Расчет электролизёра на силу тока 159 кА и выхода по току 88, 3%

1. Расчётная часть

1.1 Материальный баланс

1.2 Конструктивный расчет

1.3 Электрический баланс электролизёра

1.4 Тепловой баланс электролизёра

1.5 Расчёт цеха

2. Описательная часть

2.1 Анодное устройство электролизера. Процесс при формировании анода

2.2 Обслуживание анодов

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Организационная структура проектируемого цеха 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 теплои 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.

1. Расчётная часть

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=159 кА

— анодная плотность тока dа = 0,66 А/см2

— выход по току =88,3%

Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:

— глинозем, NГ= 1,93 кг

— фтористый алюминий, NФа= 0,023 кг

— фтористый кальций, NCа = 0,0014 кг

— анодная масса, NМ = 0,54 кг

Для упрощения расчетов материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.

Производительность электролизера

Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:

РА1 = j * I * ф *, (1)

где j — электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);

I — сила тока, кА;

ф — время, час;

— выход по току, доли единицы.

P А1 = 0,335 * 159 * 0,883 = 47 кг

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1 кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:

— глинозема RГ, кг

RГ = PAl * NГ (2)

RГ = 47 * 1,93=90,7 кг

— фтористых солей (А1F3,СаF2) RФ, кг

RФ = PAl * (NФа+ NCa) (3)

RФ = 47 * (0,023 + 0,0014) = 1,15 кг

— анодной массы Rм, кг

Rм = PAl * Nоа (4)

Rм = 47 * 0,54 = 25,4 кг

Расчёт продуктов электролиза

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 = 31,35 + 11,76 = 43,11 кг

Pco = m0co + mcco (11)

Pco = 10.45+ 7,84 = 18,29 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco2 + Pco (12)

Ргаз = 43 + 18,2 = 61,2 кг

Расчёт потерь сырья

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 = 47 * (1,93 — 1,89) = 1,9 кг Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = Rм — (mcco2 + mcco)(14)

Rуг = 25,4 — (11,76 + 7,84) = 5,8 кг Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.

Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Материальный баланс на силу тока 159 кА

1.2 Конструктивный расчет

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.

Анодное устройство электролизера

Размеры анода:

Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:

(15)

где I — сила тока, А;

daанодная 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 76 штук.

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 = 845 + 2 * 50 = 945 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.

Рисунок 2 Подина электролизера

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 =

— по продольным сторонам, bп:

(26)

Размеры катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5),(27)

где: Lш — длина шахты, см;

Пу — толщина угольной плиты,;

3,5 — толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк =______ + 2 (______ + 3,5) = _____

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5),(28)

где: Вщ — ширина шахты, см;

3,5 — толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк = _____ + 2 (_____+5) = _____

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 + ____ +____ = _____см 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 — 12 мм.

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:

Uср = Ер + ?Uа + ?Uп + ?Uаэ + ?Uэл +? Uо + ?Uоо,(30)

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 увеличения 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.

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, 240 909 см²;

К — количество токоподводящих штырей (формула 22) 76;

Lср — среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем 35 см.

da — анодная плотность тока, 0,66 А/см2;

са — удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10−3 Ом *см.

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), 28,43 см;

сбл — удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10−3 Ом *см.;

Вш — половина ширины шахты ванны (формула 22), 412 см;

Вбл — ширина катодного блока (формула 34), 59 см;

a — ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 63,5 см;

Scт — площадь сечения блюмса (формула 35), 377 см²;

da — анодная плотность тока, 0,66 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 = 377 см²

Тогда падение напряжения в подине ?UП, В составит (формула 32):

Uп = 0,312 мВ = 312 В

Доля увеличения 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 0,8 мин;

k — частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,5;

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 — межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;

Sа — площадь анода, см2 (формула);

2 (La + Вa) — периметр анода, см.

В

Падение напряжения в ошиновке электролизёра

Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ?UО = 0,3 В

Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ?UОО = 0,016 В Таблица 2 — Электрический баланс электролизера на силу тока 159 кА Размеры в вольтах

1.4 Тепловой баланс электролизёра

электролизёр анодный катодный ток

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.

Расчет приход тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * Uгр * ф (39)

где 3600 — тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;

I — сила тока, кА;

Uгр — греющее напряжение, В (из таблицы 2);

ф — время, часы.

Q эл = 3600 * 159 * 4,464 * 1 = 2 530 008 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 =0,980*394 070+0,653*110 616=458420,8 кДж

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 1 676 000 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 °C энтальпия алюминия ?HT1Al составляет 43 982 кДж/кмоль, а при 25 °C 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 кД 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 °C, равна 24 860 кДж/кмоль

HT2CO — энтальпия СО при температуре 25 °C, равна 8816 кДж/кмоль

HT1CO2 — энтальпия СО2 при температуре 550 °C, равна 40 488 кДж/кмоль

HT2CO2 — энтальпия СО2 при температуре 25 °C соответственно, 16 446 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 159 кА

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 электролизеров N в серии составит:

(50)

где:U — напряжение серии U, В

UСР — среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);

UАЭдоля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

Число электролизёров в серии 180

Для обеспечения постоянства производительности в серии предусматривается резервные электролизеры. Их количество 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 серии.

Тогда рабочих электролизеров N, шт.:

N = NУ — NР,(52)

где N — число рабочих электролизеров;

NР — число резервных электролизеров.

NУ = 180 — 1 = 179

При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии установлено 180 электролизеров, размещенные в двух корпусах по 90 электролизеров в каждом. Один из них резервный, тогда рабочих электролизеров будет 179.

В 4 сериях будет 8 корпусов, в них установлено электролизёров, NУСТ:

NУСТ = NУ * n (53)

NУСТ = 180 * 4 = 720

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * з * 8760 * N * 10−3 (54)

где 0,335 — электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);

I — сила тока, кА;

з — выход по току, д. е.;

8760 — часов в год;

N — число работающих ванн в серии.

РС = 0,335 * 159 * 0,883 * 8760 * 179 * 10−3 = 73 535 т Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс * n (55)

Рц = 73 535 * 4 = 295 140 т Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:

(56)

кВт/ч Выход по энергии

(57)

г/кВт*ч

2. Описательная часть

2.1 Анодное устройство электролизера. Процесс при формировании анода

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. Как указано выше, аноды делятся на два больших класса — предварительно обожженные и самообжигающиеся, а по виду токоподвода — с боковым и верхним подводом тока. Последний тип не получил в настоящее время массового распространения из — за трудности его обслуживания, но представляет большой интерес для дальнейшего совершенствования конструкции электролизеров

Анодное устройство состоит из собственно угольного анода, помещенного в стальной кожух, газосборного колокола, анодной рамы и анодных штырей, служащих для подвески анода и подвода тока к нему, основных и вспомогательных механизмов подъема анода.

Число штырей определяется мощностью электролизер. Штыри в теле анода располагаются на нескольких горизонтах.

Газосборный колокол, собранный из чугунных литых секций, подвешен на специальном пояске в нижней части анодного кожуха по его периметру.

В отечественной алюминиевой промышленности наиболее распространен тип электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Анод находится внутри металлического кожуха, назначение которого — удержать жидкую часть угольной массы и придать ей по мере коксования нужную форму.

Ток к аноду подводится с помощью сталеалюминевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминевый штырь в отличие от ранее применяемых стальных не только обладает повышенной электропроводностью, но и способствует стабилизации электромагнитного поля электролизер, так как в алюминиевой части не обладает магнитными свойствами.

Штыри при помощи специальных эксцентриковых зажимов крепятся к анодной раме. Назначение рамы — удерживать анод в горизонтальном положить и подводить ток к штырям. Анодную раму, как правило, изготавливают из стальных балок, вдоль которых монтируют токоподводящие алюминиевые шины. В электролизерах наиболее современных конструкций анодная рама полностью выполнена из алюминиевого сплава и, обладая высокой электропроводностью, является несущей конструкцией. В современных электролизерах этого типа на силу тока 150 — 160 кА масса анода со штырями составляет 70 — 80 т.

Для перемещения анодной рамы с подвешенным к ней анодом в вертикальном направлении служит подъемный механизм .

Таком образом, анодное устройство электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом состоит из несущей токоподводящей рамы, вертикально установленных штырей, угольного анодного массива и механизмов перемещения анода и анодноной рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.

Анодное устройство с верхним подводом тока:

Анод без алюминиевой обечайки формируется 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 механизмаперемещения опускается вниз, но воизбежание подплавления секций газосборного колокола анодный кожух вспомогательным механизмом поднимается вверх. При этом анод остаётся на месте.

Анодное устройство с боковым подводом тока:

Анод из-за взаимодействия углерода с кислородом, выделяющимся при электролизе, постоянно сгорает, поэтому его необходимо опускать в шахту ванны, а сверху загружать анодную массу. Нижняя часть анода под воздействием тепла расплава спекается в монолитный электропроводный блок. Верхняя граница обожженной части анода — имеет форму конуса. Поверх конуса спекания масса находится в тестообразном, полукоксованном состоянии. В верхней части анода расположена жидкая анодная масса.

Для подвода тока к аноду и его подвески используют штыри, представляющие собой стальной конический стержень. Штыри в аноде располагаются обычно в 4 — 6 горизонтальных рядов в шахматном порядке.

Анодное устройство с обожженными анодами:

Состоит из двух рядов анодных блоков, ширина и длинна которых на современных электролизерах достигают 700×1450 мм

В процессе производства в анодном блоке формуют цилиндрические гнезда, в которые затем вставляют и заливают чугуном стальные токоподводящие ниппели, соединенные сверху кронштейном. К стальному кронштейну присоединяется алюминиевая штанга, которая зажимом прижимается к анодной шине.

2.2 Обслуживание анодов

Обслуживание анодов является одной из наиболее ответственных и трудоемких работ, правильное и своевременное выполнение которых имеет очень важное значение для нормальной работы ванн. Нормальная работа ванны без анодов хорошего качества невозможна.

Обслуживание непрерывных самообжигающиххся анодов с верхним подводом тока складывается из следующих основных операций: загрузки анодной массы, подъема анодной рамы и анодных кожухов, перестановки штырей, контроля за состоянием анода.

Загрузка анодной массы. Загружать анодную массу следует равномерно по всей площади анода. При учащенной загрузке уменьшается расслоение массы, т. е такая загрузка положительно сказаны качестве анода.

Загрузку анода массой осуществляют в соответствии с графиком — один раз в двое суток или ежедневно. Массу подают в анод в виде мелких брикетов из бункеров с помощью электромостовых кранов. Кроме того, допускается загрузка групнобрикетной анодной массы вручную. Сначала массу загружают в аноды тех электролизеров, на которых перестановка штырей, а затем в аноды остальных.

Перед загрузкой массы необходимо очистить поверхность анода от пыли воздушной струей из шланга, присоединенного к общей магистрали сжатого воздуха.

Чтобы выдавить отстои пека к центру анода, загрузку начинают по периферии и торца анода, затем загружают среднюю часть. Этим достигается однородность состава жидкого слоя массы. Равномерное распределение твердых частиц кокса по всему сечению анода позволяет получать более однородный по своей структуре анод.

При загрузке анодной массы в анод необходимо постоянно поддерживать полноту анода, не допуская снижения столба анодной массы. Особое внимание требуется уделять загрузке анодной массы в углы и под контрфорсы.

Подъем анодной рамы и анодных кожухов. Первую операции производят периодически, когда рама нижней частью опускается близко к поверхности контрфорсов анодного кожуха. Раму следует поднимать не ранее 24 ч после перестановки штырей или лучше перед перестановкой штырей. Задержка этой операции недопустима, так как газосборный колокол может оказаться в электролите и оплавиться.

Анодную раму поднимают при помощи механизма перемещения анода. Перед подъемом рамы анод подвешивают на анодном кожухе при помощи специального приспособления — «портала», и он удерживается на 16 штырях нижнего горизонта с помощью захватов.

После установки «портала» ослабляют прижимные скобы и зачищают контактные части поверхности штырей. Затем включают основной и вспомогательный механизмы и приступают к подъему анодной рамы. Напряжение на ванне при этом не должно увеличиваться более чем на 0,1 — 0,2 В. После окончания подъема штыри плотно затягиваются с помощью прижимных устройств, «портал» убирается.

Наряду с подъемом рамы на электролизерах с верхним подводом тока периодически производят подъем анодных кожухов. Это операция осуществляется вспомогательным механизмом по мере приближения газосборного колокола к поверхности электролита. Во избежание пригорания анода к стальному кожуху подъем следует производить не реже одного раза в сутки.

Перестановка штырей. В горизонтальной плоскости штыри располагаю чаще всего на двух горизонтах с расстоянием между горизонтами 20 см. Перестановку штырей производят, когда расстояние от штырей нижнего горизонта до подошвы анода достигает 23 — 27 см. Учет расстояния штырей по горизонтали фиксируют в специальном журнале.

При двухгоризонтном расположении штырей штыри нижнего горизонта переставляют в два приема. В первый прием переставляют штыри внутренних рядов нижнего горизонта и через один-двое суток штыри внешних рядов.

До перестановки штырей необходимо иметь около электролизера комплект холодных очищенных штырей. Анодную массу вокруг извлекаемых штырей перемешивают до однородного состава, перед извлечением освобождают зажимную колодку анодного контакта переставляемого штыря, соединяют головку штыря с автоматическим захватом штанги штыревого крана. раскручивают штырь до полного отрыва его от тела анода, а затем извлекают из анода и устанавливают в кассету. Во время извлечения штыря из анода необходимо следить за тем, чтобы анодная масса не попала на контактную поверхность анодной колодки или шины, для чего штырь крана отклоняют от контактной поверхности.

После зачистки контактных поверхностей колодки или шины подготовленный холодны штырь устанавливают вместо извлеченного на верхний горизонт, и контакт колодка-штырь или шина-штырь плотно затягивают.

При извлечении штырей все другие работы на электролизере прекращают. Анодчики и электролизники во избежание несчастного случая должны находиться на безопасном расстоянии от электролизера.

Контроль за состоянием анода заключается в периодическом измерении основных параметров и наблюдении за правильностью режима обслуживания.

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Организационная структура проектируемого цеха

Данный курсовой проект предусматривает расчёт оборудования электролизного цеха, состоящего из двух серий. В результате расчета были получены следующие данные. Для реализации проекта понадобится 360 электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Тогда в каждой серии разместится по 180 электролизёров. Рабочих электролизеров в этом цехе 358, число ванн, подлежащих капитальному ремонту 4

При силе тока 159 кА и выходе по току 88,3% выход алюминиясырца на одну ванну в сутки составляет 1,122тонн.

В двух сериях за год выпуск алюминиясырца составляет 293 140 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом составляет 4,48 В. Удельный расход электроэнергии составляет 15 145 кВт*ч /т.

3.2 Расчет производной программы

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 электролизерах с верхним токоподводом. — М.: Металлургия — 1976.