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
Содержание
Введение …………………………………….…………………………………..2
1 Расчётная часть………………………………………………………………..3
1.1 Материальный баланс……………………….……………………………….…3
1.1.1 Расчёт прихода сырья в электролизёр.....…………………………………4
1.1.2 Расчёт продуктов электролиза..……………...……………………………5
1.1.3 Расчёт потерь сырья…………………………..……………………………6
1.2 Конструктивный расчет………………………………………………………...6
1.2.1 Расчет анодного устройства………….………….………………………..8
1.2.2 Расчёт катодного устройства…………………………………………...…9
1.2.3 Размеры катодного кожуха ……………………...…………………...….10
1.3 Электрический баланс электролизёра……………………..……….………....11
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве…………..……...………...11
1.3.2 Падение напряжения в подине….…………………….….………………..12
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов……...….…………....13
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра.........................….…..14
1.4 Тепловой баланс электролизёра…………………………….…….…………..14
1.4.1 Расчет приход тепла……………………………………..………………..15
1.4.2 Расход тепла………………….………………………………...……...…..17
1.5 Расчёт цеха…………………………………………………….…...……..…17
2 Описательная часть……………………….…………………………………20
2.1 Свойства и состав промышленных электролитов…...……………………20
2.2. Конструкция электролизера с самообжигающимся анодом…..…….......20
2.3. Безопасность труда при обслуживании электролизера……..…….……....21
3.Организационно – экономическая часть……...…………………………...34
3.1 Расчет производственной программы…………………………………..……34
3.2 Расчет производственной программы……………………………..…………35
Список использованных источников…………………………………………36
Алюминий и его сплавы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях. По своим свойствам алюминий очень выгодно отличается от других металлов. Для него характерны: небольшая плотность; хорошая пластичность и достаточная механическая прочность; высокая тепло- и электропроводность, коррозионная устойчивость. Алюминий способен образовывать со многими металлами сплавы. Алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные сплавы, которые применяются фасонного литья, и деформируемые сплавы, идущие на производство проката штампованных изделий. Из литейных сплавов более распространены сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами.
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.
Судя по свойствам алюминия, можно сказать, что он мог бы применятся значительно шире и в больших количествах и заменять в большинстве конструкций сталь. Но этому препятствует большая по сравнению со сталью стоимость алюминия. Требуется еще много работать над дальнейшим расширением масштапроизводства алюминия и уменьшением его стоимости.
Данный проект основан на практических данных Красноярского алюминиевого завода. Проект выполнен на основе действующего оборудования корпуса. Содержание проекта представляет собой расчет электролизера. В котором производят конструктивный, материальный, электрический и тепловой расчет электролизной ванны, а также расчёт количества установленных электролизёров и производительности серии. Эти расчёты необходимы для определения технико-экономических показателей работы цеха.
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 окислы углерода.
На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров ОА задаёмся параметрами для расчета электролизера:
- сила тока I=177 кА
- анодная плотность тока dа = 0,71 А/см2
- выход по току =89 %
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:
- глинозем, NГ = 1,923кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,033кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0014кг
- анодная масса, NМ = 0,538 кг
Для упрощения расчетов материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.
Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:
РА1 = j * I * τ * * 10-3, (1)
где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 г/(А*час);
I - сила тока, А;
τ - время, час;
- выход по току, доли единицы.
P А1 = 0,335 * 177000 * 0,89 * 10-3= 52,77 кг
Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:
- глинозема RГ, кг
RГ = PAl * NГ (2)
RГ = 52,77 * 1,923 = 101,48 кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ = PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 52,77 * ( 0,033 + 0,0014) = 1,82 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rм = 52,77 * 0,538 = 28,39 кг
Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.
При получении PAl алюминия выделится кислорода m0, кг:
(5)
где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
кг
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 двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
кг
Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
(8)
кг
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 = 35,18 + 13,19 = 48,37 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 11,73 + 8,80 = 20,53 кг
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 48,37 + 20,53 = 68,9 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 = 52,77 * (1,923 – 1,89 ) = 1,74 кг
Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг = 28,39 – ( 13,19 + 8,80) = 6,4 кг
Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.
Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Материальный баланс на силу тока 177 кА
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
101,48 |
77,06 |
Алюминий |
52,77 |
40,07 |
|
СО2 |
48,37 |
36,73 |
|||
|
СО |
20,53 |
15,59 |
|||
|
Анодная масса |
28,39 |
21,56 |
Потери: |
||
|
Глинозем |
1,74 |
1,34 |
|||
|
Фтористые соли |
1,82 |
1,39 |
|||
|
Фтористые соли |
1,82 |
1,38 |
Анодная масса |
6,4* |
4,87 |
|
ИТОГО: |
131,69 |
100 |
ИТОГО: |
131,69 |
100 |
* - с учетом газов коксования и механических потерь.
1.2 Конструктивный расчет
В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
1.2.1 Расчет анодного устройства
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
см2
Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С8БМ, принимается 285 см.
Тогда длина анода La, см будет:
(16)
см
Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря равной dст = 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:
(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 принимаем их количество кратным 4, то есть 84 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 цоколя 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 = 63,5 см
- от торца анода до футеровки, в = 50 см.
Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра
Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты будут:
Lш =Lа + 2*в; (21)
Lш = 955 + 2 * 50 = 1055 см
Вш = Ва + 2*а (22)
Вш = 285 + 2 * 63,5 = 412 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 = 55 см, и длиной l б от 110 до 400 см. При ширине шахты 412 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.
Число катодных блоков Nб, равно:
Nб = Nс * 2 (24)
Nб = 18 * 2 =36
Рисунок 2 Схема подины электролизёра
Подина данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 17 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:
где Lш - длина шахты, см;
3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк =1055 + 2 (20 + 3,5) = 1102
Ширина катодного кожуха Вк, см:
где: Вщ - ширина шахты, см;
5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.
Вк = 412 + 2 (20 + 5) = 462
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 = 135см
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:
где ЕР - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;
∆UА - падение напряжения в анодном устройстве, В;
∆UП - падение напряжения в подине, В;
∆UАЭ – доля падения напряжения при анодных эффектах, В;
∆UЭЛ - падение напряжения в электролите, В;
∆UО - падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;
∆UОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым, тогда ∆UА, мВ равно:
, (31)
где Sa - площадь анода, см2;
К - количество токоподводящих штырей (формула 22);
Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем 40 см.
da - анодная плотность тока, 0,65 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
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, ∆UП, мВ:
(32)
где lпр - приведенная длина пути тока (формула 33), см;
ρбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;
Вш - половина ширины шахты ванны (формула 22), см;
Вбл - ширина катодного блока (формула 34), см;
a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 63,5 см;
Scт – площадь сечения блюмса (формула 35), см2;
da - анодная плотность тока, 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 = 55 + 4 = 59
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):
307 мВ =0,307 В
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 1,5 мин;
k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;
1440 - число минут в сутках.
В
Падение напряжения в электролите
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 - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;
Sа - площадь анода, см2 (формула );
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
Данные расчётов сводим в таблицу 2.
Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 177 кА
Размеры в вольтах
|
Наименование участков |
Ucp |
Up |
Uгр |
|
Ер |
1,500 |
1,500 |
1,500 |
|
UА |
0,574 |
0,574 |
0,574 |
|
UП |
0,307 |
0,307 |
0,307 |
|
UЭЛ |
1,766 |
1,766 |
1,766 |
|
UАЭ |
0,031 |
-- |
0,031 |
|
UО |
0,300 |
0,300 |
0,300 |
|
UОО |
0,016 |
-- |
-- |
|
Итого: |
4,494 |
4,447 |
4,478 |
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 25С.
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 * 177 * 4,478 * 1 = 2853381 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)
кмоль
(42)
кмоль
Qан =1,10∙110616+0,73∙394070=409348 кДж
1.4.2 Расход тепла
На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:
QГ = R1Г * ∆HTГ, (43)
где R1Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 44
∆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
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
Данные расчета представлены в таблице 3
Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 177 кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
От прохождения электроэнергии |
2853381 |
87,45 |
На разложение глинозёма |
1667620 |
51,11 |
|
С вылитым металлом |
73004 |
2,24 |
|||
|
От сгорания угольного анода |
409348 |
12,55 |
С отходящими газами |
38158 |
1,17 |
|
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра |
1483947 |
45,48 |
|||
|
ИТОГО |
3262729 |
100 |
ИТОГО |
3262729 |
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 2% 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
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)
Число установленных электролизёров в серии
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 5 – 8 дней;
Т – срок службы электролизёра, 4 года;
365 – дней в году.
шт
Принимаем 1 резервный электролизёр на серию.
Тогда в серии будет установленных электролизеров NУ, шт.:
NУ = N+ NР, (52)
где N - число рабочих электролизеров;
NР - число резервных электролизеров.
NУ = 179 + 1 = 180
При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 180 электролизеров, т.е. размещается в двух корпусах по 90 электролизеров в каждом.
В 4 сериях будет 8 корпусов, в них установлено электролизёров, NУСТ:
NУСТ = NУ * n (53)
NУСТ = 180 * 4 = 720 шт
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 * 177* 0,89 * 8760 * 179 * 10-3 = 82749,5 т
Годовая производительность цеха Рц, т будет:
Рц = Рс * n (55)
Рц = 82749,5 * 4 = 330998 т
Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:
(56)
кВт/ч
Выход по энергии
(57)
г/кВт*ч
На основании расчётов производственная программа приведена в таблице 4.
Таблица 4 - План производства алюминия цеха на силу тока 177 кА
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУ |
720 |
|
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт. |
180 |
|
|
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней |
t |
8 |
|
Длительность планового ремонта, дней |
T |
365 |
|
Число электролизёров в ремонте, шт. |
4 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
716 |
|
Сила тока, А |
I |
177000 |
|
Выход по току, % |
η |
89 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,27 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,494 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
||
|
Количество алюминия 4 серий, т/год |
M = N*m*T |
332836.2 |
2 Описательная часть
2.1 Свойства и состав промышленных электролитов
Первые промышленные электролизеры работали с необыкновенно кислыми электролитами, содержащими 28 % избытка AlF3 (КО=1,5) и имеющими основные свойства, приведенные в таблице 2.1.
Таблица 5 - Свойства электролитов
|
Свойства |
Первые электролиты |
Классические электролиты |
Электролиты 40-х годов |
Кислые современные электролиты |
|
Растворимость глинозема, % |
~ 4 |
9,37 |
9,34 |
7,82 |
|
Температура ликвидуса,˚С |
887 |
967 |
966 |
949 |
|
Температура электролиза,˚С |
900-1000 |
~980 |
~980 |
955 |
|
Упругость пара, Па |
~2000 |
330 |
448 |
508 |
|
Электропроводность, Ом -1см -1 |
~1,7 |
2,35 |
2,26 |
2,09 |
|
Разность плотностей металл- электролит, г / см 3 |
~1,8 |
0,188 |
0,217 |
0,221 |
Затем последовали так называемые классические электролиты, содержащие 7 % CaF2 имеющие КО=2,8 (избыток AlF3 – 3 %) .Переход к ним осуществлялся методом проб и ошибок, хотя уже в начале века П.П.Федотов указал на исключительную пользу CaF2 при электролизе.
Переход к более кислым электролитам (КО=2,50, избыток AlF3 – 7 %) произошел в 40-х годах.
Переход к кислым электролитам (избыток AlF-13%,KO=2,18), как видно из таблицы, сопровождается ухудшением ряда свойств: увеличивается упругость пара, уменьшается электропроводность и растворимость глинозема, но зато растет выход по току. Чтобы проводить электролиз в таких условиях, необходима очень суровая технологическая дисциплина, предусматривающая, в частности:
Несколько особняком стоит группа литиевых электролитов с содержанием LiF2 от 2 до 4 % . Считается, что эту добавку лучше использовать в расплавах, содержащих 2-4 % MgF2 .
В любом случае при достаточно низкой цене на карбонат лития такие электролиты обеспечивают возможность повышения тока или уменьшения удельного расхода энергии на ваннах достаточно старых конструкций (практически для всех отечественных). Об этом, в частности, свидетельствует опыт КрАЗа (Ю.В.Куликов, 1965 г.).
В первом проекте КрАЗа (1958 г.) основной состав электролита предполагался 2,5 КО и 4,6 % CaF2. Однако позднее проект был пересмотрен, и мы стали работать на стандартном для отечественной промышленности щелочном электролите 2,7 KO 3,5 % CaF2 и 3,5 % MgF2. Начиная с середины девяностых, криолитовое отношение стало постепенно уменьшаться, а в 1997-1998 годах оно было снижено быстрыми темпами, достигнув величины 2,5. Изменение технической политики в области состава электролита началась в 1994 году, когда на опытном участке в корпусе 19 начались работы по проекту модернизации электролизной серии корпусов 19-20 «КрАЗ - «Кайзер» - ВАМИ». Одним из аспектов модернизации было улучшение состава электролита. Специалисты «Кайзер» предложили применять достаточно кислый электролит с КО 2,3 и содержанием в нем фтористого кальция 5,5 %, добавку фтористого магния было предложено не применять. Подобный состав широко используется во всем мире, и работа с таким электролитом справедливо считается условием достижения высокого выхода по току (90-91 %). Однако работа на таком составе в то время не удалась: ванны начали зарастать, для предотвращения этого пришлось слить металл до уровня 35-40 см. Анод опустился в шахту ванн, и бортовые гарниссажи исчезли, как следствие, резко ухудшилась сортность и производительность. Так выяснилось, что конструкция нашего электролизера оказалась не пригодной для работы на столь кислых электролитах. Позднее криолитовое отношение пришлось несколько увеличить, однако общее направление снижения было сохранено. В 1995 году технологи завода приняли решение вывести из состава электролита фтористый магний, с тех пор он перестал использоваться в корпусах завода. За пределами корпуса 19 была начата реализация программы по снижению КО в корпусах 5 и 11. В 1997 году, когда проект модернизации стал давать реальные результаты, мастера разных корпусов стали проходить стажировку в корпусе 19, среди прочих направлений они осваивали приемы работы с новым электролитом. Распространение опыта послужило толчком к резкому снижению криолитового отношения в 1997-1998 годах.
В конечном итоге был подобран тот состав электролита, который мы используем сейчас, и который был предложен в основном проекте сорок лет назад.
Изменение состава электролита наряду с работами по улучшению анодного хозяйства и совершенствованию системы контроля технологии производства сыграло решающую роль в улучшении ТЕП завода в 1996-1998.
Сейчас химический состав электролита на КрАЗе близок к оптимальному, то есть он обеспечивает хорошую производительность, достаточный уровень управляемости процессом на старых конструкциях ванн. Но необходимо продолжать работу по улучшению процедуры его корректировки, стабилизировать отклонения, максимально возможно снизить расходный коэффициент по фтористому алюминию.
Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, которые в 1886 г. Независимо друг от друга заявили почти аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Эти даты можно считать началом возникновения современной алюминиевой промышленности.
Современный электролитический способ производства алюминия довольно сложен. Непосредственное производство алюминия невозможно без производства глинозема, производства криолита и других фтористых солей, производства электродов и получения электрической энергии.
Электролитический способ производства алюминия, несмотря на его сложность, позволил резко снизить стоимость алюминия и создал возможность быстрого развития алюминиевой промышленности.
Криолит как среда (растворитель) для электролиза глинозема имеет следующие ценные свойства:
Совокупность всех этих свойств у криолито-глиноземных расплавов оказалась наиболее благоприятной для применения в качестве электролита (чем в других предлагавшихся расплавах), поэтому их и применяют при промышленном производстве алюминия.
Однако криолит и глинозем являются лишь главными компонентами электролита. Кроме них, в электролите всегда присутствует фтористый алюминий. В качестве добавок к электролиту применяют MgF2, CaF2, MgCl2, NaCl; предлагаются и другие добавки, например LiF. Основное назначение добавок- снижение температуры плавления электролита.
Плотность электролита алюминиевой ванны должна быть меньше плотности расплавленного алюминия, в противном случае жидкий металл всплывает или смешивается с электролитом и технологический процесс будет нарушен .
Электропроводность электролита. Чем выше электропроводность электролита, тем меньше падение напряжения при прохождении через него тока, а следовательно, меньше затраты электроэнергии. Поэтому следует применять электролит с возможно высокой электропроводностью.
Вязкость электролита. Большое влияние на процесс электролитического получения алюминия оказывает вязкость электролита. Это влияние довольно сложно.
С уменьшением вязкости ускоряется диффузия внутри электролита и циркуляция самого электролита, что приводит к более быстрому выравниванию концентрации и температур в электролите. Пониженная вязкость облегчает удаление анодных газов из ванны, а также более полное отделение металла от электролита. Поэтому желательно, чтобы электролит алюминиевой ванны имел пониженную вязкость. Но, с другой стороны, с понижением вязкости электролита и увеличением скорости диффузии и циркуляции электролита усиливается перенос растворенного металла от катода к аноду, что приводит к лишним потерям алюминия. В связи с этим вязкость не должна быть слишком низкой. Вязкость криолита при 1000о С была найдена равной 2,75 спз.
Летучесть компонентов электролита. Наибольшей упругостью паров из компонентов электролита алюминиевой ванны обладает фтористый алюминий. Он же имеет самую низкую температуру кипения (1260 0 С). Фтористый же натрий и глинозем имеют высокие температуры кипения (1700 и около 3000 0 С) и незначительную упругость паров при температуре ниже 1000 0 С.
2.1.1 Совершенствование состава электролита на КрАЗе
Целенаправленное изменение состава электролита путем введения в него различных солевых добавок является одним из главных резервов улучшения технико-экономических показателей работы электролизеров и, по сути дела, самым эффективным, так как для его реализации требуются незначительные капиталовложения.
В настоящее время на алюминиевых заводах России в качестве добавок в электролит в основном применяют фтористый алюминий и фториды кальция и магния.
Многочисленные исследования показывают, что электролит с большим содержанием CaF2 по сравнению с MgF2 имеет ряд преимуществ.
В работах А.И.Беляева, Ю.В.Баймакова, Г.А.Абрамова и др. отмечается положительное влияние добавки фтористого кальция на создание устойчивых гарниссажей и настылей, что способствует увеличению катодной плотности тока, а следовательно, и выхода по току, повышению стойкости катодных блоков.
Фтористый кальций в меньшей степени снижает электропроводность расплава, нежели MgF2 .
Увеличение в электролите CaF2 относительно MgF2 , благоприятно сказывается на поверхностных свойствах электролита с металлом и частицами, взвешенными в объеме расплава. Применение добавки CaF2 вместо MgF2 позволяет снизить расход анода на 2,5-3,0 %. Известно, что фтористый кальций увеличивает плотность электролита в большей степени, чем фтористый магний.
Таким образом, электролиты с добавкой CaF2 в сравнении с MgF2 обладает следующими положительными свойствами:
С переходом на новый состав электролита произошло значительное улучшение технико-экономических показателей работы электролизеров: повышение производительности по металлу, снижение расхода электроэнергии, анодной массы и фторсолей, повышение качества алюминия-сырца.
2.1.2 Растворимость глинозёма
Система Na3AlF6 – Al2O3 ввиду её большого практического значения исследовалась неоднократно, но между данными различных исследований имеются значительное расхождения. Причиной расхождений, как указывает В. П. Машковец, является разложение части расплавленного криолита влагой воздуха по реакции
,
В результате этой реакции расплав обогащается глинозёмом и фтористым натрием, что, естественно, сказывается на результатах исследований. Количество разложившегося криолита зависит от длительности соприкосновения влаги воздуха с расплавом, т. е. от условий проведения исследований. Так как эти условия у различных исследователей были неодинаковыми, то и полученные ими данные оказались также различными.
Криолит-глинозёмные расплавы склонны к переохлаждению, величина которого достигает 50 оС. Поэтому с увеличением скорости охлаждения температура начала кристаллизации расплавов снижается. Одновременно эвтектическая точка на диаграмме плавкости перемещается вниз и вправо, т. е. содержание Al2O3 в эвтектике возрастает, а температура её плавления уменьшается.
Изучение влияния скорости охлаждения на температуру кристаллизации криолит-глинозёмных расплавов позволило установить, что при очень малых скоростях охлаждения эвтектика в системе Na3AlF6 – Al2O3 образуется при 10 % Al2O3 и имеет температуру плавления 968 оС.
В электролите алюминиевой ванны, как правило, имеется избыток AlF3. П. П. Федотьев и В. П. Ильинский установили, что при добавке к криолиту AlF3 растворимость глинозёма в расплаве понижается.
При повышении содержания NaF в криолите до 86 % растворимость глинозёма увеличивается. При дальнейшем повышении концентрации NaF растворимость глинозёма понижается; в чистом NaF глинозём практически не растворяется.
2.1.3 Электропроводность электролита
Чем выше электропроводность электролита, тем меньше падение напряжения при прохождении через него тока, а, следовательно, меньше затраты электроэнергии. Поэтому следует применять электролит с возможно высокой электропроводностью.
Исследования электропроводности системы NaF - AlF3 показали, что наибольшей электропроводностью обладает чистый фтористый натрий; его удельная электропроводность при 1000 оС составляет 4,46 мо/см. При добавке к фтористому натрию фтористого алюминия электропроводность расплава снижается и для криолита она составляет уже 2,67 мо/см. Фтористый алюминий при атмосферном давлении возгоняется, неплавясь, поэтому определить его электропроводность в расплавленном состоянии невозможно.
Электропроводность криолито-глинозёмных расплавов зависит от содержания в них глинозёма и падает с увеличением концентрации его в криолите. Так, удельная электропроводность криолито-глинозёмных расплавов, содержащих 4,2 и 8,5 % глинозёма, при 1000 оС соответственно равна 2,45 и 2,25 мо/см. С повышением температуры электропроводность криолита и криолито-глинозёмных расплавов линейно возрастает.
Фтористый кальций CaF2 несколько понижает электропроводность электролита. Так, было найдено, что при добавке в электролит 5 и 10 % CaF2 электропроводность его соответственно снижается на 3,8 и 6,4 %.
Добавка MgF2 также снижает электропроводность криолитовых расплавов, причём в несколько большей степени, чем CaF2.
Под влиянием добавки NaCl электропроводность криолитовых расплавов возрастает, что следует считать весьма важным свойством этой добавки.
Измерение удельной электропроводности электролита в промышленной ванне даёт более низкие её значения, чем полученные в лабораторных условиях. Это объясняется тем, что в техническом электролите присутствуют примеси угля, карбидов и другие, которые повышают его сопротивление.
Для технических расчётов удельное сопротивление электролита можно принять равным примерно 0,55 Ом*см (удельная электропроводность около 1,81 мо/см.).
Удельное сопротивление находящегося в ванне расплавленного алюминия очень мало (0,00003 Ом*см при 1000 оС ) и им можно пренебречь.
2.1.4 Вязкость электролита
Большое влияние на процесс электролитического получения алюминия оказывает вязкость электролита. Это влияние довольно сложно.
С уменьшением вязкости ускоряется диффузия внутри электролита и циркуляция самого электролита, что приводит к более быстрому выравниванию концентрации и температур в электролите. Пониженная вязкость облегчает удаление анодных газов из ванны, а также более полное отделение металла от электролита. Поэтому желательно, чтобы электролит алюминиевой ванны имел пониженную вязкость. Но, с другой стороны, с понижением вязкости электролита и с увеличением скорости диффузии и циркуляции электролита усиливается перенос растворённого металла от катода к аноду, что приводит к лишним потерям алюминия. В связи с этим вязкость не должна быть слишком низкой. Вязкость криолита при 1000 оС была найдена равной 2,75 спз.
С повышением температуры вязкость криолит-глинозёмных расплавов заметно уменьшается. Так, в температурном интервале 1000 - 1200 оС она уменьшается почти вдвое.
Добавки CaF2 и MgF2 несколько увеличивают вязкость электролита. Вязкость криолита под влиянием фторидов кальция и магния увеличивается в значительно меньшей степени, чем под влиянием добавки глинозёма. Поэтому вязкость электролита при данной температуре определяется в основном содержанием глинозёма. Значит, чтобы вязкость электролита была минимально возможной, в нём должно быть не более 10 % глинозёма.
2.1.5 Плотность электролита
Плотность электролита алюминиевой ванны должна быть меньше плотности расплавленного алюминия, в противном случае жидкий металл всплывёт или смешается с электролитом и технологический процесс будет нарушен.
Плотность твёрдого криолита при 18 оС равна 2,948 г/см3. С повышением температуры она понижается и при температуре плавления криолита (1000 оС) становится равной 2,080 г/см3.
Добавки к криолиту как NaF, так и AlF3, снижают плотность расплава. Добавка к криолиту глинозёма также понижает плотность расплава, несмотря на то что плотность глинозёма больше плотности криолита.
С повышением температуры плотность криолит-глинозёмных расплавов, как и чистого криолита, понижается.
Для расплава, содержащего 5 % Al2O3, при 950 оС она становится равной 2,102 г/см3.
Добавки CaF2 и MgF2 несколько увеличивают плотность криолито-глинозёмных расплавов. Под влиянием MgF2 увеличение плотности криолито-глинозёмного расплава происходит в меньшей степени, чем под влиянием CaF2. В системе Na3AlF6 - NaCl плотность расплавов уменьшается с повышением содержания NaCl.
Плотность твёрдого алюминия зависит от его чистоты; с повышением содержания примесей она возрастает. При комнатной температуре плотность технически чистого алюминия в среднем равна 2,7 г/см3. Следовательно, в твёрдом состоянии плотность алюминия меньше плотности криолита и его сплавов с глинозёмом. С повышением температуры плотность алюминия понижается и при температуре плавления (658 оС) становится равной 2,382 г/см3.
Таким образом, плотность алюминия с повышением температуры падает медленнее, чем плотность криолито-глинозёмных расплавов. В результате этого при температуре процесса электролиза плотность алюминия оказывается примерно на 10 % выше плотности электролита. Такой разности плотностей вполне достаточно для того, чтобы выделяющийся при электролизе алюминий оставался на подине ванны под слоем электролита.
При сильном охлаждении ванны до температуры, при которой начинается кристаллизация электролита, плотность алюминия может стать меньше плотности электролита и металл всплывёт на поверхность. Такое же явление может произойти и при слишком высоком содержании фтористого кальция в электролите.
2.2 Конструкция электролизера с самообжигающимся анодом
Для производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава применяются агрегаты, называемые электролизерами или электролизными ваннами. За всю историю развития алюминиевой промышленности по мере повышения силы тока, более глубокого понимания процесса, применения новых материалов и т. д. конструкция электролизеров претерпела существенные изменения, но принципиальное их устройство не изменилось.
2.2.1 Катодное устройство
Катодное устройство (катод) представляет собой стальной кожух, внутри него смонтирована корытообразная шахта, у которой стенки и дно футерованы угольными блоками. Между бортовыми блоками и стенками катодного кожуха, а также под подовыми блоками располагается теплоизоляция. В подовые блоки вмонтированы стальные токоотводящие стержни, которые на практике часто называют блюмсами.
Таким образом, катод электролизеров всех типов состоит из следующих основных элементов — катодный кожух, угольная футеровка (подовая и бортовая) и теплоизоляция. Конструктивное выполнение этих узлов на электролизерах разных типов различается весьма существенно.
Современные катоды изготавливают из тщательно подобранных материалов с применением новейшей технологии.
Катоды рассчитаны на срок службы не менее 10 лет, который в значительной степени зависит от методов обжига, пуска и качества обслуживания электролизера и реально составляет 3,5-4,5 года.
Рисунок 2 – Катодное устройство электролизера:
1 — катодный кожух;
2 — бортовые плиты;
3 — пробки из подовой массы;
4 — подовые блоки;
5 — набивные швы;
6 — кирпичный цоколь;
7 — катодные стержни;
8 — подушка;
9 — "потай";
10 — катодная ошиновка.
2.2.2 Анодное устройство
Анод электролизера предназначен для подвода тока в междуполюсное пространство для осуществления процесса электролиза. Анодное устройство состоит из угольного анода, подъемного механизма, служащего для перемещения анода, ошиновки, штырей и опорной конструкции. Получение алюминия электролизом связано не только с большим расходом электроэнергии, но и со значительным расходом угольных анодов (420—575 кг/т алюминия), что составляет 20—25 % от себестоимости алюминия.
Анодное устройство с верхним подводом тока представляет собой угольный анод, сформированный внутри анодного кожуха, в нижней части которого расположен газосборный колокол для сбора выделяющихся при электролизе газов. Анод без алюминиевой обечайки формуется в анодном кожухе, который имеет вид прямоугольного короба, изготовленного из листовой стали и усиленного ребрами жесткости. Через вспомогательный механизм он подвешен к анодной раме, которая состоит из двух параллельно расположенных двутавровых балок с поперечными связями, опирающихся на домкраты основного механизма. На анодной раме монтируют анодную ошиновку с прижимными эксцентриковыми контактами и вспомогательный механизм перемещения анодного кожуха.
По мере сгорания анод с помощью основного механизма перемещения опускается вниз, но во избежание подплавления секций газосборного колокола анодный кожух вспомогательным механизмом поднимается вверх. При этом анод остается на месте.
В анодный кожух загружают анодную массу, а подвод тока к аноду осуществляют составными штырями диаметром 120—138 мм, расположенными в четыре ряда и на нескольких горизонтах. По мере сгорания анода штыри, расположенные на нижнем горизонте, извлекают из анода, а в образовавшиеся подштыревые отверстия после затекания жидкой анодной массы вновь устанавливают штыри, но уже на более высокий горизонт. Коксование жидкой массы, затекшей в подштыревые отверстие, под воздействием высокой температуры идет с большой скоростью, что вызывает выделение большого количества летучих соединений и ухудшает качество образующегося вторичного анода он слишком порист, механически непрочен и имеет низкую электропроводность. По этим причинам качество анода с верхним токоподводом заметно хуже, чем с боковым, что приводит к образованию большого количества угольной пены и увеличивает расход анодной массы на 35—60 кг на 1 т алюминия.
Анодные штыри в настоящее время делают составными: верхняя часть, которая зажимом прижимается к анодной шине выполняется из алюминия, а нижняя, запекаемая в тело анода, — из стали. Это позволяет снизить потери энергии в штырях и улучшить распределение магнитного поля в аноде вследствие магнитного разрыва, образованного алюминиевыми штангами.
Общее количество штырей зависит от силы тока и обычно составляет 64—72 шт. Общая длина анодных штырей 2700 мм, а длина токоведущей части зависит от положения анодной рамы. Наиболее прогрессивной конструкцией, широко распространенной в зарубежной практике, являются электролизеры с предварительно обожженными анодами.
Рисунок 3 – Схема анодного устройства с верхним токоподводом:
1 — анодная ошиновка;
2 — анодные зажимы;
3 — составные штыри;
4 —брикеты анодной массы;
5 — анодный кожух;
6 — обожженная часть анода;
7 —вторичный анод;
8 — жидкая анодная масса.
2.3 Безопасность труда при обслуживании электролизеров
Обжиг и пуск электролизеров и последующая их эксплуатация состоят из ряда специфичных операций, выполнение которых имеет свои особенности, часть из них освещена выше в соответствующих разделах и главах.
Обслуживание ванн следует проводить в исправной спецодежде, а работы, связанные с расплавом (пробивка корки, подгартывание глинозема, гашение анодных эффектов, выливка металла, переплавка холодного металла и пр.), — в опущенной на лицо и надежно закрепленной шляпе с защитными очками. Все работы в корпусе выполняются с использованием средств индивидуальной защиты.
Обжиг и пуск электролизеров. В зависимости от вида пуска электролизеров (новых или после капитального ремонта), их типа (БТ, ВТ, ОА) и способа обжига условия и безопасность труда в корпусе имеют свои особенности. При пуске новых серий с СОА главной особенностью является чрезвычайная загазованность погонами пека, образующаяся при формировании анодов. Объем работ при пуске новых серий всегда больше, а условия труда всегда хуже, чем при пуске ванн после капитального ремонта.
Перед пуском электролизеры тщательно проверяют специалисты цеха — технологи, механики и электрики. Пространство вокруг электролизера и шинные каналы очищают от посторонних предметов и мусора, готовят необходимый техно логический инструмент, сырье и материалы, потребность в которых может возникнуть в период обжига и пуска (асбест, изоляционные прокладки, оборотный электролит, фториды и пр.).
Контроль над обжигом подин ведут по силе тока, текущего по блюмсам, для чего открывают рифленки. Проводить такие замеры можно лишь под присмотром техно логического персонала, а после окончания замеров шинные каналы должны быть закрыты во избежание травматизма. При пуске следует заливать металл и электролит в ванну быстро, большой и плавной струей, что предотвращает застывание электролита у бортов и уменьшает образование брызг.
Пуск ванн с СОА после капитального ремонта значительно проще, так как не требуется формовать новый анод. Пуск таких ванн практически не отличается от пуска новых ванн, но подина и анод ванны при пуске на жидком металле — особенно в зимнее время — должны быть прогреты с целью удаления влаги и предотвращения взрыва. В процессе пуска ванну необходимо огородить, а весь персонал, не участвующий в операциях по пуску, удалить за ограждения.
В послепусковой период меры безопасности не отличаются от требований для нормально работающих ванн.
Пробивка корки электролита — одна из основных опе раций по обработке ванны. В зависимости от типа электролизера для ее выполнения применяют те или иные машины.
Основная опасность при проведении этой операции заключается в воздействии на человека высокой температуры и возможность ожогов из-за выброса электролита. Отмечены также несчастные случаи в результате наезда машинами на людей и придавливания их к неподвижным частям ванны. Поэтому выполнять эти операции надо максимально внимательно и осторожно.
При съеме с поверхности электролита скопившейся пены необходимо пользоваться прогретым инструментом, а при оплескивании боковой поверхности анода следует находиться сбоку от оплескиваемого места.
Питание ванн сырьем производится разными способами и с применением различных машин. При перевозке глинозема машинами типа МРС или им подобными необходимо быть внимательным, чтобы не совершить наезд на людей, так как скорость машин достаточно высока и не менее чем за 5 м перед проездами, поворотами и обгоном людей и транспорта следует подавать звуковой сигнал.
Засыпку сырья на корку осуществляют только при перед нем ходе машины; движение задним ходом допускается при разворотах, въезде и выезде из-под силоса или стоянки с непрерывной подачей звукового сигнала. Свежий глинозем и другое сырье не следует загружать на открытую поверхность электролита, так как сырье может быть влажным или холодным, что приводит к взрыву. Засыпать свежий глинозем необходимо на предварительно прикрытую поверхность старым глиноземом, опустив течку возможно ниже к корке для уменьшения образования пыли.
Питание ванн фторидами выполняют зачастую вручную по индивидуальному графику. При проведении этих опе раций следует помнить, что они могут содержать до 6,0 % влаги, поэтому их нужно засыпать на корку электролита, присыпать сверху глиноземом и надежно прогревать до подачи в расплав.
Переплавка оборотного электролита и "козлов". В электролизерах нередко переплавляют твердый алюминий в виде чушек или отходов литейного производства. Одной из распространенных операций является переплавка извлеченных из демонтированной ванны бесформенных плит ("козлов"), содержащих алюминий и электролит. Извлеченные из подины "козлы" содержат влагу, поэтому их переплавка требует соблюдения особых предосторожностей.
Переплавку "козлов" осуществляют только со стороны среднего прохода корпуса и с применением специальной под ставки, которая придает "козлу" наклонное положение. Подставку устанавливают передними ногами на борт ванны, а затем осторожно опускают "козла" на корку электролита, опирают его на подставку для просушки и подогрева в течение смены. Затем мостовым краном "козел" осторожно опускают в расчищенный от корки электролит до его соприкосновения с подиной, прислоняют к подставке и надежно закрепляют на ней. После расплавления нижней части "козел" опускают ниже и вновь закрепляют на подставке. Электролизер, на котором плавится "козел", должен быть огражден.
Кроме того, должны быть выставлены предупредительные плакаты.
Переплавку отходов литейного производства проводят в электролизере после их прогрева на борту ванны или на корке электролита. При переплавке отходов на ваннах с ОА целесо образно снять один анод.
Ответственность за противопожарное состояние цеха и выполнение противопожарных мероприятий возлагают на начальника цеха, который своим распоряжением назначает лицо из числа ИТР, ответственное за пожарную безопасность на каждом участке. Работы с применением открытого огня при сварочных и иных работах допускается проводить только по наряду-допуску, выдаваемому начальником цеха, и письменному разрешению пожарной команды .
Основные технологические процессы в электролизных цехах связаны с горячим расплавом электролита и металла, некоторые процессы и операции сопровождаются выбросом искр и пламени. Температура расплава выше температуры воспламенения многих горючих веществ, поэтому по степени пожарной опасности производство алюминия (корпуса электролиза, литейное отделение, участок заливки подовых секций и обожженных анодов) относится к категории Г. Однако в цехе имеются участки с повышенной пожарной опасностью: зарядные станции аккумуляторных батарей, помещения реагентов в отделении флотации пены, маслостанции и маслонаполненные трансформаторы и пр.
Применяемые при электролизе алюминия глинозем и фториды — A1F3, CaF2, MgF2, NaF, Na3AlF6 — пожаро- и взрывобезопасны, но токсичны и по степени воздействия на организм человека относятся к веществам второго класса опасности. При содержании в воздухе указанных фторидов выше ПДК они могут вызвать соответствующие нарушения функций организма. В этой связи ликвидация пожара должна проводиться в респираторах.
Наибольшую пожарную опасность представляют прорывы и выбросы расплава из электролизеров, которые одновременно представляют серьезную угрозу здоровью и жизни людей. Возможность возникновения обычных пожаров в корпусах электролиза крайне ограничена, так как конструктивные эле менты зданий выполняют из несгораемых материалов. Исклю чение представляют деревянные поворотные фрамуги в стенах корпусов, асфальтовое покрытие пола и мягкая кровля крыш, которые могут возгораться от сварочных работ, разрядов молний, неосторожного обращения с огнем при обжиге подины и пр.
Таким образом, основные мероприятия по профилактике пожарной безопасности в корпусах электролиза должны быть направлены на предотвращение взрывов и выбросов расплава из металлургических агрегатов — электролизеров, ковшей, плавильных печей.
Успех борьбы с возникшим пожаром зависит от быстроты действий технологического персонала, для чего необходимо оповестить пожарную команду, вывести людей из опасной зоны и немедленно привести в действие подручные средства тушения пожара.
При возникновении пожара вне корпуса электролиза для его ликвидации возможно применение воды, пены, углекислого газа и пр. При пожарах внутри корпусов применение воды не допускается, но возможно использование углекислотных огнетушителей. Воздушно-механическую пену можно использовать лишь после отключения напряжения, так как пена может быть электропроводна. Для ликвидации пожара в корпусах электролиза эффективно применение глинозема.
Для каждого передела, участка и службы в электролизном цехе разрабатывают инструкцию пожарной безопасности. Главным в деле противопожарной защиты объектов электролизного цеха является осуществление профилактических мероприятий, устраняющих возможность возникновения и распространения пожара.
К вредным производственным факторам при производстве алюминия относится наличие в воздушной среде производственных помещений фтористого водорода, окиси углерода, сернистого ангидрида, углеводородов и легких смолистых возгонов, пыли фтористых солей, глинозема, угля, а также тепловыделений от технологического оборудования, расплавленного металла или электролита.
Организация производственных процессов в соответствии с действующими санитарными нормами и правилами, инструкциями и законодательными актами по охране труда возлагается на административно-технический персонал ОАО «КрАЗ».
3 Организационно – экономическая часть
Данный курсовой проект был рассчитан электролизный цеха, состоящий из трех серий. По расчетам в проектируемом цехе пятьсот сорок три электролизера с верхним токоподводом с самообжигающимся анодом. Тогда в каждой серии разместится по сто восемьдесят одному электролизёру. Всего в таком цехе действующих электролизёров будет пятьсот сорок три, а среднее число электролизёров находящихся в ремонте будет три.
При силе тока 174,5 кА и выходу по току 88,7 % выход алюминия - сырца на одну ванну в сутки будет составлять 1,2444 тонн в сутки. А в трех сериях за год выпуск алюминия- сырца будет составлять 245271,24 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом будет составлять 4,491 В. Удельный расход электроэнергии, составит 151138,33 кВт*ч /(т).
В рассчитываемом электролизёре наблюдаются некоторые отличия от электролизёра типа С8БМ. Увеличилось количество штырей прикреплённых к анодной раме с 72 до 84. Увеличилось количество подовых блоков с 15 до 18.
3.1 Расчет производственной программы
На основании расчётных данных производственная часть приведена в таблице.
Таблица 5 – План производства алюминия-сырца на силу тока 174,5 кА.
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУ |
540 |
|
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт. |
136 |
|
|
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней |
t |
8 |
|
Длительность планового ремонта, дней |
T |
365 |
|
Число электролизёров в ремонте, шт. |
3 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
537 |
|
Сила тока, А |
I |
174500 |
|
Выход по току, % |
η |
88,7 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,2444 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,491 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
151138,33 |
|
|
Количество алюминия 3 серий, т/год |
M = N*m*T |
243917,1 |
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 элекрализерах 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
[Введите текст]