Введение
Алюминий сравнительно недавно стал промышленным металлом. Впервые металлический алюминий получил датский физик Г. Эрстед в 1825 г. восстановив хлористый алюминий амальгамой калия. В дальнейшем способ Эрстеда был улучшен: амальгаму калия заменили металлическим калием, а затем - более дешевым натрием.
Нестойкий и гигроскопичный хлористый алюминий заменили двойным хлоридом алюминия и натрия (AlCl3-NaCI). В 1865 г. русский ученый Н.Н. Бекетов предложил получать алюминий вытесненном его из фтористых соединении магнием.
Этот способ нашел применение в ряде стран Западной Европы. Производство алюминия “химическими” методами осуществлялось примерно в течение 35 лет (с 1854 до 1890 г.). За это время было получено около 200 т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы производства алюминия были вытеснены электролитическим. Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, которые в 1886 г. независимо друг от друга заявили аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема (А1203), растворенного в расплавленном криолите (Na2AIF6). С открытием электролитического способа началось быстрое развитие алюминиевой промышленности.
Датой рождения алюминиевой промышленности России считается 14 мая 1932 года, когда на Волховском заводе в Ленинградской области была получена первая партия металла.
Объединенная компания РУСАЛ – крупнейший в мире производитель алюминия и глинозема. На долю РУСАЛа в 2015 году приходилось около 9% мирового производства алюминия и 8% глинозема. РУСАЛ ведет свою деятельность в 19 странах на 5 континентах, общая численность его сотрудников составляет более 72 тыс. человек. В состав компании входят 15 алюминиевых заводов, 11 предприятий по производству глинозема, 8 предприятий по добыче бокситов, 3 предприятия по производству порошковой продукции, 2 предприятия по производству кремния, 2 завода по производству вторичного алюминия, 4 фольгопрокатных, 2 криолитовых и 1 катодный заводы.
Наряду с закрытием нерентабельных мощностей, РУСАЛ модернизировал действующие прибыльные производства с целью развития своей продуктовой линейки.
Сейчас Россия производит более 4 млн тонн алюминия, не только удовлетворяя потребности страны, но и экспортируя крылатый металл во все страны мира. РУСАЛ продолжает развивать отрасль, делая ставку на новые продукты, научные исследования, модернизацию существующих и строительство современных заводов. Новые предприятия позволят увеличить производственную мощность РУСАЛа более чем на 1,3 млн тонн. Строящиеся заводы расположены в Сибири, что обеспечивает им близость к Азии – крупнейшему и наиболее перспективному рынку потребления алюминия в мире.
Цветная промышленность является одной из ведущих отраслей промышленности в индустриальных странах и во многом определяет темпы развития и технический прогресс экономики. Практически нет ни одной отрасли экономики, которая бы не являлась потребителем алюминия.
Данные обстоятельства определяют актуальность выбранной темы курсового проекта. Опираясь на осмысленный исторический опыт, можно полнее обозначить значение алюминиевой отрасли для развития производительных сил страны, а также глубже и четче представить тот комплекс экономических, социальных, экологических проблем, который возникает и требует решения при строительстве алюминиевых заводов.
1 Описательная часть
1.1 Свойства и применение алюминия
Алюми
·ний элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Алюминий лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии Al жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке. Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Al соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому Al стоек против коррозии. Поверхность Al хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии. Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали. Силумины литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.
Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов. Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.
Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).
Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство - из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.
Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.
1.2 Сущность электролитического способа получения алюминия
В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолито – глинозёмных расплавов, основными компонентами которого являются: криолит (Na3AlF6), и глинозём (Al2O3).
Электролиз – физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.
Расплавленный криолит диссоциирует на ионы:
Na3AlF6 Na+AlF63-. (1)
Анион AlF63- частично диссоциирует:
AlF63- AlF4- + 2F-. (2)
Глинозём при растворении в электролите диссоциирует на ионы:
2Al2O3 Al3+ + AlO2- или Al2O3 Al3+ + AlO33-. (3)
Криолито – глинозёмный расплав является проводником второго рода.
Процесс электролиза, т.е. прохождение электрического тока с выделением веществ на электродах возможен только при величине напряжений между анодом и катодом, превышающей величину напряжения разложения.
Под воздействием электрического тока положительно заряженные ионы, называемые катионами, разряжаются на катоде, а отрицательно заряженные, называемые анионами, разряжаются на угольном аноде.
В процессе электролиза расходуется:
- электроэнергия, необходимая для разложения глинозёма и поддержания требуемой температуры электролита;
- глинозём, разлагающийся на алюминий и кислород;
- обожжённые аноды, при реакции окисления свободным кислородом;
- фтористые соли, вследствие улетучивания и впитывания в футеровку.
1.3 Строение криолито-глинозёмных расплавов
Электролиты – это жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых в сколько-нибудь заметной концентрации присутствуют ионы, обуславливающие прохождение электрического тока.
Распад молекул растворённых веществ на ионы в результате взаимодействия с растворителем называется электролитической диссоциацей.
Основные компоненты электролита:
- криолит (Na3AlF6) 75 – 90%;
- глинозём 2 – 10% (max 15%);
- фтористый Al до 15%;
- добавки (CAF2; MgF2 или др.) до 10%.
Кроме основных компонентов в электролите присутствуют примеси Fe; Si; Cu; P; V, которые поступают в электролизёр с исходными материалами, содержание их составляет десятые доли процента.
К электролиту предъявляют следующие требования:
- в расплавленном состоянии электролит должен полностью растворять глинозём;
- плотность электролита должна быть меньше плотности алюминия;
- электролит должен быть достаточно жидкотекуч и электропроводен;
- не должен быть гигроскопичен;
- не должен химически взаимодействовать с футеровкой электролизёра;
- все материалы поступающие на электролиз должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий.
Этим всем требованиям отвечает только криолит – это комплексная соль состоящая из фтористого натрия и алюминия. (Тпл - 1010°С).
Фтористый алюминий – это самый летучий компонент электролита (легко испаряется), он самый гигроскопичный и может быть подвержен электролизу.
Фтористый натрий – присутствует в качестве основного компонента электролита и снижение его содержания происходит за счёт внедрения натрия в структуру футеровки.
Состав электролита принято характеризовать криолитовым отношением – это отношение мольных концентраций фтористого натрия к алюминию:
К.О = 13 EMBED Equation.3 1415 (4)
Для чистого криолита: К.О. = 3;
щелочной электролит: К.О. > 3;
кислый электролит: К.О. < 3;
При электролизе алюминия применяют кислые электролиты (К.О. 2,2 – 2,8).
1.4 Выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них
различных факторов
Количество алюминия, которое должно выделиться при электролизе, можно определить по закону Фарадея:
M = 0,336 · I · t, (5)
где М – количество металла которое должно выделиться на катоде, г;
I – сила тока, А;
0,336 – электрохимический эквивалент алюминия, г/А·ч;
t – время, час.
На практике алюминия получается меньше. Так как кроме окисления алюминия, протекает много других процессов, уменьшающих его наработку. А также необходимо учитывать, что не весь ток используется в процессе электролиза из-за утечек как в самом электролизе, так и при примыкания конструкций и элементов кожуха и ошиновки.
Для характеристики производительности электролизёров используется понятие выход по току, который рассчитывается по формуле:
В.Т. = 100%·13 EMBED Equation.3 1415, (6)
где В.Т. – выход по току;
Мпр – практически полученное количество алюминия за промежуток времени;
Мтеор – теоретическое количество алюминия, которое должно выделиться по закону фарадея за тоже время при той же силе тока.
Выход по току определяется конструктивным и технологическими параметрами электролизёров. Выход по току зависит от следующих факторов:
- температура электролита при электролизе криолито-глинозёмных расплавов находится в пределах 950 – 965°С. С повышением температуры взаимодействие алюминия с электролитом усиливается, а увеличивающая циркуляция электролита приводит к тому, что алюминий быстрее попадает на поверхность или в анодное пространство и окисляется. При сильном снижении температуры выход по току также уменьшается, так как вязкость электролита увеличивается и в нём запутывается металл, Из-за повышения плотности электролита металл может всплывать на поверхность и окисляется кислородом воздуха;
- различные солевые добавки (CaF2, MgF2, LiF и другие) преследует цель увеличить электропроводность, снизить температуру плавления электролита и температуру самого процесса электролиза при сохранении его жидкотекучести и достаточной разницы плотностей металла и электролита;
- состав электролита определяет не только температуру его плавления, но и растворимость в нём алюминия, образования субфторидных соединений, возможность разряда иона Na+ . Оптимальным считается электролит с криолитовым отношением 2,5 – 2,7;
- плотность тока в значительной степени влияет на выход по току. При повышении плотности тока количество выделяемого металла увеличивается, а потери остаются без изменений. Но с увеличением плотности тока возрастает вероятность разряда иона Na+ на катоде, увеличивается падение напряжения в электролите и на анодах. Поэтому подбирают экономически выгодную плотность тока, при которой достигается максимальный выход по току с наименьшим расходом электроэнергии;
- межполюсное расстояние. Межполюсное расстояние – расстояние между нижней поверхностью анода и поверхностью расплавленного металла. Чем ближе находится анод к поверхности расплавленного металла, тем меньше МПР, тем легче перенос расплавленного алюминия к аноду, следовательно больше окисления алюминия и его потери. Чем больше МПР, тем больше сопротивление электролита, повышается напряжение на электролизёре, растёт расход электроэнергии и возрастает температура электролита. Целесообразно работать на МПР равным: 4,5 – 5,5 см;
- В.Т. зависит от циркуляции электролита, которая возникает не только от конвекции, но и от выделения газа на анодах, а так же от магнитных эффектов, сопровождающих перекосом поверхности металла и образованием в нём волн.
Для получения оптимального выхода по току, необходимо соблюдать технологическую инструкцию, не допуская нарушений нормальной работы электролизёров.
1.5 Новые материалы катодной футеровки
Катодная футеровка электролизёра подвержена разрушения от воздействия компонентов расплава и алюминия, что ведёт к снижению эффективности процесса.
Базовый блок должен обеспечивать:
- высокую смачиваемость жидкого алюминия;
- высокую удельную электропроводность;
- механическую прочность;
- низкую теплопроводность;
- хорошую стойкость химическую.
Установлено, что в настоящее время выше перечисленным свойствами обладают материалы на основе тугоплавких соединений:
TiB2 – TiC – дибарит TicTic ;
TiB2 – TiN – дибарит с нитридом Ti;
TiN – TiC – нитрид TiC.
Разработана методика новых композиционных смесей выше указанных соединений, которыми покрывают угольные и подовые блоки электролизёра (0,5 – 1 мм) перед пуском электролизёра в работу. Также разработана методика с использованием диборита Ti, который в виде порошка загружается в электролизёр во время пуска.
В последние годы в состав шихты стали вводить добавки искусственного графита, что повышает электропроводность катодных блоков и способствует их устойчивость против пропитки электролитом, «разбухания» материала. На отечественных предприятиях производят блоки с добавкой 25 – 30% графита, испытываются блоки с 50 и 70% графита.
Препятствием для широко применения графитовых катодных блоков является их низкая устойчивость к истиранию. Так, например, средний износ за год работы подины на основе графитизированных блоков электролизёра мощностью 350 кА составил 53 мм. При этом зависимость износа от анодной плотности не установлена. Поэтому большая часть специалистов склоняется к тому, что рационально использовать блоки с 70 – 80% графита, что повышает их устойчивость к истиранию.
В качестве бортовой футеровки используют боковые угольные блоки толщиной 200 мм, произведённые на основе антрацита. Однако всё шире используются плиты толщиной 65 – 100 мм на основе термостойкого материала – карбида кремния. Несомненным преимуществом карбидокремниевых плит является то обстоятельство, что они не электропроводны и исключают работу ванны «в борта». Они не окисляются в агрессивной среде, практически не пропитываются электролитом. Толщина карбидокремниевых плит в 2 – 3 раза меньше толщины угольных блоков, что позволяет уменьшить размеры и массу электролизёра.
Вывод: в данном разделе были рассмотрены следующие теоретические вопросы: свойства и применение алюминия; сущность электролитического способа получения алюминия; строение криолито-глинозёмных расплавов; выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них различных факторов; новые материалы катодной футеровки;
2 Расчётно-технологическая часть
2.1 Выливка металла
Выливку металла из электролизёров производят по графику один раз в сутки, по результатам замеров уровней металла по контрольной линейке, с помощью контроля рабочего напряжения по вольтметру. Выливка электролизёров по рабочему напряжению предусматривает поддержание заданного технологической инструкцией уровня алюминия в ванне.
Бланк задания на выливку составляется старшим мастером отделения электролиза или бригадиром на основании замеров уровней металла, где указывается сортность выливаемого металла из каждого электролизёра, необходимая для планирования работы литейного отделения. Перед началом выливки мастер смены отделения электролиза совместно с мастером смены литейного отделения устанавливает очерёдность выливки металла из ванн с учётом сортности металла в ваннах (по анализам, взятым до выливки).
Как правило, выливка металла должна производиться перед обработкой ванн.
Подготовка электролизёра к выливке. Подаваемые для выливки металла вакуумные ковши и транспортные литейные ковши должны быть чистыми и прогретыми.
Перед выливкой электролизник в установленном для выливки месте, пробивает в корке электролита отверстие для установки приёмной трубы вакуум ковша. Корка вытаскивается на борт, подина очищается от осадка подтягиванием его к борту, или, при необходимости, он извлекается из электролизёра. Места для выливки (окна) постоянно должны поддерживаться в чистом состояние всеми звеньями бригады.
Во время выливки створки крышечного укрытия открываются только на ванне, из которой производят выливку металла. После выливки металла створка крышечного укрытия должна быть обязательно закрыта.
При подготовке электролизёра к выливке бригадир проверяет состояние электролизёров: рабочее напряжение, уровни металла и электролита, состояние настылей и величин осадка, знакомится с заданием на выливку.
Процесс выливки. Выливка металла осуществляется вакуум – ковшом, труба которого опускается в подготовленное окно в корке электролита.
Вакуум – ковш для выливки алюминия
1 – стальной корпус; 2 – заборная труба.
Рисунок 1
Во время выливки металла электролизник опускает анод соответственно скорости выливки, следит за показаниями вольтметра, и за величиной перемещения анодной шины относительно нижних упоров. Скорость опускания анодного массива при выливке должна соответствовать скорости снижения уровня металла, что достигается поддержанием рабочего напряжения выше нормального на 0,1 – 0,2В.
При сливе металла до необходимого уровня по линейке электролизник даёт команду выливщику о прекращении выливки. Рабочее напряжение снижается до нормального в течении 1 – 2 часов. Окно и провалившаяся корка электролита засыпаются глинозёмом, отводятся огоньки и опускается укрытие. В звене, где по графику производится выливка, допускается не более- 2-х-одновременно открытых створок электролизёра.
2.2 Нарушения в работе ванн
Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизёров. К этим параметрам относятся сила тока, рабочее и среднее напряжение, температура электролита, количество металла и электролита, перепад напряжения в подине ванны, состав электролита, частота и продолжительность анодных эффектов, форма рабочего пространства, а также технологические параметры формирования самообжигающихся анодов.
Нарушения в работе электролизёров – это отклонение от нормального режима работы ванн, вызываемые различными причинами и приводящие к снижению производительности, росту расхода сырья и электроэнергии, сокращению срока службы электролизёров и в некоторых случаях – к выходу их из строя. При отклонении от нормального режима могут ухудшаться как все технико-экономические показатели работы электролизёра, например при его горячем ходе, так и некоторые показатели.
Наиболее часто встречающиеся неполадки в работе электролизёров можно подразделить по их характеру на следующие группы:
- горячий ход электролизёра. Характерными признаками горячего хода является повышенная температура электролита, жёлтый цвет газов, выделяющихся из-под анода, слабая корка электролита, редко наступающие и «тусклые» анодные эффекты. Когда такие признаки обнаруживаются одновременно на большей части электролизёров, установленных в одной серии, причиной является несоответствие выбранных параметров обслуживания электролизёров силе тока на серии.
В этом случае приход тепла не соответствует его расходу (отводу), а поэтому необходимо снижение силы тока на серии до величины, позволяющей восстановить тепловое равновесие электролизёров. После снижения силы тока следует выяснить и устранить конкретные причины, вызывающие указанное несоответствие. Наиболее вероятными из них являются пониженная электропроводность электролита и недостаточное количество технологического металла в шахте ванны. Состав электролита корректируют различными добавками; уровень технологического жидкого металла поднимают, задерживая выливку его или наплавляя твёрдый. Только после устранения выявленных причин силу тока на серии постепенно поднимают до расчётной величины.
- уменьшение междуполюсного расстояния или замыкание на металл анодных блоков электролизёров с предварительно обожжёнными анодами (в практике это нарушение называется «зажатием» электролизёра). Это нарушение характеризуется низким напряжением при высокой температуре электролита.
Отличительной особенностью «зажатия» является очень слабое выделение газов жёлтого цвета по периметру анода и отсутствие бурление электролита. Причины этого нарушения: неосторожное уменьшение междуполюсного расстояния при опускании анода или замыкание его на подовые настыли. В первом случае протекает обратная реакция – окисление алюминия газами, выделяющимися на аноде, с образованием глинозёма и выделением большого количества тепла, что приводит к перегреву расплава. Во втором случае происходят местные перегревы и нарушается нормальная работа ванны. Для устранения «зажатия» поднимают анод до тех пор, пока по его периметру не начнётся интенсивное выделение газов, характеризующееся бурлением электролита.
Для ускорения вывода ванны на нормальную работу следует охладить расплав, переплавив в нём твёрдый металл и кусковой электролит. С внедрением системы автоматического регулирования положения анода это нарушение в работе электролизёров встречается реже;
- работа «в бок». Это технологическое нарушение часто возникает в случае, когда значительная часть электрического тока идёт не через металл и подину ванны, а через электролит и обнажённые (без гарниссажа) боковые блоки. Обычно оно наблюдается при наличии больших сплошных осадков на подине электролизёра. Сначала для устранения этого нарушения осадок подтягивают к борту в местах прохождения тока, чтобы образовался гарниссаж. Если же он не образуется, то необходимо искать другие причины работы электролизёра «в бок»; чаще всего – это последствия горячего хода, местного перегрева или воздействия электромагнитных сил;
- карбидообразование. Наиболее серьёзным расстройством технологического режима электролизёра является накарбиживание электролита. Это нарушение возникает вследствие горячего хода электролизёра и особенно часто наблюдается во время его пуска и в послепусковой период работы. В условиях сильного перегрева происходят повешенное растворение в электролите алюминия, что способствует взаимодействию его с частицами угля, взвешенными в расплаве, приводящему к образованию карбида алюминия. Эта реакция протекает с выделением большого количества тепла, что способствует интенсивному её протеканию. Обычно карбидообразование начинается на участках местного перегрева и очень важно не дать распространиться процессу на весь электролизёр. Для этого анод поднимают, увеличивая междуполюсное расстояние. Одновременно из ванны выливают неуглероженный электролит и заливают свежий, затем аккуратно извлекают тестообразные наросты. Если эти меры оказываются недостаточными и большая часть ванны уже подвергалась карбидообразованию, заменяют весь электролит или (как крайняя мера) электролизёр отключают от серии, тщательно очищают подину и анод от осадка и карбидообразований и лишь после этого электролизёр снова пускают в эксплуатацию;
- трудноустранимый анодный эффект (в практике носит название «затяжной», или «негаснущий» вспышки). До настоящего времени истинные причины и механизм возникновения «затяжных» вспышек до конца не изучены. Практика работы показывает, что возникновение трудноустранимого анодного эффекта обусловлено наличием в электролите нерастворённого глинозёма во взвешенном состоянии. Наиболее часто такое явление наблюдается на ваннах с низким уровнем электролита, на подинах которых имеются чрезмерные подовые настыли и большие глинозёмистые осадки. Для устранения «затяжного» анодного эффекта тщательно очищают от глинозёма корку электролита по всему периметру шахты ванны, затем корку вскрывают и удаляют. Одновременно увеличивают междуполюсное расстояние, поднимая анод. При кислом электролите в него добавляют фтористый натрий или соду для улучшения растворимости глинозёма. Часть пересыщенного глинозёмом электролита выливают, а для освежения и охлаждения электролита наплавляют свежий криолит равномерно вокруг анода. Практикуется также замена части или всего электролита свежим. Места с сильным движением расплава у борта шахты ванны прокладывают крупными кусками застывшего электролита;
- холодный ход. При условии, когда электролизёр отдаёт больше тепла, чем в нём выделяется, температура расплава понижается. Холодный ход электролизёра приводит к серьёзным расстройствам технологического процесса вплоть до возникновения «затяжных» анодных эффектов и практически необратимых изменений формы рабочего пространства шахты ванны. Причиной холодного хода одновременно всех электролизёров серии или большинства из них является недостаточная сила тока. Как правило, это наблюдается при ограничениях энергоснабжения.
Поэтому для восстановления нормального технологического режима в таких случаях необходимо увеличение силы тока. Частые и долгие ограничения энергоснабжения приводят к необратимым нарушениям технологического процесса электролиза и к резкому снижению производительности, а также всех других технико-экономических показателей работы электролизных ванн. Поэтому бесперебойное и равномерное обеспечение электроэнергией является обязательным условием ведения процесса электролиза алюминия. Для устранения холодного хода на таком электролизёре поддерживают повышенное напряжение и постепенно удаляют лишний металл;
- прорыв расплава из шахты ванны. Этот вид технологического нарушения возникает как следствие горячего хода электролизёра при отсутствии достаточных бортовых настылей и гарниссажа. При обнаружении места прорыва расплава стремятся как можно скорее остановить течь. Для этого используют заготовленный ранее кусковой электролит в смеси с глинозёмом. Поскольку электролит в шахте ванны перегрет только на 15 – 30°С против температуры его кристаллизации, поступления относительно холодных материалов в места образования течи позволяет «заморозить» расплав и тем самым приостановить вытекания его из шахты ванны;
- нарушения работы анода. К числу основных нарушений, связанных с работой анода, относятся: течи пека и жидкой анодной массы у непрерывных самообжигающихся анодов; прорывы пека и жидкой анодной массы в расплав, а также загорание анодной массы у электролизёров с верхним токоподводом; выгорание отдельных участков боковой поверхности анода – так называемое образование шеек на аноде, расслоение анода. У электролизёров с предварительно обожжёнными анодами – перекос и обрыв анодов.
- ограничения или перерывы в снабжении электролизёров электроэнергией. При прекращении поступления электрической энергии к электролизёру в первую очередь происходит резкое изменение свойств электролита в условиях охлаждения расплава, так как при нормальных условиях процесса он перегрет относительно температуры плавления всего на несколько десятков градусов. Сначала повышаются его вязкость и плотность, которая ещё до перехода электролита в твёрдое состояние становится выше плотности расплавленного алюминия, что приводит к перемешиванию всех составляющих расплава и всплытию алюминия на его поверхность.
Для возобновления процесса электролиза на таком электролизёре необходимо разогреть его до температуры, при которой осуществляется процесс, на что потребуется затратить значительное количество электрической энергии. Восстановление технологического процесса на таком электролизёре происходит медленно и требует значительных трудовых затрат, связанных с расчисткой подины от осадков.
2.3 Конструктивный расчёт электролизёра
2.3.1 Выбор электрических параметров
В данном курсовом проекте произведён расчёт электролизеров с обожжёнными анодами на силу тока 200 кА.
Анодная плотность тока для этих электролизеров составляет около 0,7 А/см2.
Выход по току принимается равным 93%.
Для преобразования переменного тока в постоянный принята типовая подстанция на 850 В.
2.3.2 Расчёт количества анодов
Определяется общая площадь анодов:
Sобщ = 13 EMBED Equation.3 1415, (7)
где Sобщ – общая площадь сечения анодов, см2;
I – сила тока, А;
da – анодная плотность тока, А/см2.
13 EMBED Equation.3 1415(см2).
Для электролизеров с обожжёнными анодами при силе тока 200 кА анод состоит из стандартных блоков размерами 1450Ч700 мм и высотой 600 мм.
Площадь анода вычисляется по формуле:
Sa = La
· Ba , (8)
где Sa – площадь анода, см2;
La – длина анодного блока, см;
Ba – ширина анодного блока, см.
Sa = 145
· 70 = 10150 (cм2).
Тогда количество анодных блоков составит:
nа = 13 QUOTE 141513 EMBED Equation.3 1415 , (9)
где na – количество анодных блоков, шт.;
Sобщ – общая площадь анодов, см2;
Sa – площадь анодов блока, см2.
13 EMBED Equation.3 1415 (шт.).
Принимаются и устанавливаются 28 анода. Анодные блоки в электролизере устанавливаются в два ряда по 14 штук в одном ряду.
Уточняется анодная плотность тока и общая анодная площадь:
Sобщ = na
· Sa , (10)
где Sобщ – общая анодная площадь, см2;
na – количество анодов, шт.;
Sa – площадь сечения анода, см2.
Sобщ = 28
· 10150 = 284200 (см2).
da = 13 QUOTE 141513 EMBED Equation.3 1415 , (11)
где da – анодная плотность тока, А/см2;
I – сила тока, А;
Sобщ – общая анодная площадь, см2
da =13 EMBED Equation.3 1415 = 0,7 (А/см2).
2.3.3 Определение внутренних размеров шахты ванны
Расстояние между анодами в ванне принимаются 50 мм, расстояние от анода до торцевой стороны ванны 600 мм, от анода до продольной стороны ванны 350 мм.
Определяется длина шахты ванны:
Lш = n
· Ba + m
· c + 2
· b, (12)
где Lш – длина шахты ванны, мм;
Ba – ширина анода, мм;
n – количество анодов в ряду, мм;
m – расстояние между анодами, мм;
с – количество расстояний между анодами, шт.;
b – расстояние от анода до торцевой стороны ванны, мм.
Lш = 14
· 700+50
·13+2
·600 = 11650 (мм).
Определяется ширина шахты ванны:
Вш = n
· La +
·
· c + 2
· a, (13)
где Вш – ширина ванны, мм;
n – количество анодов по ширине ванны, шт.;
La – длина анодного блока, мм;
· – расстояние между рядами анодов, равное 200 мм;
с – количество расстояний между анодами, шт.;
а – расстояние от анода до продольной стороны ванны, мм.
Вш = 2
· 1450
· 200
· 1 + 2
· 350 = 3800 (мм).
Определяется глубина шахты ванны:
Нш = hme + hэл + h Al13 EMBED Equation.3 1415O13 EMBED Equation.3 1415 , (14)
где Нш – глубина шахты ванны, мм;
hme – высота металла, равная 250 мм;
hэл – высота электролита, равная 180 мм;
h Al2O3 – толщина корки электролита, равная 100 мм.
Нш = 230 + 180 + 100 = 530 (мм).
2.3.4 Расчёт катодного устройства ванны
Катодное устройство состоит из угольных моноблоков длиной 3500 мм и сечением 400Ч550 мм.
В паз каждого блока заделывается блюмс сечением 230Ч115 мм.
Определяется количество катодных блоков:
nk = 13 EMBED Equation.3 1415 , (15)
где nk – количество катодных блоков, шт.;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Вб – ширина катодного блока, мм;
m – толщина шва между двумя блоками, принимается 50 мм.
nк = 13 QUOTE 1413 EMBED Equation.3 141515(шт.).
Принимается 19 катодных моноблоков.
Определяется расстояние между катодами и торцевой стороной шахты:
SТ = 13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 (16)
где SТ – расстояние в торцах ванны, мм;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Вб – ширина катодного блока, мм;
nб – число катодных блоков в ряду, шт.;
nш – число набивных швов между катодными блоками, шт.;
mб – толщина шва между блоками, мм.
SТ =13 EMBED Equation.3 1415 (мм).
По продольной стороне:
Sn =13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 (17)
где Sn – расстояние по продольной стороне, мм;
Вш – ширина шахты ванны, мм;
Lб – длина катодного блока, мм.
Sn = 13 EMBED Equation.3 1415=150 (мм).
2.3.5 Определение внутренних размеров кожуха ванны
Длина кожуха ванны определяется по формуле:
Lк = Lш + 2
· Lф , (18)
где Lк – длина кожуха ванны, мм;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Lф – толщина карбидокремниевой плиты, мм.
Lк = 11650 + 2
· 70 = 11790 (мм).
Ширина кожуха определяется по формуле:
Вк =Вш + 2
· Lф , (19)
где Вк – ширина кожуха ванны, мм;
Вш – ширина шахты ванны, мм;
Lф – толщина карбидокремниевой плиты, мм.
Вк = 3800 + 2
· 70 = 3940 (мм).
Глубина кожуха ванны. Футеровка подины ванны, кроме подового блока высотой 400 мм, уложенного на слой кварцевого песка, толщиной 6 мм, принимается из трёх рядов шамотного кирпича, толщиной 65 мм каждый, одного ряда вермикулита, толщиной 76 мм, и 6 мм ацеида, с перевязкой швов по вертикали и по горизонтали.
Нкв = Нш + Нб + hкп + 3· hш+ hа + hв , (20)
где Нкв –глубина кожуха ванны, мм;
hш – глубина шахты ванны, мм;
hб – высота катодного блока, мм;
hкп – толщина кварцевого песка, мм;
hш – толщина шамотного кирпича, мм;
ha – толщина ацеида, мм;
hа – толщина вермикулитовой плиты, мм.
Н кв = 530 + 400 + 6 + 3
· 65 + 6 + 76 = 1213 (мм).
2.3.6 Определение внешних размеров кожуха ванны
Принимается кожух электролизера с днищем, сварной из листовой стали, толщиной 10 мм и укрепляется снаружи поясами жёсткости. Для укрепления кожуха используется контрофорсы размерами 450 мм.
Определяется наружная длина кожуха по формуле:
Lкн = Lк + 2
· (hкож + hк), (21)
где Lкн – длина кожуха наружная, мм;
Lк – внутренняя длина кожуха, мм;
hкож – толщина стального кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Lкн = 11790 + 2
· (10 + 450) = 12710 (мм).
Определяется ширина кожуха по формуле:
Вкн = Вк + 2
· (hкож + hк), (22)
где Вкн – ширина кожуха, мм;
Вк – внутренняя ширина кожуха, мм;
hкож – толщина кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Вкн = 3940 + 2 (10 + 450) = 4860 (мм).
Высота кожуха определяется по формуле:
Нк = Нкв + hкож + hк , (23)
где Нк – высота кожуха, мм;
Нкв – внутренняя глубина кожуха, мм;
hкож – толщина кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Нк = 1213 + 10 +450 = 1673 (мм).
2.4 Материальный расчёт
В задачу материального расчёта входит определение производительности ванны, расхода сырья и материалов в соответствии с производительностью. Расчёт ведётся на 1 час работы ванны по формуле:
РAl = k
· I
·
·
·
·m , (24)
где РAl – производительность на 1 час работы, кг/ час;
k – электрохимический эквивалент алюминия, г/А
· ч;
I – заданная сила тока, кА;
· – продолжительность работы ванны, ч;
·m – выход по току, принят 0,93%.
РAl = 0,336
· 200
· 1
· 0,93 = 62,5(кг/ч).
Расход сырья (m) на 1 m алюминия принимается по данным практики:
- глинозем - 1,92;
- криолит - 0,0136;
- фтористый кальций - 0,0015;
- фтористый алюминий - 0,024;
- фтористый магний - 0,0015;
- аноды - 0,544.
Практический расход глинозёма несколько больше теоретического (1,89). Это объясняется наличием в глинозёме примесей, а также механическими потерями при транспортировке и загрузке в ванну.
Потери глинозёма составят:
62,5
· (1,92 – 1,89) = 1,875 (кг).
Расход сырья на 1 час работы ванны составит:
- глинозем 62,5
· 1,92 = 120(кг);
- криолит 62,5
· 0,0136 = 0,85 (кг);
- фтористый кальций 62,5
· 0,0015 = 0,09 (кг);
- фтористый алюминий 62,5
· 0,024 = 1,5 (кг);
- аноды 62,5
· 0,544 = 34(кг);
- фтористый магний 62,5
· 0,0015 = 0,09 (кг).
Состав анодных газов принимается 60% СО2 и 40% СО, тогда:
13 EMBED Equation.3 1415 , (25)
где 48 и 54 – молярные массы кислорода и алюминия в глинозёме.
13 EMBED Equation.3 1415 (кг).
Из 56,25 кг О2 в состав СО2 входит:
Р1 =13 EMBED Equation.3 1415 (26)
где Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
13 EMBED Equation.3 1415 – количество образовавшегося, кг;
СО2 и СО – количество СО2 и СО в анодных газах.
13 EMBED Equation.3 1415 42,19 (кг).
Из 56,25 кг О2 в состав СО2 входит:
Р2 =13 EMBED Equation.3 1415 , (27)
Р2 = 13 EMBED Equation.3 1415 (кг).
Проверка:
РО2 = Р1 + Р2, (28)
РО2 = 42,19 + 14,06= 56,25(кг).
Определяется количество углерода, которое свяжется с кислородом в СО2:
Р3 =13 EMBED Equation.3 1415, (29)
где Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
16 и 12 – молекулярные массы углерода и кислорода.
Р3 =13 EMBED Equation.3 1415= 15,8 (кг).
Определяется количество углерода, которое свяжется с О2 и СО:
Р4 =13 EMBED Equation.3 1415, (30)
где Р4 – количество углерода, которое свяжется с О2 в СО, кг;
Р2 – количество О2 в составе СО, кг;
12 и 16 – молярные массы углерода и кислорода.
Р4 =13 EMBED Equation.3 1415 10,5 (кг).
Определяется количество СО и СО2, образовавшиеся за 1 час работы ванны:
13 EMBED Equation.3 1415 = Р1 + Р3, (31)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – количество СО2, образовавшегося за 1 час работы ванны, кг;
Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
Р3 – количества углерода в составе СО2, кг.
13 EMBED Equation.3 1415=42,2+ 15,8= 58 (кг).
РСО = Р2 + Р4, (32)
где РСО – количество СО, образовавшегося за 1 час работы ванны, кг;
Р2 – количество О2 в составе СО, кг;
Р4 – количество углерода в составе СО, кг.
РСО = 14,06+ 10,5 = 24,56 (кг).
Огарки составят 20% от использованных анодов, тогда:
Рог = n
· 0,2, (33)
где Рог – количество огарков, кг;
n – расход анодов на 1 час работы ванны, кг.
Рог = 34
· 0,2 = 6,8 (кг).
Количество анодных газов составит:
13 EMBED Equation.3 1415, (34)
Раг = 24,56 + 58= 82,56(кг).
Материальный баланс электролизера на час работы при силе тока 200000 А представлен в таблице 1.
Таблица 1-Материальный баланс ванны
Приход
Расход
Исходные продукты
кг/ч
%
Конечные продукты
кг/ч
%
глинозём
120
76,66
алюминий
62,5
39,9
криолит
0,85
0,54
анодные газы
82,56
52,7
фтористый алюминий
1,5
0,96
огарки
6,8
4,34
фтористый магний
0,09
0,06
потери фтористых солей
2,795
1,79
фтористый кальций
0,09
0,06
потери глинозёма
1,875
1,198
аноды
34
21,72
Итого:
156,53
100
Итого:
156,53
100
2.5 Электрический расчёт
В задачу электрического расчёта ванны входит определения сечения и длины проводниковой электроцепи от анодной до катодной ошиновки, составление баланса напряжения, определение среднего и рабочего напряжения на ванне, определение выхода по энергии.
Плотность тока для алюминиевых проводников принимается равной 0,4 А/мм2, а для стали 0,2 А/мм2.
2.5.1 Расчёт анодной ошиновки
Ток к главным анодным шинам подводят с помощью гибких компенсаторов, через стоянки. Компенсатор представляет собой большое количество алюминиевых лент, собранных в пакете, один конец которых крепится к стояку, другой – к анодной шине.
Сила тока в компенсаторе при двустороннем подводе тока будет равна:
13 EMBED Equation.3 1415 Iк = 13 EMBED Equation.3 1415 , (35)
где Iк – сила тока в компенсаторе, А;
I – заданная сила тока, А;
2 – два компенсатора и подвод тока с двух сторон.
Iк = 13 EMBED Equation.3 1415(А).
Принимается сечение одной алюминиевой ленты, равное 200Ч1,7 мм. Тогда площадь сечения ленты составит:
Sл = 200
· 1,7 = 340 (мм2).
Стояк собирается из четырёх пакетов, состоящих из алюминиевых лент по 50 лент в пакете.
Определяется общая площадь лент:
Sк.общ = Sл
· nл , (36)
где Sк.общ – общая сторона компенсатора, мм2;
Sл – площадь сечения ленты, мм2;
nл – количество лент в пакете, шт.
Sк.общ = 2
· 340
· 4
· 50 = 136000 (мм2).
Плотность тока в компенсаторе составит:
dk =13 EMBED Equation.3 1415 , (37)
где dk – плотность тока в компенсаторе, А/мм2;
Ik – cила тока в компенсаторе, А;
Sk – площадь сечения компенсаторов, мм2.
dk =13 EMBED Equation.3 1415= 0,37 (А/мм2).
Сила тока в стояках будет такая же, как и в компенсаторах. Следовательно, сечение стояка должно быть равно сечению компенсатора.
Пакеты стояка привариваются одним концом к главной анодной шине, а другим концом к соединительной шине, которая отходит от катодной ошиновки.
Главная анодная шина состоит из двух алюминиевых шин сечением 500Ч280 мм.
Таким образом, площадь сечения шины будет равна:
Sш = 2
· 500
· 280 = 280000 (мм2).
Плотность тока в шине составит:
dш =13 EMBED Equation.3 1415, (38)
где dш – плотность тока в шине, А/мм2;
I – заданная сила тока, А;
Sш – площадь сечения шины, мм2.
dш =13 EMBED Equation.3 1415= 0,36 (А/мм2).
В качестве анододержателей устанавливается специально отлитые слитки сечением 140Ч156 мм. Таким образом, площадь сечения анододержателей составит:
Sа.д = na
· Sa , (39)
где Sа.д – общая площадь сечения анододержателей, мм2 ;
na – количество анодов, шт;
Sa – площадь сечения анододержателя, мм2.
Sа.д = 28
· 140
· 156 = 611520 (А/мм2).
Плотность тока в анододержателях будет определяться по формуле:
dа.д =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,4; (40)
где dа.д. – плотность тока в анододержателях, А/мм2;
I – сила тока, А;
Sа.д – площадь анододержателей, мм2.
dа.д =13 EMBED Equation.3 1415= 0,33 (А/мм2).
Каждый анододержатель соединяется с анодным блоком с помощью ниппелей, представляющих собой стальные стержни круглого сечения диаметром 160 мм; глубина ниппельного гнезда в блоке 100 мм.
Плотность тока в ниппеле определяется по формуле:
dнип =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,2 (41)
где dнип – плотность тока в ниппеле, А/мм2;
I – сила тока, А;
·
· – 3,14;
r – радиус ниппеля, мм;
nн – число ниппелей, шт.;
nа – количество анодов, шт..
dнип =13 EMBED Equation.3 1415= 0,09 (А/мм2).
2.5.2 Расчёт катодной ошиновки
Общее сечение сорока четырёх блюмсов составит:
Sб = nбл
· Sл , (42)
где Sб – общее сечение блюмсов, мм2;
nбл – число блюмсов, шт;
Sл – сечение блюмса, мм2.
Sб = 38
· 230
· 115 = 1005100 (мм2).
Плотность тока в стальных блюмсах определяется по формуле:
dб =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,2 (43)
где dб – плотность тока в блюмсах, А/мм2.
I – сила тока, А;
Sб – площадь сечения блюмсов, мм2;
dб= 13 EMBED Equation.3 1415= 0,20 (А/мм2),
что равно допустимой плотности тока для стали 0,2 А/мм2.
Длина блюмсов по конструктивным соображениям принимается с каждой стороны на 530 мм больше, чем длина катодных блоков, следовательно, длина блюмсов равняется:
Lв = 3500 + 2
· 530 = 4560 (мм).
Блюмс соединяется с катодными шинами с помощью алюминиевых лент. Каждый блюмс соединяется с соответствующей катодной шиной с помощью 70 алюминиевых лент стандартного сечения размером 100Ч2 мм.
dл =13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 0,4 (44)
где dл – плотность тока в лентах, А/мм2,
I - сила тока, А
nбл – количество блюмсов, шт;
nл – количество лент в пакете, шт;
Sл – сечение лент, мм2.
dл =13 EMBED Equation.3 1415= 0,38 (А/мм2).
Длина спусков по конструктивным соображениям принимается равной 600 мм. Ток от ванны отводится с двух сторон от сорока четырёх катодных блюмсов алюминиевыми шинами. Для катодного шинопровода принимаются стандартные алюминиевые шины сечением 600Ч80 мм. Каждый шинопровод соединяется в виде пакета из 12 лент.
Плотность тока в шинопроводе определяется по формуле:
dш.к =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,4, (45)
Таким образом, площадь сечения шинопровода будет равна:
Sш.к. = 600
· 80
· 12 = 576000 (мм2),
где dш.к – плотность тока в шинопроводе, А/мм2;
I - сила тока, А;
Sш.к. – площадь сечения шинопровода, мм2.
dш.к =13 EMBED Equation.3 1415 = 0,35 (А/мм2).
Длина элементов электрической цепи по конструктивным соображениям и температуры отдельных участков цепи принимается по данным практики, что представлено в таблице 2.
Таблица 2-Длина элементов электрической цепи
Наименование
Длина, мм
Температура, є С
Обводная шина
10000
100
Анодная шина
11000
75
Стояк
3000
50
Анододержатель
3000
75
Ниппель
365
150
Катодная шина
12000
100
Блюмс, не заделанный в катод
530
200
Алюминиевые спуски
600
150
2.5.3 Расчёт баланса напряжения ванны
Среднее напряжение ванны может быть определено по формуле:
Uср = Uа + Uэл + Uк + Uн.р. + Uа.э. + Uош, (46)
где Uср – среднее напряжение в ванне, В;
Uа – падение напряжения в анодном устройстве, В;
Uэл – падение напряжения в электролите, В;
Uк – падение напряжения в катодном устройстве, В;
Uн.р. – падение разложения, В;
Uа.э. – изменение напряжения за счёт анодного эффекта, В;
Uош – падение напряжения в общесерийной ошиновке, В;
Падение напряжения в ошиновке и во всех её элементах, в которых сила тока не изменяется по длине, рассчитывается по закону Ома:
U = p
· l
· d , (47)
где U – падение напряжения, В;
p – удельное сопротивление, ОМ
· см;
l – длина участка шинопровода, см;
d – плотность тока на участке ошиновки, (А/см2);
Удельное сопротивление зависит от температуры и рассчитывается по формулам:
pAl = 2,8
· (1+0,038
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для алюминия); (48)
pугл = 47,5
· (1+0,0025
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для углерода) ; (49)
pст = 13
· (1+0,004
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для стали). (50)
Падение напряжения в анодном устройстве составит:
Uа = Uан.шин + Uст + Uобв.шин + Uан.ст + Uаш.ан + Uад + Uан.к +
+Uк.н + Uнип + Uа.б + Uнип.аб , (51)
где Uан.шин – падения напряжения в анодной ошиновке, В;
Uст – падение напряжения в стояке, В;
Uобв.шин – падения напряжения в обводной ошиновке, В;
Uан.ст – падение напряжения в контакте «анодная шина - стояк», В;
Uаш.ан – падение напряжения в контакте «анодная шина - анододержатель»,В;
Uад – падение напряжения в анододержателе, В.
Uан.к – падение напряжения в контакте «анододержатель - кронштейн», В;
Uк.н – падение напряжения в контакте «кронштейн - ниппель», В;
Uнип – падение напряжения в анодном блоке, В;
Uа.б – падение напряжения в анодном блоке, В;
Uнип.аб – падение напряжения в контакте «ниппель - анодный блок», В.
Падение напряжения в ошиновке составит:
Uобв.шин = 2,8
· (1 + 0,0038
· 100)
· 10-6
· 100
· 0,5
· 0,35
· 102 = 0,07 (В);
Uаш.шин = 2,8
· (1 + 0,0038
· 75)
· 10-6
· 0,36
· 1100
· 0,5
· 102 = 0,071 (В);
Падение напряжения в стояке составит:
Uст = 2,8
· (1 + 0,0038
· 50)
· 10-6
· 300
· 0,37
· 102 = 0,037(В).
Падения напряжения в сварном контакте «анодная шина - стояк» составит 0,003 В.
Падение напряжения в контакте «анодная шина - анододержатель» принимается 0,006 В.
Падения напряжения в анододержателе составит:
Uа.д = 2,8
· (1 + 0,0038
· 75)
· 10-6
· 300
· 0,33
· 102 = 0,036 (В).
Падение напряжения в контакте «анододержаль- кронштейн» принимается 0,001 В.
Падение напряжения в контакте «кронштейн- ниппель» составит 0,003 В.
Падение напряжения в ниппеле составит:
Uнип. = 13
· (1 + 0,004
·150)
· 10-6
· 36,5
· 0,09
· 102 = 0,007(В).
Падение напряжения в анодном блоке определяется по формуле:
13 QUOTE 1415а.б =13 EMBED Equation.3 1415, (52)
где Uа.б – падение напряжения в анодном блоке, В;
I – сила тока, приходящаяся на блок, кА;
p – удельное сопротивление угольного блока, Ом
· см.
l – путь тока, см;
S – площадь сечения блока, см2;
13 QUOTE 1415а.б =13 EMBED Equation.3 1415= 0,003 (В).
Падение напряжения в контакте «ниппель - анодный блок» принимается 0,15 В.
Тогда, подставляя все значения в формулу (51), получим:
Uа = 0,071 + 0,037 + 0,07 + 0,003 + 0,006 + 0,036 + 0,001 + 0,003 + 0,007 + +0,003 + 0,015 = 0,39 (В).
Падение напряжения в катодном устройстве определяется по формуле:
Uк = Uал. под + Uпод + Uблюм + Uбл.ал.сп + Uал.сп + Uал.л.кш + Uк.о , (53)
где Uк – падение напряжения в катодном устройстве, В;
Uал. под – падение напряжения на границе «жидкий алюминий - подина», В;
Uпод – падение напряжения в подине, В;
Uблюм – падение напряжения в свободных концах блюмсов, В;
Uбл.ал.сп – падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод», В;
Uал.сп – падение напряжения в алюминиевых спусках, В;
Uал.л.кш – падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод», В;
Uк.о – падение напряжения в катодной ошиновке, В.
Падение напряжения в контакте «жидкий алюминий - подина» принимается 0,06 В.
Падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод» принимается 0,003 В.
Падение напряжения в подине определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (54)
где Uпод – падение напряжения в подине, В;
1пр – приведённая длина пути по катоду, см;
p – удельное сопротивление, Ом
· см;
А – половина ширины шахты ванны, см;
а – ширина настылей, 50 см;
Вбл – ширина подового блока с учётом швов, 600 см;
Sст – сечение катодного стержня с заливкой, см;
dа – анодная плотность, А/см2.
Приведённая длина пути тока по катоду определяется по формуле:
lпр = 2,5 + 0,92
· Нбл – 1,1
· hст + 13 EMBED Equation.3 1415, (55)
где lпр – длина пути тока по катоду, см;
Нбл – высота, см;
hст – длина стержня с учётом чугунной заливки, см;
Bст – ширина стержня с учётом чугунной заливки, см.
lпр = 2,5 + 0,92
· 40 – 1,1
· 13 +13 EMBED Equation.3 1415 = 30,08 (см).
13 EMBED Equation.3 1415(B).
Падение напряжения в свободных в свободных концах блюмсов, не заделанных в подовые блоки, определяется по формуле:
Uблюмс = 13
· (1+ 0,004
· 200)
· 10-6
· 53
· 0,20
· 102 = 0,025 (В).
Падение напряжения в сварном контакте «блюмс – алюминиевые спуски»
принимается 0,045 В.
Падение напряжения в алюминиевых спусках составит:
Uал.сп = 2,8
· (1+0,0038
· 150)
· 10-6
· 60
· 0,38
· 102 = 0,01 (В).
Падение напряжения в катодной ошиновке составит:
Uк.о = 2,8
· (1+0,0038
· 100)
· 10-6
· 1200
· 0,35
· 102 = 0,16 (В).
Падение напряжения в катодном устройстве составит:
Uк. = 0,06 + 0,56 + 0,025 + 0,045 + 0,01 + 0,003 + 0,16 = 0,863 (В).
Падение напряжения в элетролите определяется по формуле:
13 QUOTE 1415эл = p
· l
·13 EMBED Equation.3 1415, (56)
где Uэл – падение напряжения в электролите, В;
p – удельное сопротивление электролита, равное 0,5 Ом
· см;
l – МПР, принимается 4,5 см;
I - сила тока, А;
Fэл – приведённое сечение электролита, см2.
Приведённое сечение электролита определяется по формуле:
Fэл = Sa + 2 (Lан.м + Ван.м)
· (2,5 + l), (57)
где Fэл – приведённое сечение электролита, см2;
Sa – площадь анодного массива, см2;
Lан.м – длина анодного массива, см;
Ван.м – ширина анодного массива, см;
l – МПР, см.
Площадь анодного массива равна:
Sa = Lа
· Ва
· na, (58)
где Sa – площадь анодного массива, см2;
Lа – длина анодного блока, см;
Ва – ширина анодного блока, см;
na – количество анодов, шт.
Sa = 145
· 70
· 28 = 284200 (см2).
Длина анодного массива определяется по формуле:
Lан.м = na
· Ba + (na – 1 )
· m , (59)
где Lан.м - длина анодного массива, см;
na – количество анодных блоков по длине, шт.;
Ba – ширина анодного блока, см;
m – расстояние между анодами, см.
Lан.м = 14
· 70 + (14-1)
· 5 = 1045 (см).
Ширина анодного массива определяется по формуле:
Baн.м = nв
· La , (60)
где Baн.м – ширина анодного массива, см;
nв – количество анодных блоков по ширине, шт.;
La – длина анодного блока, см.
Baн.м = 2
· 145 = 290 (см).
Fэл = 284200 + 2
· (1045 + 290)
· ( 7 + 4,5) = 302890 (см2).
Uэл = 0,5
· 4,5
·13 EMBED Equation.3 1415= 1,485 (В).
Напряжение разложения принимается равным 1,6 В.
Падение напряжения за счёт анодных эффектов определяется по формуле:
Uа.э =13 EMBED Equation.3 1415, (61)
где Uа.э – падение напряжения от анодных эффектов, В;
nа.э – количество анодных эффектов на электролизе в сутки, шт.;
· – продолжительность анодного эффекта, принимаются 2 мин;
Ua – напряжение анодного эффекта, принимаются 30 В;
Up – рабочее напряжение на ванне, 4,2 В;
1440 – количество минут в сутках.
Uа.э =13 EMBED Equation.3 1415= 0,004 (В).
Падение напряжения в общесерийной ошиновке (Uощ), принимается равным 0,1 В.
Подставляя полученные данные в формулу (46), определяется среднее напряжение в ванне:
Ucр = 0,39 + 1,485 + 0,863 + 1,6 + 0,004 + 0,1 = 4,442 (В).
Определяется рабочее напряжение на ванне:
Up = Uсp -
·Uош -
·Uа.э (62)
Up = 4,442 – 0,1 – 0,004 = 4,338 (В).
Полученные данные заносятся в таблицу 3.
Таблица 3-Баланс напряжений
Составляющие среднего напряжения
Падения напряжения
В
%
Анодное устройство
0,39
8,78
Катодное устройство
0,863
19,43
Электролит
1,485
33,43
От анодных эффектов
0,004
0,09
Общероссийская ошиновка
0,1
2,25
Напряжение разложения
1,6
36,02
Итого
4,442
100
Определяется удельный расход электроэнергии по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (63)
где W – расход электроэнергии, кВт
· ч/м;
Uср – среднее напряжение в ванне, В;
·м – выход по току, доли единиц;
0,336 – электрохимический эквивалент, г/(А
· ч).
W =13 EMBED Equation.3 1415(кВm·ч/m).
На практике часто пользуются обратной величиной, называемой выходом по энергии, выражаемой в граммах на киловатт/час и определяемой по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (64)
где
·э – выход по энергии, г/кВт
· ч;
·Т – выход по току, доли единиц;
Uср – среднее напряжение на электролизере, В.
·э = 0,336
· 103
·13 EMBED Equation.3 141567,2 (г/кВт
· ч).
2.6. Энергетический расчёт
Qэл.+ Qсн. = Qразл. + Qмет. + Qгаз. + Qn , (65)
где Qэл – приход тепла от электроэнергии, кДж/ч;
Qсн – приход тепла от сгорания угольного анода, кДж/ч;
Qразл – тепло, необходимое на разложение глинозёма, кДж/ч;
Qмет – тепло, уносимое с вылитом металлом, кДж/ч;
Qгаз.– тепло, уносимое с отходящими газами, кДж/ч;
Qn – потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера, кДж/ч;
Приход тепла. Приход тепла от прохождения электрического тока определяется по формуле:
Qэл = 3600
· I
· Uгр , (66)
где Qэл – тепло от прохождения электрического тока, кДж;
3600 – тепловой эквивалент;
Uгр – греющее напряжение, В.
Qэл = 3600
· 200
· 4 = 2880000 (кДж).
Приход тепла от сгорания угольного анода определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (67)
Число киломолей 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415в час определяется по формулам:
(68)
13 EMBED Equation.3 1415 (69)
где РСО2 и РСО – число киломолей СО и СО2;
m – объёмная доля СО2 в анодных газах, равная 0,6.
13 EMBED Equation.3 1415
P'CO =24,56·10-3·200·0,93·13 EMBED Equation.3 1415=1,14(кмоль).
Тепловые эффекты реакции образования СО2 и СО при 25 є С (298К) находят в справочнике:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Qан = 4,04
· 394070+ 1,14
· 110616= 1718145,04 (кДж).
Приход тепла тогда составит:
Qпр = Qэл + Qан , (70)
Qпр = 2880000 + 1718145,04 = 4598145,04 (кДж/ч).
Расход тепла. На разложение глинозёма расходуемое тепло определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (71)
где 13 EMBED Equation.3 1415– расход глинозема на электролитическое разложение;
13 EMBED Equation.3 1415– тепловой эффект реакции образования Al2O3 при 25°С (298К), равный 167600 кДж/кмоль;
F – число Фарадея, равное 26,8 А
· ч.
Расход глинозёма на электролитическое разложение определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (72)
Тогда:
Qразл = 1,2
· 1676000 = 2011200 (кДж).
Потери тепла с вылитым из ванны металлом рассчитываются, исходя из условий, что количество вылитого металла соответствует количеству наработанного в то же время металла.
При температуре выливаемого алюминия (950єС) энтальпия алюминия составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25єС – 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла составляют:
Qмет = 1,2
· (43982 – 6716) = 44719,2 (кДж /ч).
Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитывается, принимая, что разбавление газа за счёт подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведётся расчёт на основные компоненты анодных газов – СО и СО2.
Температура отходящих газов принимается по данным практики равной 550 є С.
Энтальпия составляющих анодных газов находится в справочнике, и определяются потери тепла с газами по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (73)
где 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415– числа киломолей СО2 и СО, выделившихся в течение часа;
13 EMBED Equation.3 1415 – энтальпия СО2 при 550є С и 25є С, кДж/кмоль;
13 EMBED Equation.3 1415 – энтальпия СО при 550є С и 25є С, кДж/кмоль;
Тогда:
Qгаза = 4,04
· (40488–16446) + 1,14
· (24860–8816) = 115419,84 (кДж).
Тепловые потери с поверхности электролита определяются на основании законов теплопередачи с конвекцией и излучением. Расхождения между приходной и расходной частью теплового баланса при правильном подборе величин, участвующих в расчёте, не должны превышать 1,5-2 %. Исходя из этого, для упрощения расчёта, тепловые потери с поверхности электролизера определяются по разности:
Qn = (Qэл + Qан) – (Qразл. + Qмет + Qгаз), (74)
Qn = (2880000 + 1718145,04) – (2011200 + 44719,2 + 115419,84) = 2426806 (кДж).
Всего расход тепла составляет:
Qp = Qn + Qгаза + Qразл + Qмет , (75)
Qp = 2426806 + 115419,84 + 2011200 + 44719,2 = 4598145,04 (кДж).
Данные энергетического расчёта сводятся в таблицу 4.
Таблица 4 – Тепловой баланс электролизера на силу тока 200 кА
Приход тепла
Расход тепла
Наименование статей
кДж/ч
%
Наименование статей
кДж/ч
%
от прохождения электрического тока
2880000
62,6
на разложение глинозёма
2011200
43,74
от сгорания угольного анода
1718145,04
37,4
с вылитым алюминием
44719,2
0,97
с отходящими
газами
115419,84
2,51
с поверхности электролизера
2426806
52,78
Итого:
4598145,04
100
Итого:
4598145,04
100
2.7 Расчёт количества электролизеров и размеров цеха
2.7.1 Расчёт количества электролизеров в серии
13 EMBED Equation.3 1415 (76)
где Np – количество работающих электролизеров, шт.;
Uп.с – напряжение подстанции, В;
Uош – падение напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции, принимается 10 В.
Uа.эф – резерв напряжения на преодоление анодного эффекта, принимается 30 В.
Uср – среднее напряжение на электросети, В;
Uа.э – падение напряжения от анодных эффектов, принимается 0,004 В.
Np =13 EMBED Equation.3 1415 182 (шт).
Число работающих в серии электролизеров составит 182 штуки.
Тогда общее количество установленных электролизеров в серии с учётом капитального ремонта определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (77)
где Nобщ – общее количество электролизеров, шт.;
Np – число работающих электролизеров, шт.;
Ткр – простой электролизеров в капитальном ремонте, принимается 13 суток;
Тс – срок службы электролизера принимается 5 лет.
Nобщ = 182 + 13 EMBED Equation.3 1415=184 (шт.).
В связи с тем, что в курсовом проекте задана сила тока, то необходимо спланировать производительность по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (78)
где Р – производительность, m;
0,336 – электрохимический эквивалент, г/А
· ч;
·T – выход по току, доли единиц;
I – сила тока, А;
· – число часов в году;
Np – число работающих электролизеров, шт..
Р = 0,336
· 0,93
· 200000
· 365
· 24
· 182
·10-3 = 99639 (т).
2.7.2 Расчёт размеров цеха
Так как общее количество электролизеров в цехе составило 184 штуки, то для удобства эксплуатации и более компактного расположения в электролизный цех будет состоять из двух корпусов по 92 электролизёра в каждом.
Наиболее распространение получили корпуса с двухэтажным расположением в них электролизеров.
Основные строительные материалы конструкции выполняются из сборного железобетона. Естественное освещение осуществляется через световые проёмы. Вместо стекла устанавливаются сборные рамы с синтетической плёнкой.
При монтаже корпуса уделяют особое внимание электроизоляции строительных конструкций.
Все железобетонные конструкции на высоту не менее 3,5 м от пола рабочей зоны покрывают изолирующим слоем бетона толщиной не менее 30 мм. Полы в корпусах выполняются из электроизоляционных материалов, чаще всего из асфальта.
Электролизеры в серии располагаются на расстоянии 3 метра от стены. Расстояние между рядами электролизеров, где потоки грузов и обслуживающих машин движутся в обоих направлениях, составляет 8 метров.
Для прохода обслуживающего персонала и проезда машин по обработке электролизеров в каждом ряду имеются электролизеров 12 метров.
В торцах корпуса оставлены площадки по 14 и 18 метров для ремонта оборудования.
Для осуществления технологических операций и транспортировки грузов внутри каждого корпуса устанавливаются по два электромостовых крана.
Размеры корпуса электролизного цеха:
ширина:
Вк = 3000
· 2 + 4860
· 2 + 8000 = 23,72 ( м ).
длина:
Lk = 14000 + 46
· 12710 + 12000 + 44
· 1000 + 18000 = 672,66 ( м );
Высота здания с учётом аэрационного фонаря будет равняться 20 метрам.
Объём электролизного цеха, включающий в себя два корпуса, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (79)
где Вк, Lк, Нк – ширина, длина и высота корпуса электролита, м.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415; (80)
13 EMBED Equation.3 1415
Вывод: производительность в 99639 тонн в год обеспечивают 182 работающих электролизера с предварительно обожжёнными анодами на силу тока 200 кА.
Электролизеры с предварительно обожжёнными анодами имеют ряд преимуществ перед электролизерами с самообжигающимися анодами.
На этом типе электролизера возможно повышение мощности путём увеличения числа анодов и расширения геометрических размеров ванн.
Электролизер с предварительно обожженными анодами более приспособлен для механизации и автоматизации технологических операций, а сбор и очистка анодных газов производится с большей эффективностью, в газах нет смолистых веществ и углеводородов.
На этом этапе электролизеров больше возможностей получить алюминий высших сортов, в том числе марки А8.
Но, в то же время, проблемой данного типа электролизеров можно считать образование анодных огарков, которые составляют 16-20% от массы анода и требуют специальной обработки и утилизации в анодном производстве.
Заключение
В курсовом проекте были рассмотрены следующие теоретические вопросы: свойства и применение алюминия; сущность электролитического способа получения алюминия; строение криолито-глинозёмных расплавов; выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них различных факторов; новые материалы катодной футеровки; выливка металла; нарушения в работе ванн.
Также в проекте произведены конструктивный, материальный, энергетический, электрический расчёты.
Производительность на данных электролизёрах составляет 99639 тонн алюминия в год.
Выход по энергии равен 67,2 (г/кВт·ч).
Среднее напряжение на ванне составляет 4,442 В.
Рабочее напряжение на ванне равно 4,338 В.
Электролизеры с предварительно обожжёнными анодами имеют ряд преимуществ перед электролизерами с самообжигающимися анодами.
Электролизер с предварительно обожженными анодами более приспособлен для механизации и автоматизации технологических операций, а сбор и очистка анодных газов производится с большей эффективностью, в газах нет смолистых веществ и углеводородов.
Но, в то же время, проблемой данного типа электролизеров можно считать образование анодных огарков, которые составляют 16-20% от массы анода и требуют специальной обработки и утилизации в анодном производстве.
Данный тип электролизёров позволяет применить систему АПГ, которая позволяет снижать потери глинозёма, обеспечить более точное процентное содержание глинозёма в электролите, снижать частоту анодных эффектов, что приводит к экономии электроэнергии и уменьшает вторичные потери металла, что в свою очередь позволяет работать в оптимальных режимах, и, в конечном итоге, приводит к снижению себестоимости выпускаемого металла.
Литература
1. Э.А. Янко. Производство алюминия. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2007.
2. В.И. Москвитин, И.В. Николаев, Б.А. Фомин. Металлургия лёгких металлов. М., Интермет Инжиниринг, 2005.
3. М.М. Ветюков и др. Электрометаллургия алюминия и магния. М., Металлургия, 1988.
4. И.А. Троицкий, В.А. Железнов. Металлургия алюминия. М., Металлургия, 1984.
5. С.В. Тарарин. Электролиз расплавленных солей. М., Металлургия, 1982.
6. Н.И. Уткин. Металлургия цветных металлов. М., Металлургия, 1985.
7. Н.М. Дробот, Т.И. Ольгина. Цветные металлы, М., 1973.
Интернет-ресурсы:
1. Алюминий: физические свойства, получение, применение, история: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
2.Википедия:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Лист
13PAGE \* MERGEFORMAT141415
КП.22.02.02.16.06.ПЗ
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native
Алюминий сравнительно недавно стал промышленным металлом. Впервые металлический алюминий получил датский физик Г. Эрстед в 1825 г. восстановив хлористый алюминий амальгамой калия. В дальнейшем способ Эрстеда был улучшен: амальгаму калия заменили металлическим калием, а затем - более дешевым натрием.
Нестойкий и гигроскопичный хлористый алюминий заменили двойным хлоридом алюминия и натрия (AlCl3-NaCI). В 1865 г. русский ученый Н.Н. Бекетов предложил получать алюминий вытесненном его из фтористых соединении магнием.
Этот способ нашел применение в ряде стран Западной Европы. Производство алюминия “химическими” методами осуществлялось примерно в течение 35 лет (с 1854 до 1890 г.). За это время было получено около 200 т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы производства алюминия были вытеснены электролитическим. Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, которые в 1886 г. независимо друг от друга заявили аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема (А1203), растворенного в расплавленном криолите (Na2AIF6). С открытием электролитического способа началось быстрое развитие алюминиевой промышленности.
Датой рождения алюминиевой промышленности России считается 14 мая 1932 года, когда на Волховском заводе в Ленинградской области была получена первая партия металла.
Объединенная компания РУСАЛ – крупнейший в мире производитель алюминия и глинозема. На долю РУСАЛа в 2015 году приходилось около 9% мирового производства алюминия и 8% глинозема. РУСАЛ ведет свою деятельность в 19 странах на 5 континентах, общая численность его сотрудников составляет более 72 тыс. человек. В состав компании входят 15 алюминиевых заводов, 11 предприятий по производству глинозема, 8 предприятий по добыче бокситов, 3 предприятия по производству порошковой продукции, 2 предприятия по производству кремния, 2 завода по производству вторичного алюминия, 4 фольгопрокатных, 2 криолитовых и 1 катодный заводы.
Наряду с закрытием нерентабельных мощностей, РУСАЛ модернизировал действующие прибыльные производства с целью развития своей продуктовой линейки.
Сейчас Россия производит более 4 млн тонн алюминия, не только удовлетворяя потребности страны, но и экспортируя крылатый металл во все страны мира. РУСАЛ продолжает развивать отрасль, делая ставку на новые продукты, научные исследования, модернизацию существующих и строительство современных заводов. Новые предприятия позволят увеличить производственную мощность РУСАЛа более чем на 1,3 млн тонн. Строящиеся заводы расположены в Сибири, что обеспечивает им близость к Азии – крупнейшему и наиболее перспективному рынку потребления алюминия в мире.
Цветная промышленность является одной из ведущих отраслей промышленности в индустриальных странах и во многом определяет темпы развития и технический прогресс экономики. Практически нет ни одной отрасли экономики, которая бы не являлась потребителем алюминия.
Данные обстоятельства определяют актуальность выбранной темы курсового проекта. Опираясь на осмысленный исторический опыт, можно полнее обозначить значение алюминиевой отрасли для развития производительных сил страны, а также глубже и четче представить тот комплекс экономических, социальных, экологических проблем, который возникает и требует решения при строительстве алюминиевых заводов.
1 Описательная часть
1.1 Свойства и применение алюминия
Алюми
·ний элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Алюминий лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии Al жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке. Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Al соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому Al стоек против коррозии. Поверхность Al хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии. Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали. Силумины литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.
Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов. Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.
Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).
Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство - из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.
Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.
1.2 Сущность электролитического способа получения алюминия
В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолито – глинозёмных расплавов, основными компонентами которого являются: криолит (Na3AlF6), и глинозём (Al2O3).
Электролиз – физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.
Расплавленный криолит диссоциирует на ионы:
Na3AlF6 Na+AlF63-. (1)
Анион AlF63- частично диссоциирует:
AlF63- AlF4- + 2F-. (2)
Глинозём при растворении в электролите диссоциирует на ионы:
2Al2O3 Al3+ + AlO2- или Al2O3 Al3+ + AlO33-. (3)
Криолито – глинозёмный расплав является проводником второго рода.
Процесс электролиза, т.е. прохождение электрического тока с выделением веществ на электродах возможен только при величине напряжений между анодом и катодом, превышающей величину напряжения разложения.
Под воздействием электрического тока положительно заряженные ионы, называемые катионами, разряжаются на катоде, а отрицательно заряженные, называемые анионами, разряжаются на угольном аноде.
В процессе электролиза расходуется:
- электроэнергия, необходимая для разложения глинозёма и поддержания требуемой температуры электролита;
- глинозём, разлагающийся на алюминий и кислород;
- обожжённые аноды, при реакции окисления свободным кислородом;
- фтористые соли, вследствие улетучивания и впитывания в футеровку.
1.3 Строение криолито-глинозёмных расплавов
Электролиты – это жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых в сколько-нибудь заметной концентрации присутствуют ионы, обуславливающие прохождение электрического тока.
Распад молекул растворённых веществ на ионы в результате взаимодействия с растворителем называется электролитической диссоциацей.
Основные компоненты электролита:
- криолит (Na3AlF6) 75 – 90%;
- глинозём 2 – 10% (max 15%);
- фтористый Al до 15%;
- добавки (CAF2; MgF2 или др.) до 10%.
Кроме основных компонентов в электролите присутствуют примеси Fe; Si; Cu; P; V, которые поступают в электролизёр с исходными материалами, содержание их составляет десятые доли процента.
К электролиту предъявляют следующие требования:
- в расплавленном состоянии электролит должен полностью растворять глинозём;
- плотность электролита должна быть меньше плотности алюминия;
- электролит должен быть достаточно жидкотекуч и электропроводен;
- не должен быть гигроскопичен;
- не должен химически взаимодействовать с футеровкой электролизёра;
- все материалы поступающие на электролиз должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий.
Этим всем требованиям отвечает только криолит – это комплексная соль состоящая из фтористого натрия и алюминия. (Тпл - 1010°С).
Фтористый алюминий – это самый летучий компонент электролита (легко испаряется), он самый гигроскопичный и может быть подвержен электролизу.
Фтористый натрий – присутствует в качестве основного компонента электролита и снижение его содержания происходит за счёт внедрения натрия в структуру футеровки.
Состав электролита принято характеризовать криолитовым отношением – это отношение мольных концентраций фтористого натрия к алюминию:
К.О = 13 EMBED Equation.3 1415 (4)
Для чистого криолита: К.О. = 3;
щелочной электролит: К.О. > 3;
кислый электролит: К.О. < 3;
При электролизе алюминия применяют кислые электролиты (К.О. 2,2 – 2,8).
1.4 Выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них
различных факторов
Количество алюминия, которое должно выделиться при электролизе, можно определить по закону Фарадея:
M = 0,336 · I · t, (5)
где М – количество металла которое должно выделиться на катоде, г;
I – сила тока, А;
0,336 – электрохимический эквивалент алюминия, г/А·ч;
t – время, час.
На практике алюминия получается меньше. Так как кроме окисления алюминия, протекает много других процессов, уменьшающих его наработку. А также необходимо учитывать, что не весь ток используется в процессе электролиза из-за утечек как в самом электролизе, так и при примыкания конструкций и элементов кожуха и ошиновки.
Для характеристики производительности электролизёров используется понятие выход по току, который рассчитывается по формуле:
В.Т. = 100%·13 EMBED Equation.3 1415, (6)
где В.Т. – выход по току;
Мпр – практически полученное количество алюминия за промежуток времени;
Мтеор – теоретическое количество алюминия, которое должно выделиться по закону фарадея за тоже время при той же силе тока.
Выход по току определяется конструктивным и технологическими параметрами электролизёров. Выход по току зависит от следующих факторов:
- температура электролита при электролизе криолито-глинозёмных расплавов находится в пределах 950 – 965°С. С повышением температуры взаимодействие алюминия с электролитом усиливается, а увеличивающая циркуляция электролита приводит к тому, что алюминий быстрее попадает на поверхность или в анодное пространство и окисляется. При сильном снижении температуры выход по току также уменьшается, так как вязкость электролита увеличивается и в нём запутывается металл, Из-за повышения плотности электролита металл может всплывать на поверхность и окисляется кислородом воздуха;
- различные солевые добавки (CaF2, MgF2, LiF и другие) преследует цель увеличить электропроводность, снизить температуру плавления электролита и температуру самого процесса электролиза при сохранении его жидкотекучести и достаточной разницы плотностей металла и электролита;
- состав электролита определяет не только температуру его плавления, но и растворимость в нём алюминия, образования субфторидных соединений, возможность разряда иона Na+ . Оптимальным считается электролит с криолитовым отношением 2,5 – 2,7;
- плотность тока в значительной степени влияет на выход по току. При повышении плотности тока количество выделяемого металла увеличивается, а потери остаются без изменений. Но с увеличением плотности тока возрастает вероятность разряда иона Na+ на катоде, увеличивается падение напряжения в электролите и на анодах. Поэтому подбирают экономически выгодную плотность тока, при которой достигается максимальный выход по току с наименьшим расходом электроэнергии;
- межполюсное расстояние. Межполюсное расстояние – расстояние между нижней поверхностью анода и поверхностью расплавленного металла. Чем ближе находится анод к поверхности расплавленного металла, тем меньше МПР, тем легче перенос расплавленного алюминия к аноду, следовательно больше окисления алюминия и его потери. Чем больше МПР, тем больше сопротивление электролита, повышается напряжение на электролизёре, растёт расход электроэнергии и возрастает температура электролита. Целесообразно работать на МПР равным: 4,5 – 5,5 см;
- В.Т. зависит от циркуляции электролита, которая возникает не только от конвекции, но и от выделения газа на анодах, а так же от магнитных эффектов, сопровождающих перекосом поверхности металла и образованием в нём волн.
Для получения оптимального выхода по току, необходимо соблюдать технологическую инструкцию, не допуская нарушений нормальной работы электролизёров.
1.5 Новые материалы катодной футеровки
Катодная футеровка электролизёра подвержена разрушения от воздействия компонентов расплава и алюминия, что ведёт к снижению эффективности процесса.
Базовый блок должен обеспечивать:
- высокую смачиваемость жидкого алюминия;
- высокую удельную электропроводность;
- механическую прочность;
- низкую теплопроводность;
- хорошую стойкость химическую.
Установлено, что в настоящее время выше перечисленным свойствами обладают материалы на основе тугоплавких соединений:
TiB2 – TiC – дибарит TicTic ;
TiB2 – TiN – дибарит с нитридом Ti;
TiN – TiC – нитрид TiC.
Разработана методика новых композиционных смесей выше указанных соединений, которыми покрывают угольные и подовые блоки электролизёра (0,5 – 1 мм) перед пуском электролизёра в работу. Также разработана методика с использованием диборита Ti, который в виде порошка загружается в электролизёр во время пуска.
В последние годы в состав шихты стали вводить добавки искусственного графита, что повышает электропроводность катодных блоков и способствует их устойчивость против пропитки электролитом, «разбухания» материала. На отечественных предприятиях производят блоки с добавкой 25 – 30% графита, испытываются блоки с 50 и 70% графита.
Препятствием для широко применения графитовых катодных блоков является их низкая устойчивость к истиранию. Так, например, средний износ за год работы подины на основе графитизированных блоков электролизёра мощностью 350 кА составил 53 мм. При этом зависимость износа от анодной плотности не установлена. Поэтому большая часть специалистов склоняется к тому, что рационально использовать блоки с 70 – 80% графита, что повышает их устойчивость к истиранию.
В качестве бортовой футеровки используют боковые угольные блоки толщиной 200 мм, произведённые на основе антрацита. Однако всё шире используются плиты толщиной 65 – 100 мм на основе термостойкого материала – карбида кремния. Несомненным преимуществом карбидокремниевых плит является то обстоятельство, что они не электропроводны и исключают работу ванны «в борта». Они не окисляются в агрессивной среде, практически не пропитываются электролитом. Толщина карбидокремниевых плит в 2 – 3 раза меньше толщины угольных блоков, что позволяет уменьшить размеры и массу электролизёра.
Вывод: в данном разделе были рассмотрены следующие теоретические вопросы: свойства и применение алюминия; сущность электролитического способа получения алюминия; строение криолито-глинозёмных расплавов; выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них различных факторов; новые материалы катодной футеровки;
2 Расчётно-технологическая часть
2.1 Выливка металла
Выливку металла из электролизёров производят по графику один раз в сутки, по результатам замеров уровней металла по контрольной линейке, с помощью контроля рабочего напряжения по вольтметру. Выливка электролизёров по рабочему напряжению предусматривает поддержание заданного технологической инструкцией уровня алюминия в ванне.
Бланк задания на выливку составляется старшим мастером отделения электролиза или бригадиром на основании замеров уровней металла, где указывается сортность выливаемого металла из каждого электролизёра, необходимая для планирования работы литейного отделения. Перед началом выливки мастер смены отделения электролиза совместно с мастером смены литейного отделения устанавливает очерёдность выливки металла из ванн с учётом сортности металла в ваннах (по анализам, взятым до выливки).
Как правило, выливка металла должна производиться перед обработкой ванн.
Подготовка электролизёра к выливке. Подаваемые для выливки металла вакуумные ковши и транспортные литейные ковши должны быть чистыми и прогретыми.
Перед выливкой электролизник в установленном для выливки месте, пробивает в корке электролита отверстие для установки приёмной трубы вакуум ковша. Корка вытаскивается на борт, подина очищается от осадка подтягиванием его к борту, или, при необходимости, он извлекается из электролизёра. Места для выливки (окна) постоянно должны поддерживаться в чистом состояние всеми звеньями бригады.
Во время выливки створки крышечного укрытия открываются только на ванне, из которой производят выливку металла. После выливки металла створка крышечного укрытия должна быть обязательно закрыта.
При подготовке электролизёра к выливке бригадир проверяет состояние электролизёров: рабочее напряжение, уровни металла и электролита, состояние настылей и величин осадка, знакомится с заданием на выливку.
Процесс выливки. Выливка металла осуществляется вакуум – ковшом, труба которого опускается в подготовленное окно в корке электролита.
Вакуум – ковш для выливки алюминия
1 – стальной корпус; 2 – заборная труба.
Рисунок 1
Во время выливки металла электролизник опускает анод соответственно скорости выливки, следит за показаниями вольтметра, и за величиной перемещения анодной шины относительно нижних упоров. Скорость опускания анодного массива при выливке должна соответствовать скорости снижения уровня металла, что достигается поддержанием рабочего напряжения выше нормального на 0,1 – 0,2В.
При сливе металла до необходимого уровня по линейке электролизник даёт команду выливщику о прекращении выливки. Рабочее напряжение снижается до нормального в течении 1 – 2 часов. Окно и провалившаяся корка электролита засыпаются глинозёмом, отводятся огоньки и опускается укрытие. В звене, где по графику производится выливка, допускается не более- 2-х-одновременно открытых створок электролизёра.
2.2 Нарушения в работе ванн
Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизёров. К этим параметрам относятся сила тока, рабочее и среднее напряжение, температура электролита, количество металла и электролита, перепад напряжения в подине ванны, состав электролита, частота и продолжительность анодных эффектов, форма рабочего пространства, а также технологические параметры формирования самообжигающихся анодов.
Нарушения в работе электролизёров – это отклонение от нормального режима работы ванн, вызываемые различными причинами и приводящие к снижению производительности, росту расхода сырья и электроэнергии, сокращению срока службы электролизёров и в некоторых случаях – к выходу их из строя. При отклонении от нормального режима могут ухудшаться как все технико-экономические показатели работы электролизёра, например при его горячем ходе, так и некоторые показатели.
Наиболее часто встречающиеся неполадки в работе электролизёров можно подразделить по их характеру на следующие группы:
- горячий ход электролизёра. Характерными признаками горячего хода является повышенная температура электролита, жёлтый цвет газов, выделяющихся из-под анода, слабая корка электролита, редко наступающие и «тусклые» анодные эффекты. Когда такие признаки обнаруживаются одновременно на большей части электролизёров, установленных в одной серии, причиной является несоответствие выбранных параметров обслуживания электролизёров силе тока на серии.
В этом случае приход тепла не соответствует его расходу (отводу), а поэтому необходимо снижение силы тока на серии до величины, позволяющей восстановить тепловое равновесие электролизёров. После снижения силы тока следует выяснить и устранить конкретные причины, вызывающие указанное несоответствие. Наиболее вероятными из них являются пониженная электропроводность электролита и недостаточное количество технологического металла в шахте ванны. Состав электролита корректируют различными добавками; уровень технологического жидкого металла поднимают, задерживая выливку его или наплавляя твёрдый. Только после устранения выявленных причин силу тока на серии постепенно поднимают до расчётной величины.
- уменьшение междуполюсного расстояния или замыкание на металл анодных блоков электролизёров с предварительно обожжёнными анодами (в практике это нарушение называется «зажатием» электролизёра). Это нарушение характеризуется низким напряжением при высокой температуре электролита.
Отличительной особенностью «зажатия» является очень слабое выделение газов жёлтого цвета по периметру анода и отсутствие бурление электролита. Причины этого нарушения: неосторожное уменьшение междуполюсного расстояния при опускании анода или замыкание его на подовые настыли. В первом случае протекает обратная реакция – окисление алюминия газами, выделяющимися на аноде, с образованием глинозёма и выделением большого количества тепла, что приводит к перегреву расплава. Во втором случае происходят местные перегревы и нарушается нормальная работа ванны. Для устранения «зажатия» поднимают анод до тех пор, пока по его периметру не начнётся интенсивное выделение газов, характеризующееся бурлением электролита.
Для ускорения вывода ванны на нормальную работу следует охладить расплав, переплавив в нём твёрдый металл и кусковой электролит. С внедрением системы автоматического регулирования положения анода это нарушение в работе электролизёров встречается реже;
- работа «в бок». Это технологическое нарушение часто возникает в случае, когда значительная часть электрического тока идёт не через металл и подину ванны, а через электролит и обнажённые (без гарниссажа) боковые блоки. Обычно оно наблюдается при наличии больших сплошных осадков на подине электролизёра. Сначала для устранения этого нарушения осадок подтягивают к борту в местах прохождения тока, чтобы образовался гарниссаж. Если же он не образуется, то необходимо искать другие причины работы электролизёра «в бок»; чаще всего – это последствия горячего хода, местного перегрева или воздействия электромагнитных сил;
- карбидообразование. Наиболее серьёзным расстройством технологического режима электролизёра является накарбиживание электролита. Это нарушение возникает вследствие горячего хода электролизёра и особенно часто наблюдается во время его пуска и в послепусковой период работы. В условиях сильного перегрева происходят повешенное растворение в электролите алюминия, что способствует взаимодействию его с частицами угля, взвешенными в расплаве, приводящему к образованию карбида алюминия. Эта реакция протекает с выделением большого количества тепла, что способствует интенсивному её протеканию. Обычно карбидообразование начинается на участках местного перегрева и очень важно не дать распространиться процессу на весь электролизёр. Для этого анод поднимают, увеличивая междуполюсное расстояние. Одновременно из ванны выливают неуглероженный электролит и заливают свежий, затем аккуратно извлекают тестообразные наросты. Если эти меры оказываются недостаточными и большая часть ванны уже подвергалась карбидообразованию, заменяют весь электролит или (как крайняя мера) электролизёр отключают от серии, тщательно очищают подину и анод от осадка и карбидообразований и лишь после этого электролизёр снова пускают в эксплуатацию;
- трудноустранимый анодный эффект (в практике носит название «затяжной», или «негаснущий» вспышки). До настоящего времени истинные причины и механизм возникновения «затяжных» вспышек до конца не изучены. Практика работы показывает, что возникновение трудноустранимого анодного эффекта обусловлено наличием в электролите нерастворённого глинозёма во взвешенном состоянии. Наиболее часто такое явление наблюдается на ваннах с низким уровнем электролита, на подинах которых имеются чрезмерные подовые настыли и большие глинозёмистые осадки. Для устранения «затяжного» анодного эффекта тщательно очищают от глинозёма корку электролита по всему периметру шахты ванны, затем корку вскрывают и удаляют. Одновременно увеличивают междуполюсное расстояние, поднимая анод. При кислом электролите в него добавляют фтористый натрий или соду для улучшения растворимости глинозёма. Часть пересыщенного глинозёмом электролита выливают, а для освежения и охлаждения электролита наплавляют свежий криолит равномерно вокруг анода. Практикуется также замена части или всего электролита свежим. Места с сильным движением расплава у борта шахты ванны прокладывают крупными кусками застывшего электролита;
- холодный ход. При условии, когда электролизёр отдаёт больше тепла, чем в нём выделяется, температура расплава понижается. Холодный ход электролизёра приводит к серьёзным расстройствам технологического процесса вплоть до возникновения «затяжных» анодных эффектов и практически необратимых изменений формы рабочего пространства шахты ванны. Причиной холодного хода одновременно всех электролизёров серии или большинства из них является недостаточная сила тока. Как правило, это наблюдается при ограничениях энергоснабжения.
Поэтому для восстановления нормального технологического режима в таких случаях необходимо увеличение силы тока. Частые и долгие ограничения энергоснабжения приводят к необратимым нарушениям технологического процесса электролиза и к резкому снижению производительности, а также всех других технико-экономических показателей работы электролизных ванн. Поэтому бесперебойное и равномерное обеспечение электроэнергией является обязательным условием ведения процесса электролиза алюминия. Для устранения холодного хода на таком электролизёре поддерживают повышенное напряжение и постепенно удаляют лишний металл;
- прорыв расплава из шахты ванны. Этот вид технологического нарушения возникает как следствие горячего хода электролизёра при отсутствии достаточных бортовых настылей и гарниссажа. При обнаружении места прорыва расплава стремятся как можно скорее остановить течь. Для этого используют заготовленный ранее кусковой электролит в смеси с глинозёмом. Поскольку электролит в шахте ванны перегрет только на 15 – 30°С против температуры его кристаллизации, поступления относительно холодных материалов в места образования течи позволяет «заморозить» расплав и тем самым приостановить вытекания его из шахты ванны;
- нарушения работы анода. К числу основных нарушений, связанных с работой анода, относятся: течи пека и жидкой анодной массы у непрерывных самообжигающихся анодов; прорывы пека и жидкой анодной массы в расплав, а также загорание анодной массы у электролизёров с верхним токоподводом; выгорание отдельных участков боковой поверхности анода – так называемое образование шеек на аноде, расслоение анода. У электролизёров с предварительно обожжёнными анодами – перекос и обрыв анодов.
- ограничения или перерывы в снабжении электролизёров электроэнергией. При прекращении поступления электрической энергии к электролизёру в первую очередь происходит резкое изменение свойств электролита в условиях охлаждения расплава, так как при нормальных условиях процесса он перегрет относительно температуры плавления всего на несколько десятков градусов. Сначала повышаются его вязкость и плотность, которая ещё до перехода электролита в твёрдое состояние становится выше плотности расплавленного алюминия, что приводит к перемешиванию всех составляющих расплава и всплытию алюминия на его поверхность.
Для возобновления процесса электролиза на таком электролизёре необходимо разогреть его до температуры, при которой осуществляется процесс, на что потребуется затратить значительное количество электрической энергии. Восстановление технологического процесса на таком электролизёре происходит медленно и требует значительных трудовых затрат, связанных с расчисткой подины от осадков.
2.3 Конструктивный расчёт электролизёра
2.3.1 Выбор электрических параметров
В данном курсовом проекте произведён расчёт электролизеров с обожжёнными анодами на силу тока 200 кА.
Анодная плотность тока для этих электролизеров составляет около 0,7 А/см2.
Выход по току принимается равным 93%.
Для преобразования переменного тока в постоянный принята типовая подстанция на 850 В.
2.3.2 Расчёт количества анодов
Определяется общая площадь анодов:
Sобщ = 13 EMBED Equation.3 1415, (7)
где Sобщ – общая площадь сечения анодов, см2;
I – сила тока, А;
da – анодная плотность тока, А/см2.
13 EMBED Equation.3 1415(см2).
Для электролизеров с обожжёнными анодами при силе тока 200 кА анод состоит из стандартных блоков размерами 1450Ч700 мм и высотой 600 мм.
Площадь анода вычисляется по формуле:
Sa = La
· Ba , (8)
где Sa – площадь анода, см2;
La – длина анодного блока, см;
Ba – ширина анодного блока, см.
Sa = 145
· 70 = 10150 (cм2).
Тогда количество анодных блоков составит:
nа = 13 QUOTE 141513 EMBED Equation.3 1415 , (9)
где na – количество анодных блоков, шт.;
Sобщ – общая площадь анодов, см2;
Sa – площадь анодов блока, см2.
13 EMBED Equation.3 1415 (шт.).
Принимаются и устанавливаются 28 анода. Анодные блоки в электролизере устанавливаются в два ряда по 14 штук в одном ряду.
Уточняется анодная плотность тока и общая анодная площадь:
Sобщ = na
· Sa , (10)
где Sобщ – общая анодная площадь, см2;
na – количество анодов, шт.;
Sa – площадь сечения анода, см2.
Sобщ = 28
· 10150 = 284200 (см2).
da = 13 QUOTE 141513 EMBED Equation.3 1415 , (11)
где da – анодная плотность тока, А/см2;
I – сила тока, А;
Sобщ – общая анодная площадь, см2
da =13 EMBED Equation.3 1415 = 0,7 (А/см2).
2.3.3 Определение внутренних размеров шахты ванны
Расстояние между анодами в ванне принимаются 50 мм, расстояние от анода до торцевой стороны ванны 600 мм, от анода до продольной стороны ванны 350 мм.
Определяется длина шахты ванны:
Lш = n
· Ba + m
· c + 2
· b, (12)
где Lш – длина шахты ванны, мм;
Ba – ширина анода, мм;
n – количество анодов в ряду, мм;
m – расстояние между анодами, мм;
с – количество расстояний между анодами, шт.;
b – расстояние от анода до торцевой стороны ванны, мм.
Lш = 14
· 700+50
·13+2
·600 = 11650 (мм).
Определяется ширина шахты ванны:
Вш = n
· La +
·
· c + 2
· a, (13)
где Вш – ширина ванны, мм;
n – количество анодов по ширине ванны, шт.;
La – длина анодного блока, мм;
· – расстояние между рядами анодов, равное 200 мм;
с – количество расстояний между анодами, шт.;
а – расстояние от анода до продольной стороны ванны, мм.
Вш = 2
· 1450
· 200
· 1 + 2
· 350 = 3800 (мм).
Определяется глубина шахты ванны:
Нш = hme + hэл + h Al13 EMBED Equation.3 1415O13 EMBED Equation.3 1415 , (14)
где Нш – глубина шахты ванны, мм;
hme – высота металла, равная 250 мм;
hэл – высота электролита, равная 180 мм;
h Al2O3 – толщина корки электролита, равная 100 мм.
Нш = 230 + 180 + 100 = 530 (мм).
2.3.4 Расчёт катодного устройства ванны
Катодное устройство состоит из угольных моноблоков длиной 3500 мм и сечением 400Ч550 мм.
В паз каждого блока заделывается блюмс сечением 230Ч115 мм.
Определяется количество катодных блоков:
nk = 13 EMBED Equation.3 1415 , (15)
где nk – количество катодных блоков, шт.;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Вб – ширина катодного блока, мм;
m – толщина шва между двумя блоками, принимается 50 мм.
nк = 13 QUOTE 1413 EMBED Equation.3 141515(шт.).
Принимается 19 катодных моноблоков.
Определяется расстояние между катодами и торцевой стороной шахты:
SТ = 13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 (16)
где SТ – расстояние в торцах ванны, мм;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Вб – ширина катодного блока, мм;
nб – число катодных блоков в ряду, шт.;
nш – число набивных швов между катодными блоками, шт.;
mб – толщина шва между блоками, мм.
SТ =13 EMBED Equation.3 1415 (мм).
По продольной стороне:
Sn =13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 (17)
где Sn – расстояние по продольной стороне, мм;
Вш – ширина шахты ванны, мм;
Lб – длина катодного блока, мм.
Sn = 13 EMBED Equation.3 1415=150 (мм).
2.3.5 Определение внутренних размеров кожуха ванны
Длина кожуха ванны определяется по формуле:
Lк = Lш + 2
· Lф , (18)
где Lк – длина кожуха ванны, мм;
Lш – длина шахты ванны, мм;
Lф – толщина карбидокремниевой плиты, мм.
Lк = 11650 + 2
· 70 = 11790 (мм).
Ширина кожуха определяется по формуле:
Вк =Вш + 2
· Lф , (19)
где Вк – ширина кожуха ванны, мм;
Вш – ширина шахты ванны, мм;
Lф – толщина карбидокремниевой плиты, мм.
Вк = 3800 + 2
· 70 = 3940 (мм).
Глубина кожуха ванны. Футеровка подины ванны, кроме подового блока высотой 400 мм, уложенного на слой кварцевого песка, толщиной 6 мм, принимается из трёх рядов шамотного кирпича, толщиной 65 мм каждый, одного ряда вермикулита, толщиной 76 мм, и 6 мм ацеида, с перевязкой швов по вертикали и по горизонтали.
Нкв = Нш + Нб + hкп + 3· hш+ hа + hв , (20)
где Нкв –глубина кожуха ванны, мм;
hш – глубина шахты ванны, мм;
hб – высота катодного блока, мм;
hкп – толщина кварцевого песка, мм;
hш – толщина шамотного кирпича, мм;
ha – толщина ацеида, мм;
hа – толщина вермикулитовой плиты, мм.
Н кв = 530 + 400 + 6 + 3
· 65 + 6 + 76 = 1213 (мм).
2.3.6 Определение внешних размеров кожуха ванны
Принимается кожух электролизера с днищем, сварной из листовой стали, толщиной 10 мм и укрепляется снаружи поясами жёсткости. Для укрепления кожуха используется контрофорсы размерами 450 мм.
Определяется наружная длина кожуха по формуле:
Lкн = Lк + 2
· (hкож + hк), (21)
где Lкн – длина кожуха наружная, мм;
Lк – внутренняя длина кожуха, мм;
hкож – толщина стального кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Lкн = 11790 + 2
· (10 + 450) = 12710 (мм).
Определяется ширина кожуха по формуле:
Вкн = Вк + 2
· (hкож + hк), (22)
где Вкн – ширина кожуха, мм;
Вк – внутренняя ширина кожуха, мм;
hкож – толщина кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Вкн = 3940 + 2 (10 + 450) = 4860 (мм).
Высота кожуха определяется по формуле:
Нк = Нкв + hкож + hк , (23)
где Нк – высота кожуха, мм;
Нкв – внутренняя глубина кожуха, мм;
hкож – толщина кожуха, мм;
hк – толщина контрофорсов, мм.
Нк = 1213 + 10 +450 = 1673 (мм).
2.4 Материальный расчёт
В задачу материального расчёта входит определение производительности ванны, расхода сырья и материалов в соответствии с производительностью. Расчёт ведётся на 1 час работы ванны по формуле:
РAl = k
· I
·
·
·
·m , (24)
где РAl – производительность на 1 час работы, кг/ час;
k – электрохимический эквивалент алюминия, г/А
· ч;
I – заданная сила тока, кА;
· – продолжительность работы ванны, ч;
·m – выход по току, принят 0,93%.
РAl = 0,336
· 200
· 1
· 0,93 = 62,5(кг/ч).
Расход сырья (m) на 1 m алюминия принимается по данным практики:
- глинозем - 1,92;
- криолит - 0,0136;
- фтористый кальций - 0,0015;
- фтористый алюминий - 0,024;
- фтористый магний - 0,0015;
- аноды - 0,544.
Практический расход глинозёма несколько больше теоретического (1,89). Это объясняется наличием в глинозёме примесей, а также механическими потерями при транспортировке и загрузке в ванну.
Потери глинозёма составят:
62,5
· (1,92 – 1,89) = 1,875 (кг).
Расход сырья на 1 час работы ванны составит:
- глинозем 62,5
· 1,92 = 120(кг);
- криолит 62,5
· 0,0136 = 0,85 (кг);
- фтористый кальций 62,5
· 0,0015 = 0,09 (кг);
- фтористый алюминий 62,5
· 0,024 = 1,5 (кг);
- аноды 62,5
· 0,544 = 34(кг);
- фтористый магний 62,5
· 0,0015 = 0,09 (кг).
Состав анодных газов принимается 60% СО2 и 40% СО, тогда:
13 EMBED Equation.3 1415 , (25)
где 48 и 54 – молярные массы кислорода и алюминия в глинозёме.
13 EMBED Equation.3 1415 (кг).
Из 56,25 кг О2 в состав СО2 входит:
Р1 =13 EMBED Equation.3 1415 (26)
где Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
13 EMBED Equation.3 1415 – количество образовавшегося, кг;
СО2 и СО – количество СО2 и СО в анодных газах.
13 EMBED Equation.3 1415 42,19 (кг).
Из 56,25 кг О2 в состав СО2 входит:
Р2 =13 EMBED Equation.3 1415 , (27)
Р2 = 13 EMBED Equation.3 1415 (кг).
Проверка:
РО2 = Р1 + Р2, (28)
РО2 = 42,19 + 14,06= 56,25(кг).
Определяется количество углерода, которое свяжется с кислородом в СО2:
Р3 =13 EMBED Equation.3 1415, (29)
где Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
16 и 12 – молекулярные массы углерода и кислорода.
Р3 =13 EMBED Equation.3 1415= 15,8 (кг).
Определяется количество углерода, которое свяжется с О2 и СО:
Р4 =13 EMBED Equation.3 1415, (30)
где Р4 – количество углерода, которое свяжется с О2 в СО, кг;
Р2 – количество О2 в составе СО, кг;
12 и 16 – молярные массы углерода и кислорода.
Р4 =13 EMBED Equation.3 1415 10,5 (кг).
Определяется количество СО и СО2, образовавшиеся за 1 час работы ванны:
13 EMBED Equation.3 1415 = Р1 + Р3, (31)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – количество СО2, образовавшегося за 1 час работы ванны, кг;
Р1 – количество О2 в составе СО2, кг;
Р3 – количества углерода в составе СО2, кг.
13 EMBED Equation.3 1415=42,2+ 15,8= 58 (кг).
РСО = Р2 + Р4, (32)
где РСО – количество СО, образовавшегося за 1 час работы ванны, кг;
Р2 – количество О2 в составе СО, кг;
Р4 – количество углерода в составе СО, кг.
РСО = 14,06+ 10,5 = 24,56 (кг).
Огарки составят 20% от использованных анодов, тогда:
Рог = n
· 0,2, (33)
где Рог – количество огарков, кг;
n – расход анодов на 1 час работы ванны, кг.
Рог = 34
· 0,2 = 6,8 (кг).
Количество анодных газов составит:
13 EMBED Equation.3 1415, (34)
Раг = 24,56 + 58= 82,56(кг).
Материальный баланс электролизера на час работы при силе тока 200000 А представлен в таблице 1.
Таблица 1-Материальный баланс ванны
Приход
Расход
Исходные продукты
кг/ч
%
Конечные продукты
кг/ч
%
глинозём
120
76,66
алюминий
62,5
39,9
криолит
0,85
0,54
анодные газы
82,56
52,7
фтористый алюминий
1,5
0,96
огарки
6,8
4,34
фтористый магний
0,09
0,06
потери фтористых солей
2,795
1,79
фтористый кальций
0,09
0,06
потери глинозёма
1,875
1,198
аноды
34
21,72
Итого:
156,53
100
Итого:
156,53
100
2.5 Электрический расчёт
В задачу электрического расчёта ванны входит определения сечения и длины проводниковой электроцепи от анодной до катодной ошиновки, составление баланса напряжения, определение среднего и рабочего напряжения на ванне, определение выхода по энергии.
Плотность тока для алюминиевых проводников принимается равной 0,4 А/мм2, а для стали 0,2 А/мм2.
2.5.1 Расчёт анодной ошиновки
Ток к главным анодным шинам подводят с помощью гибких компенсаторов, через стоянки. Компенсатор представляет собой большое количество алюминиевых лент, собранных в пакете, один конец которых крепится к стояку, другой – к анодной шине.
Сила тока в компенсаторе при двустороннем подводе тока будет равна:
13 EMBED Equation.3 1415 Iк = 13 EMBED Equation.3 1415 , (35)
где Iк – сила тока в компенсаторе, А;
I – заданная сила тока, А;
2 – два компенсатора и подвод тока с двух сторон.
Iк = 13 EMBED Equation.3 1415(А).
Принимается сечение одной алюминиевой ленты, равное 200Ч1,7 мм. Тогда площадь сечения ленты составит:
Sл = 200
· 1,7 = 340 (мм2).
Стояк собирается из четырёх пакетов, состоящих из алюминиевых лент по 50 лент в пакете.
Определяется общая площадь лент:
Sк.общ = Sл
· nл , (36)
где Sк.общ – общая сторона компенсатора, мм2;
Sл – площадь сечения ленты, мм2;
nл – количество лент в пакете, шт.
Sк.общ = 2
· 340
· 4
· 50 = 136000 (мм2).
Плотность тока в компенсаторе составит:
dk =13 EMBED Equation.3 1415 , (37)
где dk – плотность тока в компенсаторе, А/мм2;
Ik – cила тока в компенсаторе, А;
Sk – площадь сечения компенсаторов, мм2.
dk =13 EMBED Equation.3 1415= 0,37 (А/мм2).
Сила тока в стояках будет такая же, как и в компенсаторах. Следовательно, сечение стояка должно быть равно сечению компенсатора.
Пакеты стояка привариваются одним концом к главной анодной шине, а другим концом к соединительной шине, которая отходит от катодной ошиновки.
Главная анодная шина состоит из двух алюминиевых шин сечением 500Ч280 мм.
Таким образом, площадь сечения шины будет равна:
Sш = 2
· 500
· 280 = 280000 (мм2).
Плотность тока в шине составит:
dш =13 EMBED Equation.3 1415, (38)
где dш – плотность тока в шине, А/мм2;
I – заданная сила тока, А;
Sш – площадь сечения шины, мм2.
dш =13 EMBED Equation.3 1415= 0,36 (А/мм2).
В качестве анододержателей устанавливается специально отлитые слитки сечением 140Ч156 мм. Таким образом, площадь сечения анододержателей составит:
Sа.д = na
· Sa , (39)
где Sа.д – общая площадь сечения анододержателей, мм2 ;
na – количество анодов, шт;
Sa – площадь сечения анододержателя, мм2.
Sа.д = 28
· 140
· 156 = 611520 (А/мм2).
Плотность тока в анододержателях будет определяться по формуле:
dа.д =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,4; (40)
где dа.д. – плотность тока в анододержателях, А/мм2;
I – сила тока, А;
Sа.д – площадь анододержателей, мм2.
dа.д =13 EMBED Equation.3 1415= 0,33 (А/мм2).
Каждый анододержатель соединяется с анодным блоком с помощью ниппелей, представляющих собой стальные стержни круглого сечения диаметром 160 мм; глубина ниппельного гнезда в блоке 100 мм.
Плотность тока в ниппеле определяется по формуле:
dнип =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,2 (41)
где dнип – плотность тока в ниппеле, А/мм2;
I – сила тока, А;
·
· – 3,14;
r – радиус ниппеля, мм;
nн – число ниппелей, шт.;
nа – количество анодов, шт..
dнип =13 EMBED Equation.3 1415= 0,09 (А/мм2).
2.5.2 Расчёт катодной ошиновки
Общее сечение сорока четырёх блюмсов составит:
Sб = nбл
· Sл , (42)
где Sб – общее сечение блюмсов, мм2;
nбл – число блюмсов, шт;
Sл – сечение блюмса, мм2.
Sб = 38
· 230
· 115 = 1005100 (мм2).
Плотность тока в стальных блюмсах определяется по формуле:
dб =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,2 (43)
где dб – плотность тока в блюмсах, А/мм2.
I – сила тока, А;
Sб – площадь сечения блюмсов, мм2;
dб= 13 EMBED Equation.3 1415= 0,20 (А/мм2),
что равно допустимой плотности тока для стали 0,2 А/мм2.
Длина блюмсов по конструктивным соображениям принимается с каждой стороны на 530 мм больше, чем длина катодных блоков, следовательно, длина блюмсов равняется:
Lв = 3500 + 2
· 530 = 4560 (мм).
Блюмс соединяется с катодными шинами с помощью алюминиевых лент. Каждый блюмс соединяется с соответствующей катодной шиной с помощью 70 алюминиевых лент стандартного сечения размером 100Ч2 мм.
dл =13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415 0,4 (44)
где dл – плотность тока в лентах, А/мм2,
I - сила тока, А
nбл – количество блюмсов, шт;
nл – количество лент в пакете, шт;
Sл – сечение лент, мм2.
dл =13 EMBED Equation.3 1415= 0,38 (А/мм2).
Длина спусков по конструктивным соображениям принимается равной 600 мм. Ток от ванны отводится с двух сторон от сорока четырёх катодных блюмсов алюминиевыми шинами. Для катодного шинопровода принимаются стандартные алюминиевые шины сечением 600Ч80 мм. Каждый шинопровод соединяется в виде пакета из 12 лент.
Плотность тока в шинопроводе определяется по формуле:
dш.к =13 EMBED Equation.3 1415
· 0,4, (45)
Таким образом, площадь сечения шинопровода будет равна:
Sш.к. = 600
· 80
· 12 = 576000 (мм2),
где dш.к – плотность тока в шинопроводе, А/мм2;
I - сила тока, А;
Sш.к. – площадь сечения шинопровода, мм2.
dш.к =13 EMBED Equation.3 1415 = 0,35 (А/мм2).
Длина элементов электрической цепи по конструктивным соображениям и температуры отдельных участков цепи принимается по данным практики, что представлено в таблице 2.
Таблица 2-Длина элементов электрической цепи
Наименование
Длина, мм
Температура, є С
Обводная шина
10000
100
Анодная шина
11000
75
Стояк
3000
50
Анододержатель
3000
75
Ниппель
365
150
Катодная шина
12000
100
Блюмс, не заделанный в катод
530
200
Алюминиевые спуски
600
150
2.5.3 Расчёт баланса напряжения ванны
Среднее напряжение ванны может быть определено по формуле:
Uср = Uа + Uэл + Uк + Uн.р. + Uа.э. + Uош, (46)
где Uср – среднее напряжение в ванне, В;
Uа – падение напряжения в анодном устройстве, В;
Uэл – падение напряжения в электролите, В;
Uк – падение напряжения в катодном устройстве, В;
Uн.р. – падение разложения, В;
Uа.э. – изменение напряжения за счёт анодного эффекта, В;
Uош – падение напряжения в общесерийной ошиновке, В;
Падение напряжения в ошиновке и во всех её элементах, в которых сила тока не изменяется по длине, рассчитывается по закону Ома:
U = p
· l
· d , (47)
где U – падение напряжения, В;
p – удельное сопротивление, ОМ
· см;
l – длина участка шинопровода, см;
d – плотность тока на участке ошиновки, (А/см2);
Удельное сопротивление зависит от температуры и рассчитывается по формулам:
pAl = 2,8
· (1+0,038
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для алюминия); (48)
pугл = 47,5
· (1+0,0025
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для углерода) ; (49)
pст = 13
· (1+0,004
· t)
· 10-6 (Ом
· см) (для стали). (50)
Падение напряжения в анодном устройстве составит:
Uа = Uан.шин + Uст + Uобв.шин + Uан.ст + Uаш.ан + Uад + Uан.к +
+Uк.н + Uнип + Uа.б + Uнип.аб , (51)
где Uан.шин – падения напряжения в анодной ошиновке, В;
Uст – падение напряжения в стояке, В;
Uобв.шин – падения напряжения в обводной ошиновке, В;
Uан.ст – падение напряжения в контакте «анодная шина - стояк», В;
Uаш.ан – падение напряжения в контакте «анодная шина - анододержатель»,В;
Uад – падение напряжения в анододержателе, В.
Uан.к – падение напряжения в контакте «анододержатель - кронштейн», В;
Uк.н – падение напряжения в контакте «кронштейн - ниппель», В;
Uнип – падение напряжения в анодном блоке, В;
Uа.б – падение напряжения в анодном блоке, В;
Uнип.аб – падение напряжения в контакте «ниппель - анодный блок», В.
Падение напряжения в ошиновке составит:
Uобв.шин = 2,8
· (1 + 0,0038
· 100)
· 10-6
· 100
· 0,5
· 0,35
· 102 = 0,07 (В);
Uаш.шин = 2,8
· (1 + 0,0038
· 75)
· 10-6
· 0,36
· 1100
· 0,5
· 102 = 0,071 (В);
Падение напряжения в стояке составит:
Uст = 2,8
· (1 + 0,0038
· 50)
· 10-6
· 300
· 0,37
· 102 = 0,037(В).
Падения напряжения в сварном контакте «анодная шина - стояк» составит 0,003 В.
Падение напряжения в контакте «анодная шина - анододержатель» принимается 0,006 В.
Падения напряжения в анододержателе составит:
Uа.д = 2,8
· (1 + 0,0038
· 75)
· 10-6
· 300
· 0,33
· 102 = 0,036 (В).
Падение напряжения в контакте «анододержаль- кронштейн» принимается 0,001 В.
Падение напряжения в контакте «кронштейн- ниппель» составит 0,003 В.
Падение напряжения в ниппеле составит:
Uнип. = 13
· (1 + 0,004
·150)
· 10-6
· 36,5
· 0,09
· 102 = 0,007(В).
Падение напряжения в анодном блоке определяется по формуле:
13 QUOTE 1415а.б =13 EMBED Equation.3 1415, (52)
где Uа.б – падение напряжения в анодном блоке, В;
I – сила тока, приходящаяся на блок, кА;
p – удельное сопротивление угольного блока, Ом
· см.
l – путь тока, см;
S – площадь сечения блока, см2;
13 QUOTE 1415а.б =13 EMBED Equation.3 1415= 0,003 (В).
Падение напряжения в контакте «ниппель - анодный блок» принимается 0,15 В.
Тогда, подставляя все значения в формулу (51), получим:
Uа = 0,071 + 0,037 + 0,07 + 0,003 + 0,006 + 0,036 + 0,001 + 0,003 + 0,007 + +0,003 + 0,015 = 0,39 (В).
Падение напряжения в катодном устройстве определяется по формуле:
Uк = Uал. под + Uпод + Uблюм + Uбл.ал.сп + Uал.сп + Uал.л.кш + Uк.о , (53)
где Uк – падение напряжения в катодном устройстве, В;
Uал. под – падение напряжения на границе «жидкий алюминий - подина», В;
Uпод – падение напряжения в подине, В;
Uблюм – падение напряжения в свободных концах блюмсов, В;
Uбл.ал.сп – падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод», В;
Uал.сп – падение напряжения в алюминиевых спусках, В;
Uал.л.кш – падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод», В;
Uк.о – падение напряжения в катодной ошиновке, В.
Падение напряжения в контакте «жидкий алюминий - подина» принимается 0,06 В.
Падение напряжения в контакте «алюминиевая лента - катодный шинопровод» принимается 0,003 В.
Падение напряжения в подине определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (54)
где Uпод – падение напряжения в подине, В;
1пр – приведённая длина пути по катоду, см;
p – удельное сопротивление, Ом
· см;
А – половина ширины шахты ванны, см;
а – ширина настылей, 50 см;
Вбл – ширина подового блока с учётом швов, 600 см;
Sст – сечение катодного стержня с заливкой, см;
dа – анодная плотность, А/см2.
Приведённая длина пути тока по катоду определяется по формуле:
lпр = 2,5 + 0,92
· Нбл – 1,1
· hст + 13 EMBED Equation.3 1415, (55)
где lпр – длина пути тока по катоду, см;
Нбл – высота, см;
hст – длина стержня с учётом чугунной заливки, см;
Bст – ширина стержня с учётом чугунной заливки, см.
lпр = 2,5 + 0,92
· 40 – 1,1
· 13 +13 EMBED Equation.3 1415 = 30,08 (см).
13 EMBED Equation.3 1415(B).
Падение напряжения в свободных в свободных концах блюмсов, не заделанных в подовые блоки, определяется по формуле:
Uблюмс = 13
· (1+ 0,004
· 200)
· 10-6
· 53
· 0,20
· 102 = 0,025 (В).
Падение напряжения в сварном контакте «блюмс – алюминиевые спуски»
принимается 0,045 В.
Падение напряжения в алюминиевых спусках составит:
Uал.сп = 2,8
· (1+0,0038
· 150)
· 10-6
· 60
· 0,38
· 102 = 0,01 (В).
Падение напряжения в катодной ошиновке составит:
Uк.о = 2,8
· (1+0,0038
· 100)
· 10-6
· 1200
· 0,35
· 102 = 0,16 (В).
Падение напряжения в катодном устройстве составит:
Uк. = 0,06 + 0,56 + 0,025 + 0,045 + 0,01 + 0,003 + 0,16 = 0,863 (В).
Падение напряжения в элетролите определяется по формуле:
13 QUOTE 1415эл = p
· l
·13 EMBED Equation.3 1415, (56)
где Uэл – падение напряжения в электролите, В;
p – удельное сопротивление электролита, равное 0,5 Ом
· см;
l – МПР, принимается 4,5 см;
I - сила тока, А;
Fэл – приведённое сечение электролита, см2.
Приведённое сечение электролита определяется по формуле:
Fэл = Sa + 2 (Lан.м + Ван.м)
· (2,5 + l), (57)
где Fэл – приведённое сечение электролита, см2;
Sa – площадь анодного массива, см2;
Lан.м – длина анодного массива, см;
Ван.м – ширина анодного массива, см;
l – МПР, см.
Площадь анодного массива равна:
Sa = Lа
· Ва
· na, (58)
где Sa – площадь анодного массива, см2;
Lа – длина анодного блока, см;
Ва – ширина анодного блока, см;
na – количество анодов, шт.
Sa = 145
· 70
· 28 = 284200 (см2).
Длина анодного массива определяется по формуле:
Lан.м = na
· Ba + (na – 1 )
· m , (59)
где Lан.м - длина анодного массива, см;
na – количество анодных блоков по длине, шт.;
Ba – ширина анодного блока, см;
m – расстояние между анодами, см.
Lан.м = 14
· 70 + (14-1)
· 5 = 1045 (см).
Ширина анодного массива определяется по формуле:
Baн.м = nв
· La , (60)
где Baн.м – ширина анодного массива, см;
nв – количество анодных блоков по ширине, шт.;
La – длина анодного блока, см.
Baн.м = 2
· 145 = 290 (см).
Fэл = 284200 + 2
· (1045 + 290)
· ( 7 + 4,5) = 302890 (см2).
Uэл = 0,5
· 4,5
·13 EMBED Equation.3 1415= 1,485 (В).
Напряжение разложения принимается равным 1,6 В.
Падение напряжения за счёт анодных эффектов определяется по формуле:
Uа.э =13 EMBED Equation.3 1415, (61)
где Uа.э – падение напряжения от анодных эффектов, В;
nа.э – количество анодных эффектов на электролизе в сутки, шт.;
· – продолжительность анодного эффекта, принимаются 2 мин;
Ua – напряжение анодного эффекта, принимаются 30 В;
Up – рабочее напряжение на ванне, 4,2 В;
1440 – количество минут в сутках.
Uа.э =13 EMBED Equation.3 1415= 0,004 (В).
Падение напряжения в общесерийной ошиновке (Uощ), принимается равным 0,1 В.
Подставляя полученные данные в формулу (46), определяется среднее напряжение в ванне:
Ucр = 0,39 + 1,485 + 0,863 + 1,6 + 0,004 + 0,1 = 4,442 (В).
Определяется рабочее напряжение на ванне:
Up = Uсp -
·Uош -
·Uа.э (62)
Up = 4,442 – 0,1 – 0,004 = 4,338 (В).
Полученные данные заносятся в таблицу 3.
Таблица 3-Баланс напряжений
Составляющие среднего напряжения
Падения напряжения
В
%
Анодное устройство
0,39
8,78
Катодное устройство
0,863
19,43
Электролит
1,485
33,43
От анодных эффектов
0,004
0,09
Общероссийская ошиновка
0,1
2,25
Напряжение разложения
1,6
36,02
Итого
4,442
100
Определяется удельный расход электроэнергии по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (63)
где W – расход электроэнергии, кВт
· ч/м;
Uср – среднее напряжение в ванне, В;
·м – выход по току, доли единиц;
0,336 – электрохимический эквивалент, г/(А
· ч).
W =13 EMBED Equation.3 1415(кВm·ч/m).
На практике часто пользуются обратной величиной, называемой выходом по энергии, выражаемой в граммах на киловатт/час и определяемой по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (64)
где
·э – выход по энергии, г/кВт
· ч;
·Т – выход по току, доли единиц;
Uср – среднее напряжение на электролизере, В.
·э = 0,336
· 103
·13 EMBED Equation.3 141567,2 (г/кВт
· ч).
2.6. Энергетический расчёт
Qэл.+ Qсн. = Qразл. + Qмет. + Qгаз. + Qn , (65)
где Qэл – приход тепла от электроэнергии, кДж/ч;
Qсн – приход тепла от сгорания угольного анода, кДж/ч;
Qразл – тепло, необходимое на разложение глинозёма, кДж/ч;
Qмет – тепло, уносимое с вылитом металлом, кДж/ч;
Qгаз.– тепло, уносимое с отходящими газами, кДж/ч;
Qn – потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера, кДж/ч;
Приход тепла. Приход тепла от прохождения электрического тока определяется по формуле:
Qэл = 3600
· I
· Uгр , (66)
где Qэл – тепло от прохождения электрического тока, кДж;
3600 – тепловой эквивалент;
Uгр – греющее напряжение, В.
Qэл = 3600
· 200
· 4 = 2880000 (кДж).
Приход тепла от сгорания угольного анода определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (67)
Число киломолей 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415в час определяется по формулам:
(68)
13 EMBED Equation.3 1415 (69)
где РСО2 и РСО – число киломолей СО и СО2;
m – объёмная доля СО2 в анодных газах, равная 0,6.
13 EMBED Equation.3 1415
P'CO =24,56·10-3·200·0,93·13 EMBED Equation.3 1415=1,14(кмоль).
Тепловые эффекты реакции образования СО2 и СО при 25 є С (298К) находят в справочнике:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Qан = 4,04
· 394070+ 1,14
· 110616= 1718145,04 (кДж).
Приход тепла тогда составит:
Qпр = Qэл + Qан , (70)
Qпр = 2880000 + 1718145,04 = 4598145,04 (кДж/ч).
Расход тепла. На разложение глинозёма расходуемое тепло определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (71)
где 13 EMBED Equation.3 1415– расход глинозема на электролитическое разложение;
13 EMBED Equation.3 1415– тепловой эффект реакции образования Al2O3 при 25°С (298К), равный 167600 кДж/кмоль;
F – число Фарадея, равное 26,8 А
· ч.
Расход глинозёма на электролитическое разложение определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (72)
Тогда:
Qразл = 1,2
· 1676000 = 2011200 (кДж).
Потери тепла с вылитым из ванны металлом рассчитываются, исходя из условий, что количество вылитого металла соответствует количеству наработанного в то же время металла.
При температуре выливаемого алюминия (950єС) энтальпия алюминия составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25єС – 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла составляют:
Qмет = 1,2
· (43982 – 6716) = 44719,2 (кДж /ч).
Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитывается, принимая, что разбавление газа за счёт подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведётся расчёт на основные компоненты анодных газов – СО и СО2.
Температура отходящих газов принимается по данным практики равной 550 є С.
Энтальпия составляющих анодных газов находится в справочнике, и определяются потери тепла с газами по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (73)
где 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415– числа киломолей СО2 и СО, выделившихся в течение часа;
13 EMBED Equation.3 1415 – энтальпия СО2 при 550є С и 25є С, кДж/кмоль;
13 EMBED Equation.3 1415 – энтальпия СО при 550є С и 25є С, кДж/кмоль;
Тогда:
Qгаза = 4,04
· (40488–16446) + 1,14
· (24860–8816) = 115419,84 (кДж).
Тепловые потери с поверхности электролита определяются на основании законов теплопередачи с конвекцией и излучением. Расхождения между приходной и расходной частью теплового баланса при правильном подборе величин, участвующих в расчёте, не должны превышать 1,5-2 %. Исходя из этого, для упрощения расчёта, тепловые потери с поверхности электролизера определяются по разности:
Qn = (Qэл + Qан) – (Qразл. + Qмет + Qгаз), (74)
Qn = (2880000 + 1718145,04) – (2011200 + 44719,2 + 115419,84) = 2426806 (кДж).
Всего расход тепла составляет:
Qp = Qn + Qгаза + Qразл + Qмет , (75)
Qp = 2426806 + 115419,84 + 2011200 + 44719,2 = 4598145,04 (кДж).
Данные энергетического расчёта сводятся в таблицу 4.
Таблица 4 – Тепловой баланс электролизера на силу тока 200 кА
Приход тепла
Расход тепла
Наименование статей
кДж/ч
%
Наименование статей
кДж/ч
%
от прохождения электрического тока
2880000
62,6
на разложение глинозёма
2011200
43,74
от сгорания угольного анода
1718145,04
37,4
с вылитым алюминием
44719,2
0,97
с отходящими
газами
115419,84
2,51
с поверхности электролизера
2426806
52,78
Итого:
4598145,04
100
Итого:
4598145,04
100
2.7 Расчёт количества электролизеров и размеров цеха
2.7.1 Расчёт количества электролизеров в серии
13 EMBED Equation.3 1415 (76)
где Np – количество работающих электролизеров, шт.;
Uп.с – напряжение подстанции, В;
Uош – падение напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции, принимается 10 В.
Uа.эф – резерв напряжения на преодоление анодного эффекта, принимается 30 В.
Uср – среднее напряжение на электросети, В;
Uа.э – падение напряжения от анодных эффектов, принимается 0,004 В.
Np =13 EMBED Equation.3 1415 182 (шт).
Число работающих в серии электролизеров составит 182 штуки.
Тогда общее количество установленных электролизеров в серии с учётом капитального ремонта определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (77)
где Nобщ – общее количество электролизеров, шт.;
Np – число работающих электролизеров, шт.;
Ткр – простой электролизеров в капитальном ремонте, принимается 13 суток;
Тс – срок службы электролизера принимается 5 лет.
Nобщ = 182 + 13 EMBED Equation.3 1415=184 (шт.).
В связи с тем, что в курсовом проекте задана сила тока, то необходимо спланировать производительность по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (78)
где Р – производительность, m;
0,336 – электрохимический эквивалент, г/А
· ч;
·T – выход по току, доли единиц;
I – сила тока, А;
· – число часов в году;
Np – число работающих электролизеров, шт..
Р = 0,336
· 0,93
· 200000
· 365
· 24
· 182
·10-3 = 99639 (т).
2.7.2 Расчёт размеров цеха
Так как общее количество электролизеров в цехе составило 184 штуки, то для удобства эксплуатации и более компактного расположения в электролизный цех будет состоять из двух корпусов по 92 электролизёра в каждом.
Наиболее распространение получили корпуса с двухэтажным расположением в них электролизеров.
Основные строительные материалы конструкции выполняются из сборного железобетона. Естественное освещение осуществляется через световые проёмы. Вместо стекла устанавливаются сборные рамы с синтетической плёнкой.
При монтаже корпуса уделяют особое внимание электроизоляции строительных конструкций.
Все железобетонные конструкции на высоту не менее 3,5 м от пола рабочей зоны покрывают изолирующим слоем бетона толщиной не менее 30 мм. Полы в корпусах выполняются из электроизоляционных материалов, чаще всего из асфальта.
Электролизеры в серии располагаются на расстоянии 3 метра от стены. Расстояние между рядами электролизеров, где потоки грузов и обслуживающих машин движутся в обоих направлениях, составляет 8 метров.
Для прохода обслуживающего персонала и проезда машин по обработке электролизеров в каждом ряду имеются электролизеров 12 метров.
В торцах корпуса оставлены площадки по 14 и 18 метров для ремонта оборудования.
Для осуществления технологических операций и транспортировки грузов внутри каждого корпуса устанавливаются по два электромостовых крана.
Размеры корпуса электролизного цеха:
ширина:
Вк = 3000
· 2 + 4860
· 2 + 8000 = 23,72 ( м ).
длина:
Lk = 14000 + 46
· 12710 + 12000 + 44
· 1000 + 18000 = 672,66 ( м );
Высота здания с учётом аэрационного фонаря будет равняться 20 метрам.
Объём электролизного цеха, включающий в себя два корпуса, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (79)
где Вк, Lк, Нк – ширина, длина и высота корпуса электролита, м.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415; (80)
13 EMBED Equation.3 1415
Вывод: производительность в 99639 тонн в год обеспечивают 182 работающих электролизера с предварительно обожжёнными анодами на силу тока 200 кА.
Электролизеры с предварительно обожжёнными анодами имеют ряд преимуществ перед электролизерами с самообжигающимися анодами.
На этом типе электролизера возможно повышение мощности путём увеличения числа анодов и расширения геометрических размеров ванн.
Электролизер с предварительно обожженными анодами более приспособлен для механизации и автоматизации технологических операций, а сбор и очистка анодных газов производится с большей эффективностью, в газах нет смолистых веществ и углеводородов.
На этом этапе электролизеров больше возможностей получить алюминий высших сортов, в том числе марки А8.
Но, в то же время, проблемой данного типа электролизеров можно считать образование анодных огарков, которые составляют 16-20% от массы анода и требуют специальной обработки и утилизации в анодном производстве.
Заключение
В курсовом проекте были рассмотрены следующие теоретические вопросы: свойства и применение алюминия; сущность электролитического способа получения алюминия; строение криолито-глинозёмных расплавов; выход алюминия по току, расход электроэнергии и влияние на них различных факторов; новые материалы катодной футеровки; выливка металла; нарушения в работе ванн.
Также в проекте произведены конструктивный, материальный, энергетический, электрический расчёты.
Производительность на данных электролизёрах составляет 99639 тонн алюминия в год.
Выход по энергии равен 67,2 (г/кВт·ч).
Среднее напряжение на ванне составляет 4,442 В.
Рабочее напряжение на ванне равно 4,338 В.
Электролизеры с предварительно обожжёнными анодами имеют ряд преимуществ перед электролизерами с самообжигающимися анодами.
Электролизер с предварительно обожженными анодами более приспособлен для механизации и автоматизации технологических операций, а сбор и очистка анодных газов производится с большей эффективностью, в газах нет смолистых веществ и углеводородов.
Но, в то же время, проблемой данного типа электролизеров можно считать образование анодных огарков, которые составляют 16-20% от массы анода и требуют специальной обработки и утилизации в анодном производстве.
Данный тип электролизёров позволяет применить систему АПГ, которая позволяет снижать потери глинозёма, обеспечить более точное процентное содержание глинозёма в электролите, снижать частоту анодных эффектов, что приводит к экономии электроэнергии и уменьшает вторичные потери металла, что в свою очередь позволяет работать в оптимальных режимах, и, в конечном итоге, приводит к снижению себестоимости выпускаемого металла.
Литература
1. Э.А. Янко. Производство алюминия. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2007.
2. В.И. Москвитин, И.В. Николаев, Б.А. Фомин. Металлургия лёгких металлов. М., Интермет Инжиниринг, 2005.
3. М.М. Ветюков и др. Электрометаллургия алюминия и магния. М., Металлургия, 1988.
4. И.А. Троицкий, В.А. Железнов. Металлургия алюминия. М., Металлургия, 1984.
5. С.В. Тарарин. Электролиз расплавленных солей. М., Металлургия, 1982.
6. Н.И. Уткин. Металлургия цветных металлов. М., Металлургия, 1985.
7. Н.М. Дробот, Т.И. Ольгина. Цветные металлы, М., 1973.
Интернет-ресурсы:
1. Алюминий: физические свойства, получение, применение, история: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
2.Википедия:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Лист
13PAGE \* MERGEFORMAT141415
КП.22.02.02.16.06.ПЗ
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native
Комитет общего и профессионального образования Ленинградской области
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Ленинградской области «Волховский алюминиевый колледж»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: «Проект серии электролиза, оборудованной электролизёрами с обожжёнными анодами, на силу тока 200кА»
по ПМ 01 МДК 1.2: «Металлургия лёгких цветных металлов»
Пояснительная записка
КП.22.02.02.16.06.ПЗ
Руководитель проекта
________________________ Н.В.Шевчук
_________________________ 2016 г.
Проект выполнил
_________________________ К.Г.Нилов
_________________________ 2016 г.
Волхов
2016
Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 315
Содержание
Введение 4
1 Описательная часть 6
1.1 Свойства и применение алюминия 6
1.2 Сущность электролитического способа получения алюминия 8
1.3 Строение криолито-глинозёмных расплавов 9
1.4 Выход алюминия по току, расход электроэнергии и
влияния на них различных факторов 10
1.5 Новые материалы катодной футеровки 12
2. Расчетно-технологическая часть 15
2.1 Выливка металла 15
2.2 Нарушения в работе ванн 17
2.3 Конструктивный расчёт электролизёра 22
2.4 Материальный расчёт 29
2.5 Электрический расчёт 34
2.6 Энергетический расчёт 50
2.7 Расчёт количества электролизёров и размеров цеха 55
Заключение 60
Литература 61
КП.22.02.02.16.06.ПЗ
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Разработ.
Нилов К.Г
Проект серии электролиза, оборудованной электролизёрами с обожжёнными анодами, на силу тока 200кА
Лит.
Лист
Листов
Принял
Шевчук Н.В
У
3
61
Т.контр.
ГБПОУ ЛО «ВАК»
гр. М12-62
Н.контр.
Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 315
Введение 4
1 Описательная часть 6
1.1 Свойства и применение алюминия 6
1.2 Сущность электролитического способа получения алюминия 8
1.3 Строение криолито-глинозёмных расплавов 9
1.4 Выход алюминия по току, расход электроэнергии и
влияния на них различных факторов 10
1.5 Новые материалы катодной футеровки 12
2. Расчетно-технологическая часть 15
2.1 Выливка металла 15
2.2 Нарушения в работе ванн 17
2.3 Конструктивный расчёт электролизёра 22
2.4 Материальный расчёт 29
2.5 Электрический расчёт 34
2.6 Энергетический расчёт 50
2.7 Расчёт количества электролизёров и размеров цеха 55
Заключение 60
Литература 61
КП.22.02.02.16.06.ПЗ
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Разработ.
Нилов К.Г
Проект серии электролиза, оборудованной электролизёрами с обожжёнными анодами, на силу тока 200кА
Лит.
Лист
Листов
Принял
Шевчук Н.В
У
3
61
Т.контр.
ГБПОУ ЛО «ВАК»
гр. М12-62
Н.контр.
Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 315
