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=175 кА

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

       - выход по току h =88 %

       Расход  сырья N кг на получение 1 кг алюминия

       - глинозем, N_Г   = 1,926кг

       - фтористый алюминий, N_Фа = 0,029кг

       - фтористый кальций, N_Cа  = 0,0014кг

       - анодная масса, N_М   = 0,546 кг

       Проектируемый цех состоит из 3 серий..

       1.1.1 Производительность 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 * 175 * 0,88 = 51,59 кг

       1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр

       Приход  материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1кг 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 = 51,59 * 1,926 = 99,36 кг

       - фтористых солей (А1F₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

             R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca)                                         (3)

       R_Ф = 51,59 * ( 0,029 + 0,0014) = 1,568 кг

       - анодной массы R_м, кг

       R_м = P_{Al *} N_оа       (4)

       R_м = 51,59 * 0,546 = 28,168 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 46,4 алюминия выделится кислорода m₀, кг:

          (5)

где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.

       Из  этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m₀co_2, кг:

                  (6)

       в окись углерода свяжется кислорода m₀co, кг: 

               (7)

где 60 и 40 – процентное содержание оксида углерода (CO₂) и окиси углерода (СО) соответственно.

Отсюда  можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись m_cco₂, кг:

             (8)

Количество углерода связанного в оксид углерода, m_cco, кг:

              (9)

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

                                          Pco₂ = m₀co₂ + m_cco₂    

                                             Pco₂ = 34,392 + 12,897 = 47,289 кг

       Pco = m₀co + m_cco       (11)

                                             Pco = 11,464 + 8,59 = 20,054

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

       Ргаз = Pco₂ + Pco        (12)

       Ргаз = 47,289 + 20,054 = 67,343 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 = 51,59* (1,926– 1,89 ) = 1,857

       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 =28,168– (12,897+8,59) =6,681 кг

       Приход  фторсолей в электролизёр принимаем  равным их расходу.

       Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 175кА.

       *С  учетом образования анодных газов  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

Ширина  анода В_а, см, для электролизёра С8БМ, принимаем 285 см. Тогда длина анода La, см имеющего прямоугольное сечение составит:

               (16)

       Расчёт  штырей, с помощью которых ток  подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря принимаю  равной dш = 0,19 А/мм².

Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:

       - общая длина – 2700

       - длина стальной части -1950

       - длина алюминиевой штанги –  1040

       - максимальный диаметр – 138

       - минимальный диаметр – 100

       Площадь сечения всех штырей S_О., мм² определяются:

               (17)

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

             (18)

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

             (19)

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, количество их кратно 4, поэтому принимаю 80 штук.

       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 = 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 определяются:

       Lш  =Lа + 2*в;      (21)

       Lш  = 865 + 2 * 50 = 965 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 h_б = 40 см , шириной b_б = 50 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, N_с определяют исходя из длины шахты:

              (23)

где b_б – ширина подового блока;

 с  – ширина шва между блоками, 4 см.

В шахту  можно монтировать только 17 секций (рядов) подовых блоков

       Рисунок 2   Схема подины электролизёра

       Число катодных блоков N_б, равно:

       N_б = N_{с *} 2      (24)

       N_б = 17* 2 =34

       Подина  данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 17 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 =

       - по продольным сторонам, b_п:

       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  = 965 + 2 (20 + 3,5) = 1012

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  = 412 + 2 (20+5) = 462

       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 = 135см

       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 В;

   U_А - 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, см², (15);

    К - количество токоподводящих штырей, шт;

    L_ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем 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.

=0,461 В

       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 206, см;

В_бл - ширина катодного блока с учетом набивного шва -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

       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): 

=0,252 В

       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.

       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.

       1.3.4 Падение напряжения  в ошиновке электролизёра