Разработка и совершенствование систем питания глиноземом и токоподвода к анодам алюминиевых электролизеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Бегунов, Алексей Альбертович

• Бегунов, Алексей Альбертович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бегунов, Алексей Альбертович

Введение

Глава. 1 Литературный обзор

1.1. Существующие способы питания электролизеров глинозёмом

1.2. Питатель щелевого типа

1.3. Влага и фтористый водород при электролизе

1.4. Условия работы анода электролизера с верхним токоподводом

1.5. Экологические характеристики электролитического получения алюминия 24 Выводы

Глава 2. Режимы и условия работы щелевого питателя

2.1. Динамика течения глинозема через щелевой питатель

2.2. Характеристики глинозема, поступающего на ОАО БрАЗ, по содержанию влаги

2.3. Оценка возможностей сушки глинозема с применением тепла, выбрасываемого в атмосферу

2.4. Результаты испытаний щелевого питателя на ОАО БрАЗ

2.5. Разработка устройства для подогрева и сушки глинозема 53 Выводы

Глава 3. Экспериментальное исследование процессов сушки глинозема

3.1. Термодинамические характеристики процесса сушки

3.2. Кинетика сушки некондиционного глинозема

Выводы

Глава 4. Совершенствование токоподвода к аноду электролизеров с ВТ

4.1. Введение

4.2. Токоподвод с подключением в цепь анодной рубашки

4.3. Определение возможности и эффективности подключения в электрическую цепь анодной рубашки

4.4. Токоподвод с использованием цилиндрических штырей

4.5. Выбор материалов, требующихся для реализации цилиндрических штырей

4.6. Пути радикального снижения расхода энергии на алюминиевых электролизёрах с верхним анодным токоподводом 101 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и совершенствование систем питания глиноземом и токоподвода к анодам алюминиевых электролизеров»

Известно, что большая часть мощностей российской алюминиевой промышленности представлена сериями электролизеров с самообжигающимися анодами. Среди них преобладают конструкции с верхним анодным токоподводом (В.Т.). Такими электролизёрами оснащены крупнейшие в мире Братский и Красноярский заводы, а также Иркутский, Волгоградский заводы и второй электролизный цех Новокузнецкого алюминиевого завода.

Ванны этого типа в последние годы доведены до высокой степени совершенства, а технико-экономические показатели их эксплуатации достигли наиболее высоких результатов за все время их эксплуатации. Однако, выход металла по току не превышает 88-90 %, что на 6-8% ниже, чем на лучших современных заводах с обожженными анодами (О.А.). Расход электроэнергии на заводах с В.Т. составляет не менее 15500-16000 квт/час на тонну металла, что на 2500-3000 квт/час на тонну алюминия выше, чем на передовых предприятиях мировой алюминиевой промышленности с предварительно обожженными анодами (О.А.). Еще хуже для В.Т. выглядит сопоставление с О. А. в экологическом отношении. Выбросы полиароматических углеводородных соединений (ПАУ) на них на порядок выше, чем на заводах с О.А. и казалось бы, необходимость реконструкции промышленности с переводом её на О.А. очевидна.

Однако, заводы с боковым токоподводом (Б.Т.) и с В.Т. обеспечивают получение металла с наиболее низкой себестоимостью производства, а затраты на реконструкцию их с переводом на О.А. столь велики, что существует мнение о необходимости реконструкции В.Т. с сохранением типа токоподвода. При такой реконструкции представляется целесообразной разработка предельно простого устройства для автоматизированного питания (АПГ) ванн глиноземом нового, так называемого щелевого типа. Массовое внедрение АПГ позволит как увеличить выход металла по току, так и снизить расход электроэнергии. Одновременно, очевидно, улучшатся как санитарно-гигиенические условия труда в корпусах электролиза, так и экологические характеристики окружающей заводы среды.

Высокий расход электроэнергии на электролиз при использовании В.Т. объясняется главным образом низким качеством так называемого вторичного анода, использованием при этом минимального расстояния от концов штырей до подошвы анода не менее 20-25 см. и среднего расстояния в 50-55 см. и более. Для снижения расхода электроэнергии на 2500-3000 квт/час на тонну металла необходима разработка радикально новых устройств для токоподвода. Решению этих задач и посвящена диссертация.

Целью работы является:

1. Изучение условий работы питателя АПГ щелевого типа на стенде;

2. Выяснение причин неустойчивой работы питателя в условиях БрАЗа;

3. Создание устройства для сушки глинозема с использованием выбрасываемого в атмосферу корпуса избыточного тепла;

4. Разработка предложений для коренного совершенствования верхнего анодного токоподвода.

Научная новизна работы.

Исследована динамика течения глинозема через щелевой питатель. Изучены характеристики текучести глинозема при различном содержании в нём влаги. Разработано устройство для сушки глинозема с использованием тепла дожигания монооксида до диоксида углерода. Исследована кинетика сушки некондиционного глинозема. Выполнено математическое описание формальной кинетики сушки глинозема. Разработаны изобретения на радикально усовершенствованный верхний токоподвод с подключением в цепь анодной рубашки и с применением цилиндрических штырей.

Методы исследований.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением классических методов физического и технологического эксперимента, математического и физического моделирования, а также методов исследования кинетики гетерогенных процессов. Планирование и обработку результатов экспериментов осуществляли с применением статистических методов пакета прикладных программ Microsoft Excel.

Практическая значимость полученных результатов подтверждена получением трех патентов Российской Федерации на созданные в ходе исследований изобретения. Дальнейшая реализация созданных изобретений будет способствовать радикальной модернизации электролизеров с В.Т., повышению технико-экономических и экологических характеристик их эксплуатации.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Бегунов, Алексей Альбертович

Выводы

Показано, что наиболее радикального улучшения верхнего анодного токоподвода можно добиться путём увеличения сечения стальных токоподводящих элементов конструкции и применением неизвлекаемых штырей, которые можно было бы опускать «почти до подошвы анода».

Предложен токоподвод к самообжигающемуся аноду алюминиевого электролизёра, заключённому в стальной кожух, отличающийся тем, что анодный кожух снабжён шунтами и подключён с их помощью к электрической цепи параллельно штырям.

Показано, что анодная рубашка способна принимать на себя силу тока в десятки кА, разгрузив центральные области анода и улучшив условия его эксплуатации.

Разработано изобретение, в котором токоподвод содержит неизвлекаемые цилиндрические штыри, нижняя часть которых, равная высоте их перестановки, выполнена из жаропрочных и жаростойких сталей.

Показано, что существуют марки жаропрочных сталей, способных длительное время эксплуатироваться при температурах 900 - 950° С без существенного снижения их прочностных характеристик.

Показано, что использование жаропрочных сталей для изготовления нижних концов штырей окупается достигаемой экономией электроэнергии. Значительно больший эффект ожидается за счёт улучшения экологических характеристик процесса электролиза.

Таким образом, снижение омических потерь напряжения на ваннах с В.Т. на 0,60 - 0,65 В и удельного расхода энергии на 2100 - 2500 квт час/т металла физически возможно. Техническая и технологическая возможности реализации предложений определятся нашими уровнями настойчивости и изобретательности. Одновременно будут улучшены экологические характеристики процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа литературных данных показано, что простым и перспективным питателем АПГ электролизёров может быть питатель щелевого типа. При использовании глубокопрокалённого глинозёма на стенде такое устройство обеспечивает стабильное истечение струи глинозёма с однозначными зависимостями расхода глинозёма от ширины и длины щели, а также от геометрии промежуточного бункера.

В последние годы заводы западных фирм производят и поставляют на мировой рынок значительные количества недопрокалённого глинозёма, способного адсорбировать значительные количества влаги.

По литературным данным установлено, что наибольших успехов в снижении расхода энергии на электролиз и улучшении других характеристик процесса можно достичь путём радикального совершенствования токоподвода к анодам и технологии процессов их обслуживания.

Установлено, что расход глинозёма через щелевой питатель зависит не только от ширины и длины щели, но также от её формы и «геометрии» промежуточного бункера. Плоскопараллельная щель обеспечивает более стабильное истечение глинозёма при большем его расходе, чем щель формы «песочных часов».

Показано, что применение стальных и чугунных щёк дозатора не обеспечивает стабильного истечения материала из-за конденсации на них влаги и окомковывания глинозёма.

Установлено, что использование недопрокалённого глинозёма при длительной его транспортировке на Российские внутриконтинентальные заводы сопровождается значительным, до 1% и более, увеличением содержания в нём кристаллизационной влаги и соответствующим возрастанием количества выделяющегося в атмосферу фтористого водорода.

Найдено, что для систем АПГ кроме подогрева необходима сушка подаваемого в ванну глинозёма с целью устранения дополнительной эмиссии выделяющегося в атмосферу фтористого водорода и увеличения выхода металла по току.

Показано, что подогрев и сушка глинозёма могут производиться с использованием тепла дожигания монооксида до диоксида углерода.

Результаты испытаний питателя щелевого типа на ОАО БРАЗ показали, что как в производственных условиях, так и на стенде при использовании недопрокалённого увлажнённого глинозёма не удаётся добиться стабильного истечения глинозёма из питателя из - за конденсации влаги на металлических поверхностях питателя и окомковывания глинозёма.

Разработано изобретение и получен патент на устройство для подогрева и дозированной подачи глинозёма в алюминиевый электролизёр, в котором накопительный бункер выполнен в виде цилиндрической ёмкости для глинозёма, коаксиально надетой на горелку дожигания анодных газов.

Рассмотрены термодинамические характеристики процесса сушки глинозёма. Найдены численные значения теплоты испарения влаги из технического глинозёма, составляющие в интервале 350-550Кот8до30 кДж/моль.

Выполнено экспериментальное исследование кинетики сушки некондиционного глинозёма при различных температурах и времени выдержки навески. Показано, что в глинозёме, содержащем до 3 % влаги, практически вся вода является адсорбционной, физически адсорбированной из воздуха при его транспортировке, перегрузках и хранении.

Показано, что температуры в 300° С и времени выдержки, предусмотренному ГОСТ, достаточно для удаления , большей части адсорбированной влаги.

Показано, что наиболее радикального улучшения верхнего анодного токоподвода можно достичь путём увеличения сечения стальных токоподводящих элементов конструкции и применением неизвлекаемых штырей, которые можно было бы опускать «почти до подошвы» анода.

Разработан токоподвод к самообжигающемуся аноду, заключённому в стальной кожух, отличающийся тем, что анодный кожух снабжён шунтами и подключён с их помощью в электрическую цепь параллельно штырям.

Показано, что анодная рубашка способна принимать на себя силу тока в десятки кА, разгрузив центральные области анода и улучшив условия его эксплуатации.

Разработан токоподвод к аноду, который содержит неизвлекаемые цилиндрические штыри. При этом нижняя часть штырей, равная высоте их перестановки, выполнена из жаропрочных и жаростойких сталей.

Показано, что существуют марки жаропрочных сталей, способных длительное время эксплуатироваться при температурах 900 - 950° С без существенного снижения их прочностных характеристик.

Показано, что использование жаропрочных сталей для изготовления нижних концов штырей окупается достигаемой экономией электроэнергии. Значительно больший эффект ожидается за счёт улучшения экологических характеристик процесса электролиза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бегунов, Алексей Альбертович, 2004 год

1. Патент США №36812292. Патент США №39017873. Патент США №33710264. Патент США №5045168

2. Авторское свидетельство СССР № 458624. Опубл. 30.11.75 БИ №24

3. Авторское свидетельство СССР № 461973. Опубл. 22.02.75 БИ №8

4. Авторское свидетельство СССР № 985153. Опубл. 30.12.82 БИ №48

5. Авторское свидетельство СССР № 999664. Опубл. 17.04.79 БИ №25

6. Авторское свидетельство СССР № 1378425. Опубл. 6.03.83 БИ №11

7. Авторское свидетельство СССР № 1445264. Опубл. 20.09.85 БИ №19

8. Авторское свидетельство СССР № 526682. Опубл. 30.08.76 БИ №32

9. Авторское свидетельство СССР № 855075. Опубл. 15.08.81 БИ №30

10. Авторское свидетельство СССР № 899723. Опубл. 23.01.82 БИ №314.Патент США № 4849529

11. Заявка на изобретение Франции № 2235215

12. Патент РФ № 2098520. Опубл. 10.12.97 БИ №34

13. Патент РФ № 2158788. Опубл. 10.11.00 БИ №31

14. Бегунов А.И., Кудрявцева Е.В., Громов Б.С., Пак Р.В. Цветные металлы, 1997. № 4. С. 47-50.

15. A.I. Begunov. Y.V. Kudryavtseva. Light Metals. 1997, pp. 211-214 (USA)

16. A.I. Begunov. B.S. Gromov. Light Metals. 1994, pp. 295-304 (USA)

17. Бегунов А.И., Гидродинамика и явление переноса в двухфазных дисперсных системах. Межвуз сб. Иркутск, Иркутское книжн. Изд-во, 1977. С. 43-49.

18. Бегунов А.И., Известия вуз'ов «Цветная металлургия», 1978. №3. С. 64-67.

19. Kai Grjotheim and Qiu Zhuxian. Molten Salt Technology. Theory and Applikation. V.II. Northeast Univers: of Technology Press. 1991, p. 435.

20. В.П. Ланкин, JI.E. Сафарова, B.C. Буркат. Алюминий Сибири 98, Красноярск. 1999. С. 88-96.

21. Т. Foosnaes, V. Hjille, М. Karlsen JOM (TMS), vol 44, № 11, 1992 у, p. 108.

22. J.E. Eberhardt, D.L. Death, R.P. Read and C.A. Rogers. Light Metals. 1995, pp. 335-340.

23. D.L. Death, J.E., Eberhardt et al. Light Metals 1997, pp. 173- 177.

24. J. M. Jones and P. J. Winder Light Metals 1997, pp. 179 182.

25. H.I. Schiff, S.D. Nadler, J. Pisano and G.J. Mackay. Light Metals 1997, pp. 361 -365.

26. B. Labraance, P. Bernard and Y.M. Cyr. Light Metals 1998, pp. 323 328.

27. Elaine Yee-Leng Sum, Chris Cleary, Tseng T. Khoo JOM (TMS), vol 51, № 11, 1999 y, p. 109.

28. R. Heger, A. Abbe. J.T. Pisano, M. Franz. JOM (TMS), vol 51, № 11, 1999. p. 110

29. E. Dernedde . Light Metals 1998, pp. 317 322.

30. N.C. Holt, V. Kielland, K.L.Bolstad etal. JOM (TMS), vol 51, № 11, 1999 y, p. 109.

31. M.M. Ветюков, A.M. Цыплаков, C.H. Школьников. Электрометаллургия алюминия и магния. Металлургия, 1987, с. 320.

32. В.П.Машовец. Электрометаллургия алюминия. ОНТИ. НКТП СССР ГРЛ по ЦМ Ленинград Москва, 1938, с. 345.

33. Глинозём. Метод определения влаги. ГОСТ Р 50332. 14 92 (ИСО 803 — 76) Госстандарт России. Москва. 1993.

34. Глинозём. Метод определения потери массы при прокаливании. ГОСТ 27800 93 (ИСО 806 - 76) МГС по стандартизации. Минск, 1995.

35. Г.А. Абрамов, М.М. Ветюков и др. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. Металлургиздат, 1953, с. 583.

36. B.G. Haverkaamp, В J. Welch, J.B.Metson Light Metals 1994, pp. 365 -370.

37. А.И. Беляев. Металлургия лёгких металлов. М., Металлургия, 1970, с. 367.

38. Ю.В. Баймаков, М.М. Ветюков. Электролиз расплавленных солей. М., Металлургия, 1966, с. 560.

39. А.И. Лайнер, Н.И. Ерёмин, Ю.А. Лайнер, И.З. Певзнер. Производство глинозёма. Металлургия, 1978, с.344.

40. Л.А. Исаева, П.В. Поляков. Технико-экономический вестник КРАЗа, 1996, №3, с. 16-18.

41. А.И. Бегунов. Проблемы модернизации алюминиевых электролизёров. Иркутск, 2000, 105 с.

42. N. Richards. Light Metals 1994, pp. 393 402.

43. R. Huglen and Halvor Kvande. Light Metals 1994, pp. 373 380.

44. W. Haupin Light Metals 1998, pp. 531 537.

45. M.A. Коробов, A.A. Дмитриев. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизёров. М., Металлургия, 1972, 207 с.

46. А.И. Бегунов, А.А. Бегунов, Б.С. Громов, B.C. Кужель, Г.Д.Козьмин, В.Г. Корнев, Е.В.Кудрявцева, Р.В. Пак. Динамика течения глинозёма через щелевой питатель. VI Межд. Конф. «Алюминий Сибири 2000», Красноярск, 2000, с. 185 -190.

47. A.I. Begunov, В. S. Gromov, R.V. Рак et al Intern. Claim PCT/RU 95/ 00215.52.3аявка на выдачу патента на изобретение РФ № 94 010353; 95 -113252.

48. Бегунов А.И., Бегунов А.А., Громов Б.С., Пак Р.В. Глинозём как источник поступления в атмосферу фтористого водорода. VI Межд. Конф. «Алюминий Сибири 2000», Красноярск, 2000, с. 191 -194.

49. W. Haupin JOM (TMS), vol 44, № 11, 1992 у, р.26.

50. M.M. Hyland, B.G. Haverkamp, BJ. Welch, J.B. Metson. Light Metals 1992, pp. 13-23.

51. B.G. Haverkamp, B.J. Welch, J.B. Metson Light Metals 1994, pp. 365 -370.

52. Справочник химика / Под ред. Никольского. Т.1., JI М., ГХИ, 1963, с.1071.

53. Патент РФ № 2 098 520. Опубл. 10.12.97 БИ №34

54. Бегунов А.И., Бегунов А.А. Патент РФ № 2 210 635. 0публ.20.08.03 БИ №23

55. Бегунов А.А., Бегунова Л.А., Кудрявцева Е.В., Яковлева А.А. Термодинамические характеристики сушки глинозёма. Материалы конф. Хим. Мет. Фак-та. Иркутск 2004г. с. 43.

56. Ерёмин Н.И., Зайцев Ю.А., Наумчик A.M. Производство глинозёма. Л., ЛГИ, 1983, 83 с.

57. Отчёт к договору на выполнение работ № 11 420 от 21.10.99 г. с ОАО КРАЗ. Иркутск, 2000, 94 с.

58. Лысенко Л.Н. Труды ВАМИ. Госплан СССР Главниипроект, 1959, № 42, с ЛОЗ - 126.

59. Бегунов А. А., Бегунов А.И., Иванов С. Д. Токоподвод к самообжигающемуся аноду алюминиевого электролизёра. Патент на изобретение РФ № 2 200 213 с приор, от 10.08.2000. Опубл. 10.03.03 БИ №7.

60. Терентьев В.Г., Школьников P.M., Гринберг И.С., Зельберг Б.И., Черных А.Е. Производство алюминия. Иркутск, 1998, 348 с.

61. Бегунов А.А., Бегунов А.И. Верхний токоподвод к самообжигающемуся аноду алюминиевого электролизёра. Патент на изобретение РФ № 2 207 407 с приор, от 06.12.2000 г. Опубл. 27.06.03 БИ № 18.

62. Зайцев В.Н., Хомяков B.C., Берштейн Я.А., Цыплаков A.M., Цыбуков И.К., Никифоров В.П., Киль И.Г. Алюминиевый электролизёр с верхним токоподводом Изобретение по авт. Св. СССР № 175242, опубл. 21.09.1965, бюлл. №19.

63. Бегунов А.И., Иванов С.Д. Цветная металлургия, Известия ВУЗов, 2003г. №3. с. 67-71.

64. Тихонов JI.B., Кононенко В.А., Прокопенко Г.И. Структура и свойства металлов и сплавов. Механические свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев. Наукова Думка. 1986. 568 с.

65. Масленков С.С., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник, т.1, М., Металлургия. 1991. 384 с.

66. Марочник сталей и сплавов. М. Металлургия, 1992г. 680 с.73. ГОСТ 5632 72 (Сб ГОСТов)

67. Журавлёв В.Н., Николаева О.М. Машиностроительные стали. Справочник. М., Машиностроение. 1992г. 480 с.

68. Минцис М.Я., Поляков П.В., Сиразутдинов Г.А. Электрометаллургия алюминия. Новосибирск, Наука, 2001, 368 с.

69. Н. Kvande. J. Chen and W. Haupin Light Metals 1994, pp. 429-440

70. W.E. Haupin. J. Metals, 23, 1971, № 10, pp. 46-49

71. Сираев H.C., Кагановская И.С., Цветная металлургия, бюлл. Института Цветметинформация, 1973, № 2, с. 25.

72. А.И. Бегунов. Технологическая гидродинамика электролизёров с горизонтально расположенными электродами, ч. I 249 с; ч. II - 102 с. Депонирована в ВИНИТИ 17.02.84 г, № 963 - 84 Деп.

73. B.Leber A. Tabereaux. J. Marks et al. Light Metals 1998, pp. 277 285.

74. А.И. Бегунов, С.Д. Иванов. В кн. «Математическое моделирование технологических процессов». Тамбов, 2002, с. 69-73.

75. Авторское свид. СССР № 175 242 с приор, от 21.09.1965.

76. А.И. Бегунов. Патент на изобретение РФ № 2.186.881 с приор, от 20.11. 2000 г. Опубл. 10.08.02 БИ №22.

77. А.И. Бегунов. Патент на изобретение РФ № 2.187.581 с приор, от 27.07. 2000 г. Опубл. 20.08.02 БИ №23.

78. А.И. Бегунов. Патент на изобретение РФ № 2.188.257 с приор, от 23.11.1999. Опубл. 27.08.02 БИ №24.