Eгр, т.е. величиной падения напряжения на тех участках электрической цепи ванны, при прохождении по которым электрический ток выделяет тепло, расходуемое на нагревание электролита и других внутренних частей ванны.
«Греющее напряжение» слагается из: 1) падения напряжения в электролите, 2) падения напряжения в аноде, начиная от штырей и кончая подошвой анода; 3) падения напряжения в подине; 4) повышения напряжения за счет анодных эффектов; 5) обратной э. д. с. ванны. Тепло, выделяемое на остальных участках электрической цепи (внешняя ошиновка, токоподводящие шины и т. п.), теряется для ванны бесполезно и рассеивается в окружающую среду.
Электрическая энергия, подводимая к ванне, расходуется на электрохимический процесс, на нагревание материалов и на теплопотери в окружающую среду. Определение соотношения между приходом подводимой к ванне электрической энергии и расходом ее на электрохимический процесс и на тепловые потери имеет решающее значение в деле правильного выбора конструкции ванны (тепловой изоляции, плотности тока и т. п.) и энергетического режима ее работы.
При установившемся режиме работы ванны количество подводимой электроэнергии должно обеспечивать нормальное, устойчивое протекание процесса электролиза, т. е. должно быть строго равно количеству расходуемой ванной энергии. Несоблюдение этого условия неизбежно приведет к нарушению нормального режима работы ванны.
Если приход энергии будет преобладать над ее расходом, то электролит в ванне будет перегреваться и, наоборот, превышение расхода энергии (в том числе и тепла) над приходом ее неизбежно приведет к охлаждению электролита.
Расход энергии на разложение глинозема определяют следующим образом. В алюминиевой ванне под воздействием электрического тока из растворенного глинозема и анодного угля образуются жидкий алюминий и анодные газы, состоящие из углекислоты и окиси углерода. Следовательно, в ванне протекают реакции
Основы расчета алюминиевой ванны

при осуществлении которой требуется затратить 251 324 ккал на 1 кг*моль глинозема, и
Основы расчета алюминиевой ванны

при осуществлении которой требуется затратить 312129 ккал также на 1 кг*моль глинозема.
Количество глинозема, разложившегося с образованием углекислоты и разложившегося с образованием окиси углерода, определяют по количеству углекислоты и окиси углерода в анодных газах.
Если в анодных газах содержится (в объемных процентах) углекислоты ру %, а окиси углерода рок % при производитель-гости ванны P кг/час, то расход энергии на разложение глинозема Qр определяют по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где Qок— энергия, затрачиваемая при разложении одного килограмм-моля глинозема и образовании окиси углерода, Qок = 312 129 кал/кг*моль;
Qу — энергия, затрачиваемая при разложении одного килограмм-моля глинозема и образовании углекислоты; Qу = 251 324 ккал/кг*моль;
54 — число килограммов алюминия, получаемого из одного килограмм-моля глинозема.
При затрате количества энергии, определенного по приведенному уравнению, и окись углерода и углекислота будут иметь температуру электролита, т.е. около 950° С.
Если из ванны газы будут уходить при меньшей температуре, то из полученного значения энергии необходимо вычесть то количество тепла, которое потеряют окись углерода и углекислота, охлаждаясь от 950° С до температуры отходящих газов. Если же, как это чаще всего и делается, вычисляют не теплопотери штора ми ванны, а отдачу тепла коркой электролита, через которую газы проходят при температуре 950° С, то тогда этой поправки делать не надо.
Расход тепла на нагревание и расплавление исходных материалов (глинозема, фторсолей и анодной массы) вводимых в ванну, подсчитывают обычно для одного часа, исходя из теплоемкостей и теплот плавления материалов, по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где сртв и срж — средняя теплоемкость при постоянном давлении в твердом и жидком состоянии;
t1 — температура загружаемого материала, °C;
t2 — температура его плавления, °С,
t3 — температура в ванне, обычно она равна 950° С,
q — количество материала, загружаемого за час, кг;
λ — скрытая теплота плавления материалa.
Потери тепла Qп рассчитывают как сумму потерь тепла в окружающее пространство отдельными элементами ванны путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Эти потери состоят из следующих основных статей потерь тепла а) кожухом ванны, б) подиной ванны, в) анодом ванны, г) коркой электролита, д) цоколем ванны.
Потери тепла путем теплопроводности Qт' для однослойной стенки подсчитывают по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где λ — коэффициент теплопроводности, ккпл/час. м °С;
t2 — температура внутренней стороны стенки, °C;
t1 — температура наружной стороны стенки, °С;
δ — толщина стенки, м,
S — площадь стенки, м2.
Для многослойной стенки потери тепла подсчитывают по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где k — коэффициент теплопередачи (кал/час °C), который в свою очередь определяют по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

где δ1, δ2, δ3 ... δn — толщина соответствующего слоя стенки, м;
λ1, λ2, λ3 ... λn — соответствующие им величины теплопроводности;
S1, S2, S3 ... Sn — площади слоев стейки, м2.
Потери тепла вследствие конвекции подсчитывают по уравнению
Основы расчета алюминиевой ванны

где α — коэффициент теплопередачи, кал/м2 час °C,
t1 — температура наружной стенки, °С,
t2 — температура окружающего воздуха, °C.
Коэффициент теплопередачи для вертикальной стенки подсчитывают по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

а для горизонтальной стенки по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

Потери тепла вследствие лучеиспускания подсчитывают по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

где С — коэффициент лучеиспускания стенкой; для абсолютно черного тела С = 4,96, для поверхностей железа и огнеупоров значение С принимают равным 3,5—3,9;
S — площадь теплоотдачи;
T1 = t+273 — абсолютная температура наружной стенки, °K;
T0 = t0+273 — абсолютная температура окружающего воздуха, °K.
Если известны температуры теплоизолирующих поверхностей ванны, то по указанным формулам можно легко подсчитать потери тепла ванной за 1 час.
Если не известны температуры наружных поверхностей ванны (например, кожуха), тогда эти температуры находят из условия равновесия
Основы расчета алюминиевой ванны

Для решения этого уравнения задаются рядом значений температур поверхности кожуха, например 100, 80, 60, 40° С. Затем при постоянной температуре внутри шахты ванны и окружающей среды (воздуха) производят расчет удельных потерь тепла для каждого случая в отдельности.
Полученные значения Qт и Qк.л. при различных значениях температур наносят на график (рис. 113). Равновесие Qт = Qк.л. отвечает точке пересечения кривых. Температура, соответствующая этой точке, и есть искомая температура поверхности кожуха ванны. По найденной температуре рассчитывают тепловые потери кожухом ванны.
Потери тепла с газами, отсасываемыми из ванны с верхним вводом штырей в анод, определяют по формуле
Основы расчета алюминиевой ванны

где ср — теплоемкость газов; обычно принимается равной теплоемкости воздуха, т. е. 0,24 ккал/м3 °С;
t2 — температура отсасываемого из-под укрытия ванны газа, °С;
t1 — температура воздуха, засасываемого из цеха под укрытия ванны, °С;
V — объем отсасываемого газа, м3/час.
Результаты расчета сводят в таблицу.
Основы расчета алюминиевой ванны

В случае расхождения прихода и расхода энергии необходимо проверить правильность выбора межполюсного расстояния и плотности тока. Обычно даже сравнительно небольшие изменения межполюсного расстояния дают возможность согласовать приход энергии с ее расходом. Невязка теплового баланса допускается не больше 10% в ту или другую сторону.
Для уменьшения тепловых потерь, наряду с усилением тепловой изоляции пода и стенок ванны, целесообразно также строить ванны с утепленным сводом, например с крышками, закрывающими пространство над твердой коркой электролита. Однако установка их возможна только на ваннах с верхним вводом штырей в анод.