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
|
[1] Введение
[1.1] [1.2] 1.1 Материальный баланс [1.2.1] 1.1.1 Производительность электролизера [1.2.2] 1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр [1.2.3] 1.1.3 Расчёт продуктов электролиза [1.2.4] 1.1.4 Расчёт потерь сырья [1.2.5] 1.2 Конструктивный расчет [1.2.6] 1.2.1 Анодное устройство электролизера [1.2.7] 1.2.2 Расчёт катодного устройства [1.2.8] 1.2.3 Размеры катодного кожуха [1.3] Пу – толщина угольной плиты,; [1.3.1] 1.3 Электрический баланс электролизёра [1.3.2] 1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве [1.3.3] 1.3.2 Падение напряжения в подине [1.3.4] 1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов [1.3.5] 1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра [1.4] 1.4 Тепловой баланс электролизёра [1.4.1] 1.4.1 Расчет приход тепла [1.4.2] 1.4.2 Расход тепла [1.5] 1.5 Расчёт цеха
[1.6] [1.6.1] 2.1 Напряжение разложения глинозема. Виды и контроль напряжении их анализ [1.6.2] 2.2 Автоматизация и механизация при электролизе [1.6.3] 2.2.1 Автоматизация [1.6.4] 2.2.2 Механизация [1.6.5] 2.3 Т Б при выливке металла [1.7] 3. Организационно – экономическая часть [1.7.1] 3.1 Организационная структура проектируемого цеха [1.7.2] 3.2 Расчет производственной программы [2] 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.
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 = 172 кА
- анодная плотность тока dа = 0.71А/см2
- выход по току h =87%
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия
- глинозем, NГ = 1,924кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,034кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0012кг
- анодная масса, NМ = 0,532кг
Проектируемый цех состоит из 3 серий. Для упрощения расчетов вычисления ведут на 1 час работы электролизера.
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, 172кА;
τ - время, час;
h - выход по току, доли единицы.87
P А1 = 0,335 * 174,5 * 0,878 = 51,326 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 = 51,326 * 1,928 = 98.958 кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ =PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 51.326 * ( 0,029 + 0,0014) = 2,208 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rм = 51.326 * 0,528 = 27.128 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.
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 оксида 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 = 34,217 + 12,831 = 47,048 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 11,405 + 8,55 = 19,955
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 47,048 + 19,955 = 67,03 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 = 51,326* (1,928– 1,89 ) = 1,95
Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг =27,128– (12,831+8,55) =5,74 кг
Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.
Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 174,5кА.
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
98,958 |
77,14 |
Алюминий |
51,326 |
40,02 |
|
СО2 |
47,048 |
36,69 |
|||
|
СО |
19,955 |
15,56 |
|||
|
Анодная масса |
27,128 |
21,14 |
Потери: |
||
|
Глинозем |
1,95 |
1,52 |
|||
|
Фтористые соли |
2,208 |
1,72 |
|||
|
Фтористые соли |
2,208 |
1,72 |
Анодная масса |
5,74 |
4,47 |
|
ИТОГО: |
128,294 |
100 |
ИТОГО: |
128,294 |
100 |
В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
см2
Ширина анода Ва, см, для электролизёра С8БМ, принимаем 285 см. Тогда длина анода La, см имеющего прямоугольное сечение составит:
(16)
см
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 82 штуки.
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)
Lш = 875 + 2 * 55 = 985 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 = 16* 2 =32
Подина данного электролизера монтируется из 32 катодных блоков, уложенных по 16 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:
см
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;
3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк = 958 + 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.
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.
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.
ΔUА =, (31)
где Sa - площадь анода,241539 см2;
К - количество токоподводящих штырей- 74
Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем в пределах 30 см.
da - анодная плотность тока, 0,7 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750-950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
ΔUА ==
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 207,5, 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-0,7 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):
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
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 174,5 кА
|
Наименование участков |
Ucp |
Up |
Uгр |
|
Ер |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
|
UА |
0,485 |
0,576 |
0,576 |
|
UП |
0,314 |
0,314 |
0,314 |
|
UЭЛ |
1,89 |
1,89 |
1,89 |
|
UАЭ |
0,027 |
-- |
0,027 |
|
UО |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
UОО |
0,016 |
-- |
-- |
|
Итого: |
4,532 |
4,489 |
4,516 |
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.
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 * 174,5 * 4,516 * 1 = 2836951,2 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)
Qан = 1,07* 394070 + 0,72∙* 110616=501298,42 кДж
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 157кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
От прохождения электроэнергии |
2435446,8 |
84,32 |
На разложение глинозёма |
1474880 |
51,06 |
|
С вылитым металлом |
64097,5 |
2,22 |
|||
|
От сгорания угольного анода |
453042,1 |
15,68 |
С отходящими газами |
33588,9 |
1,16 |
|
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра |
1315922,5 |
45,56 |
|||
|
ИТОГО |
2888488,9 |
100 |
ИТОГО |
2888488,9 |
100 |
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 = 179 +1 = 180
В 3 сериях будет 6 корпусов, в них установленных электролизёров, NУСТ:
NУСТ = NУ * n (53)
NУСТ = 180 * 4 = 720
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 * 174500* 0,878 * 8760 * 179 = 80480,7 т
Годовая производительность цеха Рц, т будет:
Рц = Рс * n (55)
Рц = 76076,56 * 3 = 228229,68 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)
Напряжение разложения глинозема зависит от материала, из которого изготовлен анод. При применении в качестве анода инертного к кислороду материала напряжение разложения глинозема определяется изменением энергии Гиббса реакции. К таким материалам, известным в настоящее время, относятся платина, ферриты и нитриды, высокая стоимость которых исключает возможность их применения в промышленности.
На практике используются угольные аноды, и разложение глинозема происходит с участием углерода анода. Однако химические потенциалы глинозема в насыщенном растворе и для твердого состояния равны. В связи с этим полученные данные могут применяться и для насыщенных растворов глинозема в электролите. Состояние глинозема в насыщенном состоянии принимается за стандартное.
В промышленных электролитах концентрация глинозема колеблется от 2 до 6 % (мае.) и никогда не достигает насыщенного состояния. В этом случае напряжение разложения описывается уравнением Нернста. Зная величины активности глинозема в системе Na3AlF6 — Аl203, можно рассчитать зависимость напряжения разложения глинозема от его концентрации для реакций.
Анодные газы промышленных электролизеров содержат С02 и СО, т.е. суммарная реакция в электролизере состоит из реакций. Какая из этих реакций превалирует, зависит от условий электролиза (температуры, состава электролита и др
Анализ работы отечественных и зарубежных серий электролиза алюминия показывает, что число анодных эффектов в сутки на каждом электролизере колеблется в значительных пределах—от 0,3 до 3, а их продолжительность — от 1 до 4 мни, что указывает на имеющиеся резервы увеличения производительности электролизеров (серий, цехов, заводов) и дальнейшего снижения расхода электрической энергии
Производительность электролизера, как следует из закона Фарадея, зависит от силы тока и выхода по току. Сила тока определяется при проектировании ванны и практически не изменяется. Следовательно, основным фактором, определяющим производительность ванны, является выход по току. Поэтому основная цель автоматизации — поддержание параметров работы ванны в таких пределах, которые обеспечивают максимальный выход по току при минимальном расходе электроэнергии и сырья.
Выход по току в общем случае зависит от двух основных факторов: эффективности использования тока и величины потерь металла в ванне. Рассмотрим влияние каждого фактора.
В промышленном электролизере основной ток проходит между анодом и катодом, и именно он определяет количество наработанного ванной алюминия. Однако имеют место и утечки тока: при нарушении изоляции между бортовым блоком и катодным кожухом и при растворении настыли часть тока проходит между анодами и бортовой футеровкой ванны. Изоляция бортового блока от кожуха нарушается, как правило, на старых электролизерах вследствие пропитки бортовых блоков электролитом и механического воздействия машин по обработке корки электролита.
При нарушении изоляции электролизера по отношению к земле или между ваннами ток может стекать с элементов его конструкции (ошиновка, катодный кожух, рифленки и пр.) на землю, обходить часть ванн и вновь возвращаться в цепь. Следует заметить, что все электролизеры по отношению к земле включены параллельно, и поэтому эквивалентное сопротивление их изоляции обычно не превышает нескольких ом, а на сериях, расположенных в одноэтажных корпусах, составляет лишь десятые доли ома. Отсюда ясно, что величина утечек тока может быть значительна: средние утечки тока на одноэтажных сериях могут достигать 0,1 % от силы тока серии, а на отдельных группах ванн и намного больше. Помимо ущерба от недовыработки металла, утечки тока разрушают подземные сооружения — трубопроводы, кабели, арматуру железобетонных конструкций и т.д. Для борьбы с утечками тока прежде всего необходим контроль за изоляцией серии.
Утечки тока имеют место и при несвоевременном снятии пены и накоплении ее в междуполюсном пространстве. По данным , влияние этих утечек может уменьшить выход по току не более чем на 2 %. Основной же причиной снижения выхода по току являются потери алюминия вследствие его растворения в электролите и последующего окисления анодными газами, кислородом воздуха, углеродом, компонентами электролита, а также других причин. По данным Гротхейма и Кванде , применительно к электролизерам с предварительно обожженными анодами снижение выхода по току от окисления алюминия углекислым газом достигает 3—5 %; из-за взаимодействия алюминия с кислородом, углеродом и компонентами электролита и потерь с газами в виде фторида алюминия выход по току снижается еще на 1 %; окислительно-восстановительные реакции на электродах ванны и выделение примесей уменьшают этот показатель еще на 2 %, а ряд других причин — дополнительно еще на 1 %. Таким образом, общее снижение выхода по току может достигать 9—11 %. На отечественных заводах, оснащенных в основном электролизерами с самообжигающимися анодами, потери выхода по току достигают 11—18 %.
На величину выхода по току влияют многие технологические параметры. Здесь же отметим, что основными из них являются: температура и плотность тока в электролите, величина междуполюсного расстояния (МПР), состав электролита и конструкция ошиновки. Рассмотрим их с точки зрения возможности использования в качестве регулирующих параметров.
Основные производственные процессы в корпусах электролиза полностью механизированы, и лишь небольшая доля ручного труда используется на некоторых операциях. С переходом к массовому внедрению электролизеров с OA начался и успешно развивается переход от механизации отдельных операций к комплексной механизации и автоматизации не только технологических процессов электролиза, но и сопутствующих процессов (управление газоочистными сооружениями, химический анализ выпускаемой продукции, управление производством). Электролизеры с OA в значительно большей степени подготовлены для механизации и автоматизации таких работ, но и для электролизеров с СОА ведутся работы в этом направлении.
Современный корпус электролиза представляет собой высокомеханизированное производство, в котором персонал в основном занят управлением механизмами и наблюдением за ходом технологического процесса. Однако остается еще немало операций, требующих физических усилий, — съем угольной пены, расчистка подины, ликвидация анодных эффектов, подготовка леток к выливке металла, отбор проб металла и электролита, некоторые операции по обслуживанию анодов. Основные операции по обслуживанию электролизеров занимают 40—45 % общего баланса времени, а выполнение не механизированных операций, которые перечислены выше, занимают 25—35 % времени и в значительной степени зависят от конструкции электролизеров, их расположения и конструкции корпусов.
Доставка глинозема на ванны и его раздача на корку практически полностью механизированы на всех типах ванн. На некоторых сериях электролизеров с БТ работают системы автоматической подачи глинозема (АПГ), но на них отсутствует контроль концентрации глинозема в электролите, что, как будет показано ниже, резко снижает ее эффективность. Несмотря на неоднократные и непрекращающиеся попытки создания АПГ для электролизеров с ВТ, они пока не увенчались успехом, но появились обнадеживающие результаты. В то же время на всех заводах, оборудованных электролизерами с OA, системы АПГ не только обеспечивают доставку глинозема на ванны, но и позволяют регулировать концентрацию глинозема в электролите, что резко снижает частоту анодных эффектов, экономит затраты труда и снижает расход электроэнергии.
Полностью механизированы операции по пробивке корки электролита на электролизерах всех типов, и для выполнения этой важной операции используются различные механизмы, конструкция которых зависит от типа электролизеров. Практически все операции по перестановке штырей на ваннах с СОА механизированы, однако на электролизерах с БТ затраты ручного труда на выполнение этих операций значительно больше, чем на ваннах с ВТ. Также полностью механизированы операции по загрузке анодной массы на электролизерах с СОА.
Используемое для производства алюминия сырье мелкодисперсно, и при обработке электролизеров определенная его часть распыляется и оседает на полу, производственных площадках и поверхностях оборудования. Площадь современных корпусов достигает 1,2—2,0 га, и поэтому уборка пыли представляет определенные трудности. Для механизации данного процесса и сбора дорогостоящего сырья используются самоходные пылеуборочные машины. Производительность машин при уборке полов и заводских территорий достигает 6750 и 13 500 м2/ч соответственно.
Выливка материалов из ванн на всех типах ведется вакуум-ковшами, транспортируемыми мостовыми кранами или смонтированными на самоходных тележках. Металл из вакуум-ковшей на среднем проходе корпуса переливается в литейные ковши и транспортируется в литейное отделение.
Решающая роль в механизации обслуживания электролизеров принадлежит Днепровскому алюминиевому заводу и Всероссийскому алюминиево-магниевому институту (ВАМИ, г. Санкт-Петербург), а также ряду организаций бывшего Министерства тяжелого машиностроения. Значительна роль завода "Угерский Брод" (Чехия), разработавшего и изготовившего большую партию штыревых кранов для обслуживания анодов с ВТ.
Автоматизация производства алюминия была начата КБ «Цветметавтоматика» (Москва), к работам которого впоследствии подключились и специалисты ВАМИ. Силами этих специалистов проделан значительный объем работ по созданию и внедрению АСУ типа "Алюминий" различных модификаций, а позднее и АСУ "Электролиз". Эти системы положили начало созданию в отечественной промышленности центральных пунктов управления (ЦПУ) цехами электролиза, на которых установлены системы внутрицеховой связи, ведется учет работы электролизеров, бригад и корпусов, внедрены элементы диспетчеризации производства, что позволило резко поднять организационный уровень работы персонала. В настоящее время практически все серии электролиза оснащены АСУ различных модификаций, и работа по их совершенствованию продолжается.
Перед выливкой ванна отключается от АСУТП, измеряются уровни металла и электролита, и за 5—10 мин до выливки очищается летка для установки вакуум-носка, куски корки подтягиваются к борту, а с поверхности электролита тщательно снимается пена. Выливку металла выполняет выливщик, который проходит специальный инструктаж по правилам безопасности. Электролизник в процессе выливки следит за изменением напряжения и, опуская анод, поддерживает его на заданном уровне, не допуская увеличения более чем на 0,2 .
Звеньевому сделать летку на ванне, диаметром 20 – 25 см, не допуская сталкивание осадка под анод.
Выливщику прогреть в/носок
При выливки автоматическом режиме надо:
Перевести ШУЭ в режиме «ВЫЛИВКА» ( лампочка «ВЫЛИВКА» должна непрерывно гореть)
Если лампочка не горит или мигает- выливать в ручном рижиме
Во время выливки не допускать:
Повышения напряжения более чем на 0,2 В и токовый нагрузки на эл.двигателях более 20А
Касание в/носка с ГСК; отклонения веса металла с ванны более 50 кг
Если возник А/Э- отключить режим «ВЫЛИВКА» подать команду крановщику на подем в в/ковша.
Закрыть летку, поджечь горелки, поддернуть «РУБАШКУ»
СИЗ исправны, подогнаны и правильно надеты, перемещение рычагов выполнять плавно для исключения проскальзывания груза вниз. При недержании ковша отрегулировать тормоза.
Строго выполнять команды выливщика:
Высота подъема на 50 см. выше штанг штырей в кассете. При встрече с МНР-2М отвести ковш в сторону. Запрещается установка оборудования на среднем проходе ближе 1 м. от вакуум- ковша. Выливка металла из ванны производится с помощью вакуум-ковша, в котором создается разрежение (450—600 мм ртутного столба) при его подключении к вакуум-линии или эжекторам. Количество выливаемого металла задается старшим мастером корпуса на основе замеров уровня металла в ванне. Выливка из ванн, расположенных в корпусе продольно, осуществляется со стороны среднего прохода корпуса, как правило, 1 раз в двое суток; на ваннах большой мощности при поперечном их расположении в корпусе выливка производится ежедневно в торце ванны.
После окончания выливки летка закрывается глиноземом. При проведении этой операции никакие другие работы на ванне не выполняются, а посторонние лица удаляются от ванны.
Данный курсовой проект предусматривает расчёт оборудования электролизного цеха, состоящего из трех серий. В результате расчета были получены следующие данные. Для реализации проекта понадобится 720 электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Тогда в каждой серии разместится по 180 электролизёров. Рабочих электролизеров в этом цехе 716, число ванн, подлежащих капитальному ремонту 4.
При силе тока 174,5 кА и выходе по току 87,8 % выход алюминия- сырца на одну ванну в сутки составляет 1,232 тонн.
В четырех сериях за год выпуск алюминия- сырца составляет 321922,9 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом составляет 4,532 В. Удельный расход электроэнергии составляет 15408 кВт*ч /т.
На основании расчётных данных производственная часть приведена таблице 4.
Таблица 4 Показатели цеха.
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУСТ |
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. |
2 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
716 |
|
Сила тока, А |
I |
174500 |
|
Выход по току, % |
η |
87,8 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,232 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,532 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
15408 |
|
|
Количество алюминия 4 серий, т/год |
M = N*m*T |
321922,9 |
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