Содержание 

       Введение

 

       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.

       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 оксиды углерода.

       Расчет  веду на основании заданных параметров:

       - сила тока I = 176,5 кА

       - анодная плотность тока d_а = 0,71 А/см²

       - выход по току h =88,3 %= 0.883

       Расход  сырья N кг на получение 1 кг алюминия

       - глинозем, N_Г   = 1,927 кг

       - фтористый алюминий, N_Фа = 0,036 кг

       - фтористый кальций, N_Cа  = 0,0012 кг

       - анодная масса, N_М   = 0,537 кг 

       Проектируемый цех состоит из 3 серий.

       1.1.1Производительность электролизера

 

       Производительность  электролизера Р_А1, кг рассчитывается по закону Фарадея:

Р_А1 = j _* I _* τ _* h,      (1) 

где : j – электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА_*час);

  I – сила тока, кА;

τ – время, час;

 h - выход по току, доли единицы.

P_А1 = 0,335 * 176,5 * 0,883 = 52,21 кг

       1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр

 

       Приход  материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1 кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Затраты по сырью составят

       - глинозема R_Г, кг

R_Г = P_{Al *} N_Г       (2)

R_Г = 52,21 * 1,927 = 100,61кг

       - фтористых солей (А1F₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca)     (3)

R_Ф = 52,21* ( 0,036 + 0,0012) = 1,94 кг

       - анодной массы R_м, кг

R_м = P_{Al *} N_оа       (4)

R_м = 52,21 * 0,537 = 28,04 кг

       1.1.3 Расчёт продуктов электролиза

 

       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 52,21 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 m₀co_2, 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 m_cco₂, кг:

     (8)

 кг

Количество  углерода связанного в оксид углерода, m_cco, кг:

      (9)

 кг

Таким образом, в час выделяется оксидов Pco₂ и Pco, кг:

Pco₂ = m₀co₂ + m_cco₂      (10)

Pco₂ = 34,81 + 13,05 = 47,86 кг

Pco = m₀co + m_cco      (11)

Pco = 11,60 + 8,70 = 20,3 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco       (12)

Ргаз = 47,86 + 20,3= 66,449 кг

       1.1.4 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 = P_{Al *} (Nг - 1,89)     (13)

G = 52,21* (1,927– 1,89 ) = 1,93 кг

       Потери  углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы R_м и расхода углерода, связанного в окислы:

       Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco)    (14)

       Rуг =28,04 - (13,05+8,70) = 6,29 кг

       Приход  фторсолей в электролизёр принимаем  равным их расходу.

       Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 176,5 кА.

       * - с учетом газов коксования  и механических потерь. 

       1.2 Конструктивный расчет 

       В задачу конструктивного расчета  входит определение основных размеров электролизера.

       1.2.1 Анодное устройство электролизера

 

       Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:

              _, (15)

где  I – сила тока, А;

     d_a- анодная плотность тока, А/см²

       

 см²

Ширина  анода В_а, 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 = 0,2 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 S_О., мм² определяются:

               (17)

       

 мм²

Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.

             (18)

       

мм

Площадь сечения одного штыря S_ш, мм² имеющего круглое сечение составит:

             (19)

       

 мм²

где D_Ш – 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 80 штуки.

       1.2.2 Расчёт катодного  устройства

 

       Катодное  устройство электролизёра предназначено  для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного 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  = 872 + 2 * 55 = 982 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 h_б = 40 см , шириной b_б = 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, N_с определяют исходя из длины шахты:

              (23)

где b_б – ширина подового блока;

 с  – ширина шва между блоками, 4 см.

       

 

         

         
 

       Рисунок 2   Схема подины электролизёра

       Число катодных блоков N_б, равно:

       N_б = N_{с *} 2      (24)

       N_б = 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, b_т,

       b_т =     (25)

       b_т =

см

       - по продольным сторонам, b_п:

       

 см

       1.2.3 Размеры катодного  кожуха

 

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

       Длина катодного кожуха Lк, см:

       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 = 982 + 2 (20 + 3,5) = 1029 см

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 см

       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 + h_б     (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б – 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.

       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 U_СР.,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,

   U_П - падение напряжения в подине,

   ∆U_АЭ – доля увеличения напряжения при анодных эффектах,

   U_ЭЛ - падение напряжения в электролите,

   U_О - падение напряжения в ошиновке электролизёра,

   U_ОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке.

       1.3.1 Падение напряжения  в анодном устройстве

 

       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.

   ,  (31)

где  Sa - площадь анода,241539 см²;

    К - количество токоподводящих штырей- 74

    L_ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем в пределах 30 см.

    d_a - анодная плотность тока, 0,71 А/см²;

    ρ_а - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8_*10^-3 Ом _*см.

       1.3.2 Падение напряжения  в подине

 

       Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:

      (32) 

где l_пр - приведенная длина пути тока- 28,4 см;

ρ_бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 _* 10^-3 Ом _*см.;

В_ш - половина ширины шахты ванны 207,5, см;

В_бл - ширина катодного блока-54, см;

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;

S_cт – площадь сечения блюмса -377см²;

d_a - анодная плотность тока-0,71 А/см².

       Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:

             (33)

где h_бл - высота катодного блока;

    h_ст - высота катодного стержня, 14,5 см;

     В_ст - ширина катодного стержня, 26 см

       

 см

       Ширина катодного блока с учетом набивного шва В_бл,см равна:

       В_бл = b_б + с,     (34)

где b_б – ширина подового блока;

     с – ширина набивного шва  между блоками.

       В_бл = 50 + 4 = 54

       Площадь сечения катодного стержня с  учетом заделки равна:

       S_ст = h_{ст *} В_ст      (35)

       S_ст = 14,5 * 26 = 377см²

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

 

       1.3.3 Доля падения напряжения  от анодных эффектов

 

       Величину  падения напряжения от анодных эффектов ∆U_АЭ, В определяем по формуле:

               (36)

где U_АЭ – 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

       1.3.4 Падение напряжения  в ошиновке электролизёра