Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное  образовательное  учреждение

среднего  профессионального  образования

Волгоградский государственный  колледж управления

и новых технологий 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по учебной  дисциплине: Электролитическое получение алюминия

на тему:  Расчет электролизера по заданным параметрам  
 
 

                                                       Разработчик (выполнил):

                                                       Алехин Иван Геннадьевич 

                                                       Курс   4     Группа №     100-ЦМ

                                                       Специальность:  150102

                               Металлургия цветных  металлов

                               Руководитель:______________________

Волгоград 2010г. 

                                      УТВЕРЖДАЮ

                                                                               Начальник отдела УВР корпуса  А 

                                                                               ___________     Л. П. Маринченко

                                                                               «_____»  ______________  200__г. 

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Студенту ___________________________________________________________

                                                                                  (фамилия, имя, отчество) 

Специальность _______________________________________________________

(код  и наименование специальности)

Группа № ___________                                                                        Курс ________

Учебная дисциплина ___________________________________________________

Тема курсового  проекта:  _______________________________________________

Содержание  работы (перечень вопросов, подлежащих разработке, исходные данные для разработки,  рекомендуемая литература, перечень графического и/или наглядного  материала и т.д.):     

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Руководитель  курсового проекта       ___________________

Срок представления  работы (проекта) к защите    « ___ »  ___________ 200__ г.

Дата получения  студентом задания

«____»__________ 200 __ г. 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

Расчет  основного металлургического оборудования (электролизера)

1. Материальный расчет ……………………………………………….

2.   Конструктивный расчет ……………………………………………..
3. Расчет ошиновки ………………………………………………………
4. Расчет электрического баланса ……………………………………..

ПЕРЕЧЕНЬ  ЛИТЕРАТУРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ИСТОЧНИКОВ .............................................................……………………. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       , каолинов и других горных пород.  Наиболее ценная алюминиевая  руда – бокситы, содержание  Аl₂O₃ в бокситах  достигает  50%.

       Свободный алюминий впервые был получен  датским физиком Эрстедом в 1825 г, но только в 1845г  немецкий физик  Веллер  получил алюминий в количестве, достаточном для определения его свойств, эти свойства дали толчок  для разработки промышленного получения алюминия.

       В 1886г Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в  США подали заявку на получение алюминия путем электролитического разложения глинозема, растворенного в криолите.

       С 1888г началось промышленное получение  алюминия по этому способу, применяемому до настоящего времени.

       Алюминиевая промышленность России  До революции в России не было собственной алюминиевой промышленности, но теоретические исследования проводились профессором П.П. Федотьевым. В 1930г в Петербурге был пущен опытный завод, а в1931г создан научно- исследовательский и проектный институт « Гипроалюминий», в последствии « ВАМИ».Строительство алюминиевых заводов осуществлялось на базе мощных гидроэлектростанций, ввод которых был предусмотрен планом ГОЭЛРО, одновременно сооружались мощности по производству глинозема, электродной продукции, и фторидов.

       14 мая 1932г выдал первый алюминий Волховский алюминиевый завод (ВАЗ).

       В 1933г был пущен Днепровский ( г. Запорожье) на базе Днепрогэса (ДАЗ). В 1939г  началось строительство  Уральского – УАЗ (Г. Каменск-Уральский алюминиевого завода).

       В 1943г ввели в эксплуатацию Новокузнецкий алюминиевый завод (НкАЗ).

       9 мая 1945г. выдал первый алюминий  Богословский алюминиевый завод  (БАЗ),  г. Краснотуринск.

       В послевоенные годы построены алюминиевые  заводы в г. Кандалакша-КАЗ, в 1951г, Канакере-КанАЗ - 1950г, Надвоецы-НАЗ  - 1954, Сумгаите – САЗ - 1955г, Волгоград-ВгАЗ-1959г, Шелехове- ИркАЗ - и 1962г, Красноярске-КрАЗ -  1964г, Братске- 1966г, Турсу-Заде, ТадАЗ -  1975г, Саяногорске- СаАЗ  - 1985г.

       Ведущими  производителями  алюминия являются США, Россия, Канада, Австралия, Бразилия, Китай, на долю которых приходится 63% всего мирового производства алюминия. 

Мировое производство первичного алюминия, тыс. т 

       Раздел 1. Основы электролитического получения алюминия

       1.1 Свойства алюминия

       Алюминий  представляет собой серебристо- белый  металл с синеватым оттенком. Уникальное сочетание свойств – малая  плотность, высокая теплопроводность и электропроводность, коррозионная стойкость, хорошая механическая прочность в сочетании с высокой пластичностью – обеспечили широкое применение как чистого металла , так и сплавов на его основе.

       Физические  свойства

       Плотность алюминия 2,69 г/см³ при 20⁰С. Зависимость между плотностью и его составом носит практически линейный характер, что позволяет определять плотность как сумму плотностей каждого элемента. С ростом температуры плотность алюминия снижается, и при 965⁰С  составляет 2,35г/см³ . Удельный вес алюминия в 3,3 раза меньше меди, вследствие чего медные провода в линиях электропередач часто заменяются  алюминиевыми

       Температура плавления. Очень чувствительна к чистоте металла, для высокочистого алюминия (99,996%) она составляет 660,3⁰С. Благодаря этому свойству алюминий высокой чистоты долгое время использовался для калибровки термопар .Температура плавления изменяется с изменением чистоты металла,  а также зависит от содержания примесей, с их ростом она возрастает. С ростом внешнего давления температура плавления возрастает. Температура кипения   алюминия -2497⁰С.

       Теплопроводность. Теплопроводность отожженного алюминия в твердом состоянии снижается по мере роста температуры с 2,37 (при 210⁰С) до 2,08 Вт/см.К (при 660⁰С). При температуре выше 70,7 ⁰С она малочувствительна к чистоте металла. В жидком состоянии теплопроводность алюминия  резко падает  до 0,907 Вт/см.К.

       Удельное  электросопротивление алюминия  высокой чистоты ( 99,99%) при температуре 20⁰С составляет 2,6548·10^­8  Ом·м. С ростом

температуры удельное электросопротивление  возрастает практически по линейной зависимости. Электросопротивление в значительной степени зависит от чистоты металла. Электропроводность технического алюминия составляет 62-65% от электропроводности меди. При переходе в жидкое состояние электросопротивление  возрастает  и достигает 3,8·10^­8  Ом·м  при 1000⁰С. 

       Удельная  теплоемкость алюминия по мере увеличения температуры возрастает от 0,90 Дж·г^­1·К^­1  при 0⁰С  до 28,12 Дж·г^­1·К^­1  при 327⁰С.

       Поверхностное натяжение имеет максимальное значение при температуре плавлении, и с ростом температуры оно снижается.

       Вязкость  алюминия в жидком состоянии с ростом температуры снижается и увеличивается с ростом  твердых включений.

       Химические  свойства

       Алюминий  относится к третьей группе элементов  Периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 13 , атомный вес 26,98. Алюминий трехвалентен, в химических соединениях он  обычно является ионом  АL⁺³, при определенных условиях атом алюминия становится одновалентным ионом АL⁺¹,образуя субсоединения. Алюминий обладает большой химической активностью; энергия образования его соединений с кислородом, серой, углеродом весьма велика. В ряду напряжений  он находится  среди электроотрицательных  элементов, его нормальный электродный потенциал  равен ­1,67В. В обычных условиях при взаимодействии с кислородом воздуха алюминий покрывается прочной пленкой оксида алюминия (AL₂O₃) толщиной 2 ∙10^-5см, которая защищает его от дальнейшего окисления, при наличии в алюминии или окружающей среде  Na, Ca, Cu  прочность оксидной пленки резко снижается.

            Высокая  теплота образования  AL₂O₃, позволяет использовать алюминий для восстановления других металлов из оксидов. При нагревании  AL взаимодействует с S, образуя AL₂ S₃ . При взаимодействии AL с F образуется AL F₃ , реакция идет с выделением тепла, при нагревании AL F₃ в присутствии алюминия, идет реакция с образованием  субфторида (AL F ). При охлаждении AL F разлагается с образованием AL.

           Алюминий при температуре 1200⁰С взаимодействует с С, с образованием карбида алюминия  (AL₄С₃ ) с большим выделением тепла. В присутствии расплавленных солей (криолит) взаимодействие С с алюминием протекает при температуре около 1000⁰С.

           Алюминий не взаимодействует  с водородом, но водород хорошо  растворяется в жидком алюминии. Присутствие водорода отрицательно сказывается на механических свойствах алюминия.

            Алюминий взаимодействует с кислотами,  образуя соли, а с щелочами  – алюминаты.

       Алюминий  растворяется в серной и соляной  кислотах и щелочах.

       Азотная и органические кислоты на алюминий не действуют.

       Механические  свойства зависят от количества примесей, механической обработки, температуры. С ростом содержания примесей прочность алюминия растет, а пластичность уменьшается.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1.2. Применение алюминия 

       Обладая такими свойствами  как малая  плотность, высокая теплопроводность, высокая электропроводность, высокая  пластичность и коррозионная стойкость, высокие прочностные свойства, алюминий получил широкое  использование  в различных отраслях современной техники.

          Чистый технический алюминий  используется в электротехнике  и для производства фольги. Основная  часть алюминия применяется в  виде литейных и деформируемых  сплавов и небольшое количество -  в виде порошков.

          За последнее время Al широко используется в машиностроении, производстве строительных конструкций, химической, атомной и пищевой промышленности (в качестве упаковочного материала), электротехнической промышленности, авиастроении, ракетостроении, оборонной промышленности, в черной металлургии, для получения металлов методом алюмотермии.

           Деформируемые сплавы. Для повышения механических свойств изделий из алюминия изготавливаются сплавы, легированные различными элементами ( Cu, Mn, Si, Mg, Zn  и др.)

           Изготовляются эти сплавы по ГОСТу, который  регламентирует химический состав. Сплавы изготовляются в виде чушек или слитков в зависимости от того, для каких целей изготовляется сплав.

       Сплавы, используемые для изготовления фольги, - это сплавы Al- Mn, Al- Mg.

       Сплавы для автомобильной  промышленности - это сплавы Al- Mg, Al- Mn , Al- Mg- Si.

       Сплавы  для авиационной промышленности - это сплавы Al- Cu,  Al- Zn, Al- Mg-Li.

       Сплавы  для изготовления жестких контейнеров  применяются для изготовления деталей  донышек и обечаек консервных банок. Донышки изготавливают из сплава Al- Cu- Mn, Обечайки из сплава Al- Mn.

         Литейные сплавы.

       Широкое применение получили сплавы, основной легирующей добавкой  в которых  является  Si,  сплавы с содержанием Si в 10-13% называются силумины. Помимо Si используются в качестве легирующих добавок Cu, Mn, Si, Mg, Zn. Такие сплавы применяются для изготовления деталей практически во всех отраслях

       Основные  направления потребления  первичного алюминия

       1.3. Производство алюминия 

       Основным  способом получения алюминия является электролиз криолитоглиноземных расплавов 

       Первые  промышленные электролизеры были рассчитаны на силу тока до 0,6кА, и  за последующие 100 лет используемая сила тока возросла до 300кА и более. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.

       Общую схему производства  алюминия можно  представить в виде:

Основным  агрегатом в этой схеме является электролизер

       Принципиальная  схема электролизера  с самообжигающимся анодом (Содерберга)

       Электролит  представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фтористого алюминия, в котором растворен  глинозем. Процесс протекает при переменных концентрациях глинозема от1% до 8%. Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Существует два основных типа расходуемых анодов самообжигающиеся и предварительно обожженные.

       Самообжигающиеся  аноды используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Сам угольный анод находится в стальной рубашке.

       Обожженные  аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего

       К аноду подводится положительный полюс электрической цепи постоянного тока. Для самообжигающихся анодов -  посредством запеченных в угольную часть анода стальных или сталь-алюминиевых  токоподводов (штырей). Штыри посредством зажимов крепятся к анодной раме, подвешенной на домкратах. Домкраты перемещают анодную раму  и весь анод.

       Расплавленный алюминий при температуре электролиза 950-960⁰С тяжелее электролита и находится на подине электролизера. К подине подводится отрицательный полюс цепи постоянного тока.

       Криолитоглиноземные расплавы  очень агрессивны, противостоять им  могут углеродистые материалы или некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера. В нижнюю часть угольной футеровки заделаны стальные стержни, через которые производится  токоподвод.  Для поддержания тепла в электролизере за углеродистой футеровкой ванны располагается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Вся футеровка размещается в стальном кожухе.

       Для преобразования переменного тока в  постоянный применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные на кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один агрегат дает ток силой до 63кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, т.к они включены параллельно.

       Процесс, протекающий в электролизере, состоит  в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите.

       Al₂O₃ →  2Al⁺³  +3О^-2

           Положительно заряженные катионы Al⁺³  присоединяют свободные электроны катода 

       Al⁺³  +3е^- = Al ,

         превращаются в нейтральные атомы и выделяются на жидком алюминиевом катоде. По мере накопления жидкого алюминия он  выливается  с помощью вакуум  ковша. Вылитый металл направляется в литейное отделение для разливки в товарную продукцию.

       Отрицательно заряженные анионы на положительно заряженном аноде превращаются в кислород:

       О^-2-2е^-→О₂

       Выделяющийся  на угольном аноде кислород окисляет уголь до СО и СО₂, эти газы и выделяются из -под анода.

       Электролизеры оборудуются укрытиями, отводящими выделяющиеся газы в систему газоочистки. В отходящих от электролизёров газах преобладает СО₂ ( большая часть СО дожигается над электролитом либо в горелках), азот, кислород, газообразные и твердые фториды, частички глиноземной пыли. В системе газоочистки по определенной технологической схеме происходит очистка  от вредных примесей и возврат фторидов в производство.

         Суммарная реакция, происходящая  в электролизере, может быть  представлена уравнением

       Al₂O₃ + хС = 2 Al + (2х – 3) СО +  (3-х) СО₂

       Таким образом,  теоретически на производство алюминия расходуется глинозем, углерод анода, электроэнергия для разложения глинозема и  поддержания рабочий температуры.

       Практически -  расходуются фтористые соли, которые испаряются и впитываются  в футеровку.

       Производство  алюминия - одно из самых энергоемких производств, расход электроэнергии достигает 14500-1800кВт-час на получение 1т алюминия.

       Для получения 1т алюминия расходуется :

         глинозема - 1925-1930 кг/т;

       углерода  анода - 500-600кг/т;

       фтористых солей -  50-70кг/т.

       Все материалы , поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал. 
 
 
 
 
 
 
 

       Расчёт  электролизёра  заданной  мощности

       Выбор плотности тока. Материальный баланс.

       Плотность тока выбирается по графику зависимости  плотности тока  от силы тока для  электролизёра заданной мощности. Для  данного электролизёра с  ВТ в соответствии с графиком плотность тока  составляет 0,70А/см².

       1 - верхний  токоподвод; 2 — обожженные аноды. 

       Расчёт  материального баланса

       Приход  материалов. Рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия  и производительности электролизера в час. Для расчета используем данные, сложившиеся на основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров. 
 
 
 
 

       Расход  сырья (кг/кг AI) и выход по току (%) для различных типов электролизеров