Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

В состав дипломного проекта входят:

- пояснительная записка 98 с., 11 рис., 20 табл., 27 источников;

-графические (демонстрационные) материалы 8 листов, спецификация

Тема дипломного проекта:

«Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год».

Целью дипломного проекта является:

- расчёт цеха электролитического получения алюминия первичного, оснащённого электролизёрами с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом на силу тока 90 кА производительностью 250 000 тонн в год;

- разработка мероприятий по интенсификации процесса электролиза алюминия.

В проекте выполнены расчеты материального, электрического и теплового балансов.

С целью интенсификации технологии производства в проекте рассматриваются перспективы:

- совершенствование состава электролита, а именно его оптимизация по величине криолитового отношения, содержанию добавок CaF₂ и MgF₂;

- изменение состава электролита электролизеров путем увеличения содержания фторида лития;

- создание оптимальной формы рабочего пространства за счет уменьшения количества обработок электролизеров и отказа от искусственной бортовой настыли;

- изменение теплового баланса электролизеров в результате подъёма уровней жидкого алюминия с 28 до 34-35 см и электролита с 15-17 до 18-20 см;

- использование анодной массы с высокими эксплуатационными характеристиками, выполненной из высококачественного сырья (добились снижения разрушаемости с 60-70 до 38-39 мг/см²час);

- определение оптимальных токовых нагрузок на корпусах электролиза;

Содержание

Введение

1. Обоснование выбора места строительства цеха

2. Выбор и обоснование конструкции электролизёра и основных технологических параметров электролиза

2.1 Выбор мощности и конструкции электролизёра

2.2 Выбор анодной плотности тока

2.3 Выбор ширины анода

2.4 Выбор межполюсного расстояния

2.5 Выбор состава электролита

2.6 Температура электролита

2.7 Выход по току

3. Теория процесса электролиза

4. Производство алюминия электролизный цех

4.1 Серия электролиза

5. Основное оборудование электролизного производства

5.1 Конструкция электролизера

5.1.1 Катодное устройство электролизера

5.1.2 Анодное устройство электролизера

5.1.3 Ошиновка электролизера

5.1.4 Металлоконструкции электролизера

5.1.5 Подъемный механизм

5.1.6 Шторы электролизера

6. Вспомогательное оборудование электролизного производства

6.1 Машинка по пробивке корки электролита

6.2 Машинка для заклинивания и расклинивания клинового контакта "шинка - штырь"

6.3 Машинка по правке штырей

6.4 Машинка по вытяжке штырей

6.5 Машинка по забивке штырей

6.6 Вакуум- ковш

6.7 Система АПГ

7. Конструктивный расчёт электролизёра

7.1 Определение размеров анода

7.2 Определение внутренних размеров шахты

7.3 Конструкция катода

7.4 Определение размеров кожуха электролизёра

7.5 Расчёт боковых футеровочных плит

7.6 Каркас ванны

7.7 Расчёт токоведущих элементов

7.7.1 Стояки и анодные пакеты

7.7.2 Штыри

7.7.3 Токоведущие медные спуски

7.7.4 Катодные стержни

7.7.5 Алюминиевые соединительные шины

8. Расчёт материального баланса электролизёра

9. Электрический расчёт электролизёра

9.1 Баланс напряжения электролизёра

9.2 Падение напряжения в анодном устройстве

9.3 Падение напряжения в электролите

9.4 Падение напряжения в катодном устройстве

9.5 Падение напряжения от анодных эффектов

9.6 Э.д.с. поляризации

9.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

9.8 Расход электроэнергии

10. Тепловой баланс электролизёра

10.1 Приход тепла

10.2 Расход тепла

11. Расчёт основного оборудования электролизного цеха

11.1 Количество электролизеров цеха

11.2 Количество электролизеров серии

11.3 Количество серий электролизного цеха

11.4 Годовая производительность электролизного цеха

12. Расчёт вспомогательного оборудования электролизного цеха

12.1 Количество вспомогательного оборудования

12.2 Выбор системы автоматического регулирования технологическим

процессом

12.3 Выбор системы автоматического регулирования «Ток серии»

12.4 Количество вытяжных труб

12.5 Количество вентиляторов вытяжной вентиляции

12.6 Количество вентиляторов приточной вентиляции

12.7 Количество силосных башен для хранения глинозема

12.8 Оборудование для литейного отделения

13. Специальная часть

13.1 Пути интенсификации процесса электролиза алюминия

14. Автоматизация процесса электролиза алюминия

14.1 Автоматизация технологического процесса электролиза алюминия

14.2 Состав АСУТП «Электра-160» Верхний уровень

14.2.2 Нижний уровень

14.3.Функции АСУ ТП «ЭЛЕКТРА-160»

14.4. Возможности АСУ ТП «ЭЛЕКТРА-160»

15. Безопасность жизнедеятельности. природопользование и охрана окружающей среды

15.1 Безопасность проекта

15.1.1 Основные опасные и вредные производственные факторы

15.1.2 Аттестация рабочего места

15.1.3 Электробезопасность

15.1.4 Вентиляция

15.1.5 Производственное освещение

15.1.6 Защита от теплоизлучения

15.1.7 Защита от шума и вибрации

15.1.8 Защита от электромагнитных излучений

15.1.9 Защита кожи и органов дыхания

15.1.10 Пожарная безопасность

15.2 Прогнозирование чрезвычайных ситуаций

15.3 Природопользование и охрана окружающей природной среды

Введение

Развитие таких отраслей промышленности, как авиационная, электротехническая, химическая, автомобильное, гражданское и промышленное строительство, а так же других отраслей народного хозяйства невозможно без широкого применения алюминия из-за его разнообразных свойств и функциональных возможностей.

Российская алюминиевая промышленность продолжает интенсивно развиваться, наращивая объемы производства. Рост объемов производства и технических показателей достигнут за счет совершенствования технологии, внедрения новой техники, роста квалификации управленцев, инженеров, рабочих. Большинство заводов перекрыло проектные мощности по первичному алюминию. По выпуску «крылатого» металла наша страна занимает второе место после Китая.

Перспективы развития отрасли весьма неплохие. В России потребление алюминия на душу населения примерно в 5-6 раз ниже, чем в ведущих странах Европы, поэтому резервы использования металла очень велики. При этом в России используется не более 20 % произведенного алюминия, остальное экспортируется.

Исключительно благоприятное сочетание потребительских характеристик, как показывает мировой опыт, обеспечивает алюминию огромные перспективы использования во всех сферах хозяйства.

Для алюминия характерны: небольшая плотность, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, коррозионная стойкость, высокая тепло и электропроводность. Алюминий не токсичен и способен образовывать со многими металлами сплавы с уникальными свойствами.

В настоящее время получение алюминия производится электролизом криолит-глиноземных расплавов. Постоянно ведется работа по совершенствованию этого процесса, а так же автоматизация этого процесса. Регулирование и контроль над технологическим процессом [1,2].

Огромная работа ведется в области механизации трудоемких операций по обслуживанию электролизеров.

Целью данного дипломного проекта является проектирование цеха электролитического получения алюминия производительностью 200 000 тонн в год.

Для этого необходимо произвести:

Ш конструктивный расчет выбранного типа электролизера;

Ш расчёт материального, электрического, теплового балансов электролизера;

Ш расчёт основного и вспомогательного оборудования;

Ш расчёт количества корпусов;

Ш экономическое обоснование проекта;

Ш внедрение средств механизации, системы автоматизации, оптимальной для данного производства, а также внедрение мероприятий по охране труда, природопользованию, охране окружающей среды.

В проекте используются технологические показатели, достигнутые передовыми заводами России, в частности, Богословским алюминиевым заводом.

В специальной части данного дипломного проекта необходимо разработать мероприятия по интенсификации процесса электролиза алюминия.

1. Обоснование места строительства цеха

Главными критериями, которыми следует руководствоваться при выборе конструкции электролизера и места строительства вновь строящегося цеха, от которых зависят технико-экономические показатели работы предприятия являются: рельеф выбираемой местности, климатические особенности региона, удаленность этого района от источников сырья, электроэнергии, воды, газа, условия охраны труда и окружающей среды, стоимость электроэнергии в районе строительства, [6].

Рельеф отведенного земельного участка преимущественно увалистый, имеет естественный уклон с востока на запад. Участок расположен на несколько возвышенных землях, не пригодных для сельского хозяйства. Грунтовые условия: суглинки толщиной слоев более 3 метров песков разной крупности с включением гальки, а также скальных пород. Грунтовые воды находятся на глубине 8-12 метров от поверхности земли. Климат района резко континентальный, характеризуется продолжительной морозной зимой и коротким летом. Анализируя данные среднегодовой повторяемости направлений ветра, необходимо отметить, что по многолетней «розе ветров» рисунок 1.1 в районе преобладают ветра западных румбов (58%) -западные, юго-западные, северо-западные, что видно по таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Среднегодовая повторяемость направлений, %

С	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З
10	8	6	7	11	17	28	13

Климатические особенности и рельеф региона способствуют недостаточному рассеиванию атмосферных выбросов.

Рисунок 1.1 - Среднегодовая роза ветров

Число дней неблагоприятных синоптических ситуаций (слабые ветра, температурные инверсии, повышенная влажность), обуславливающих формирование повышенных уровней загрязнения атмосферы за годы наблюдения составило 152 дня, таблица 1.2.

Таблица 1.2 - Климатическая характеристика района

Наименование характеристик	Единицы измерения	Величин а показателей
Тип климата	Резко континентальный
Средняя температура самого холодного месяца	°С	-20,7
Средняя температура самого жаркого месяца	°С	+22,6
Среднегодовое количество осадков	мм	518
Минимальное количество осадков	мм	381
Максимальное количество осадков	мм	668
Среднегодовая скорость ветра	м/с	3,5
Скорость ветра, превышение которой в году составляет 5%	м/с	6,0
Скорость, близкая к штилю	м/с	0,5
Среднегодовая неблагоприятная синоптическая ситуация	дни	30,4

Продольную ось корпусов располагается под углом 45° к северо - западному направлению.

Размещение цеха по технологическим требованиям необходимо производить в отдельных зданиях, соединённых между собой коридорами.

Расположение складов - сосредоточенное, что позволяет иметь минимальную протяжённость ж/д путей.

2. Выбор и обоснование конструкции электролизёра и основных технологических параметров электролиза

2.1 Выбор мощности и конструкции электролизёра

Важную роль в выборе мощности и конструкции электролизера играют тип электролизёра, конструкция катодного и анодного устройства и стоимость электроэнергии.

Современные алюминиевые электролизёры классифицируются по следующим признакам:

- по конструкции катодного устройства - оборудованные кожухом с днищем и без днища;

- по анодному устройству - с одним непрерывным самообжигающимися анодом и обожженными анодами;

- по конструкции анодного токоподводом - с боковым (БТ) и верхним (ВТ) (вертикальным) токоподводом;

- по мощности - малой (на силу тока 30-40 кА), средней (на силу тока 50-90 кА) и большой (на силу тока 100- 300 кА).

Для расчёта дипломного проекта выбираем электролизёр с боковым токоподводом, рамного типа с днищем на силу тока равной 90 кА. Выбирая такой тип электролизёра, я основываюсь на том, что себестоимость получаемого по этой технологии алюминия ниже, чем при использовании электролизёров с обожженными анодами.

Исходя из заданной силы тока, в первую очередь необходимо обосновать анодную плотность тока.

Установлено, что с ростом мощности электролизёра анодная плотность тока понижается, так как увеличивается размер анода. Однако увеличение силы тока сопровождается ухудшением некоторых технологических показателей электролиза и сокращением срока службы электролизёров. Это объясняется следующими обстоятельствами. Повышение мощности электролизёров вызывает увеличение перекосов поверхности металла, что вынуждает поддерживать более высокое межполюсное расстояние. В результате этого наблюдается рост тепловыделений в слое электролита и для устранения перегрева требуется снижение плотности тока. Вероятность проникновения алюминия через швы подины до стальных катодных стержней и выхода электролизёра из строя возрастает в прямой зависимости от площади швов, и поэтому срок службы более мощных электролизёров значительно ниже, чем электролизёров средней мощности.

Важную роль в определении величины плотности тока играют тип электролизёра и конструкция катодного кожуха. На электролизёрах с контрфорсным кожухом потери тепла больше и плотность тока выше, чем в случае кожухов рамного типа с днищем. Плотность тока в значительной степени зависит от футеровки электролизёра и площади поверхностей теплоотдачи, особенно корки электролита.

На рисунке 2.1.1 приведены кривые зависимости анодной плотности тока от силы тока, представляющие собой среднее арифметическое лучших показателей отечественных и зарубежных заводов, оснащённых электролизёрами с боковым токоподводом.

Рисунок 2.1.1 - Зависимость анодной плотности тока от силы тока на электролизёре

Представленные на рисунке 2.1.1 данные могут служить для ориентировочного выбора плотности тока. Задача дальнейшего расчёта состоит в том, чтобы подтвердить правильность этого выбора. Если тепловой баланс электролизёра при данной плотности тока не соблюдается, следует изменить в допустимых пределах межполюсное расстояние или заменить тепловую изоляцию электролизёра. Если этого недостаточно, необходимо принять новое значение плотности тока и повторить расчёт снова.

Выбор максимально возможной ширины анода должен производиться с одной стороны, с учётом исключения перегрева электролита и накопления угольной пены под анодом, с другой стороны, с учётом повышения производительности электролизёра, снижения удельного расхода электроэнергии, капитальных затрат на сооружение электролизёра, трудоёмкости обслуживания и т.п.

Предельная ширина анода при боковом подводе тока ограничивается величиной 2500 мм, поскольку длинные штыри трудно забивать и извлекать. Дальнейшее увеличение ширины анода можно рассматривать только в связи с переходом к верхнему токоподводу. В последнем случае анод может быть даже квадратной формы с размещением штырей, как в плане, так и по высоте без увеличения их длины и диаметра.

Катодное устройство, как правило, монтируется сборно-блочным из прошивных блоков больших размеров. Оно размещено в катодном кожухе рамного, контрфорсного или шпангоутного типа.

2.2 Выбор анодной плотности тока

Анодная плотность тока выбирается с учетом достигнутых плотностей тока на алюминиевых заводах, в зависимости от силы тока.

В настоящее время анодная плотность тока, в зависимости от конструкции электролизеров и технологического режима изменяется в пределах от 0,7 до 1,2 А/см².

Понижение плотности тока с ростом силы тока вызвано уменьшением удельного сопротивления теплопотерь, отнесенных к площади анода.

Опыт интенсификации электролиза отечественной алюминиевой промышленности показывает, что плотность тока может быть повышена за счет снижения межполюсного расстояния в таких пределах, когда выход по току еще слабо зависит от плотности тока и заметное его уменьшение не наблюдается.

По рисунку 2.1.1 задаёмся анодной плотностью тока

А/см²

2.3 Выбор ширины анода

Из практики работы алюминиевых электролизёров средней мощности известно, что наиболее приемлемыми являются аноды прямоугольного сечения. С увеличением мощности электролизёров, габаритные размеры увеличиваются, а, следовательно, увеличивается длина шинопровода и электролизных корпусов, т. е. стоимость сооружения серии и потери электроэнергии в шинопроводах возрастает. Чтобы снизить этот расход, выгодно увеличить ширину анода, что сильно уменьшит размеры сооружения серии, а, следовательно, и капитальные затраты.

Принимаю ширину анода 230 см.

2.4 Выбор межполюсного расстояния

Межполюсное расстояние является одним из важнейших параметров, определяющих энергетические и технико-экономические показатели процесса электролиза. С ростом мощности электролизёров межполюсное расстояние необходимо повышать, так как повышается вероятность короткого замыкания анода с металлом, из-за увеличения его перекоса. Кроме того, низкое межполюсное расстояние приводит к уменьшению массы электролита в межполюсном зазоре, в то время как турбулентность электролита увеличивается, что влечет за собой повышение греющего напряжения, что вызвано перегревом электролита, а так же возрастанием рабочего напряжения. Таким образом, с экономической точки зрения целесообразно стремится к работе при оптимальных межполюсных расстояниях. В настоящее время отечественные заводы поддерживают межполюсное расстояние в пределах 5-6 см. Учитывая практические данные, принимаю l = 5,2 см.

2.5 Выбор состава электролита

Из опыта работы отечественных заводов наибольший выход по току наблюдается при криолитовом отношении электролита 2,6-2,8. Избыток фтористого алюминия уменьшает первичность восстановления ионов Na, отрицательно влияющего на качество алюминия первичного и срок службы подины.

Принимаю криолитовое отношение 2,5 -2,7. Добавка в электролит CaF до 2-4 %, способствует созданию устойчивых гарнисажей и настылей и повышает выход по току. Добавка MgF понижает температуру плавления и составляет 2-4 %.

2.6 Температура электролита

Решающее влияние на выход по току и скорости растворения глинозёма в электролите оказывает температура процесса электролиза, она составляет 950 - 960°С. Растворимость глинозёма в расплавленном криолите при Т = 950 С довольна высока (15%). Растворение глинозёма сопровождается его ионизацией протекающей с отщеплением иона алюминия Al. С повышением температуры электролита на 10 С выход по току снижается на 2 - 3%. Электролизёры не могут работать экономично при повышенной температуре, поэтому её снижают, вводя в электролит для улучшения его технологических свойств добавки различных фтористых солей AlF(3 - 6%), CaF(2 - 4%), иногда MgF до (5%), NaCl (2 - 4%) и LiF до (5%). Снижение температуры электролита ниже 940 С ведет к значительному повышению вязкости электролита, снижению растворимости в нем глинозема, образованию осадка. Все это может привести к расстройству технологии.

Исходя из этого, температуру процесса электролиза принимаю в пределах равной 950 - 960 С.

2.7 Выход по току

Выход по току имеет большое значение как экономический фактор, характеризующий процесс электролиза. Он зависит от плотности тока, температуры, состава электролита, межполюсного расстояния.

Снижение выхода по току объясняется растворением части металла, выделившегося на катоде, в электролите: реакцией между этими компонентами, металлом и анодными газами, а так же потерями тока: его утечки с анода на катод путём коротких замыканий через сгустки угольной пены или выступы (конусы) на подошве анода и при недостаточной электроизоляции.

Выход по току 91,0 % обусловлен шириной анода 230 см., так как с одной стороны при такой ширине анода улучшается отвод анодных газов, более широкие электролизёры имеют меньшую теплоотдающую поверхность по сравнению с вытянутыми в длину, что при прочих равных условиях связано с необходимостью некоторого снижения плотности тока, снижается перегрев электролита и накопление угольной пены под центральной частью поверхности анода, снижается вероятность протекания побочных реакций и технологических нарушений в работе электролизёра. С другой стороны, с учётом повышения производительности электролизёра, снижения удельного расхода электроэнергии, капитальных затрат на сооружение электролизёра, трудоёмкости обслуживания и т.п.

Принимаю выход по току

= 91,0 %.

3. Теория процесса электролиза

В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолит-глинозёмных расплавов, основными компонентами которых являются криолит Na₃AlF₆, фтористый алюминий A1F₃, глинозём А1₂О₃.

В промышленном электролите всегда присутствует фтористый кальций CaF, поступающий в электролит с исходным сырьем и специально вводимый для уменьшения температуры плавления. Для снижения температуры плавления, увеличения электропроводности и применения некоторых других физико-химических свойств электролита в качестве добавок применяют также MgF, LiF, MgCl, NaCl.

Процесс электролиза алюминия протекает при температуре электролита 950-960С.

В действующих электролизерах угольная подушка покрыта слоем алюминия, который служит катодом.

Основным процессом, протекающим на катоде является восстановление ионов трехвалентного алюминия:

Al³⁺ +3e = Al

В криолит-глинозёмном расплаве алюминий более электроположителен, чем натрий. Однако при относительно большой концентрации ионов натрия и высокой температуре электролита на катоде может происходить разряд ионов натрия:

Na⁺ + e = Na

Процессы неполного разряда алюминия и разряда ионов натрия снижают выход по току, так как ток на этих процессах расходуется бесполезно.

На аноде основным процессом является разряд кислородосодержащих ионов с образованием CО и CO. Первичным анодным газом при электролизе криолит-глиноземных расплавов с угольным анодом является CO. Но анализ анодных газов показывает, что они содержат до 40% CO. Это обусловлено протеканием вторичных реакций [3]:

2 Al + 3 CO = AlO + 3CO

3 Al⁺ + 3 CO = AlO + 3CO + Al³

AlO + 3C = 2 Al + 3CO

C + CO = 2CO

Основные потери тока, а, следовательно, и снижение производительности электролизера, происходят за счет протекания первых двух реакций. Это главная причина снижения выхода по току.

Выход по току - коэффициент полезного использования тока, определяется как отношение количества алюминия, выделявшегося в процессе электролиза, к количеству алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея.

Современные представления о механизме явлений в анодном процессе, при применении угольного анода исходят из того, что процесс горения состоит из стадий химической адсорбции кислорода на угле, образовании промежуточных углерод-кислородных соединений типа CxOy, распад последних на CO и CO и десорбции этих газов с поверхности анода. Все углеродистые материалы кристаллизуются в форме гексагональных решеток, в узлах которых расположены атомы углерода. Активность различных точек на поверхности анода далеко не одинакова. Места с наибольшей правильностью решетки наиболее химически активны, и в этих местах происходит хемосорбция кислорода, на наименее активных участках наблюдается физическая адсорбция. Хемо сорбированный кислород раздвигает слой графитовой решетки. Поэтому нельзя говорить о каком либо определенном составе углерод-кислородных соединений. В общем виде их можно обозначить как CxOy, имея в виду, что отношения индексов x и y является функция времени, температуры, плотности тока и других факторов. Поэтому суммарную реакцию на электродах можно представить как:

AlO + xC = 2Al + (2x-3)CO + (3-x)CO2

При повышении плотности тока или при снижении концентрации кислородосодержащих ионов анод может запассивироваться до потенциала, достаточного для разряда фторосодержащих ионов. И наряду с основным процессом на аноде начинается их разряд:

4F^- + C = CF + 4e

4AlF+ 3C = 4AlF + 3 CF + 12е

Эти процессы наблюдаются во время возникновения анодного эффекта, который обусловлен обеднением электролита глиноземом. Анодный эффект характеризуется практически мгновенным ростом напряжения от 4,4 - 4,6 В, при нормальном состоянии процесса до 35-60 В. При этом образующиеся на поверхности анода угле фториды резко увеличивают омическое сопротивление на границе анод - электролит.

Анодный эффект приводит к увеличению температуры электролита, уменьшению выхода по току и увеличению расхода фтор солеи. Но, несмотря на отрицательные стороны анодного эффекта, его возникновение допускается, так как периодичность и напряжение анодного эффекта является средством контроля за технологическим процессом.

Заданная температура процесса поддерживается за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через анод, электролит и катод. Падение напряжения поддерживается в пределах 4,4-4,6 В индивидуально на каждом электролизере, при помощи изменения межполюсного расстояния автоматически АСУ ТП и АСУ «Ток серии». Протекающие токи в электролитах конструкции электролизеров и в ошиновке, образуют сильное магнитное поле, зависящее от взаимного расположения токоведущих элементов. Магнитное поле воздействует на слой жидкого алюминия, вызывая искажение его поверхности. Это приводит к неравномерности межполюсного расстояния и, следовательно, к снижению выхода по току.

Поэтому токоведущие элементы волны располагают таким образом, чтобы уменьшить вредное влияние магнитных полей на процесс электролиза. Важным показателем стабильного технологического состояния электролизера является наличие устойчивых гарнисажей в зоне электролита и крутопадающих настылей в зоне металла. Они предназначены для защиты боковой футеровки волны от агрессивного расплава, а так же утечки тока в борта электролизера.

Анодные газы, собираемые укрытием, поступают по газоходам вытяжной вентиляции в систему газоочистки и регенерации криолита.

4. Производство алюминия, электролизный цех

4.1 Серия электролиза

Серией называют группу последовательно соединенных электролизеров, подключенных к общему источнику постоянного тока. Таким источником тока для серии служит преобразовательная подстанция, на которой переменный ток превращается в постоянный с помощью полупроводниковых выпрямителей. Их действие основано на свойстве кристаллов кремния (или германия) пропускать ток только в одном направлении. В отличие от преобразователей старых систем (ртутных преобразователей) полупроводниковые агрегаты более экономичны (потери электроэнергии около 2% вместо 8%) и просты в обслуживании. Один полупроводниковый агрегат рассчитан на 25 кА постоянного тока. Требуемая для серии сила тока обеспечивается параллельным соединением нескольких агрегатов, так как при этом токи отдельных агрегатов суммируются.

На преобразовательной подстанции имеется система автоматического регулирования силы тока, которая включает резервную мощность при возникновении вспышек на электролизерах, поддерживая силу тока постоянной. Частое регулирование тока серии увеличивает потери энергии на преобразование, поэтому работа серии при малом числе вспышек и равномерном их распределении во времени существенно улучшает энер-гетические показатели серии.

В зависимости от числа ванн в серии разность потенциалов между ее крайними точками (входящими и выходящими шинопроводами) составляет 400--850 В. Чтобы уменьшить опасность поражения током, в средней части серию заземляют.

Серия размещается в зданиях-корпусах с двухрядным расположением электролизеров.

Корпуса электролиза размещают параллельно друг другу и соединяют центральным коридором. Между корпусами размещают газоочистные установки и глиноземные силосные башни. Здания корпусов строят из сборного железобетона, принимая особые меры по электроизоляции строительных конструкций от оборудования, находящегося под потенциалом серии. Полы в корпусе делают из материалов с высоким удельным электросопротивлением, например, из асфальта; стены и колонны корпуса на высоту 3,5 м от пола изолируют слоем кирпича или бетона.

Катодную общесерийную ошиновку монтируют на бетонных столбах с электроизоляционными прокладками. Расстояния между стенами корпуса и ваннами, а также между рядами ванн делают такими, чтобы обрабатывающие машины и внутрицеховой транспорт не могли замкнуть участки с разными потенциалами.

Грузы в корпусах перевозят наземным транспортом (электрокары, автомашины) и мостовыми кранами. Грузоподъемность мостовых кранов зависит от принятого на заводе способа капитального ремонта электро-лизеров. Для транспортирования самообжигающихся анодов и катодных устройств при капитальном ремонте применяют (до 30 т) мостовые краны и специальные выкатывающие машины.

В каждом корпусе вдоль рядов электролизеров проложены лини сжатого (5--6 ат) воздуха для обеспечения работы пневматических машин и линии вакуумной системы для подключения вакуум-ковшей и пылесосов

В корпусах электролиза необходима интенсивная вентиляция, так как в рабочую зону выделяются вредные газы (HF, СО), продукты коксования анода, пыль глинозема и фтористых солей, а также значительное количества тепла. Конструкция корпусов предусматривает их непрерывную естественную аэрацию. Свежий воздух заходит через окна, омывает электролизеры и удаляется через фрамуги фонаря.

Однако основной воздухообмен в корпусах обеспечивает принудительная (вытяжная и приточная) вентиляция. Чтобы содержание вредностей на рабочем месте соответствовало норме, необходимо отсасывать от закрытого шторами электролизера 6000--8000 м³/ч, а от открытого 18000--20000 м³/ч воздуха. Мощность вытяжной вентиляции в серии, состоящей из 168 электролизе-ров, составляет 1,4--1,6 млн. м³/ч. Цель приточной вентиляции -- компенсация объема воздуха, отсасываемого из корпуса, и создание нужной температуры на рабочих местах. По мощности приточная вентиляция не должна уступать вытяжной. В зимнее время приточный воздух подогревают в калориферах, чтобы температура на рабочих площадках составляла 10--16 С, а летом -- охлаждают в водяных душирующих устройствах.

5. Основное оборудование электролизного производства

5.1 Конструкция электролизера

Алюминиевый электролизер состоит из следующих основных элементов: катодного устройства, анодного устройства, ошиновки и системы газоулавливания.

По конструкции катодного устройства электролизеры различают:

- оборудованные кожухом без днища;

- оборудованные кожухом с днищем.

По анодному устройству различают электролизеры:

- с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом (электролизеры БТ);

- с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (электролизеры ВТ);

- с обожженными анодами (ОА).

Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и по конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой (30-40кА), средней (50-90кА) и большой (100-250кА).

5.1.1 Катодное устройство электролизера

Представляет собой шахту, выложенную угольными подовыми и боко-выми блоками. Угольные блоки достаточно стойки против агрессивного воздействия криолито-глиноземного расплава при температуре электролиза. Катодное устройство состоит из следующих основных элементов: стального кожуха, выполненного из стальных балок и листов, сваренных между собой, кирпичного цоколя, который служит основанием для кожуха, боковой футе-ровки, состоящей из угольных плит и засыпки из шамотной крупки. Внутри кожуха выложено несколько рядов огнеупорного кирпича, на поверхность которого нанесен слой подовой угольной массы толщиной 50 мм «подушка». На подушке установлены подовые секции, представляющие собой угольные блоки, в нижнюю часть которых вставлены катодные стержни (блюмсы), служащие для подвода тока к подине. Для создания необходимого контакта между блоком и стальным стержнем пространство между ними заливают чу-гуном. Электролизер имеет катодный кожух с днищем. Рассмотрим теперь каждый элемент катодного устройства. Катодные кожухи служат для установки в них футеровки ванны. Они должны иметь достаточную ме-ханическую прочность, поскольку при эксплуатации электролизеров в подине возникают большие усилия, связанные с проникновением в нее натрия и с ее разбуханием. Эти усилия через боковую футеровку передаются на стенки кожуха и должны быть ими восприняты без больших деформаций. Поэтому основная жесткость кожуха сосредоточивается в верхнем поясе сварных балок. От прочности кожуха в значительной мере зависит срок службы электролизера, так как при недостаточном обжатии футеровки процессы деформации в ней приводят к проникновению расплавленного ме-талла и электролита к стальным элементам и выходу ванны из строя.

В верхней части кожух закрыт бортовым листом, прикрывающим боковую футеровку сверху и защищающим ее от окисления. Боковые продольные стороны имеют окна для катодных стержней. Окна снабжены манжетами, обращенными внутрь кожуха. Пространство между стержнем и манжетами заполнено мастикой из асбеста на жидком, стекле, чтобы обеспечить электроизоляцию между стержнем и кожухом и затруднить проникновение наружного воздуха к угольной футеровке и ее окисление.

Подина электролизера набрана из подовых секций, представляющих собой угольный блок, в нижней части которого имеется паз для катодного стержня. Крепление стержня в блоке производится заливкой специальным чугуном с минимальной усадкой: Si 2,5-- 3,6% (по массе), Р 0,8--1,6% (по массе). Угольные блоки получают на специальных прессах; сечение блоков 400Ч550, длина 600, 800, 1200 или 1600 мм, в не-которых случаях -- до 2500 мм. Изготавливают блоки из термоантрацита, графита, угольного боя и литейного кокса. Эти материалы дробят и смешивают со связующим -- каменноугольным пеком, а затем прессуют и обжигают. Графит повышает стойкость блоков против воздействия натрия и увеличивает электропроводимость, однако при этом повышается и стоимость блоков. Обычно содержание графита в блоках составляет 20--30%. Подовые секции

устанавливают на расстоянии 25-- 50 мм друг от друга; в пространство между ними набивают подовую массу, которая при обжиге подины коксуется, образуя подовый шов, прочно связывающий подовые блоки. Между боковой футеровкой и подовыми блоками из той же массы набивают периферийный шов шириной до 300 мм.

Боковая футеровка выполнена из угольных плит толщиной 200 мм, высотой 600--800 мм и длиной 550 мм. Плиты устанавливают на кирпичную кладку, так называемую бровку, через которую проходят катодные стержни. Между угольными плитами и катодным кожухом имеется слой теплоизоляции в виде набойки из шамотной крупки толщиной 50--80 мм. При деформациях кожуха этот слой предохраняет более хрупкую угольную футеровку от разрушения. Для усиления теплоизоляции в электролизерах средней мощности, кроме этого кладут ряд шамотного кирпича (клад-ка в 1/4 кирпича) между набойкой и угольными плитами.

Размеры шахты электролизера зависят от его мощности и типа катодного кожуха. Обычно глубина шахты составляет 400--600 мм, расстояние от анода до стенок шахты по продольной стороне 440--650 мм, по торцевой стороне 500--600 мм (большие размеры -- для более мощных электролизеров).

От качества футеровочных материалов и тщательности монтажа электролизера в значительной степени зависит срок его службы. Особенно большие требования предъявляются к качеству швов между блоками, по-скольку швы являются наиболее слабым местом подины.

5.1.2 Анодное устройство электролизера

Представляет собой угольный анод, помещенный в анодную раму, сваренную из стального листа, усиленного в верхней части швеллером. Между рамой и анодом помещена алюминиевая обечайка из листа толщиной в 1 мм, она не дает вытекать анодной массе, которая в верхних слоях анода находится в полужидком состоянии. По мере срабатывания анода масса переходит в зоны более высоких температур, коксуется и становится прочной и электропроводной. В этой зоне обечайка предохраняет анод от окисления. Так как обечайка расходуется вместе с анодом, то ее наращивают сверху.

Подвеска анода и подвод тока к нему осуществляются с помощью стальных штырей 6 длиной до 1100 мм и диаметром 60--80 мм. Штыри забивают в тело анода со всех четырех сторон в шахматном порядке в 4--5 рядов с шагом по вертикали 200 мм и горизонтали 370 - 400 мм. т.е. так, что штыри четных и нечетных рядов смешены один относительно другого на половину шага; они имеют наклон к горизонтали 12-15. Подводящими ток являются два нижних ряда штырей.

5.1.3 Ошиновка электролизёра

Ошиновка электролизеров должна обеспечивать равно-мерное распределение тока по поверхности электродов, способствовать уменьшению действия электромагнитных сил в зоне электролита и быть достаточно дешевой. Выполняется ошиновка из алюминиевых шин и лент. В электролизерах БТ анодные спуски выполнены из медных лент, но применение меди для изготовления шин не допускается.

Ошиновка электролизера делится на две части -- анодную и катодную. Анодная ошиновка состоит из анодных стояков, анодных пакетов и уравнительных шин, гибких шинок, собранных в отдельные пакеты, или, как их обычно называют, «анодных спусков», передающих ток от анодных пакетов и уравнительных шин к анодным штырям. В целях экономии алюминия анодный пакет шин по всей длине электролизёра разбивают на участки, в которых по мере удаления от стояков уменьшают число шин на одну, а в конце оставляют одну шину. Анодные пакеты шин симметричные, тающие.

Катодная ошиновка состоит из гибких лент катодных спусков, приваренных к стальным катодным стержням подины и катодных шин (пакетов). Концы спусков приварены к алюминиевым катодным шинам. Пакеты катодных шин уложены по продольным сторонам электролизера таким образом, чтобы их удобно было стыковать с помощью шунтов (короткозамыкателей) с анодными стояками во время капитального ремонта электролизера. Для удобства отключения ванны из электрической цепи катодный пакет шин по всей длине электролизёра разбивают на участки, делая его тающим.

От соседнего электролизёра ток передается с помощью двух анодных стояков, представляющих собой пакеты алюминиевых шин 250Ч29 или 430Ч60 мм. От стояков по продольным сторонам анода проложены две анодные шины переменного сечения. В торцах ано-да анодные шины соединены уравнительными шинами.

К анодным и уравнительным шинам болтовым соединением подсоединены гибкие медные или алюминиевые спуски. В нижней части каждый анодный спуск имеет медную пластинку сечением 10Ч15 мм, которая закреплена на головке штыря клиновым, сварным или болтовым контактными устройствами.

5.1.4 Металлоконструкции электролизера

Верхние конструкции рисунок служат для подвески анода, создания вентиляционного укрытия и монтажа всех других механизмов и устройств электролизера.

Металлоконструкции устанавливают на кожухе электролизера. Поскольку металлоконструкция поляризована потенциалом анода, а кожух -- потенциалом катода, то колонны металлоконструкции изолированы от бортов кожуха. В электролизерах некоторых типов, главным образом с кожухами, имеющими днище, металлоконструкции сооружают на выносных стойках.

Металлоконструкцию рассчитывают на удержание всего анодного устройства, т. е. анода с общей высотой столба анодной массы 1500--1600 мм, всех анодных штырей, анодной рамы с каркасом, ошиновки, механизма подъема анода и запаса глинозема в бункерах. Кроме этого, проверяют, выдержат ли металлоконструкции нагрузку от анода, подвешенного на временные подвески.

Верхняя часть металлоконструкций представляет собой раму со средним проемом, размеры которого соответствуют размерам анода в плане. Рама сварена из четырех мощных балок. Продольные балки рамы имеют коробчатое сечение; стенки балки используются для создания бункеров для хранения глинозема, так как бункера встроены в раму. Емкость их составляет 2--3-суточный запас, т. е. от одной до двух тонн глинозема. В продольные балки электролизеров некоторых типов встроены и вентиляционные каналы.

Поперечные балки также имеют коробчатое сечение, но стенки, обращенные внутрь электролизера, не зашиты листом, а выполнены в виде фермы, открытой для прохода отсасываемых от ванны газов. Если электролизер имеет верхнюю вытяжку, газоотсасывающие трубы присоединяют к наружным стенкам поперечных балок рамы. В электролизерах с широким анодом в средней части поперечных балок также встроены небольшие глиноземные бункера, чтобы загружать глинозем и в торцах ванны, а не перемещать его с про-дольных сторон электролизера на торцовые.

К нижнему листу рамы, под глиноземными бункерами, крепится система затворов с течками, по которым глинозем поступает на электролитную корку. К нижнему же листу крепятся скобы для подвески анода на временных тягах при перетяжке анодной рамы. Сверху на раме монтируется механизм подъема анода.4

Верхний лист рамы служит рабочей площадкой для обслуживания анода; площадка ограждена перилами из круглого или уголкового железа. На одной из угловых стоек имеется трап для подъема на анодную площадку электролизера.

Проем над анодом закрывается крышками. Для герметизации рабочего пространства электролизера щели между крышками и рамой, обрамляющей анодный проем, уплотнены по принципу песочных затворов.

5.1.5 Подъемный механизм

Для подвески анода и перемещения его по вертикали служит подъемный механизм электролизера -- тросовый полиспастный.

Тросовый полиспастный механизм -- это система из четырех по-лиспастов, размещенных по углам анода.

Неподвижные блоки полиспастов крепятся на металлоконструкции ванны, подвижные-- к анодной раме. Передача от электродвигателя к червячному редуктору механизма осуществляется через дополнитель-ный редуктор с передаточным числом 1:15.

5.1.6 Шторы электролизера

Металлоконструкции образуют над электролизером колпак, в котором газы собираются и откуда они отводятся системой вытяжной вентиляции. Со всех четырех сторон электролизера имеются рабочие проемы. Снизу они ограничиваются бортом кожуха, сверху -- рамой металлоконструкции, а по бокам -- стойками. По площади продоль-ные проемы достигают 10--12 м², а торцовые 5--6 м².

Эффективность вытяжной вентиляции в значительной степени зависит от того, насколько плотно, без щелей, укрыт электролизер сверху металлоконструкциями и насколько надежно он герметизирован приспособлениями, принятыми для укрытия рабочих проемов. В настоящее время применяются в основном укрытия двух типов -- щитовые и шторные.

Щитовые укрытия бывают нескольких видов: откатное подвешенное на роликах, дверное на петлях и подъемное, в котором щиты передвигаются по вертикали.

Более совершенным видом укрытия и более распространенным является шторное, наматывающееся.

Полотно шторы собирается из отдельных, шарнирно соединенных звеньев. При открывании штора наматывается на барабан, прикрепленный к металлоконструкции над рабочим проемом. Внутри барабана имеются одна или две пружины, одним неподвижным концом связанные с кронштейнами, поддерживающими барабан, а вторым соединенные с барабаном. Пружины рассчитаны на уравновешивание полотна шторы. С целью облегчения пользования наматывающимися шторами разработано и внедряется несколько типов пневматических и электрических приводов.

6. Вспомогательное оборудование электролизного производства

6.1 Машинка по пробивке корки электролита

Для обрушения корки электролита и опиковки гарниссажей применяют самоходные машинки. Рабочим органом этих машинок служит пневматический молоток.

Машинка состоит из следующих основных узлов: рамы, переднего моста (поворотного), заднего моста, поворотной колонки с хоботом, на котором смонтирован пневмолом, привода механизма передвижения машинки и поворота колонки, сидения, автомасленки, пневмосистемы, пневмодвигатель [6].

Рисунок 6.1.1 -- самоходная машинка для пробивки корки электролита

Машинка работает за счет энергии сжатого воздуха. Корка разрушается за счет энергии удара пневмолома. Пневмолом шарнирно закреплен на свободном конце хобота. Передвижение машинки осуществляется пневмодвигателем через цепную передачу, распределительный вал и открытую червячную передачу.



6.2 Машинка для заклинивания и расклинивания клинового контакта шинка-штырь

Машинка предназначена для заклинивания и расклинивания клинового контакта шинка-штырь.

Машинка для заклинивания и расклинивания клинового контакта состоит из: рукава, к которому крепятся молоток и шток.

Рукав представляет собой цилиндр, который с одной стороны соединен с молотком с другой со штоком. На стволе молотка крепится хомут и боек концевой пружиной. На штоке крепится ручка, кран и хобот.

6.3 Машинка по правке штырей

Машинка предназначена для правки анодных штырей, извлеченных из анода алюминиевого электролизера.

Машинка по правке штырей состоит из: рамы тележки, сварной конструкции углового проката, предназначенной для закрепления всех узлов машинки и опирающейся на два колеса.

Передвижение машинки производится вручную, для чего имеется ручка.

6.4 Машинка по вытяжке штырей

Машинка предназначена для извлечения анодных штырей из анода алюминиевого электролизера с боковым токоподводом.

Машинка состоит из: пневмоцилиндра, двухплунжерного насоса с пневматическим приводом, клапанного распределителя, маслобака, распределительного пробкового крана, цилиндра подъема, цилиндра поворота, шасси, тяги, упора и соединительных трубок.

Перестановку токоподводящих штырей на ваннах с боковым подводом тока осуществляют через каждые 8-12 суток. Для извлечения штырей применяют пневмогидравлические машинки ударного или безударного действия рисунок 6.4.1.

Рисунок 6.4.1 - Машинка безударного действия для извлечения штырей

6.5 Машинка по забивке штырей

Машинка предназначена для забивки анодных штырей в анод алюминиевых электролизеров с боковым токоподводом.

Машинка по забивке штырей состоит из следующих основных узлов: направляющих, выполненных из уголков, цилиндра подачи, ползунка, отбойного пневматического молотка распределительного крана, подставки.

На направляющих уголка крепятся: распределительный кран, пневмоцилиндр, отбойный молоток и подставка.

Верхний ряд штырей забивают обычно спустя один - два дня после извлечения штырей нижнего ряда рисунок 6.5.1 конструкция Аникина.

Захват машины набрасывают на горизонтальную трубу, проложенную вдоль анода. Задняя часть машины опирается на подставку, длину которой можно регулировать. Штырь укладывают в направляющий лоток машины и забивают с помощью пневматического молотка под углом 12-15.

6.6 Вакуум - ковш

Суточная производительность современных электролизеров средней мощности составляет 350-600кг.

Для выливки металла применяют вакуум-ковши вместимостью от 1,5 до 2,5т алюминия. Вакуум-ковш футерован шамотным кирпичом, имеет заборную трубу для высасывания металла из ванны, смотровое окно для ориентировочного определения количества вылитого металла и люк для очистки ковша от электролита. Для создания вакуума внутри ковша или применяют эжектор, или подключают ковш к общей вакуумной линии.

6.7 Система АПГ

Повышение производительности труда и улучшение его условий путем механизации основных производственных операций и широкого применения автоматизации являются главными задачами технического прогресса алюминиевой промышленности.

Одним из главных направлений модернизации электролизного производства является внедрение опытной системы автоматического питания электролизеров глиноземом (АПГ). Система АПГ состоит из: пневматического пробивного устройства, объемно-вакуумного дозатора, электропневматических клапанов и автоматики, управляющей работой пробивного устройства и дозаторов.

7. Конструктивный расчёт электролизёра

В задачу конструктивного расчёта электролизёра входит определение его основных геометрических размеров (габаритов).

По практическим данным примем следующие основные параметры электролизёра (которые могут варьироваться исходя из начальной силы тока), таблица 7.1.

Таблица 7.1 - Основные параметры электролизёра

Исходные Данные	Обозначение	Количество	Единица измерения
1. Сила тока		90	кА
2. Ширина анода		230	см
3. Выход по току		91,0	%
4.Анодная плотность тока		0,84	А/см2
5.Температура процесса электролиза		950 - 960	°С
6. М.П.Р		5,2	см

7.1 Определение размеров анода

Определим площадь подошвы анода:

,

где - площадь подошвы анода, см²; - сила тока, А; - анодная плотность тока, А/см².

.

Определим длину анода:

где - длина анода, см; - ширина анода, см;

.

Принимаю длину анода: = 540 см.

Данное решение связано с тем, что ток к аноду подводится через закоксованные в тело анода стальные штыри. При боковом токоподводе анодные штыри вводятся в анод со всех четырёх сторон. По высоте анода штыри размещены в пять рядов с расстоянием между ними 200 мм; в «шахматном» порядке по горизонтали с шагом в 370 - 400 мм, т. е. так, что штыри чётных и нечётных рядов смещены один относительно другого на половину шага.

По мере сгорания анода штыри опускаются в горячую зону электролизёра, где запекаются в коксовую часть анода. Штыри двух нижних рядов лучше верхних рядов спечены с анодом и контактируют с той частью анода, которая характеризуется наибольшей проводимостью, они являются токоведущими - к ним присоединены анодные спуски. Принимаем по 26 штырей на продольных и по 8 штырей на торцевых сторонах электролизёра, итого 68 штырей в двух токоведущих рядах.



7.2 Определение внутренних размеров шахты

Расстояние от анода до боковой футеровки принимаем на основе практических данных:

- по продольной стороне 50 см;

- по торцам 50 см.

Определим длину шахты ванны:

где - длина шахты ванны, см; - длина анода, см.

.

7.3 Конструкция катода

Конструкцию катода принимаем сборно-блочную. Основные размеры катодного устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью угольных блоков.

Отечественной промышленностью выпускаются катодные блоки нормальные сечением 40 Ч 40 см и длиною 60, 80, 120 и 160 см и укрупненные сечением 55,5 Ч 40 см и длиной 60, 120, 130, 140, 160, 180, 200 и 220 см.

Подовые секции укладываются в подину обычно с перевязкой центрального шва рисунок 7.3.1. Швом в подине называют зазор между блоками, заполненный плотно утрамбованной угольной подовой массой. Ширина шва составляет ~ 4 см. Периферийные швы (швы между блоками подины и стенками шахты ванны) более широкие - от 5 до 15 - 30 см.

...