Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
АНОД
Содержание
Введение.…………………………………….………………………………………..…...2
1 Расчётная часть………………………………………………………………………….3
1.1 Материальный баланс……………………….………………………………………….3
1.2 Конструктивный расчет………………………………………………………………...6
1.3 Электрический баланс электролизёра……………………..……….………................11
1.4 Тепловой баланс электролизёра…………………………….…….…………………..14
1.5 Расчёт цеха…………………………………………………….…...…………………...17
2 Описательная часть……………………….………………………………………..…..19
2.1 Сущность электролитического получения алюминия……………………………..19
2.2. Методы спектрально анализа…………………..……...............................................21
2.4. Техника безопасности. .………………………………..…….………………….........22
3.Организационно – экономическая часть……...…………………………………......
3.1 Организационная структура проектируемого цеха
3.2 Расчет производственной программы……………………………..………………
Список использованных источников…………………………………………………..
Насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преимущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, и более 40 % из них относится к алюмосиликатам.
Алюминий уже давно является промышленным металлом, так как он обладает рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Для него характерны: небольшая плотность; хорошая пластичность и достаточная механическая прочность; высокая тепло- и электропроводность, коррозионная устойчивость.
Важнейшие потребители алюминия и его сплавов – авиационная и автомобильная промышленность, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая, химическая, металлургическая и пищевая промышленности, промышленное и гражданское строительство.
В металлургической промышленности алюминий применяют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (хрома, кальция и пр.) алюмотермическими способами, для сварки стальных деталей.
Конструкции из алюминия требуют более низких затрат в течение срока службы и практически не требуют ремонта. Обладая хорошей гибкостью, алюминиевые конструкции эффективно несут нагрузки и значительно снижают затраты на сооружение фундаментов и опор.
Алюминий способен образовывать сплавы со многими металлами. Алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные сплавы, которые применяются для фасонного литья, и деформируемые сплавы, идущие на производство проката и штампованных изделий. Из литейных сплавов наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами.
Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.
При применении самообжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.
1.1 Материальный баланс
В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные оксиды углерода.
Расчет веду на основании заданных параметров:
- сила тока I = 173,850 кА
- анодная плотность тока dа = 0.71А/см2
- выход по току h =88.1 % = 0.881
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия
- глинозем, NГ = 1,937кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,0215кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0012кг
- анодная масса, NМ = 0,538г
Проектируемый цех состоит из 3 серий.
Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по закону Фарадея:
РА1 = j * I * τ * h, (1)
где : j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);
I - сила тока, кА;
τ - время, час;
h - выход по току, доли единицы.
P А1 = 0,335 * 173,850 * 0,881*0,001 = 51,40 кг
Приход материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Затраты по сырью составят
- глинозема RГ, кг
RГ = PAl * NГ (2)
RГ = 51,40 * 1,937 = 99,56кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ =PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 51,40 * ( 0,0215 + 0,0012) = 1,18 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rм = 51,40 * 0,538 = 27.65 кг
Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для расчета принимаю состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.
При получении 46,4 алюминия выделится кислорода m0, кг:
(5)
где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:
(6)
кг
в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:
(7)
где 60 и 40 – процентное содержание оксида углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
кг
Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
(8)
Количество углерода связанного в оксид углерода, mcco, кг:
(9)
кг
Таким образом, в час выделяется оксидов Pco2 и Pco, кг:
Pco2 = m0co2 + mcco2 (10)
Pco2 = 34,26 + 12,8 = 47,06 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 11,42 + 8,6 = 20,02
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 46,2 + 19,6 = 67,08 кг
Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:
G = PAl * (Nг - 1,89) (13)
G = 51,40* (1,937– 1,89 ) = 2,42
Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг =27,65– (12,8+8,6) =6,26 кг
Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.
Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 153,850кА.
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
99,56 |
77,55 |
Алюминий |
51,40 |
40,02 |
|
СО2 |
47,1 |
36,7 |
|||
|
СО |
20,02 |
15,6 |
|||
|
Анодная масса |
1,17 |
0,91 |
Потери: |
||
|
Глинозем |
2,42 |
1,87 |
|||
|
Фтористые соли |
1,18 |
0,91 |
|||
|
Фтористые соли |
27,65 |
21,54 |
Анодная масса |
6,26 |
4,9 |
|
ИТОГО: |
128,38 |
100 |
ИТОГО: |
128,38 |
100 |
1.2 Конструктивный расчет
В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
1.2.1 Анодное устройство электролизера
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
А/см2
Ширина анода Ва, см, для электролизёра С8БМ, принимаем 285 см. Тогда длина анода La, см имеющего прямоугольное сечение составит:
(16)
Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря принимаю равной dш = 0,19 А/мм2.
Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:
- общая длина – 2700
- длина стальной части -1950
- длина алюминиевой штанги – 1040
- максимальный диаметр – 138
- минимальный диаметр – 100
Площадь сечения всех штырей SО., мм2 определяются:
(17)
мм2
Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.
(18)
мм
Площадь сечения одного штыря Sш, мм2 имеющего круглое сечение составит:
(19)
мм2
где DШ – средний диаметр штыря, мм
Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:
(20)
Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаю их количество 80 штуки.
1.2.2 Расчёт катодного устройства
Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного слоя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.
Размеры шахты электролизёра
Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние
- от продольной стороны анода до футеровки, а = 65 см
- от торца анода до футеровки, в = 55 см.
Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра
Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:
Lш =Lа + 2*в;(21) (21)
Lш = 859 + 2 * 55 = 969 см
Вш = Ва + 2*а (22)
Вш = 285 + 2 * 65 = 415 см
Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см. Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков вперевязку. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой hб = 40 см , шириной bб = 50 см, и длиной l б от 110 до 400 см. При ширине шахты 415 см применяют катодные блоки:
- короткие l кб = 160 см
- длинные l дб = 220 см
Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:
(23)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина шва между блоками, 4 см.
Рисунок 2 Схема подины электролизёра
Число катодных блоков Nб, равно:
Nб = Nс * 2 (24)
Nб = 18 * 2 =36
Подина данного электролизера монтируется из 36 катодных блоков, уложенных по 18 штук в два ряда с перевязкой центрального шва.
Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой.
Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):
- для блока 160 см длина блюмса 219 см;
- для блока 220 см длина блюмса 279 см.
Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:
- в торцах подины, bт,
bт = (25)
bт = см
- по продольным сторонам, bп:
(26)
см
1.2.3 Размеры катодного кожуха
Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.
Длина катодного кожуха Lк, см:
Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5), (27)
где: Lш - длина шахты, см;
Пу – толщина угольной плиты,;
3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк = 969 + 2 (20 + 3,5) = 1005
Ширина катодного кожуха Вк, см:
Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (28)
где: Вщ - ширина шахты, см;
5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.
Вк = 415 + 2 (20+5) = 465
Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):
- теплоизоляционная засыпка 3 см;
- два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;
- три ряда шамотного кирпича 3 6,5 см;
- угольная подушка 3 см;
- подовый блок 40 см.
Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:
Нк = 3 + 5* 6,5 + 3 + Нш + hб (29)
где: Нш - глубина шахты, см;
hб – высота подового блока, см.
Нк = 3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 +40 = 114см
Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм.
Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.
1.3 Электрический баланс электролизёра
Электрический расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.
Среднее напряжение UСР.,В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно(В):
Uср = Ер + ∆Uа + ∆Uп + ∆Uаэ + ∆Uэл + ∆ Uо + ∆Uоо, (30)
где ЕР - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5;
∆UА - падение напряжения в анодном устройстве,
∆UП - падение напряжения в подине,
∆UАЭ – доля увеличения напряжения при анодных эффектах,
∆UЭЛ - падение напряжения в электролите,
∆UО - падение напряжения в ошиновке электролизёра,
∆UОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке.
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и теле анода. Для определения падения напряжения в теле анода с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым.
, (31)
где Sa - площадь анода,244860 см2;
К - количество токоподводящих штырей- 80
Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем в пределах 30 см.
da - анодная плотность тока, 0,71 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
В
1.3.2 Падение напряжения в подине
Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:
(32)
где lпр - приведенная длина пути тока 28,4 см;
ρбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;
Вш - половина ширины шахты ванны 415 см;
Вбл - ширина катодного блока 54, см;
a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;
Scт – площадь сечения блюмса 377см2;
da - анодная плотность тока 0,71 А/см2.
Приведенную длину пути тока по блоку lпр, см определяем по уравнению:
(33)
где hбл - высота катодного блока;
hст - высота катодного стержня, 14,5 см;
Вст - ширина катодного стержня, 26 см
см
Ширина катодного блока с учетом набивного шва Вбл,см равна:
Вбл = bб + с, (34)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина набивного шва между блоками.
Вбл = 50 + 4 = 54
Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:
Sст = hст * Вст (35)
Sст = 14,5 * 26 = 377см2
Тогда падение напряжения в подине ∆UП, В составит (формула 32):
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов
Величину падения напряжения от анодных эффектов ∆UАЭ, В определяем по формуле:
(36)
где UАЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;
n - длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;
k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;
1440 - число минут в сутках.
В
Падение напряжения в электролите, Uэл, В определяется по формуле Форсблома и Машовца:
(37)
где I - сила тока, А;
р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом * см;
l - междуполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;
Sа - площадь анода, см2;
2 (La + Вa) - периметр анода, см.
В
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра
Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ∆UО = 0,3 В
Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆UОО = 0,016 В
Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 173,850 кА
|
Наименование участков |
Ucp |
Up |
Uгр |
|
Ер |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
|
UА |
0,520 |
0,520 |
0,520 |
|
UП |
0,319 |
0,319 |
0,319 |
|
UЭЛ |
1,93 |
1,93 |
1,93 |
|
UАЭ |
0,014 |
-- |
0,014 |
|
UО |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
UОО |
0,016 |
-- |
-- |
|
Итого: |
4,599 |
4,569 |
4,583 |
1.4 Тепловой баланс электролизёра
Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх
Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы
Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25°С.
В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qэл + Qан = QГ + Q Al + Qгаз + Qп, (38)
где Qэл - приход тепла от электроэнергии;
Qан - приход тепла от сгорания анода;
QГ - расход тепла на разложение глинозёма;
Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;
Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;
Qп - потери тепла в окружающее пространство.
1.4.1 Расчет приход тепла
Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:
Q эл = 3600 * I * Uгр * τ (39)
где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;
I – сила тока, кА;
Uгр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);
τ – время, часы.
Q эл = 3600 * 173,85 * 4,583 * 1 = 2868316 кДж
Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:
Qан = Р1СО2 * ∆HTCO2 + Р1СО * HTCO (40)
где Р1СО2 и Р1СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);
∆НТСО2 и ∆НТСО – тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):
∆H298СО2 = 394 070 кДж/кмоль
∆H298СО = 110 616 кДж/кмоль
(41)
(42)
Qан = 1,07* 394070 + 0,8∙* 110616=510148 кДж
1.4.2 Расход тепла
На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:
QГ = R1Г * ∆HTГ (43)
∆HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.
(44)
кмоль
кДж
Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.
При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆HT1Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆HT2Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:
QAl = Р1Al * (∆HT1Al - ∆HT2Al) (45)
где Р1Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:
(46)
кмоль
кДж
Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:
Qгаз = Р1СО * ( HT1CO - HT2CO) + Р1СО2 * (HT1CO2 - HT2CO2), (47)
где Р1СО и Р1СО2 – количество CO и CO2, кмоль
HT1CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль
HT2CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль
HT1CO2 – энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль
HT2CO2 – энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
HT2CO2 – энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
Qгаз = кДж
Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:
Qп = (Q эл + Qан) - (QГ + QAl + Qгаз) (48)
кДж
Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 173,850кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
От прохождения электроэнергии |
2868316 |
85 |
На разложение глинозёма |
1642480 |
49 |
|
С вылитым металлом |
71178,06 |
2 |
|||
|
От сгорания угольного анода |
510148 |
15 |
С отходящими газами |
38079,3 |
1 |
|
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра |
1626726,6 |
48 |
|||
|
ИТОГО |
3378464 |
100 |
ИТОГО |
3378464 |
100 |
1.5 Расчёт цеха
В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.
Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.
КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.
Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:
U = 850 - (U1 + U2 + U3) (49)
U = В
Число рабочих электролизеров N в серии составит:
, (50)
где U - напряжение серии U, В
UСР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);
UАЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)
Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров NУ должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.
Количество резервных ванн NР рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:
, (51)
где N – число рабочих электролизёров в серии;
t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 6 дней;
Т – срок службы электролизёра, 4 года;
365 – дней в году.
Принимаем 1 резервный электролизёр на серию, тогда в серии будет установлено электролизеров Nу шт.:
Nу = N + NР, (52)
где N - число установленных электролизеров;
NР - число резервных электролизеров
Nу = 177 +1 = 178
В 2 сериях будет 4 корпусов, в них установленных электролизёров, NУСТ:
NУСТ = NУ * n (53)
NУСТ = 176 * 2 = 352
Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:
Pс = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10-3 (54)
где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);
I - сила тока, кА;
η - выход по току, д. е.;
8760 - часов в год;
N - число работающих ванн в серии.
РС = 0,335 * 153850* 0,881 * 8760 * 175 = 78657 т
Годовая производительность цеха Рц, т будет:
Рц = Рс * n (55)
Рц = 78657 * 2 = 157314 т
Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по формуле:
(56)
кВт*ч/т
Выход по энергии г/кВт*ч
(57)
г/(кВт*ч)
2 Описательная часть
2.1 Электролитическое получение алюминия.
Алюминий получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном электролизе, основным компонентом которого является криолит. В чистом криолите Na3AlF6(3NaF . AlF3) отношение NaF: AlF3 равно 3, для экономии электроэнергии необходимо при электролизе иметь это отношение в пределах 2,6-2,8, поэтому к криолиту добавляют фтористый алюминий AlF3. Кроме того, для снижения температуры плавления в электролит добавляют немного CaF2, MgF2 и иногда NaCl. Содержание основных компонентов в промышленном электролите находится в следующих пределах, %: Na3AlF6 75-90; AlF3 5-12; MgF2 2-5; CaF2 2-4; Al2O3 2-10.
Электролизная ванна или электролизер, где проводят электролиз, имеет в плане прямоугольную форму. Кожух из стальных листов охватывает стены ванны, а у больших ванн выполнен с днищем. Внутри имеется слой шамота и далее стены выложены угольными плитами, а под образован подовыми угольными блоками. Ванна глубиной 0,5-0,6 м заполнен электролитом и находящимся под ним слоем жидкого алюминия.
Угольный анод подвешен на стальных стержнях так, что его нижний конец погружен в электролит, через стержни к аноду подается ток от шин.
Мощность электролизера, определяемая силой подводимого к ней тока, изменяется от 30 кА у ванн малой мощности до 250 кА у ванн большой мощности.
Электролизные ванны с предварительно оббоженными анодами имеют анодный узел, составленный из нескольких угольных или графитированных блоков, расположенных в два ряда. В каждом блоке закреплены четыре стальных ниппеля, соединенных со штангой; это устройство служит для подвода тока и для подвески блока. Сгоревшие блоки заменяют новыми. Над ванной установлен газоулавливающий короб.
Использование обожженных анодов позволило увеличить единичную мощность ванн и сильно сократить выделение вредных канцерогенных веществ, которые образуются при коксований пека самообжигающихся электронов.
Электронные ванны размещают в цехе в ряд - по несколько десятков ванн в ряду.
Электролиз ведут при напряжении 4-4,3 В и ,как отмечалось, при удельной плотности тока, походящего через анод, равной 0,65-1,0 А /см2 .Толщина слоя электролита в ванне составляет 150-250 мм. Температуру ванны поддерживают в пределах 950-970 0С за счет тепла, выделяющегося при прохождений постоянного тока через электролит. Такие температуры имеют место под анодом, а на границе с воздухом образуется корка затвердевшего электролита, а у стен ванны - затвердевший слой электролита (гарнисаж).
Необходимая температура ванны, т. е выделение в слое электролита необходимого количества тепла, обеспечивается при определенном электросопротивлении слоя электролита. Такого электросопротивления достигают, поддерживая в заданных пределах состав электролита и толщину его токопроводящего слоя, т. е. расстояния между анодом и слоем жидкого алюминия в пределах 40-60 мм.
При приложении напряжения к катоду и аноду составляющие жидкого электролита подвергаются электролитической диссоциации, и расплав состоит из многочисленных катионов и анионов. Состав электролита подобран так, что в соответствии со значениями потенциалов разряда на электродах могут разряжаться только катионы Al3+ и анионы O2-, образующиеся при диссоциации Al2O3 в электролите.
Разряжающийся на катоде алюминий накапливается на подине ванны под слоем электролита. Выделяющийся на аноде с образованием газов CO и CO2, т. е. при этом окисляется низ анода, в связи с чем анод периодически опускают. Газы CO и CO2 выходят из-под анодов вдоль их боковых поверхностей, они содержат выделяющиеся из электролита токсичные фтористые соединения и глиноземную пыль; эти газы улавливают и очищают от пыли и фтористых соединений.
По ходу процесса в ванны периодически загружают глинозем; контролируют состав электролита, вводя корректирующие добавки; с помощью регуляторов поддерживают оптимальное расстояние между анодами и жидким алюминием. Глинозем загружают в ванны сверху, пробирая для этого корку спекшегося электролита с помощью передвигающихся вдоль ванн машин.
Жидкий алюминий извлекают из ванн один раз в сутки или через 2-3 сут с помощью вакуум-ковшей. Вакуум-ковш представляет собой вмещающую 1,5-5 т алюминия футерованную шамотом емкость, в которой создается разряжение ~ 70 кПа. Соединенную с патрубком ковша заборную трубку погружают сверху в слой жидкого алюминия засасывается в ковш.
Выделяющиеся анодные газы вначале направляют в горелки, где сжигают CO и возгоны смолы, а затем в газоочистку, где улавливают пыль и фтористые соединения.
2.2. Атомно-эмиссионный спектральный анализ
Атомно-эмиссионным спектральным анализом называется метод определения химического состава, основанный на изучении атомных спектров вещества, возбуждаемых в горячих источниках света. Спектр-излучение, разложенное по длинам волн, заключает в себе информацию о качественном и количественном составах анализируемого объекта.
На металлургических предприятиях до 70% всех анализов проводят этим методом. Такое широкое распространение атомно-эмиссионного анализа обусловлено его универсальностью, возможностью определения многих элементов одновременно, высокой чувствительностью. Современные варианты спектрального анализа имеют хорошие метрологические характеристики. Этот метод позволяет определять до 80 элементов. При анализе расходуются очень малые количества вещества.
В качестве стандартного спектра чаще всего используют спектр железа, имеющий характерные группы линий в разных областях длин волн. Спектр железа является удобной шкалой длин волн в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Для анализа алюминия небольшие содержания железа очень важны, так как улучшают марку.
Определение длин волн спектральных линий при решении вопросов качественного анализа ведется с помощью приборов, называемых спектрографами. В большинстве спектрометрических методов концентрацию определяемого элемента устанавливают путем сравнения интенсивности спектральных линий исследуемой пробы и стандартных образцов с известным содержанием этого элемента.
С аналитической точки зрения очень важным является вопрос о влиянии сопутствующих элементов на интенсивность аналитических линий определяемого элемента.
2.3 Безопасность труда в ЦЗЛ
Создание здоровых и безопасных условий труда, его облегчение, является главной задачей руководства завода. Вопросы охраны труда, охватывают ряд правовых, организационных и технических задач. Все они направлены на улучшение технико-экономические показатели алюминиевой промышленности, значительно облегчить и обезопасить труд рабочих, что способствует значительному снижению производственному травматизму и профзаболеваниям. Также большое внимание уделяют мерам пожарной безопасности. Так как в алюминиевом производстве основные технологические процессы сопровождаются горячими расплавами электролита, алюминия и сплавов на его основе. По мимо этого на заводе много различного оборудования работающего на повышенном напряжении. Хранятся и используются горюче-смазочные материалы.
Общие требования пожарной безопасности в зданиях лабораторий ЦЗЛ обязательна для исполнения всем персоналом лабораторий, прибывшими на производственное обучение или практику учащимися и студентами, временными работниками и работниками сторонних организаций, выполняющих по договору подряда.
Каждый вновь принятый на предприятие работник, а также учащиеся и студенты, прибывшие на производственное обучение или практику, обязаны пройти вводный инструктаж по пожарной безопасности, первичный инструктаж по пожарной безопасности на рабочем месте по «Инструкции о мерах пожарной безопасности ИПБ 2-2002», «Инструкции о мерах пожарной безопасности ЦЗЛ». Отметка о прохождении первичного инструктажа делается должностным лицом, проводившим инструктаж, в личной карточке рабочего либо в «Журнале учета инструктажей по пожарной безопасности» при проведении инструктажа с ИТР.
3. Организационно – экономическая часть
3.1 Организационная структура проектируемого цеха
Данный курсовой проект предусматривает расчёт оборудования электролизного цеха, состоящего из двух серий. В результате расчета были получены следующие данные. Для реализации проекта понадобится 352 электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Тогда в каждой серии разместится по 178 электролизёров. Рабочих электролизеров в этом цехе 175, число ванн, подлежащих капитальному ремонту 3.
При силе тока 173,850 кА и выходе по току 88,1 %. В двух сериях за год выпуск алюминия- сырца составляет 157314 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом составляет 4,599 В. Удельный расход электроэнергии составляет 15584 кВт*ч /т.
3.2 Расчет производственной программы
На основании расчётных данных производственная часть приведена таблице 4.
Таблица 4 Показатели цеха.
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУСТ |
352 |
|
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт. |
88 |
|
|
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней |
t |
7 |
|
Длительность планового ремонта, дней |
T |
365 |
|
Число электролизёров в ремонте, шт. |
2 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
350 |
|
Сила тока, А |
I |
173850 |
|
Выход по току, % |
η |
88,1 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,231 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,599 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
15584 |
|
|
Количество алюминия 3 серий, т/год |
M = N*m*T |
157314 |
Список использованных источников
1. Троицкий И.А. Железнов В.А. 2-е издание, дополненное и переработанное Металлургия алюминия. М.: Металлургия – 1984 .
2. Минцис М.Я., Поляков П.В. Электрометаллургия алюминия. – Новосибирск: Наука, 2001
3. Сушков А.И., Троицкий И. А. Металлургия алюминия. – М.: Металлургия – 1965.
4. Янко Э.А. Производство алюминия в элекролизерах с верхним токоподводом. – М.: Металлургия – 1976.
5. Деев П.З. техника безопасности в производстве алюминия. – М.: - Металлургия – 1978.
6. Инструкция по охране труда для работающих в подразделениях ОАО «КрАЗ», ИОТ №1-04, ОАО «КрАЗ», 2004.
7. Инструкция о мерах пожарной безопасности ЦЗЛ.
8. Технико-экономический вестник “Русского алюминия”, №12, сентябрь 1998
9. Сборник нормативных документов по ОТ и ТБ ОАО КрАЗ
10. Габриелян О.С. Химия.- М.: Дрофа, 2004 г.
11. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 г.