Электролизер для получения алюминия с боковым токоподводом на силу тока 80000А

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Среднего  профессионального образования

Каменск-Уральский  Политехнический Колледж 
 
 

                                             Специальность: 150102

                                             Металлургия цветных  металлов

                                             Группа Мт-42 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

По дисциплине «Металлургия алюминия» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           Выполнил:          
 

           Проверил:          
 
 
 
 

2009 
 
 
 

Электролизер  для получения алюминия с боковым токоподводом на силу тока 80000А 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ

     1 Пояснительная записка

            Введение…………………………………………………..4

1. Госты на алюминий и сырье…………………………6
2. Обоснование состава электролита и технологичес-

       ких параметров ……………………………………..10

3. Описание конструкции………………………………16
4. Обслуживание при нормальной работе, неполадки,

     способы устранения ………………………………....19

5. Вопросы БЖД………………………………..……....26

2 Расчетная часть

      2.1 Конструктивный расчет……………………………...33

      2.2 Материальный расчет………………………………..35

      2.3 Электрический расчет………………………………..37

      2.4 Тепловой расчет………………………………………44

      2.5 Расчет числа электролизеров в серии……………….45

3 Графическая  часть проекта

          Библиография……………………………………………47

                   Спецификация……………………………………………48

     ВВЕДЕНИЕ

     Алюминий (AI) – химический элемент 3 группы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер его 13, атомная масса 26,97.

          Алюминий – серебристо – белый  металл, в чистом виде – с  синеватым оттенком.

     Важнейшие физические свойства алюминия представлены в таблице 1                                 Таблица 1 – Свойства алюминия

   Пластические свойства алюминия зависят от его частоты: чем меньше примесей           включает металл, тем легче он подвергается ковке, штамповке, прокатке и резанию. Введение в алюминий меди, цинка, магния и других металлов в

сочетании с термической обработкой даёт получение высококачественных

сплавов, в которых отношение прочности  к плотности выше, чем у легированных

сталей. Отражательная способность алюминия на 15–20 % меньше, чем у серебра,

однако, зеркало из алюминия более стойко и не тускнеет.

Электропроводность  алюминия составляет 65 % от электропроводности меди, а, следовательно, провода одинаковой проводимости из алюминия в 2,16 раза легче  медных.

         В электрохимическом аспекте – алюминий электроотрицательный элемент, его стандартный электронный потенциал равен – 1,67 В. На воздухе алюминий покрывается тонкой (порядка 10-5 см) и плотной плёнкой оксида алюминия, которая защищает поверхность алюминия от окисления. Чем чище алюминий, тем тоньше и прочнее плёнка оксида и выше коррозионная стойкость металла.

Алюминий  обладает, значительным химическим сродством  к кислороду  теплота образования  алюминия, составляет 1670 кДж / моль. Это  свойство алюминия широко используется в процессах алюминотермического  восстановления металлов.

       Малая плотность, высокая электропроводность, низкая коррозионная стойкость, достаточно высокая механическая прочность, пластичность обеспечили высокое применение, как чистого металла, так и сплавов на его основе. К тому же алюминий, как известно, относится к числу наиболее распространенных элементов. Содержание его в земной коре достигает 7,45%, и по распространенности он занимает третье место после кислорода (49,3%) и кремния (26%).Чистый алюминий применяется в электротехнической промышленности для изготовления проводов и кабеля, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей. В силу большой коррозионной стойкости он широко применяется в химическом машиностроении, для изготовления бытовых приборов, в пищевой промышленности для хранения пищевых продуктов (упаковочные материалы).Алюминиевые сплавы – литейные и деформируемые – также находят широкое применение в различных областях техники, главным образом в авиа-строении, автомобильной промышленности, транспортном машиностроении, в промышленном и гражданском строительстве. В данном проекте рассматривается конструкцию электролизера с боковым  токоподводом  
 
 

1 ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Государственные  стандарты на алюминий  и сырьё

      Для получения алюминия путём электролиза применяется сырьё которое должно соответствовать определенным требованиям ГОСТа. ГОСТы на алюминий и сырьё приведены в следующих таблицах.

Жидкий  алюминий – сырец, ГОСТ 11070 – 01. Обычно получают марки А7, А6, А5, А35, А0. Процентное содержание алюминия и примесей в техническом алюминии сведено в таблицу 2.                                        

Таблица 2-Технический алюминий, ГОСТ 11070-01

Исходным сырьем для получения алюминия является глинозем

Требования  предъявляемые к глинозему приведены  в таблице 3 

Таблица 3-Глинозем металлургический ГОСТ 30558-98  

В качестве электролита используют криолит искусственный технический

В таблице  4 приведены  данные на технический криолит

Таблица 4.Криолит искусственный технический ГОСТ 10561-80 

Все данные на фтористый алюминий сведены в таблице 5

Таблица 5.Алюминий фтористый технический ГОСТ 19181-78 

Добавки

- Алюминий  фтористый технический ГОСТ 19181-78 

- Фтористый натрий технический ТУ 113 – 08 – 586 – 86 

- Сода кальцинированная, техническая ГОСТ 5100 – 85 

- Магнезит ГОСТ 1216 – 87 

- Фтористый кальций (шпат плавиковый) ГОСТ 29219-91 

- Анодная масса ТУ 48 – 5 – 80 – 86  
 

      1.2 Обоснование состава электролита и технологических параметров

К электролиту  предъявляют следующие требования:

- Электролит не должен содержать ионов металла более электроположительных, чем алюминий.

-Температура плавления электролита должна быть близкой к температуре плавления алюминия или ниже.

- В расплавленном состоянии электролит должен иметь плотность меньше плотности алюминия, что упрощает конструкцию ванны.

- Должен хорошо растворять глинозем, чтобы не было осадка.

- Должен быть мало летучим и не гигроскопичным.

- Должен обладать высокой электропроводностью.

- Должен быть дешевым и не дефицитным.

      Чистый  NaF плавится при температуре 992 °С. При добавлении к нему AlF₃ температура плавления снижается, и при содержании AlF₃ 14,5% образуется эвтектика с температурой плавления 888°С. При концентрации AlF₃ 25% имеем стойкое химическое соединение криолит. При концентрации AlF₃ 37,5% образуется нестойкое химическое соединение хиолит. При содержании AlF₃ 50% образуется нестойкое химическое соединение метафторалюминат Na. Т.к. чистый AlF₃ при температуре 1260 °С возгоняется не плавясь, то дальнейшее изучение диаграммы затруднено из-за высокой летучести AlF₃.

      Температура плавления криолита составляет 1010°С. При добавлении к криолиту глинозема  температура его снижается примерно на 5°С на каждый 1% массы глинозема. Наиболее низкая температура плавления  около 938°С получается при концентрации глинозема 14,5%. Дальнейшее увеличение концентрации глинозема приводит к резкому повышению температуры плавления смеси.

      Глинозем  снижает температуру плавления  но имеет в нем ограниченную растворимость. При содержании глинозема 14,5% по массе образуется эвтектика с температурой плавления 938 °С. При снижении концентрации Al₂O₃ менее 1% электролит перестает смачивать подошву анода и возникает анодный эффект. 

     Максимальная  растворимость глинозема в криолите при 1000°С составляет около 16,5% по массе, поэтому во избежание образования на подине больших глиноземистых осадков содержание Al₂O₃ в электролите поддерживают в пределах от 1 до 5 %. Следовательно, если электролит будет состоять только из смеси криолита и глинозема, то его температура при указанной концентрации глинозема будет равна 985-1005 °С. Однако это слишком высокая температура, чтобы успешно вести технологический процесс. Температуру плавления электролита можно так же уменьшить за счет изменения криолитового отношения, т.е. увеличения содержания в нем NaF или AlF₃.  

      Но  первый путь не желателен т.к. при  увеличении содержания NaF возрастает вероятность выделения на катоде Na и как следствие снижение выхода по току.

      Поэтому на практике применяют второй путь – увеличивают содержание фтористого алюминия, т.е. уменьшают криолитовое отношение. Снижение криолитового отношения на 0,1 уменьшает температуру плавления электролита на 3-5 °С. На практике криолитовое отношение поддерживают в пределах 2,5÷2,7, т.к. дальнейшее снижение его приводит к ухудшению растворения глинозема и увеличению потерь фтор солей за счет летучести.

      С целью снижения температуры в  электролит так же вводят добавки  фтор солей: фтористого кальция CaF₂, фтористого магния MgF₂. Например 1% CaF₂ снижает температуру плавления примерно на 3 °С; 1% MgF₂ на 5 °С.

      Очень эффективной добавкой для снижения температуры электролита являются соли лития, например углекислый литий  Li₂CO₃, алюминат лития Li₂O· Al₂O₃. Но эти соли дороги и пока не нашли широкого применения.

      Общее содержание добавок в электролите не рекомендуется увеличивать более 7-8%, т.к. они снижают растворимость глинозема и при большом содержании затрудняют ведение технологического процесса.

Летучесть электролита

      Наиболее  летучим компонентом является AlF₃, таким образом чем меньше

 к.о.  тем больше содержание AlF₃ и тем выше летучесть электролита.  
 
 

Добавки глинозема снижают его летучесть. Обычно электролит перегрет на 13-15 °С по сравнению с его температурой плавления, а летучесть его незначительна. При повышении температуры плавления свыше 980 °С летучесть его резко увеличивается, поэтому вводят добавки CaF₂ и MgF₂ которые несколько снижают температуру и тем самым уменьшают летучесть.

Плотность электролита

      Важным  свойством электролита является его плотность. Необходимо стремиться к тому чтобы она была наименьшей, поскольку электролит в ванне находится сверху расплавленного алюминия, имеющего плотность 2,3 г/см³. Плотность криолита в твердом виде составляет 2,95 г/см³ а при температуре 1000°С 2,09 г/см³. Добавление к криолиту глинозема снижает плотность расплава. Так, при 10% Al₂O₃ плотность его равна 2,04 г/см³.

      Плотность уменьшается так же при снижении КО меньше 3. В этом случае уменьшение КО на 0,1 позволяет снизить плотность  примерно на 0,007 г/см³. Добавка MgF₂ изменяет плотность незначительно. Даже 10% этой соли увеличивает плотность всего на 0,03 г/см³. Но CaF₂ существенно изменяет плотность электролита: каждый его процент увеличивает плотность на 0,008 г/см³.

      Плотность электролита так же зависит и  от температуры. Повышение ее на каждые 10 °С уменьшает плотность на 0,01 г/см³. Причем у электролита плотность зависит от температуры в большей степени чем у алюминия.

      Таким образом при температуре 1000 °С плотность  Al на 10% больше

плотности электролита это обеспечивает нормальное разделение продуктов

электролизом, и упрощает конструкцию электролизера  т.к. металл собирается под слоем  электролита. Расплав с содержанием  глинозема 5%, КО 2.4-2.6 при температуре 960 °С имеет плотность 2,11 г/см³.

     При значительном снижении температуры может произойти выравнивание плотностей металла и электролита, что приведет к всплыванию алюминия, а это

не желательно т.к. нарушается технологический процесс. 
 
 
 

Вязкость  электролита

      Вязкость  электролита оказывает существенное влияние на расслоение

      продуктов электролиза. Минимальной вязкостью  обладает чистый NaF, а с увеличением содержания AlF₃ вязкость повышается. Поэтому наиболее вязкими являются кислые электролиты.

      Добавки глинозема до 10% практически не изменяют вязкости. Однако дальнейшее увеличение концентрации глинозема значительно повышает вязкость электролита. Например при температуре 1000°С и содержании глинозема 17% вязкость составляет около 5 сантипуаз . Несколько большее влияние на вязкость оказывает температура, так повышение температуры на 10 °С уменьшает вязкость примерно на 3%.

      Промышленные  электролиты обычно имеют вязкость 3,2-3,4 сантипуаз.

Электропроводность

      Это свойство оказывает большое влияние  на расход энергии и температурный  режим электролизера. В слое электролита  имеется наибольшее падение напряжения. Для процесса электролиза нужен электролит с наибольшей электропроводностью.