Производство алюминия 2

Содержание

Введение

1 Технологическая часть

2 Расчетная часть

2.1 Конструктивный расчет

2.2 Материальный расчет

2.3 Электрический расчет

2.4 Энергетический расчет

Список литературы

Введение

Основоположниками электрического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США.

23 апреля 1886 года Поль Эру и 9 июля того же года Чарльз Холл заявили, независимо друг от друга аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Эти даты следует считать началом возникновения алюминиевой промышленности. В последующие годы электролитическое производства алюминия стало развиваться чрезвычайно интенсивно.

К началу текущего столетия производство алюминия существовало в шести странах: Швейцарии, Франции, США, Германии, Англии и Австрии. В настоящее время производство алюминия осуществляется на более ста электролизных и глиноземных заводов мира.

Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире, как по объемам производства, так и по технической оснащенности. В августе 1929 года правительство приняло решение о строительстве первых в СССР алюминиевых заводов.

Наибольшее развитие, алюминиевая промышленность, получила с вводом в действие мощных алюминиевых заводов, оборудованными электролизерами с верхним токоотводом и, особенно, таких гигантов цветной металлургии как Братский и Красноярский алюминиевые заводы. На базе электроэнергии гидроэлектростанций рек Сибири и Волги были пущены заводы: Волгоградский (1959г.), Иркутский (1962г.), Красноярский (1964г.), Братский (1966г.) и д.р.

В настоящее время существенно изменяется технологическая оснащенность алюминиевых заводов, характерны не только высокие темпы роста производства металла, но и стремление к максимальной механизации трудоемких процессов улавливанию и регенерации солей, фтора, перехода от выпуска чушкового металла к производству полуфабрикатов, широкому использованию систем управления, максимальной рационализации процесса электролизера.

Технологическое перевооружение алюминиевых заводов выдвигает их в число наиболее совершенных в мировой алюминиевой промышленности.

1. Технологическая часть

Электролиз алюминия является материалоемким процессом. В качестве основного сырья для производства алюминия используется глинозем. Глинозем должен быть чистым, содержать минимальное количество влаги, хорошо растворяться в электролите, не давать осадков в электролизере на подине и иметь низкую степень пыления.

Основной средой, в которой протекает процесс электролиза, является электролит. Основными компонентами является криолит (Na3 Al F6), фтористый алюминий (Al F3) и глинозем (Al2 О3). Электролит промышленных электролизеров отличается от криолита некоторым избытком фтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношением электролита (к.о.), молекулярным отношением NaF:Al F3.

Помимо основных компонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующихся за счет примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава СаF2, MgF2, NaCe, LiF.

Для чистого криолита к.о. = 3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащие избыток NaF и к.о. > 3 - называются щелочными, а электролиты, имеющие избыток AI F3 и к.о. < 3 называются кислотными.

На практике к.о. электролитов поддерживается 2,6 - 2,8. Это обеспечивается избытком NaF в электролите в количестве 2,5 - 5%. На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами, электролиты еще более кислые - к.о. поддерживают 2,2 - 2,4.

Состав электролита

Na3 Al F6 (криолит) 70 - 90%;

Al2 О3 (оксид алюминия) 1 - 10%;

СаF2, MgF2 от 6 - 9%.

Процесс электролиза алюминия проводят при t0 955 - 9650C.

Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся:

Сила тока - устанавливается в зависимости от размеров, конструкции и технологического состояния электролизеров.

Среднее напряжение - вычисляется по показаниям серийных счетчиков вольт/часов.

Рабочее напряжение - контролируется по показаниям вольтметров и поддерживается в пределах, оговариваемых рабочими технологическими инструкциями.

Среднее напряжение - состоит из рабочего напряжения, напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке между электролизерами.

Количество технологического алюминия - в электролизере характеризуется высотой столба (уровня) металла в шахте ванны. Уровень металла в силу высотой теплопроводности алюминия позволяет регулировать теплоотдачу электролизера.

Количество электролита - тоже характеризуется его уровнем в шахте ванны. Практика показывает, что оптимальный уровень электролита находится в пределах 150 - 180мм., для самообжигающихся анодов.

Анодные эффекты - подразделяют на тусклые (меньше 10В.), средние (менее 25В.), ясные (более 25В.). Анодные эффекты оказывают существенное влияние на тепловой режим электролизера.

Форма рабочего пространства - нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличием защитного гарнисажа в зоне электролита, круто падающей настыли в зоне металла и отсутствием осадка и настыли на подине под анодом.

Перепад напряжения - в подине электролизера во многом зависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения приборами, составляет 0,3 - 0,4В.

Основными технологическими параметрами, определяющими правильность формирования самообжигающегося анода, являются высота конуса стекания, уровень и температура жидкой анодной массы.

Для конструкции с верхним токоподводом - минимальное расстояние от штырей до подошвы анода, число горизонтов, на которых установлены штыри, высота выступающих частей конструкций, применяемых для охлаждения жидкой части анода.

2. Расчетная часть

2.1 Конструктивный расчет электролизера

Сила тока (J) 155 кА;

Анодная плотность (da) 0,68 А/см2;

Ширина анода (Вa) 2750мм.;

Высота конуса спекания (hк) 1300мм.;

Высота уровня жидкой анодной массы (hж) 350мм.;

Уровень электролита (hэ) 180мм.;

Уровень металла (hм) 300мм.;

Толщина корки электролита (hч) -50мм.

При конструктивном расчете определяются основные размеры электролизера.

Определение размеров анода

По заданной силе тока J = 155кА, и анодной плотности тока da = 0,68, определенной по зависимости тока da = 0,68, определенной по зависимости анодной плотности от Аллы тока, определяем площадь сечения анода:

Приняв ширину анода = 2750мм., находим длину анода:

Высота анода , складывается из высоты уровня жидкой анодной массы:

и высоты конуса спекания:

Внутренние размеры шахты

Их определяют с учетом найденных размеров анода и выбранного расстояния анода от боковой и торцевой стенок бортовой футеровки кожуха.

Расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки

до торцевой футеровки

1. Внутренняя сторона шахты ванны

2. Внутренняя длина шахты ванны

3. Глубина шахты ванны

Определяем уровнем технологического

уровнем электролита

толщиной корки электролита с глиноземом

Расчет анодных штырей

Длина стальной части штыря 1950мм.

Диаметр верхней части 138мм.

Диаметр нижней части 100мм.

Длина конусной части 1080мм.

Длина штыря со штангой 2700мм.

Длина алюминиевой части 750мм.

Определяем средний диаметр штыря:

Среднее значение штыря:

Общее сечение штырей в аноде:

Плотность тока в стальной части штырей:

Средняя токовая нагрузка на 1 штырь, принимается 2160А (max 2200A).

Конструкция катода

Основные размеры конструктивных элементов сборноблочного катодного устройства определяется найденными геометрическими размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и стальных токопроводящих стержней.

Размеры подовых блоков выбираем:

400 х 500 х 2000

где

Подовые секции укладывают в подину с шириной шва

Количество катодных секций

т.к. расстояние между катодными секциями, будет при таких данных слишком мало, принимаем

Расстояние между катодными блоками и боковой футеровкой шахты:

Расстояние между катодными блоками и боковыми блоками в торцах шахты

Разметы катодного кожуха зависят от геометрических размеров шахты ванны и толщены слоя футеровочных и теплоизоляционных материалов.

асбестовый лист, толщина ;

шамотная крупка засыпка на дне 50мм.

стороны борта 50мм.

Кирпичная футеровка включает Р рядов шамотного и Q рядов легковесного шамотного кирпича, всего 4-6 рядов.

Углеродистая подушка из подовой массы

Расчет внутреннего размера кожуха

Внутренние размеры определяются внутренними размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200мм. и теплоизоляционного слоя толщиной 50мм., а для подины шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400мм. теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65мм.

Внутренние размеры катодного кожуха составят:

длина

ширина

высота

Расчет плотности тока в одном катодном стержне

Выбираем катодные стержни размером 115 х 230 х 2590, катодные блоки 30 штук.

Полученные данные оформляем в сводную таблицу №1.

Таблица 1 - Сводные данные

Наименование показателей	Ед. измерения	Значение
Сила тока	кА	155
Выход по току	%	86
Анодная плотность тока	а/см2	0,68
Количество катодных блоков	шт.	30
Размер анодного массива	мм.	8440 х 2750
Размер шахты	мм.	9440 х 4050
Глубина шахты	мм.	550
Количество штырей	шт.	72

2.2 Материальный расчет электролизера

При производстве алюминия в процессе электролиза криалитно-глиноземного расплава расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных окисей и двуокиси углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода, часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих ее коксование.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия.

производительность электролизера (Р), при силе тока J = 155А и принятом выходе по току = 86% составляет:

где 0,3354 - электрохимический эквивалент для ;

- сила тока;

- выход по току.

Р = 44,79 кг/г - такое количество сырца требуется для ведения технологического процесса.

Расходные коэффициенты

Таблица 2 - Расходные коэффициенты

Наименование	Значение
Глинозем	1915-1920кг/г.
Криолит свежий	2кг/ч.
Фтористый алюминий	26-28кг.
Криолит флотационный	45-47кг.
Анодная масса	525-530кг.
Содержание отходящих газов СО2 СО	60% 40%
Содержание углерода в анодной массе	96%
Содержание связующий ванн массе	30%
Выход угольной пены	30кг/ч.
Содержание фторсолей в угольной пене	70%
Выход пены з анодной массы	6%
КПД напольного укрытия по фтору	80%

На получение сырца - 44,79кг/ч., необходимо израсходовать:

глинозема

1,920 * 44,79 = 85,99кг/ч.

свежего криолита

0,002 * 44,79 = 0,0896кг/ч.

фтористого алюминия

0,028 * 44,79 = 1,25кг/ч.

криолита вторичного

0,047 * 44,79 = 2,1кг/ч.

анодной массы

0,530 * 44,79 = 23,74кг/ч.

Итого: 113,17кг/ч.

При получении сырца, Р = 44,79кг/ч., выделяется кислород. 48; где 48 и 54 количество молей и в глиноземе.

44,79 / 54 * 48 = 39,8кг.

Из этого количества кислорода перейдет в состав и .

Расход количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющиеся в результате электрохимического разложения глинозема, принимаем состав анодных газов.

= 60%;

= 40%.

= 39,8 * 60 * 2 / (2 * 60 + 40) = 29,9кг/ч.

= 39,8 * 40 / (2 * 60 + 40) = 9,95кг/ч.

Потери глинозема составляют:

(1,92 - 1,89) * 44,79 = 1,34кг/ч.

где 1,89 - теоретический расход глинозема.

Отсюда отсчитываем количество углерода связанного двуокись углерода (углеродистый) газ.

в окись углерода СО (угарный газ)

где 16; 12 - молекулярная масса и .

Таким образом при получении 44,79кг/ч. сырца выделяется:

= 29,9 + 11,21 = 41,1кг/ч.

= 9,95 + 7,46 = 17,4кг/ч.

Потери анодной массы с летучими при коксовании

0,530 * 44,79 * 0,3 * (1 - 0,8) = 1,42кг/ч.

с угольной пеной:

0,530 * 44,79 * 0,06 = 1.42кг/ч.

с примесями: (зола и т.д.)

0,530 * 44,79 - (1,42 + 1,42)] * (1 - 0,96) = 0,89кг/ч.

Потери фторсолей на пропитку угольной подины

ширина подины; Вш 4050

ширина анода; Lш 9440

удельная пропитка подины 230

коэффициент пересчета Fu криолита 1,842

срок службы электролизера 4 * 365 * 24

Потери фтора с угольной пены

0,060 * 44,79 * 0,7 = 1,88кг/ч.

где 0,060 - выход пены из анодной массы;

0,7 - содержание фторсолей в угольной пене.

Потери фтора в атмосферу корпуса электролизера

фтористый алюминий 1,25

свежий криолит 0,09

расход криолита вторичного 2,1

(0,09 + 1.25 + 2,1) - (0,4 + 1,88) * 0,2 = 0,23

где 0,40 - потери на пропитку угольной подины;

1,88 - потери F с угольной пены;

0,2 - коэффициент газов уходящих в атмосферу.

Потери фтора в газоочистку

(0,09 + 1,25 + 2,1) - (0,41 + 1,88) * 0,8 = 1,6кг/ч.

где 0,8 - 80% КПД начального укрытия по фтору.

По проведенным расчетам составляем материальный баланс процесса электролиза на один электролизер.

Таблица 3 - Материальный баланс электролизера на силу тока 155000А

Приход
Наименование	кг/час	%
Глинозем	85,99	76
Свежий криолит	0,0896	0,079
Фтористый алюминий	1,25	1,10
Криолит вторичный	2,1	1,86
Анодная масса	23,74	21
Итого:	113	100
Расход
Наименование	кг/час	%
Алюминий	44,79	39,9
Анодные газы	41,1 17,4	36,6 15,4
Потери глинозема	1,34	1,2
Потери анодной массы - с летучими с угольной пеной с примесями	1,42 1,42 0,89	1,3 1,3 0,74
Потери фторсолей на пропитку подины	0,46	0,40
Потери фтора - с угольной пеной - в корпус - на газоочистку	1,88 0,23 1,6	1,7 0,21 1,43
Итого:	112,5	100

2.3 Электрический расчет электролизера

Электрический расчет электролизера выполняется с целью определения греющего, среднего и рабочего напряжения.

Исходные данные:

Сила тока 155кА

Выход по току 86%

Размер анода 2750 х 8440мм.

Площадь анода 227941

Высота столба анода 1600мм.

Количество штырей 72шт.

Анодная плотность тока 0,68А/см2

Размер шахты 4050 х 9440мм.

Глубина шахты 550мм.

Расстояние от анода до продольной

стенки шахты 650мм.

до торцевой стенки 550мм.

Количество подовых секций 15 х 2 = 30шт.

Сечение катодных стержней 115 х 230мм.

Ошиновка электролизера. Анодная ошиновка

Определяем общее сечение шин стояков, при этом принимаем плотность тока в шиноподводе 0,4

Принимает алюминиевые шины сечения 430 х 60мм, тогда число шин в стояках будет равно:

П = 387500 / (430 * 60) = 15 шт.

Катодная ошиновка

Катодная часть ошиновки состоит из гибких листпусков отводящих ток от катодных стержней подшин к катодным шинам. Сечение лент в пакете 1.5 х 200мм.

где 0,7 - плотность тока в лентах А/мм;

30 - количество пакетов

Тогда количество лент в одном пакете

Падение напряжения в анодной ошиновке

Падение напряжения в анодной ошиновке состоящей из стояков Lст - 3,0м. и анодных пакетов 9,9м. (размеры определяются конструкцией электролизера).

Сечение анодной ошиновки определено 387500 по которым протекает ток J = 155кА

где ча.о. - электросопротивление анодной ошиновки

Для определения электросопротивления анодной ошиновки - ча.о., необходимо найти удельное сопротивление , при средней t0500C.

Принимаем удельное электросопротивление при t0200C.

d = 0,004

Отсюда электросопротивление в анодной ошиновке будет равно:

Падение напряжения в аноде

При ориентированных расчетах определения падения напряжения в аноде используем уравнение:

Находим площадь сечения анода

Sa = 275 * 844 = 232100мм2

где к - количество штырей 72шт.;

- средне расстояние от торцов всех токоведущих штырей до подошвы;

- анодная плотность тока принимаем 0,7;

- вреднее удельное электросопротивление 0,008ом.см.

Среднее расстояние от торцов штырей до подошвы анода () может быть определено из выражения:

где - минимальное расстояние от торца