Проект электролизного цеха

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью, высокой тепло и электропроводностью, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью и достаточной механической прочностью. Благодаря наличию этих особенностей алюминий получил широкое применение в различных отраслях промышленности, таких как авиационная, электротехническая, химическая, автомобильное, гражданское и промышленное строительство, а так же других отраслей народного хозяйства. По общему производству металла в мире алюминий уступает только железу.

Основным способом производства алюминия является электролитический способ. Этот процесс составляет основу современной электрометаллургии алюминия и заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите.

Российская алюминиевая промышленность продолжает интенсивно развиваться, наращивая объемы производства. Рост объемов производства и технических показателей достигнут за счет совершенствования технологии, внедрения новой техники, роста квалификации управленцев, инженеров, рабочих.

Целью данного дипломного проекта является проектирование цеха электролитического получения алюминия производительностью 160 тыс. т. в год.

Для этого необходимо произвести:

Ш конструктивный расчет выбранного типа электролизера;

Ш расчёт материального, энергетического балансов;

Ш расчет количества корпусов;

Ш расчет оборудования, требуемого для непрерывного обслуживания цеха;

Ш экономическое обоснование проекта;

Ш внедрение системы автоматизации, оптимальной для данного производства, а также внедрение мероприятий по охране труда, природопользованию, охране окружающей среды.

В проекте используются технологические показатели, достигнутые передовыми заводами России, в частности, Богословским алюминиевым заводом.

В спец части данного дипломного проекта необходимо разработать мероприятия по эффективному обжигу подин электролизеров.

1. Обоснование места строительства, выбора типа электролизеров и основных параметров электролиза

Производительность цеха, стоимость электроэнергии в районе строительства, удаленность этого района от источников сырья, практический опыт эксплуатации электролизеров, условия труда и охрана окружающей среды — главные критерии, которыми следует руководствоваться при выборе конструкции электролизера и места строительства для вновь строящегося цеха, от которых зависят технико-экономические показатели работы.

Выбираю местом строительства будущего цеха г. Краснотурьинск, поскольку здесь имеется разветвленная сеть железных дорог, что не потребует средств на прокладку новых путей, налажено производство глинозема, что снижает затраты на доставку основного сырья для производства алюминия в цех до минимума.

Выбираю электролизер с боковым токоподводом, поскольку себестоимость получаемого по этой технологии алюминия ниже, чем при использовании электролизеров с обожженными анодами. Для электролизеров с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом наиболее приемлемая сила тока от 70 до 90 кА.

Для соблюдения экологических норм целесообразно применить верхний газоотсос и сухую газоочистку, что значительно эффективней, чем мокрая газоочистка.

1.1 Выбор анодной плотности тока

электролизный тепловой баланс цех Анодная плотность тока выбирается с учетом достигнутых плотностей тока на алюминиевых заводах, в зависимости от силы тока.

В настоящее время анодная плотность тока, в зависимости от конструкции электролизеров и технологического режима изменяется в пределах от 0,7 до 1,2 А/см².

Понижение плотности тока с ростом силы тока вызвано уменьшением удельного теплопотерь, отнесенных к площади анода.

Опыт интенсификации электролиза отечественной алюминиевой промышленности показывает, что плотность тока может быть повышена за счет снижения межполюсного расстояния в таких пределах, когда выход по току еще слабо зависит от плотности тока и заметное его уменьшение не наблюдается. На основании практических данных делаем выбор плотности тока: i_a = 0,86 А/см².

1.2 Ширина анода

Из практики работы алюминиевых электролизеров средней мощности известно, что наиболее приемлемыми являются аноды прямоугольного сечения. С увеличением мощности электролизера, габаритные размеры увеличиваются, а, следовательно, увеличивается длина шинопровода, то есть расход металла на ошиновку. Чтобы снизить этот расход, выгодно было бы увеличить ширину анода, что сильно снизило бы размеры производственных зданий, а, следовательно, и капитальные затраты.

Принимаем ширину анода 220 см.

1.3 Межполюсное расстояние

Межполюсное расстояние является одним из важнейших параметров, определяющих энергетические и технико-экономические показатели процесса электролиза. С ростом мощности ванн межполюсное расстояние необходимо повышать, так как повышается вероятность короткого замыкания анода с металлом, из-за увеличения его перекоса. Кроме того, низкое межполюсное расстояние приводит к уменьшению массы электролита в межполисном зазоре, в то время как турбулентность электролита увеличивается, что влечет за собой повышение греющего напряжения, что вызвано перегревом электролита, а так же возрастанием рабочего напряжения. Таким образом, с экономической точки зрения целесообразно стремится к работе при оптимальных межполисных расстояниях. В настоящее время отечественные заводы поддерживают межполюсное расстояние в пределах 4−5 см. Учитывая практические данные, принимаем: l = 4,6 см.

1.4 Температура электролита

Снижение температуры электролита ниже 940 °C ведет к значительному повышению вязкости электролита, снижению растворимости в нем глинозема, образованию осадка. Все это может привести к расстройству технологии.

Повышение температуры электролита выше 960 °C ведет к значительному снижению выхода по току. Исходя из этого, температуру процесса электролиза принимаем равной 950 — 960 °C.

1.5 Выход по току

Выход по току имеет большое значение как экономический фактор, характеризующий процесс электролиза. Он зависит от плотности тока, температуры, состава электролита, межполисного расстояния.

Снижение выхода по току объясняется растворением части металла, выделившегося на катоде, в электролите: реакцией между этими компонентами, металлом и анодными газами, а так же потерями тока: его утечки при недостаточной электроизоляции. На БАЗе выход по току составляет выше 91%. Принимаем выход по току 92,0%.

2. Процесс электролиза криолит-глиноземных расплавов и описание конструкции электролизера

В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолит-глиноземных расплавов, основными компонентами которых являются криолит Na₃AlF₆, фтористый алюминий A1F₃, глинозем А1₂О₃.

В действующих электролизерах угольная подина покрыта слоем метала, который служит катодом. Над расплавленным алюминием находится слой расплавленного криолита, в который погружен угольный анод. Ток подводится к аноду, далее он проходит через электролит, где происходит разложение глинозема на алюминий и кислород, затем «стекает» по катодным спускам, которые соединены с анодной ошиновкой следующего электролизера.

Ток в электролите переносится преимущественно ионами, преимущественно в больших концентрациях, обладающих большой подвижностью. Это ионы с большим зарядом и малым радиусом.

В криолит-глинозёмном расплавах почти весь ток переносится ионами Na⁺. Только около 1% тока переносится сложными оксифторидными ионами.

В элементарный электрохимический процесс вовлекаются 3 моля глинозёма:

3Na₃ALF₆ + 3Al₂O₃ — 9Na⁺ + 9AlОF₂^-

катодный процесс: 9Na⁺ + 3AlОF₂^- + 6е = 2Al + 6NaF + Na₃ALО₃

анодный процесс: 6ALОF₂^- — 6е = 1,5О₂ + 4AlF₃ + Al₂O₃

Кислород взаимодействует с углеродом анода и образует первичный газ — диоксид углерода. В результате протекания электродных реакций молекулы не образуются, а накапливаются ионы соответствующих веществ. В условиях интенсивного перемешивания электролита анодными газами и конвективными потоками при электродных пространствах никаких избытков ионов не существует, а по реакции

6NaF + Na₃AlО₃ + 4AlF₃ = 3Na₃AlF₆ + Al₂O₃

вновь образуются 3 моля криолита и 1 моль глинозёма.

Результатом протекания акта электрохимического процесса в алюминиевом электролизёре явилось разложение 1 моля глинозёма. И из 3-х введённых в процесс молей глинозёма т. о. осталось 2 моля. Убыль глинозёма при электролизе восполняется периодической подгрузкой.

Катодный процесс в алюминиевом электролизёре осложняется двумя явлениями: растворение получаемого алюминия в электролите; разряд натрия совместно с алюминием.

Получающийся в процессе электролиза металлический алюминий находится в электролизёре в соприкосновении с агрессивным криолитовым расплавом при Т=950−960⁰С. Поэтому следует ожидать определённой растворимости Al в электролите.

Растворимость металла в электролите, несмотря на то, что он находится под катодным потенциалом, особенно при электролизе расплавленных солей, существенно влияет на потери металла.

Растворение AL может сопровождаться протеканием следующих реакций:

1) взаимодействие AL с собственной расплавленной солью с образованием соединений низшей валентности — субсоединений:

2Al + AlF₃ = 3AlF

2) алюмотермическое восстановление Na из его соли с образованием алюминиевой соли из исходного состава:

Al + 3NaF = 3Na + AlF₃

Растворимости Al и Na в электролите невелики и находятся в пределах 0,5−0,15% каждого металла при Т=1000 ⁰С. С ростом К.О. растворимости растут, что связано с увеличением концентрации фторида Na.

Растворением металла в их расплавленных солях обуславливаются потери этих металлов при электролизе, что снижает выход по току.

Другое осложнение катодного процесса — разряд натрия совместно с Al. Происходит ли разряд AL на катоде непосредственно из AlОF₂^- или эти ионы в ДЭС распадаются с образованием простых ионов AL. Сказать однозначно нельзя.

При повышении плотности тока или при снижении концентрации кислородсодержащих ионов анод может запассивироваться до потенциала, достаточного для разряда фторсодержащих ионов. И наряду с основным процессом на аноде начинается их разряд:

4F^- + С = CF₄ + 4е или 4A1F₆^3- + ЗС = 4A1F₃ + 3CF₄ + 12е

Эти процессы наблюдаются во время анодного эффекта, который обусловлен обеднением электролита глиноземом. Анодный эффект характеризуется практически мгновенным ростом напряжения от 4,2 — 4,5 В при нормальном состоянии процесса до 35 — 60 В.

Анодный эффект приводит к увеличению температуры электролита, уменьшению выхода по току и увеличению расхода фторсолей.

Напряжение поддерживается индивидуально на каждом электролизере при помощи изменения межполюсного расстояния автоматически АСУТП, и оно лежит в пределах 4,2−4,6 В. Магнитное поле воздействует на ток в жидком металле, в результате чего возникают силы, вызывающие циркуляцию и искажение поверхности металла. Поэтому токоведущие элементы ванны располагают таким образом, чтобы уменьшить вредное влияние магнитных полей.

Анодные газы, собираемые укрытиями, поступают по газоходами вытяжной вентиляции в систему газоочистки и регенерации криолита.

Для получения алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов применяют агрегаты, называемые электролизерами.

Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и по конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой (30−40 кА), средней (50−90 кА) и большой (свыше 100 кА). По конструкции электролизеры различаются главным образом устройством анода и анодного токоподвода. Выделяют три разновидности конструкции:

1) электролизеры с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему;

2) электролизеры с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему;

3) электролизеры с обожженными анодами.

В данном дипломном проекте рассчитан электролизер с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к аноду. Основанием электролизера служит бетонный фундамент, на котором смонтировано катодное устройства. Это устройство состоит из кирпичного цоколя, стального кожуха и угольной футеровки (боковой и подовой).

До недавнего времени оптимальным сроком службы алюминиевых электролизеров считался период продолжительностью около 40 месяцев. Современный отечественный и зарубежный передовой опыт эксплуатации позволяет достичь срока службы в среднем около 55−65 месяцев и выше.

Назначение цоколя — тепловая и электрическая изоляция катодного узла. На цоколе монтируется подина ванны, состоящая из угольных подовых блоков с токоподводящими стальными стержнями. Стальной катодный кожух крепится к фундаменту с помощью анкерных лап. Изнутри он футеруется слоем шамотного кирпича, а затем боковыми угольными плитами, которые вместе с подиной формируют шахту ванны. Катодный кожух во время эксплуатации электролизера воспринимает значительные механические усилия, возникающие в подине и боковой футеровке. Поэтому он сваривается из двутавровых или швеллерных балок.

На катодный кожух четырьмя колоннами опирается несущая конструкция — каркас электролизера. На каркасе крепятся глиноземные бункера, анодное устройство, укрытия электролизера и электроприводы для перемещения анода и штор.

Анодное устройство, представленное на рисунке 2.1, состоит из самообжигающегося анода, анодного кожуха с рамой, обечайки, штырей и механизма для перемещения анода.

Температура самообжигающегося анода по высоте изменяется от 950 °C на его нижней поверхности (подошве) до 120−160°С в верхней зоне. Под действием тепла, выделяющегося в электролите, нижняя часть анода спекается в монолитный угольный блок. Верхняя граница обожженной части анода (конус спекания) имеет температуру около 400 °C и находится на расстоянии 0,7−1,0 м от подошвы анода. Над конусом спекания расположен слой полуспекшейся тестообразной массы, имеющей температуру 300−400°С. Наконец, верхний слой анода представляет собой сырую анодную массу, температура которой изменяется по высоте от 120 до 300 °C.

1 — коксовый блок, 2 — полуспекшаяся масса, 3 — жидкая анодная масса, 4 — анодная рама, 5 — ребра, 6 — штыри, 7 — клинья.

Рисунок 2.1 — Анодное устройство Анод располагается внутри жесткого анодного кожуха, который придает ему необходимые размеры и прямоугольную форму. Анодный кожух сварен из листовой стали и заключен для жесткости в швеллерную раму. Снизу к раме приварены вертикальные ребра, на которые навешивают съемные сережки. Раму можно опускать или поднимать с помощью четырех винтов (или тросов), на которых она подвешена к каркасу электролизера. Анодный кожух при перемещении рамы остается неподвижным. Винты получают движение одновременно и с одинаковой скоростью от электропривода, расположенного на верхней площадке каркаса. Управление электроприводом выведено на колонну каркаса.

Чтобы углеродистая масса при коксовании не приставала к стальному кожуху, между анодом и кожухом прокладывают алюминиевый лист толщиной 0,8−1,0 мм — обечайку. Алюминиевая обечайка не позволяет полускоксовавшейся анодной массе вытекать через промежутки между ребрами анодной рамы и предохраняет нижнюю часть анода от окисления. Обечайка опускается и расходуется вместе с анодом; ее наращивают, когда верхняя кромка алюминиевого листа оказывается на высоте 250−300 мм от уровня жидкой массы анода.

Штыри служат для подвода тока к аноду и его подвешивания к анодной раме. Они выполнены в виде конических стальных стержней длиной 740−885 мм и массой 22−30 кг. Штыри в аноде располагают в шахматном порядке, в четыре или в пять горизонтальных рядов. Верхний ряд штырей забивают под углом (10±5)° к горизонту в тестообразную анодную массу под нижней кромкой анодного кожуха. По мере сгорания анода штыри опускаются в горячую зону электролизера, где зарекаются в коксовую часть анода. Два нижних ряда штырей являются токоведущими — к ним присоединены анодные спуски. Нижний ряд штырей опирается на клинья, с помощью которых анод подвешивается к анодной раме.

Ошиновка электролизера представлена на рисунке 2.2. От соседнего электролизера ток передается с помощью двух анодных стояков, представляющих собой пакеты алюминиевых шин. От стояков по продольным сторонам анода проложены две анодные шины. В торцах анода анодные шины соединены уравнительными шинами.

К анодным и уравнительным шинам приварены гибкие медные или алюминиевые спуски. В нижней части каждый анодный спуск имеет медную пластинку, которая закреплена на головке штыря сварным контактным устройством.

От угольной подины ток отводят катодные стержни, которые через медные или алюминиевые катодные спуски соединены с катодными шинами. Пакеты катодных шин уложены по продольным сторонам ванны таким образом, чтобы их удобно было стыковать с помощью шунтов с анодными стояками во время капитального ремонта электролизера.

3. Конструктивный расчет электролизера

Принимаем:

— выход по току 92,0%;

— межполюсное расстояние 4,6 см;

— ширина анода 220 см;

— сила тока 85 000 А.

3.1 Определение размеров анода

Определим площадь подошвы анода:

(3.1)

где — площадь подошвы анода, см²;

— сила тока, А;

— анодная плотность тока, А/см².

.

Определим длину анода:

(3.2)

где — длина анода, см;

— ширина анода, см;

— площадь подошвы анода, см².

.

Принимаем длину анода .

Определим высоту анода:

(3.3)

где — высота анода, см;

— высота конуса спекания, см;

— высота жидкой анодной массы, см.

.

3.2 Определение внутренних размеров шахты

Расстояние от анода до боковой футеровки принимаем на основе практических данных:

— по продольной стороне 55 см;

— по торцам 50 см.

Определим длину шахты ванны:

(3.4)

где — длина шахты ванны, см;

— длина анода, см.

.

Определим ширину шахты ванны:

(3.5)

где — ширина шахты ванны, мм;

— ширина анода, мм.

.

Определим глубину шахты ванны:

(3.6)

где — глубина шахты ванны;

— уровень электролита, см;

— уровень металла после выливки, см;

— уровень металла, наработанного за сутки, см;

— толщина корки электролита с глинозёмом, см.

По практическим данным принимаем:, , .

Рассчитаем наработку металла за сутки.

Объем металла, наработанного за сутки при 950 єС:

(3.7)

где — объем металла, наработанного за сутки, см³;

— суточная производительность электролизёра, г;

— плотность алюминия при температуре 950єС, г/см³.

По справочным данным принимаем .

Суточная производительность электролизёра:

(3.8)

где — электрохимический эквивалент алюминия ();

— сила тока, А;

— время, час;

— выход по току.

.

Тогда, подставив полученные значения в формулу 3.7, получим:

.

Площадь подины:

(3.9)

где — площадь подины, см²;

— длина шахты ванны, см;

— ширина шахты, см;

— ширина искусственной настыли, см.

Принимаем: .

.

Высота наработанного металла:

(3.10)

где — уровень металла, наработанного за сутки, см;

— объем металла, наработанного за сутки, см³;

— площадь подины, см².

.

Тогда глубина шахты:

.

Принимаем: .

3.3 Конструкция катода

Конструкцию катода принимаем сборно-блочную. Основные размеры катодного устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью угольных блоков.

Отечественной промышленностью выпускаются катодные блоки сечением 400×400 мм и длиною 600, 800, 1200 и 1600 мм (нормальные) и сечением 400×550 мм и длиною 600, 1400, 2000 и 2200 мм (укрупненные). Подовые секции укладываются в подину обычно с перевязкой центрального шва. Швом в подине называют зазор между блоками, заполненный плотно утрамбованной угольной подовой массой. Ширина шва составляет ~ 40 мм. Периферийные швы (швы между блоками подины и стенками шахты ванны, более широкие — от 150 до 200 мм).

Количество катодных секций (n), длина блоков (B₁) и (B₂) подбираются по чертежу в зависимости от габаритов шахты.

При ширине подины 3200 мм принимаем укрупненные катодные блоки с размерами 400×550×2200 мм и 400×550×800 мм.

Ширину межблочных швов в подине принимаем равной 40 мм. Тогда продольные периферийные швы составляют:

(3.11)

где — толщина продольного периферийного шва, см;

— ширина шахты, см;

4 — ширина межблочного шва, см;

 — длина выбранных стандартных катодных блоков, см.

.

Блоки укладываются в два ряда по ширине шахты с перевязкой центрального шва.

Величина поперечных периферийных швов составит:

(3.12)

где — толщина поперечного периферийного шва;

— длина шахты, см;

— количество катодных секций, шт.;

— количество межблочных швов, шт.;

4 — ширина межблочных швов, см;

2 — количество поперечных периферийных швов, шт.

.

Общее число катодных блоков 18 штук. Швы заполняются плотно утрамбованной подовой массой.

Как показывает практика многих предприятий, блочная подина, собранная в достаточно прочном кожухе, из блоков хорошего качества, с правильно набитыми швами может эксплуатироваться не более четырех лет.

3.4 Определение размеров кожуха электролизера

Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляции.

Выбираем тип кожуха электролизера — без днища.

Принимаем следующие размеры элементов футеровки:

— для боковой футеровки — один ряд угольных плит толщиной 20 см;

— для теплои электроизоляции боковых плит применяем шамотную засыпку толщиной 5 см;

— для подины ванны помимо катодных блоков высотой 40 см, используем угольную подушку толщиной 4 см, и выкладываем теплоизоляционный слой, состоящий из шамотной засыпки, толщиной 5 см и четырех рядов шамотного кирпича высотой 6,5 см каждый.

Определим внутренние размеры кожуха.

Длина кожуха:

(3.13)

где — длина кожуха, см;

— длина шахты, см;

— толщина угольной плиты, см;

— толщина шамотной засыпки, см.

.

Ширина кожуха:

(3.14)

где — ширина кожуха, см;

— ширина шахты, см;

— толщина угольной плиты, см;

— толщина шамотной засыпки, см.

.

Определим наружные размеры кожуха:

Кожух выполняется из листовой стали толщиной 1 см, который укрепляем снаружи рамой из двутавровых балок № 36.

(3.15)

где — длина кожуха «внешние размеры», см;

— длина кожуха «внутренние размеры», см;

36 — поперечные размеры двутавровой балки, см;

1 — толщина листовой стали, см.

.

(3.16)

где — ширина кожуха «внешние размеры», см;

— ширина кожуха «внутренние размеры», см;

36 — поперечные размеры двутавровой балки, см;

1 — толщина листовой стали, см.

.

Кожух ванны устанавливается на цоколь из четырех рядов кирпича слоя угольной подушки и крепится к фундаменту восьмью анкерными лапами, каждая из которых рассчитана на разрывное усилие 25 тонн.

Высота кожуха:

(3.17)

где — высота кожуха электролизера, см;

— глубина шахты ванны, см;

— высота катодного блока, см;

— толщина угольной подушки, см;

— высота шамотной засыпки, см;

— количество рядов кирпича и его высота, см.

Данные конструктивного расчета сведем в таблицу 3.1:

Таблица 3.1 — Конструктивные размеры электролизера

3.5 Расчет боковых футеровочных плит

Футеровка боковых стенок состоит из угольных плит размером 200×500×700 мм. Для продольных сторон потребуется блоков:

(3.18)

где — длина шахты, см.

.

Для торцевых сторон:

(3.19)

где — ширина шахты, см.

.

3.6 Каркас ванны

Каркас ванны выполняем из швеллерных и двутавровых балок № 20 и № 30. Колонны устанавливаются на углы кожуха. Высота каркаса принимается, исходя из высоты, удобной для обслуживания анодов, равной 320 см от бортового листа кожуха. Для укрытия ванны принимаем шторы навивного типа.

3.7 Расчет токоведущих элементов

Расчеты ведем согласно принятым технико-экономическим плотностям тока для различных материалов, А/мм²:

Алюминиевые шины 0,4

Медные спуски 1,2

Стальные стержни 0,2

Размеры стояков и анодных пакетов

Подвод тока к ванне осуществляется с двух продольных сторон с помощью стояков и анодных шин, соединенных в торцах уравнительными шинами. Стояки, анодные и уравнительные шины выполнены из алюминиевых шин сечением .

Поскольку электрический ток подводится к ванне с двух сторон, то через каждый стояк протекает половина общей силы тока. С учетом этого площадь сечения стояка определится как:

(3.20)

где — сечение стояка, мм²;

— сила тока, А;

— плотность тока в алюминиевых шинах, А/мм².

.

Число шин в стояке:

(3.21)

где — сечение стояка, мм²;

— площадь сечения одной шины, мм².

.

Во избежание нагрева шин принимаем .

Тогда общее сечение шин составит .

Фактическая плотность тока в каждом стояке составит:

. (3.22)

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

В целях экономии алюминия анодную шину по длине электролизера разбиваем на пять участков, в которых по мере удаления от стояков уменьшаем число шин на одну, а в конце оставляем одну шину.

Рассчитаем высоту стояка:

(3.23)

где — высота анода, мм.

.

Рассчитаем длину питающего анодного пакета:

(3.24)

где — длина анода, мм.

.

Рассчитаем длину уравнительных шин:

(3.25)

где — ширина анода, мм.

.

Рассчитаем длину катодного пакета:

(3.26)

где — длина кожуха, мм.

.

Штыри

При расположении штырей в пять рядов в шахматном порядке, ток к аноду подводится с четырех сторон двумя нижними рядами штырей. Расстояние между штырями по горизонтали 400 мм, по вертикали 200 мм. Материал штырей — сталь марки СТ-2. Экономическая плотность тока в сечении штыря 0,2 А/мм².

Общее число рабочих штырей и площадь их сечения определяется из условия средней токовой нагрузки на штырь 1300 А.

Число штырей:

(3.27)

где — сила тока, А.

Принимаем = 64 штырей.

Среднее сечение одного штыря:

(3.28)

где — сила тока, А;

— число штырей в аноде, шт.;

— экономическая плотность тока для стального штыря, А/мм².

.

Средний диаметр штыря:

(3.29)

где — постоянное число, равное 3,14.

.

Принимаем штыри со средним диаметром 90 мм и длиной 1020 мм.

Токоведущие медные спуски Ток от анодных алюминиевых шин к каждому штырю подводится медными спусками.

Сечение лент, приходящихся на каждый штырь, при плотности тока в них равной, составит:

(3.30)

где — сила тока, А;

— число штырей в аноде, шт.;

— плотность тока в алюминиевых шинах, А/мм².

.

Принимаем стандартные медные ленты марки М1 сечением 1×100 мм (по ГОСТ 1173–49).

Общее число лент, приходящихся на каждый штырь:

(3.31)

где — сечение лент, мм².

.

Принимаем 11 лент.

Тогда фактическая плотность тока в медных спусках:

(3.32)

где — сила тока, А;

100 — сечение медной ленты, мм²;

— число штырей в аноде, шт.;

— число лент, шт.

.

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

Общую длину медного спуска принимаем равной 2300 мм, исходя из возможности опускания анода на подину.

Катодные стержни

Общее число катодных стержней при плотности тока в них 0,2 А/мм² составит:

(3.33)

где — общая площадь сечения катодных стержней, мм²;

— сила тока, А;

— плотность тока в катодных стержнях, А/мм².

.

При числе катодных стержней сечение каждого их них будет равно:

(3.34)

где — сечение катодного стержня, мм².

.

Принимаем катодные стержни по ГОСТ 25 991–57 сечением 115×230 мм.

Тогда фактическая плотность тока в них составит:

(3.35)

где — сила тока, А;

— число катодных стержней, шт.

.

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

Катодные алюминиевые пакеты

Катодные стержни соединены с катодными шинами алюминиевыми лентами сечением 2×200 мм. Длину из конструктивных соображений принимаем 0,6 м.

Общая площадь сечения лент:

(3.36)

где — общая площадь сечения лент, мм²;

— сила тока, А;

— плотность тока, А/мм².

— число катодных стержней, шт.

.

Определим количество лент на один катодный стержень:

(3.37)

где — общая площадь сечения лент, мм²;

.

Принимаю 30 лент на стержень.

Тогда фактическая плотность тока в них составит:

(3.38)

где — сила тока, А;

— число катодных стержней, шт.;

— число лент, шт.

.

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

Катодные алюминиевые шины

Общее сечение алюминиевых шин на каждую сторону будет таким же, как и для анодных шин. Принимаем стандартные шины 36×500 мм. Число шин в пакете 6 штук. Расчет катодных шин не делаем, так как он аналогичен расчету анодных шин. Для удобства отключения ванны из электрической цепи принимаем катодную ошиновку по всей длине одинакового сечения.

4. Материальный баланс электролизера

Задача расчета материального баланса: определить производительность электролизера и удельный расход сырья.

Рассчитаем часовую производительность электролизера:

(4.1)

где — часовая производительность электролизера, кг/час;

0,336 — электрохимический эквивалент, г/А· ч;

— сила тока, А;

— выход по току, доли единиц.

.

Расходные коэффициенты берем по показателям достигнутыми передовыми отечественными заводами. Приход и расход сырья и материалов ведем на 1 тонну алюминия. Расход сырья на приготовление одной тонны алюминия сырца; принимаем по данным практики, кг/т:

Таблица 4.1 — Расход сырья на 1 тонну алюминия сырца

Приход материалов в ванну рассчитываем по расходу сырья на одну тонну алюминия сырца и по производительности электролизера в час.

Расход сырья для получения 26,27 кг/час алюминия составит:

Al₂O₃ 1,920 • 26,27 = 50,43 кг/час;

Na₃AlF₆ 0,025 • 26,27 = 0,656 кг/час;

AlF₃ 0,0242 • 26,27= 0,635 кг/час;

CaF₂ 0,0005 • 26,27 = 0,013 кг/час;

MgO 0,0014 • 26,27 = 0,036 кг/час;

Листовой алюминий 0,0012 • 26,27= 0,031 кг/час;

Анодная масса 0,495 • 26,27 = 13,003 кг/час.

Теоретический расход глинозема в час определим по реакции:

Al₂O₃ > 2Al + 1,5O₂, (4.2)

Выразим из реакции через пропорцию расход глинозема и получим:

(4.3)

где — теоретический расход глинозема, кг/час;

— часовая производительность электролизера, кг/час;

— молекулярный вес глинозема, г/моль;

— молекулярный вес алюминия в глиноземе, г/моль.

.

Разница между практическим и теоретическим расходом обуславливается наличием примесей в глиноземе и механическими потерями при транспортировке и загрузке глинозема в ванну.

Величина потерь глинозема составит:

.

Содержание СО и СО₂ в анодных газах принимаем соответственно 40% и 60%. Количество анодных газов рассчитываем, исходя из суммарной реакции, протекающей в электролизере:

Al₂O₃ + x· C = 2Al + (2· x — 3)· CO + (3 — x)· CO₂, (4.4)

где х — величина, лежащая в пределах (1,5…3).

Согласно данной реакции количество анодных газов можно определить по уравнениям:

Количество СО:

(4.5)

где — количество CO, кмоль/час;

— мольная доля CO в анодных газах.

.

Количество CO₂:

(4.6)

где — количество CO₂, кмоль/час;

— мольная доля CO₂ в анодных газах.

.

Массовое количество выделяющихся анодных газов СО и CO₂:

(4.7)

(4.8)

где и — весовые количества СО и CO₂ соответственно, кг/час;

и — количество СО и CO₂ соответственно, кмоль/час;

28 и 44 — молекулярный вес СО и CO₂ соответственно, кг/моль.

.

Суммарный расход анодных газов:

(4.9)

Расход углерода с анодными газами составляет:

(4.10)

где — расход углерода, кг/час;

и — количество СО и CO₂ соответственно, кмоль/час;

12 — молекулярный вес углерода, кг/моль.

.

Потери углерода с летучими погонами каменноугольного пека, утечками жидкой анодной массы, угольной пеной и т. д. определяются как разность между приходом анодной массы и количеством, израсходованного с газами углерода :

.

Фтористые соли не расходуются в процессе осуществления электродных реакций, но из-за испарения, разложения при взаимодействия с примесями и футеровкой, образования CF₄ и SiF₄ во время анодных эффектов и пылеуноса они все же теряются. Поэтому расход фтористых солей принимают равным их приходу.

Часть магния от добавок в электролит MgO идет в примесь катодного металла, а часть испаряется в виде MgF₂ и с механическими потерями. Принимаем расход MgO равным приходу. Большая часть листового алюминия сгорает и улетучивается, т. е. расход его равен приходу.

Результаты расчета материального баланса процесса электролиза заносим в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 — Материальный баланс процесса электролиза алюминия

5. Электрический баланс электролизера

5.1 Баланс напряжения электролизера

Уравнение электрического баланса представляет собой выражение среднего напряжения:

(5.1)

где — падение напряжения в анодном устройстве, В;

— падение напряжения в катодном устройстве, В;

— падение напряжения в электролите, В;

— падение напряжения при анодных эффектах, В;

— падение напряжения разложения, В;

— падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

5.2 Падение напряжения в анодном устройстве

(5.2)

где — падение напряжения в анодном устройстве, В;

— падение напряжения в анодной ошиновке, В;

— падение напряжения в контактах анодного узла, В;

— падение напряжения в аноде, В.

Падение напряжения в анодной ошиновке, состоящей из стояков и анодных пакетов одинакового сечения, определяется по формуле:

(5.3)

где — сила тока, А;

— сопротивление анодной ошиновки, Ом.

Для определения сопротивления анодной ошиновки необходимо найти удельное электросопротивление алюминия при средней температуре работы анодной ошиновки равной :

(5.4)

где — электросопротивление алюминия при ();

— температурный коэффициент сопротивления при 20єС ().

.

Сопротивление в анодной ошиновке будет равно:

(5.5)

где — сопротивление в анодной ошиновке, Ом;

— удельное электросопротивление алюминия, Ом· мм²/м;

— длина стояков и анодных пакетов, м;

— площадь сечения стояков и анодных пакетов, мм².

Ранее рассчитанная (3.23 и 3.24) длина стояков и анодных пакетов составляет 2,45 и 5,74 м соответственно.

В п. 2.2.7.1 определено, что стояки и анодные пакеты выполнены из алюминиевых шин сечением .

Площадь сечения стояков и анодных пакетов с учетом двустороннего подвода тока и компоновки в пакеты по 6 шин в каждом составит: .

Тогда сопротивление в анодной ошиновке составит:

.

Падение напряжения в анодной ошиновке составит:

.

Падение напряжения в различных контактах принимаем на основании практических данных:

— стояк — анодная шина (сварной контакт) 0,0025 В

— анодная шина — медные спуски (сварной контакт) 0,0055 В

— медный спуск — штырь 0,007 В

— штырь — анод 0,1 В

— итого по контактам: 0,115 В Для определения падения напряжения в аноде воспользуемся уравнением М. А. Коробова:

(5.6)

где — ширина анода ();

— площадь подошвы анода ();

— количество штырей, шт.;

— среднее расстояние от подошвы анода до всех токоведущих штырей, см;

— анодная плотность тока ();

— удельное электросопротивление анода, принимаемое при расчете 0,007Ом· см;

— длина забитой части штыря, 74 см.

Среднее расстояние от подошвы анода до всех токоведущих штырей находят в зависимости от величины минимального расстояния от подошвы анода и высоты подъема спусков при переключении штырей:

(5.7)

где — минимальное расстояние до подошвы анода, см;

— высота подъема спусков при переключении штырей, см;

Для электролизеров с боковым токоподводом при угле забивки штырей 15є принимаем, а .

.

Тогда падение напряжения в аноде:

.

Суммируя все составляющие, находи падение напряжения в анодном устройстве:

.

5.3 Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите рассчитывается по формуле предложенной Г. В. Форсбломом и В. П. Машовцом:

(5.8)

где — удельное сопротивление электролита (Ом· см при криолитовом отношении 2,7);

— межполюсное расстояние, см;

— площадь анода, см²;

— периметр анода, см.

.

5.4 Падение напряжения в катодном устройстве

Падение напряжения в катодном устройстве складывается из падения напряжения в подине, в частях катодных стержней, не заделанных в подину, в соединительных алюминиевых пакетах, в катодной ошиновке и в контактах: катодные стержни — соединительные пакеты и соединительные пакеты — катодная ошиновка.

Для определения падения напряжения в подине, смонтированной из прошивных угольных блоков шириной 550 мм, пользуются уравнением М. А. Коробова и А. М. Цыплакова и Б. И. Тимченко:

(5.9)

где — падение напряжения в подине, В;

— приведенная длина пути тока по блоку, см;

— удельное сопротивление блока, Ом· см;

— половина ширины шахты ванны ();

— ширина настыли, см;

— ширина катодного блока с учетом набитого шва ();

— площадь сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки ();

— анодная плотность тока ().

Приведенная длина пути тока по блоку рассчитывается по формуле:

(5.10)

где — высота катодного блока (), см;

 — высота и ширина катодного стержня с учетом заливки (,).

.

Удельное сопротивление прошивных блоков, рассчитанное на основании измерения соответствующих параметров по данным ВАМИ, принимаем равным .

Ширина бортовой настыли в шахте ванны (а) при условии оптимальной его формы, при которой настыль ограничивается проекцией анода на подину шахты, составляет 50 см.

Тогда падение напряжения в подине:

.

Падение напряжения на участках катодных стержней, незаделанных в подину определяем, исходя из следующих данных:

1. Общее сечение катодных стержней .

2. Длина выступающей части катодного стержня .

3. Средняя температура нагрева катодного стержня 250єС.

4. Удельное электросопротивление стали при этой температуре составит .

При этих условиях сопротивление незаделанных катодных стержней составит:

(5.11)

где — сопротивление незаделанных стальных катодных стержней, Ом;

— удельное электросопротивление стали при температуре 250єС, Ом· мм²/м;

— длина выступающей части катодного стержня, м;

— площадь сечения катодных стержней, мм².

.

Падение напряжения на выступающих из подины участках катодных стержней будет равно:

(5.12)

где — падение напряжения на выступающих из подины участках катодных стержней, В;

— сила тока на электролизере, А;

— сопротивление незаделанных стальных катодных стержней, Ом.

.

Аналогично рассчитываем падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах. Из конструктивного расчета длина алюминиевых соединительных лент .

Общее сечение лент на 18 катодных стержнях:

(5.13)

где — площадь сечения одной ленты (), мм²;

— число лент на один катодных стержень, шт.;

— число катодных стержней, шт.

.

Удельное сопротивление алюминия при температуре лент 200єС .

Находим общее сопротивление в соединительных алюминиевых лентах:

.

Падение напряжения в соединительных алюминиевых лентах составит:

.

Падение напряжения в катодной ошиновке определяем по формуле:

(5.14)

где — падение напряжения в катодной ошиновке, В;

— сила тока на электролизере, А;

— удельное электросопротивление ошиновки при средней температуре 120єС ();

— длина катодной ошиновки ();

— площадь поперечного сечения катодной ошиновки ().

.

Падение напряжения в контактах катодного устройства () принимаем по данным практики:

— подовый блок — катодный стержень 0,006 В

— катодный стержень — пакет алюминиевых шин 0,006 В

— пакет алюминиевых шин — катодная ошиновка 0,004 В

— Итого по контактам () 0,016 В Тогда суммарное падение напряжения в катодном устройстве составит:

.

5.5 Падение напряжения от анодных эффектов

Падение напряжения от анодных эффектов определяем по формуле:

(5.15)

где — частота анодных эффектов в ванне за сутки ();

— среднее напряжение анодного эффекта ();

— продолжительность анодного эффекта ().

24· 60=1440 — число минут в сутках.

.

5.6 Напряжение разложения

Напряжение разложения глинозема рассчитываем по формуле:

(5.16)

где — напряжение разложения, В;

— теоретическое напряжение разложения глинозема, В;

— анодная плотность тока, А/см².

.

5.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке составляет .

Принимаем среднее значение 0,035 В.

Суммируя все полученные составляющие, получаем среднее напряжение на электролизере:

.

Рабочее напряжение электролизера меньше среднего на величину падения напряжения в общесерийной ошиновке и долю падения напряжения от анодных эффектов:

.

Расчет полученных данных сводим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 — электрический баланс электролизера

5.8 Расход электроэнергии

Удельный расход электрической энергии определяем по формуле:

(5.17)

где — среднее напряжение, В;

— электрохимический эквивалент алюминия, г/(А· ч);

— выход по току, доли единиц.

.

Выход по энергии определяем по формуле:

(5.18)

.

6. Тепловой баланс электролизера

Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих.

Электролизер снабжается теплом за счет прохождения электрического тока. Расходуется тепло на разложение глинозема, а также теряется системой через теплоотдающие поверхности электролизера и с удаляемыми продуктами (жидким металлом и газами).

Нормальную работу алюминиевого электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равен его приходу.

Уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

(6.1)

где — приход тепла от электрической энергии, кДж/ч;

— приход тепла от сгорания анода, кДж/ч;

— приход тепла от догорания анодных газов, кДж/ч;

— приход тепла от изменения теплосодержания анодных газов, кДж/ч;

— расход тепла на разложение глинозема, кДж/ч;

— унос тепла с выливкой металла, кДж/ч;

— унос тепла с отходящими газами, кДж/ч;

— расход тепла на нагрев воздуха, засасываемого под шторы, кДж/ч;

— расход тепла на нагрев исходных материалов, кДж/ч;

— потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

6.1 Приходная часть баланса

Определим приход энергии от прохождения электрического тока:

(6.2)

где 3,6 — тепловой эквивалент, кДж / Втчас;

— сила тока на электролизере, А;

— греющее напряжение на электролизере, В.

.

Определим приход тепла от сгорания анода:

(6.3)

где — число киломолей CO₂ и CO соответственно, кмоль/час;

— тепловые эффекты реакций образования CO₂ и CO соответственно из углерода и кислорода, кДж/моль;

T₁ — температура окружающей среды (T₁ = 25 єС).

Число киломолей CO₂ и CO определим по формулам:

(6.4)

(6.5)

где I — сила тока на электролизере, А;

— выход по току, доли единицы;

m — объемная доля CO2 в анодных газах m = 0,6 (60%).

.

.

Тепловые эффекты образования оксида и диоксида углерода при 25 єС (298 К) находим по справочнику:

Подставляя найденные значения в уравнение, определяем приход тепла от сгорания угольного анода:

Определим приход тепла от догорания анодных газов.

Догорание CO на выходе из-под корки электролита идет по реакции:

CO + ½O₂ = CO₂

На догорание идет 25% от количества выделившегося CO.

(6.6)

Определим приход тепла от изменения теплосодержания CO и CO₂ в анодных газах.

(6.7)

где — изменение теплосодержания газов в соответствующих интервалах температур, кДж/кмоль.

(6.8)

По справочным данным принимаем:

(6.9)

По справочным данным принимаем:

6.2 Расходная часть баланса

Определим расход тепла на разложение Al₂O₃ по реакции:

Al₂O₃ = 2Al + 1,5O₂

(6.10)

где — расход глинозема на электрохимическое разложение, кмоль/час;

— тепловой эффект реакции образования Al₂O₃ при температуре 25 єС ();

Расход глинозема на электрохимическое разложение:

(6.11)

где — расход глинозема на электрохимическое разложение, кмоль/час;

I — сила тока на электролизере, А;

— выход по току, доли единиц;

F — число Фарадея, равное 26,8 Ач.

.

.

Определим потери тепла с выливкой металла.

Расчет ведем, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного металла.

(6.12)

где — производительность электролизера по алюминию, кмоль/час;

— энтальпия алюминия при 960 и 25 єС, кДж/моль.

Производительность электролизера по алюминию:

(6.13)

По справочным данным принимаем:

Тогда потери тепла с выливаемым из ванны алюминием:

Определим потери тепла с отходящими газами.

Расчет уноса тепла газами ведем на основе основных компонентов анодных газов — окиси и двуокиси углерода. Температуру отходящих газов принимаем по практическим данным равной 550 єС. Энтальпию составляющих отходящих газов находим по справочным данным.

Тогда потери тепла с отходящими газами составят:

(6.14)

где — число выделяющихся киломолей CO₂ и CO соответственно, кмоль/час;

— энтальпия двуокиси углерода при температурах 550 и 25 єС соответственно, кДж/кмоль;

— энтальпия окиси углерода при температурах 550 и 25 єС соответственно, кДж/кмоль.

По справочным данным принимаем:

Определим расход тепла на нагрев воздуха засасываемого под шторы:

(6.15)

где — плотность воздуха при н.у. (= 1,293 кг/м³);

— количество подсасываемого воздуха (= 5200 м³/час);

— средняя удельная теплоемкость воздуха (= 1,003 кДж/кгєС);

— температура отсасываемого нагретого воздуха, єС;

— температура наружного воздуха, єС.

Определим расход тепла на нагрев исходных материалов:

(6.16)

где — расход тепла на нагрев каждого загружаемого материала, кДж/час.

(6.17)

где — часовой расход материалов, кг/час;

— изменение теплосодержания материалов в пределах температур 25−950єС, кДж/кг.

Часовой расход материалов принимаем из материального баланса, кг/час:

Глинозем 51,042

Фторсоли 1,304

Анодная масса 13,003

Теплосодержание материалов по справочным данным, кДж/кг:

Глинозем 1042,5

Фторсоли 1783,6

Анодная масса 1394,4

Тогда расход тепла на нагрев исходных материалов:

.

Потери тепла в окружающую среду с поверхности электролизера определяют на основании законов теплопередачи конвекцией и излучением.

Для упрощения расчетов тепловые потери с поверхности электролизера определим по разности [7]:

.

Результаты расчета сводим в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 — Энергетический баланс электролизера

7. Расчет оборудования

7.1 Расчет количества электролизеров

Суточная производительность электролизера:

(7.1)

где I — сила тока, кА;

q = 0,335 — электрохимический эквивалент, г/А ч;

з_т — выход по току.

Q = 85 · 0,335 · 0,92 · 24 = 628,728 кг/сут Годовая производительность электролизера:

Q_год = Q · 365 = 628,728 · 365 = 229 486 кг/год При производительности цеха равной 160 000 т/год необходимо электролизеров:

Принимаем 696 электролизера.

Количество электролизеров, находящихся в капитальном ремонте:

(7.2)

где N_p — число работающих ванн, шт.;

t — продолжительность ремонта, t = 15 суток;

Т — срок службы электролизера, Т = 5 лет.

Принимаем 8 электролизеров.

Необходимое количество электролизеров в серии, которое можно устанавливать, рассчитывается исходя из:

* напряжения преобразовательной подстанции

U_п.п. = 850 В

* потери напряжения в аппаратуре подстанции и внешнем шинопроводе

U_ш. пр. = 8,5 В

* резерв автоматического регулирования

U_peз = 40 В

* среднего напряжения на ванне без учета падения напряжения от анодных эффектов

U_сред = 4,39 В

* падение напряжения от анодных эффектов

U_а.э. = 0,029 В

* резерв двух анодных эффектов

U_peз.а.э. = 35 В Тогда допустимое количество электролизеров в среднем равно:

Количество серий:

Принимаем 4 серий.

Для удобства расположения принимаем количество электролизеров в одной серии равным 176 шт.

Тогда количество установленных ванн: 4 · 176 = 704 шт.

Фактическая производительность цеха:

(7.3)

7.2 Расчет количества силосных башен для хранения глинозема