1 Изменение конструкции
1.1 Изменение формы секций ГСК с трапецеидальной на параболическую
Конструкция газосборного колокола, изначально разработанная для электролизеров С-2, С-3, работающих на силе тока 130 кА, в настоящее время без особых изменений эксплуатируется на электролизерах С-8БМ с силой тока 170 ? 175 кА.
При одинаковой площади поперечного сечения подколокольного пространства для С-2, С-3 и С-8БМ объем образующихся анодных газов на электролизерах С-8БМ больше, в результате чего выше скорость движения газов под колоколом (в 1,5 раза) и аэродинамическое сопротивление (более чем в 2 раза) [2].
В процессе эксплуатации это обусловливает более интенсивное забивание подколокольного пространства электролитом, глиноземом и угольной пеной, особенно в районе расположения бункеров автоматической подачи глинозема (АПГ) и выливных секций. При образовании отложений происходит выбивание анодных газов из под колокола, приводя к росту фонарных выбросов и ухудшению санитарных условий в рабочей зоне.
Совершенствование конструкции ГСК на электролизерах С-8БМ(Э) заключается в повышении пропускной способности и улучшении аэродинамических характеристик подколокольного пространства. Для этого нужно увеличить площадь поперечного сечения газоходного канала и изменить конфигурация секций ГСК с трапецеидальной на параболическую (рисунок 1). Параболическая форма канала близка к оптимальной круглой, в которой отсутствуют застойные зоны и вероятность образования отложений значительно ниже.
Рисунок 1 ? Сечение секции газосборного колокола
а ? С-8БМ, трапецеидальная форма;
б ? С-8БМ(Э), параболическая форма
В статье [3] приводится результат реализованных технических решений ? увеличение площади поперечного сечения газоходного канала в 2,5 раза, уменьшение скорости движения газов в подколокольном пространстве и его аэродинамического сопротивления более чем в 2 раза. При этом аэродинамические характеристики подколокольного пространства электролизера С-8БМ(Э) сопоставимы с таковыми для С-2 и С-3, для которых ГСК рядовой конструкции создавался изначально (таблица 1).
Таблица 1 ? Характеристики ГСК
Параметр Единица измерения Тип электролизера
С-2, С-3 С-8, С-8БМ С-8БМ(Э)
Общий объем образующихся анодных газов н.м3/ч 30 42 42
Объем анодных газов, поступающих в подколокольное
пространство по одной продольной стороне н.м3/ч 15 21 21
н.м3/с 0,0041 0,0058 0,0058
Площадь поперечного сечения подколокольного пространства м2 0,05 0,05 0,125
Скорость движения газов в подколокольном пространстве м/с 0,09 0,2 0,08
Число Рейнольдса - 80 160 80
Коэффициент трения (?) - 0,73 0,37 0,85
Потери давления Н/м2 0,05 0,12 0,05
?
1.2 Дожигание анодных газов
Известен ГСК, который состоит из прямых и угловых секций, подвешиваемых на протяжении всего периметр анодного кожуха электролизера, но использование подобного газосборного колокола не позволяет обеспечить устойчивую работу горелок. Обусловлено это тем, что патрубок, предназначенный для установки горелки и выполненный в виде прямоугольного колена, подвержен зарастанию пылевыми отложениями, препятствующими поступлению газов в зону горения.
Заявляемое в патенте [4] изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, основной задачей которого является повышение эффективности дожига анодных газов в горелках.
Автор патента указывает, что достигается это тем, что газосборный колокол алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, включающий прямые и угловые навесные секции в виде камер, образующих совместно с анодом канал для прохода газов, расположенные на двух угловых секциях посадочные патрубки для горелок с лючками для удаления отложений, посадочные патрубки для горелок выполнены в виде усеченных конусов и расположены на стенках угловых секций газосборного колокола, при этом отношение объема усеченного конуса к объему канала для прохода газов под угловой секцией газосборного колокола находится в пределах (0,2?0,8):1.
?
1.3 Крепление уголка по периметру анодного кожуха
Цель изобретения [5] заключается в увеличение срока службы газосборного колокола, снижение трудоемкости его ремонта и повышение сортности выпускаемого металла.
Это достигается тем, что к поясу жесткости анодного кожуха с помощью вертикальных тяг прикреплен уголок по всему периметру анодного кожуха. Кроме того, на вертикальную сторону уголка навешены секции, выполненные из алюминия или его сплавов.
На рисунке 2 изображен предлагаемый газосборный колокол, его общий вид. Газосборный колокол охватывает нижнюю часть анода по его периметру и имеет секции 1, закрепленные на 1 вертикальной стороне уголка 2. Уголок подвешен на поясе жесткости 3 с помощью тяг 4 и гаек 5. Алюминиевый газосборник работает аналогично газосборнику с чугунными секциями.
Рисунок 2 ? Общий вид предлагаемого ГСК
Сборка предлагаемого колокола сводится к развертыванию секций на вертикальную сторону уголка. Уплотнение торцевых стыков между 40 секциями осуществляется стягиванием фланцев-ребер с помощью клиньев. Герметизация достигается укладкой; в зазоры между стенками секций горизонтальных и вертикальных стенок 4, 5 и уголка асбестового картона, а также засыпкой в пространство между анодными кожухом и вертикальной стороной уголка герметизирующего порошка 6.
Могут быть применены секции существующей конструкции, но выполненные из алюминия или его сплавов. На уголок, могут быть навешены также и чугунные секции.
Конструкция алюминиевого газосборника исключает необходимость проведения ремонта газосборника на работающем электролизере, так как уголок, на который навешены секции, съемный, что значительно улучшает условия труда ремонтного персонала и увеличивает межремонтный срок.
Газосборный колокол данной конструкции не поддается расписанию в стороны во время эксплуатации на работающем электролизере благодаря своим конструктивным особенностям, что позволяет сохранить в постоянной величине рабочую зону обработки корки электролита и улучшить условия работы напольных рельсовых машин в корпусах электролиза с программным управлением, улучшить параметры электролиза и повысить производительность производства алюминия.
Газосборный алюминиевый колокол исключает попадание в расплав железа, кремния, примесей тяжелых металлов непосредственно из чугунных секций газосборника, что является определяющим условием выпуска алюминия высшими сортами.
Секции газосборника из алюминия или его сплавов просты в изготовлении и позволяют наладить их производство в цехах электролиза непосредственно на месте их применения из оборотного металла, что значительно снизит себестоимость секций и условия их эксплуатации.
?
2 Выбор материалов
2.1 Исследование коррозии серого чугуна под действием анодных газов в условиях электролиза
ГСК, собранный из отлитых из чугуна секций, при температуре ~ 973 К подвергается газовой коррозии под анодных газов. В связи с этим был проведен термодинамический анализ формирования анодных газов. В работе [6] показано, что агрессивная парогазовая среда в электролизере Содерберга формируется вследствие:
протекания реакции газификации углерода;
испарения серы, содержащейся в анодной массе, и образования сернистых газов;
испарения фторидов металлов и их взаимодействия с имеющейся в системе влагой с образованием фтороводорода.
В работе автора на основе результатов расчетов термодинамических характеристик химических реакций, протекающих на поверхности анода, которая контактирует с электролитом, обосновано, что под газосборным колоколом образуются такие газы как: СО, СО2, COS, SO2 и CS2.
Вместе с тем, исходя из термодинамической возможности протекания реакции:
2CO + SO2 > 2CO2 + 0,5S2,
?G0973K = ?209,9 кДж,
(1)
доказано наличие паров элементарной серы, которая может взаимодействовать с металлическими конструкциями электролизера, образуя сульфиды. Следовательно, секции ГСК подвергаются одновременно воздействию кислорода, СО, СО2, сернистого газа, паров серы и фтороводорода, образующегося в результате взаимодействия паров фтористых солей с влагой.
?
2.2 Влияние легирования на коррозионную стойкость чугунных отливок
В работе [6] был проведен термодинамический анализ коррозионной стойкости чугунов, легированных добавками Si либо Al, в среде анодных газов. При этом было учтено, что наличие кислорода в пространстве под колоколом приводит к образованию оксидов легирующих элементов. Следовательно, компоненты анодных газов вступают в реакцию с оксидами SiO2 и Al2O3 на поверхности изделия.
Реакция взаимодействия одного из главных источников коррозии HF c оксидом кремния и соответствующее значение изменения стандартной энергии Гиббса имеет следующий вид:
SiO2 + 4HF > SiF4^ + 2H2O;
?G0973K = ?13,1 кДж, или ?3,275 кДж/моль HF
(2)
Отрицательное значение изменения стандартной энергии Гиббса реакции (2) указывает на то, что в стандартных условиях она протекает и приводит к выносу кремния из слоя окалины вследствие высокой летучести SiF4, что исключает защитное действие оксидной пленки. Реакция (2) протекает также в реальных условиях, так как исходное парциальное давление газа SiF4 под колоколом незначительно.
При взаимодействии фтороводорода с оксидом алюминия образуется нелетучий фторид алюминия по реакции
Al2O3 + 6HF > 2AlF3 + 3H2O;
?G0973K = ?51,85 кДж, или ?8,64 кДж/моль HF
(3)
По уравнению изотермы Вант-Гоффа определена вероятность протекания реакции (3) в условиях, близких к реальным:
??G?_973K^0=??G?_^0 + RTln (P?_H20^(3(исх))?)/(P?_HF^(6(исх))?)=-51850 + 8,31 * 973ln (0,03?^3?)/(0,004?^6?)=
= +130730 Дж.
(4)
Полученный результат (4) указывает на то, что в условиях электролиза оксид алюминия, содержащийся в оксидной пленке, взаимодействовать с фтороводородом не должен. По этому показателю алюминий можно рассматривать как более перспективный, чем кремний, легирующий элемент.
Данный вывод подтверждается результатами расчетов ?G0973K реакций взаимодействия оксида алюминия с парами серы и сернистым газом, из которых следует, что в стандартных условиях протекание рассматриваемых взаимодействий невозможно. На рисунке 3 приведена балансовая термодинамическая диаграмма, характеризующая воздействие сернистого газа на чугун, легированный алюминием, которая подтверждает данный вывод.
Рисунок 3 – Балансовая термодинамическая диаграмма взаимодействия газа SO2 с чугуном, содержащим 8 масс. % алюминия
Как следует из представленной диаграммы, воздействие сернистого газа на чугун вначале приведет к образованию оксида и сульфида алюминия.
Первым завершится образование сульфида алюминия, и он начнет распадаться с образованием сульфида железа FeS.
На завершающей стадии окисления алюминия начнет окисляться железо с образованием плотной, тугоплавкой и химически инертной шпинели FeAl2O4.
Данный факт также позволяет заключить, что в среде анодных газов, содержащих SO2, повышенной стойкостью к окислению будет обладать чугун, легированный алюминием в количестве ~ 8 масс. %.
?
2.3 Исследование коррозии чугуна, легированного алюминием, в среде анодных газов
На рисунке 4 автором работы [6] представлены графики изменения массы отливок из серого чугуна, в том числе легированных алюминием, в среде, содержащей кислород, серу и SO2, в течение отжига при температуре 1023К.
Как следует из экспериментальных данных полученных автором, масса образцов возрастает при отжиге в среде агрессивных газов по параболическому закону. Вместе с тем изменение массы и, соответственно, скорость коррозии образцов, в присутствии SO2 и паров серы практически вдвое превышает аналогичный показатель в среде воздуха, что свидетельствует о приблизительно равном вкладе в коррозию кислорода и серы.
По полученным данным автором были рассчитаны значения скоростей коррозии серого и легированного алюминием чугуна и представлены в виде графика (рисунок 5).
Для сравнения на данном рисунке представлены результаты исследований коррозии чугуна, легированного хромом в количестве 7 и 8 масс. %, а также образцов хромистой стали Х18Н10Т.
