Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

При ширине подины 330 см принимаем укрупнённые катодные блоки с размерами 55,5 Ч 40 Ч 180 см и 55,5 Ч 40 Ч 130 см.

Ширину межблочных швов в подине принимаем равной 4 см.

Блоки укладываются в два ряда по ширине шахты с перевязкой центрального шва.

Общее число катодных блоков 20 штук. Швы заполняются плотно утрамбованной подовой массой.

Как показывает практика многих предприятий, блочная подина, собранная в достаточно прочном кожухе, из блоков хорошего качества, с правильно набитыми швами может эксплуатироваться не менее пяти лет.

7.4 Определение размеров кожуха электролизёра

Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляции.

Выбираю тип кожуха электролизёра - рамного типа без днища.

Принимаем следующие размеры элементов футеровки:

- для боковой футеровки - один ряд угольных плит толщиной 20 см;

- для тепло - и электроизоляции боковых плит применяем шамотную засыпку толщиной 5 см;

- для подины ванны помимо катодных блоков высотой 40 см, выкладываем теплоизоляционный слой, состоящий из шамотной засыпки, толщиной 5 см и пять рядов шамотного кирпича высотой 6,5 см каждый.

7.5 Расчет боковых футеровочных плит

Футеровка боковых стенок состоит из угольных плит размером 20 Ч 63 Ч 55 мм. Для продольных сторон потребуется блоков:

,

где - длина шахты, см.

7.6 Каркас ванны

Каркас ванны выполняем из швеллерных и двутавровых балок №20 и №30. Колонны устанавливаются на углы кожуха. Высота каркаса принимается, исходя из высоты, удобной для обслуживания анодов, равной 320 см от бортового листа кожуха. Для укрытия ванны принимаем шторы навивного типа, так как они обеспечивают лучшую герметизацию ванны и позволяют применить электропроводы для перемещения штор.

7.7 Расчет токоведущих элементов

Расчёты ведём согласно принятым технико-экономическим плотностям тока для различных материалов, А/мм²:

Алюминиевые шины…...0,4

Медные спуски…………1,2

Стальные стержни……...0,2

7.7.1 Стояки и анодные пакеты

От соседнего электролизёра ток передаётся с помощью двух анодных стояков, представляющих собой пакеты алюминиевых шин сечением . От стояков по продольным сторонам анода проложены две анодные шины переменного сечения. В торцах анода анодные шины соединены уравнительными шинами.

Поскольку электрический ток подводится к ванне с двух сторон, то через каждый стояк протекает половина общей силы тока

В целях экономии алюминия анодный пакет шин по всей длине электролизёра разбиваем на шесть участков, в которых по мере удаления от стояков уменьшаем число шин на одну, а в конце оставляем одну шину. Анодные пакеты шин симметричные, тающие.

Рассчитаем высоту стояка:

,

где - высота анода, мм.

7.7.2 Штыри

При расположении штырей в пять рядов в шахматном порядке, ток к аноду подводится с четырех сторон двумя нижними рядами штырей. Расстояние между штырями по горизонтали 400 мм, по вертикали 220 мм. Материал штырей - сталь марки СТ-2. Экономическая плотность тока в сечении штыря 0,2 А/мм².

Общее число рабочих штырей и площадь их сечения определяется из условия средней токовой нагрузки на штырь 1324 А.

Число штырей:

,

где - сила тока, А.

Принимаю = 68 штырей.

Принимаю штыри со средним диаметром 80 мм и длиной 1020 мм.



7.7.3 Токоведущие медные спуски

Ток от анодных алюминиевых шин к каждому штырю подводится медными спусками.

Принимаем стандартные медные ленты марки М1 сечением 1 Ч 100 мм (по ГОСТ 1173 - 49).

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

Общую длину медного спуска принимаем равной 2300 мм, исходя из возможности опускания анода на подину.

7.7.4 Катодные стержни

Общее число катодных стержней при экономически выгодной плотности тока в них 0,2 А/мм² составит:

,

где - общая площадь сечения катодных стержней, мм²;

- сила тока, А;

- плотность тока в катодных стержнях, А/мм².

При числе катодных стержней сечение каждого их них будет равно:

,

где - сечение катодного стержня, мм².

Принимаем катодные стержни по ГОСТ 25991 - 57 сечением 230 Ч 115 мм.

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

7.7.5 Алюминиевые соединительные шины

Катодные стержни соединены с катодными шинами алюминиевыми лентами сечением 1 Ч 200 мм.

Длину их из конструктивных соображений принимаем 600 мм.

Принимаю 56 лент на стержень.

Тогда фактическая плотность тока в них составит

,

где - сила тока, А; - число катодных стержней, шт.; - число лент, шт.

.

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

8. Расчёт материального баланса электролизёра

Задача расчёта материального баланса электролизёра - определить производительность электролизёра и удельный расход сырья.

Рассчитаем часовую производительность электролизёра:

,

где - часовая производительность электролизёра, кг/час;

0,336 - электрохимический эквивалент, г/(А · ч);

- сила тока, А;

- выход по току, в долях единицы.

Приход и расход сырья и материалов ведем на 1 тонну алюминия. Расход сырья на приготовление одной тонны алюминия сырца принимаем по данным практики, кг/т таблица 8.1.

Таблица 8.1 - Расход сырья на 1 тонну алюминия сырца

Сырье и материалы	Расход на 1т Al, кг
Al2O3	1910,0
Na3AlF6	7,0
AlF3	16,0
CaF2	0,5
MgO	0,8
Карбонат лития	1,18
Листовой алюминий	1,1
Анодная масса	494,8

Приход материалов в ванну рассчитываем по расходу сырья на одну тонну алюминия сырца и по производительности электролизёра в час. Разница между практическим и теоретическим расходом обуславливается наличием примесей в глинозёме и механическими потерями при транспортировке и загрузке глинозёма в ванну.

Величина потерь глинозёма составит:

.

Содержание СО и СО₂ в анодных газах принимаем соответственно 15 и 85 моль %. Количество анодных газов рассчитываем, исходя из суммарной реакции, протекающей в электролизёре:

Al₂O₃ + x·C = 2Al + (2·x - 3)·CO + (3 - x)·CO₂,

где х - величина, лежащая в пределах (1,5 - 3).

Согласно данной реакции количество анодных газов можно определить по уравнениям:

Потери углерода с летучими возгонами каменноугольного пека, утечками жидкой анодной массы, угольной пеной и т.д. определяются как разность между приходом анодной массы и количеством, израсходованного с газами углерода :

.

Фтористые соли не расходуются в процессе осуществления электродных реакций, но из-за испарения, разложения при взаимодействии с примесями и футеровкой, образования CF₄ и C₂F₆ во время анодных эффектов и пылеуноса они все же теряются. Поэтому расход фтористых солей принимают равным их приходу.

Часть магния от добавок в электролит MgO идет в примесь катодного металла, а часть испаряется в виде MgF₂ и с механическими потерями. Принимаем расход MgO равным приходу. Большая часть листового алюминия сгорает и улетучивается, т.е. расход его равен приходу.

Результаты расчёта материального баланса процесса электролиза заносим в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 - Материальный баланс процесса электролиза алюминия

Исходный продукт	кг/час	%	Конечный продукт	кг/час	%
Глинозём	52,563	78,58	Алюминий	27,52	41,15
Криолит	0,193	2,88	Анодные газы:
Фтористый алюминий	0,440	0,65	CO CO2	3,475	5,19
Фтористый кальций	0,014	0,02		30,901	46,20
Оксид магния	0,022	0,03	Потери:
Карбонат лития	0,018	0,02	глинозёма криолита фтористого алюминия фтористого кальция оксида магния карбонат лития анодной массы листового алюминия	0,556	0,83
Листовой алюминий	0,033	0,04		0,193	2,88
Анодная масса	13,62	20,36		0,440	0,65
Всего:	66,885	100		0,014	0,02
				0,022	0,03
				0,018	0,02
				3,703	5,53
				0,033	0,04
			Невязка	+0,010	+0,014
			Всего:	66,885	100

9. Электрический баланс электролизёра

9.1 Баланс напряжения электролизёра

Уравнение электрического баланса представляет собой выражение среднего напряжения:

,

где - падение напряжения в анодном устройстве, В;

- падение напряжения в катодном устройстве, В;

- падение напряжения в электролите, В;

- падение напряжения при анодных эффектах, В;

- напряжение разложения глинозёма, В;

- падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

9.2 Падение напряжения в анодном устройстве

,

где - падение напряжения в анодном устройстве, В;

- падение напряжения в анодной ошиновке, В;

- падение напряжения в контактах анодного узла, В;

- падение напряжения в аноде, В.

Высота стояков и длина и анодных пакетов составляет 2,45 м и 6,7 м соответственно, что стояки и анодные пакеты выполнены из алюминиевых шин сечением .

Площадь сечения стояков и анодных пакетов с учетом двустороннего подвода тока и компоновки в пакеты по 7 шин в каждом составит:

.

Тогда сопротивление в анодной ошиновке составит:

.

Среднее расстояние от подошвы анода до всех токоведущих штырей находят в зависимости от величины минимального расстояния от подошвы анода и высоты подъёма спусков при переключении штырей.

Суммируя все составляющие, находи падение напряжения в анодном устройстве:

.

9.3 Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите рассчитывается по формуле, предложенной Г.В. Форсбломом и В.П. Машовцом:

,

где - удельное сопротивление электролита ( Ом·см при криолитовом отношении 2,7);

- межполюсное расстояние, см;

- площадь анода, см²;

- периметр анода, см.

9.4 Падение напряжения в катодном устройстве

Падение напряжения в катодном устройстве складывается из падения напряжения в подине, в частях катодных стержней, не заделанных в подину, в соединительных алюминиевых пакетах, в катодной ошиновке и в контактах: катодные стержни - соединительные пакеты и соединительные пакеты - катодная ошиновка.

Для определения падения напряжения в подине, смонтированной из прошивных угольных блоков шириной 555 мм, пользуются уравнением М.А. Коробова, А.М. Цыплакова и Б.И. Тимченко:

,

где - падение напряжения в подине, В;

- приведенная длина пути тока по блоку, см;

- удельное сопротивление блока, Ом·см;

- половина ширины шахты ванны (), см;

- ширина настыли, см;

- ширина катодного блока с учетом набитого шва (), см;

- площадь сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки

Удельное сопротивление прошивных блоков, рассчитанное на основании измерения соответствующих параметров по данным ВАМИ, принимаем равным .Ширина бортовой настыли в шахте ванны (а) при условии оптимальной его формы, при которой настыль ограничивается проекцией анода на подину шахты, составляет 50 см.

Аналогично рассчитываем падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах. Из конструктивного расчёта длина алюминиевых соединительных лент .

Общее сечение лент на 20 катодных стержнях:

,

где - площадь сечения одной ленты (), мм²; - число лент на один катодных стержень, шт; - число катодных стержней, шт.

Находим общее сопротивление в соединительных алюминиевых лентах:

.

9.5 Падение напряжения от анодных эффектов

Падение напряжения от анодных эффектов определяем по формуле:

,

где - частота анодных эффектов в ванне за сутки (), шт; - среднее напряжение анодного эффекта ().

9.6 Напряжение разложения глинозёма

Напряжение разложения глинозёма рассчитываем по формуле:



,

где - напряжение разложения глинозёма, В; - теоретическое напряжение разложения глинозёма , В;

9.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке составляет: .

Принимаем среднее значение 0,035 В.

Суммируя все полученные составляющие, получаем среднее напряжение на электролизёре:

.

Рабочее напряжение электролизёра меньше среднего на величину падения напряжения в общесерийной ошиновке и долю падения напряжения от анодных эффектов:

.

Расчёт полученных данных сводим в таблицу 9.7.1.

Таблица 9.7.1 - Электрический баланс электролизёра

Участки цепи	Падение напряжения
	Uгреющее	Uрабочее	Uсреднее
1. Анодное устройство:
анодная ошиновка.	-	0,1062	0,1062
контакты анодного узла	-	0,0150	0,0150
анод	0,419	0,4190	0,4190
штыри	-	-	0,0126
Итого в анодном устройстве:	0,419	0,5572	0,5572
2.Электролит	1,683	1,683	1,683
3. Катодное устройство
подина	0,326	0,326	0,326
выступающая часть катодных стержней	-	0,009	0,009
алюминиевые спуски	-	0,012	0,012
катодная ошиновка	-	0,241	0,241
контакты катодного узла	-	0,016	0,016
Итого в катодном устройстве:	0,326	0,604	0,604
4. Анодный эффект	0,015	-	0,015
5. Напряжение разложения	1,441	1,441	1,441
6. Общесерийная ошиновка	-	-	0,035
Итого на электролизере:	3,884	4,2852	4,3352

9.8 Расход электроэнергии

Удельный расход электрической энергии определяем по формуле:

где - среднее напряжение, В;

- электрохимический эквивалент алюминия, г/(А·ч);

- выход по току, доли единиц

10. Тепловой баланс электролизёра

Составление теплового баланса электролизера заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза.

Нормальную работу электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. Электролизер снабжается теплом за счет прохождения электрического тока и сгорания анода. Расходуется тепло на разложение глинозема, теряется через теплоотдающие поверхности электролизера, а так же с выливаемым металлом и газами.

Тепловой баланс обычно составляют применительно к температуре окружающей среды. При этом составляющими теплового баланса являются следующие статьи прихода и расхода энергии:

Изменением теплосодержания материалов, загружаемых в электролизёр, можно пренебречь вследствие их незначительной величины, которая обусловлена небольшим отличием температуры окружающей среды от стандартной (25 єС).

10.1 Приход тепла

а) От электрической энергии

кДж/час

где 3,6 - тепловой эквивалент ватт-часа, кДж/Втчас;

- сила тока на электролизёре, А;

- греющее напряжение на электролизёре равное 2,705, В.

Величина греющего напряжения берётся из электрического баланса.

б) От сгорания анода:

кДж/час

где - соответственно число киломолей в час CO₂ и CO, кмоль/час;

- соответственно тепловые эффекты реакций образования CO₂ и CO из углерода и кислорода, кДж/моль;

T₁ - температура, при которой составляется тепловой баланс, т.е. температура окружающей среды, Кє (T₁ = 25 єС).

Выражения для находят, исходя из состава анодных газов - продуктов электролиза, следующим образом.

Часовая производительность электролизёра равна:

где - сила тока, А;

- выход по току, доли единицы;

- число Фарадея, равное 26,8 А•ч.

в) От догорания анодных газов.

Догорание СО и СО₂ на выходе из под корки электролита проис-ходит по реакции

СО + 0,5О₂ = СО₂

На догорание идет 25 % от количества выделившегося СО.

г) От изменения теплосодержания СО и СО₂ в анодных газах.



где - изменение теплосодержания анодных газов в интервале температур, кДж/кмоль.

10.2 Расход тепла

а) На разложение Al₂O₃

Al₂O₃ = 2Al + 1,5O₂

где - расход глинозёма на электролитическо разложение, кмоль/час; - тепловой эффект реакции образования глинозёма, кДж/моль.

б) С вылитым алюминием

Расчёт ведём, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла:

где - производительность электролизёра по алюминию, кмоль/час;

- энтальпия алюминия при 960 и 25 єС, кДж/моль.

в) Унос с отходящими газами

Расчёт уноса тепла с отходящими газами ведём на основе основных компонентов анодных газов - окиси и двуокиси углерода. Температуру отходящих газов принимаем по практическим данным равной 550 °С. Энтальпию составляющих отходящих газов, находим по справочным данным.

Тогда потери тепла с отходящими газами составит:

где - соответственно число выделяющихся киломолей СО₂ и СО кмоль/час;

- энтальпия двуокиси углерода соответственно при температурах 550 и 25 °С, кДж/моль;

г) На нагрев воздуха, засасываемого под шторы

Когда система ограничивается укрытием (шторами), т.е. когда происходит значительное разбавление электролитических газов, унос тепла с газами вычисляется по формуле:

где - плотность газов при нормальных условиях ( ), кг/ м³; - приведенный объем воздуха при нормальных условиях (), - средняя удельная теплоемкость газов (), кДж/кг.·град; - температура отходящих газов (), °С; - температура окружающей среды (), °С;

д) На нагрев исходных материалов

где - расход тепла на нагрев каждого загружаемого материала, кДж/час.

Потери тепла в окружающую среду с поверхности электролизера определяют на основании законов теплопередачи конвекцией и излучением.

Результаты расчета сводим в таблицу 10.1.

Таблица 10.1 - Энергетический баланс электролизёра

Приход тепла	кДж/час	%	Расход тепла	кДж/час	%
От электрической энергии	1343304	80,14	На разложение глинозёма	852321	50,85
От сгорания анода	268057	16,0	С выливкой металла	37974	2,27
От догорания анодных газов	27070	1,61	С отходящими газами	19905	1,19
От изменения теплосодержания СО и СО2 в анодных газах	37762	2,25	На нагрев воздуха, засасываемого под шторы	303470	18,1
			На нагрев исходных материалов	76434,4	4,55
			С поверхности электролизёра	386088,6	23,03
ВСЕГО:	1676193	100	ВСЕГО:	1676193	100

11. Расчёт основного оборудования электролизного цеха

11.1 Расчёт количества электролизеров цеха

Для расчета используются следующие данные:

- выход по току - 0,91 %;

- среднее напряжение - 4,6802 В;

- производительность цеха 250000 тонн в год;

- сила тока 90 кА.

Для обеспечения производительности электролизного цеха 200000 тонн алюминия в год необходимо электролизеров:

где - количество рабочих электролизеров цеха, шт;

- годовая производительность цеха т/год;

- годовая производительность электролизера, кг/год;

11.2 Расчёт количества электролизеров серии

Число рабочих электролизеров серии принимается в зависимости от напряжения выпрямительных агрегатов с учетом потерь напряжения в аппаратуре в шинопроводах подстанции и резерва напряжения, необходимого для предупреждения снижения силы тока при возникновении в серии анодных эффектов и при колебаниях напряжения во внешней сети.

Выбираю напряжение выпрямленного тока от подстанции 850 В. т.к. обычно серии с выпрямительными подстанциями на 850 В состоят из 160 - 170 электролизеров, что соответствуют моему расчету.

Потери напряжения в аппаратуре и шинопроводах подстанции составляют около 1 % (т.е. 8,5 В) от номинального напряжения выпрямительных агрегатов. Резерв для компенсации возможных колебаний напряжения во внешней сети принимается равным 5 % (т.е. 42,5 В) от напряжения агрегатов.

Успешно осваиваемая практика работы со сниженным числом анодных эффектов позволяет ограничить резерв напряжения на подстанции для компенсации анодного эффекта в пределах 35 - 40 В.

При этих условиях для серии, питающейся, от подстанции с напряжением выпрямляемого тока 850 В, расчетное напряжение, определяющее число электролизеров серии составит:

где - расчетное напряжение, определяющее число электролизеров серии, В;

- напряжение выпрямленного тока от подстанции (850 В), В;

- потери напряжения в аппаратуре подстанции и внешнем

шинопроводе (8,5 В), В;

- резерв напряжения анодных эффектов (35 В), В;

- резерв автоматического регулирования (42,5 В), В.

При работе в режиме, когда частота анодных эффектов составляет 0,5 сут^-1, а про-должительность - 2 мин, составляющая часть от анодных эффектов равна 0,024 В.

Кроме действующих в серии, всегда имеются электролизеры, находящиеся в капитальном ремонте, так называемые резервные электролизеры. Их число определяется средней продолжительностью работы электролизера между капитальными ремонтами и длительностью самого ремонта.

По опыту БАЗа принимаю продолжительность межремонтной эксплуатации электролизера 5 лет, а длительность самого капитального ремонта 12 суток (включая пусковой после ремонта период). При этих условиях число резервных электролизеров серии составит:

11.3 Количество серий электролизного цеха

где - количество серий электролизного цеха, шт;

- количество рабочих электролизеров цеха, шт;

- число рабочих электролизеров серии, шт.

Принимаю 6 (округлено) серий электролизного цеха при двухрядном продольном размещении электролизеров в корпусе.

При двухрядном размещении электролизеров серия размещается в двух корпусах электролиза. Для удобства размещения серии в корпусе принимаю серию из 168 электролизеров. В каждом корпусе располагается 84 электролизера.

11.4 Годовая производительность электролизного цеха

Фактическая производительность цеха в год составит:

,

где - фактическая производительность цеха, т/год;

- фактически установленных электролизеров цеха, шт;

- количество электролизеров цеха, находящихся в капитальном ремонте, шт.

12. Расчёт вспомогательного оборудования электролизного цеха

12.1 Количество вспомогательного оборудования

Принимаю для выливки металла ковш емкостью 2 тонны.

Выливка металла производится раз в сутки из каждого электролизера. Ежедневно в одном электролизере нарабатывается 660,44 кг алюминия. В один вакуум-ковш выливается металл из трех ванн.

Для обеспечения нормальной выливки на серию достаточно 5-ти ковшей (один из них в резерве). Итого по цеху 25 ковшей.

Емкость открытого ковша составляет 2000 кг. Продолжительность рейса в среднем составляет 15 мин. Тогда количество рейсов составит:

где - количество рейсов, рейсов;

- продолжительность смены, час;

- продолжительность одного часа, мин;

- продолжительность транспортировки, мин.

Завозка глинозёма от силосных башен к электролизёрам осуществляется саморазгружающимися бункерами, ёмкостью 5 тонн. Количество бункеров на одну серию 4 шт. Итого по цеху 20 штук.

Мостовые краны. Основным транспортным средством в электролизном цехе является мостовой кран. В каждом корпусе предусматривается 2 крана грузоподъёмностью 30 т и 10 т. Итого по цеху 20 кранов.

Электрокары. Принимаю один электрокар для транспортировки жидкого металла в литейное отделение, один электрокар для завозки глинозёма по корпусам и один электрокар в резерв. Итого по цеху 3 шт.

Погрузчики. В литейном отделении принимаю четыре электропогрузчика и два в резерв. Итого по цеху 6 шт.

12.2 Выбор системы автоматического регулирования технологическим процессом

Для автоматического регулирования и контроля за ходом технологического процесса предусматривается система автоматического регулирования АСУ ТП «Электра-160» по одной на каждую из пяти серий. Итого по цеху 5 систем.

12.3 Выбор системы автоматического регулирования «Тока серии»

Для обеспечения относительно неизменной, определённой технологическим регламентом величину постоянного тока в цепях серий электролизёров предусматривается автоматизированная система управления (АСУ) «Ток серии» по одной на каждую из пяти серий. Итого по цеху 5 систем.

12.4 Количество вытяжных труб

Принимаю 10 вытяжных труб размером Н = 120 м и D = 6 м из расчета две трубы на серию.

12.5 Количество вентиляторов вытяжной вентиляции

Серия из 168 электролизеров оборудуется четырьмя вытяжными центрами. В каждом центре устанавливается осевой вентилятор производительностью 400 тыс. м/ч. Общая мощность вытяжной вентиляции серии составляет 1,6 млн. м/ч. Итого по цеху 20 вентиляторов.

12.6 Количество вентиляторов приточной вентиляции

Серия из 168 электролизеров оборудуется шестью приточными центрами. В каждом центре устанавливается осевой вентилятор. Итого по цеху 30 вентиляторов.

12.7 Количество силосных башен для хранения глинозема

Потребность цеха глиноземом в сутки составляет:

где - потребность цеха глиноземом в сутки, т/сут.;

- суточная производительность электролизера алюминием, т/сут.;

- количество работающих электролизеров цеха, шт.;

- расход глинозема на производство 1 тонны алюминия, кг/т.

12.8 Оборудование для литейного отделения

Литейное отделение должно переработать данный металл и выдать продукцию: алюминий сырец в чушках и слитках. Принимаю, что литейное отделение будет разливать 30 % металла на мелкогабаритные чушки, 50 % на крупногабаритные чушки и 20% на слитки.

Расчёт количества установок для разливки металла производится по формуле:

где - количество выливаемого металла, т/год;

- производительность установки, т/год;

- количество часов в году, ч/год;

- время простоя оборудования, часов в год.

1) Конвейер для разливки металла на мелкогабаритные чушки.

Производительность конвейера = 4,3 т/час, время простоя = 766 часов в год составит:

.

Принимаю 2 конвейера.

2) Установка для литья крупногабаритных чушек.

Производительность установки = 12 т/час, время простоя = 1225 часов в год составит:

.

Принимаю 1 установку.

3) Установка для литья слитков (миксер-печь).

Производительность установки = 6,3 т/час, время простоя = 1225 часов в год составит:

.

Принимаю 1 установку

13. Специальная часть

13.1 Пути интенсификации процесса электролиза алюминия

Современная экономика алюминиевой промышленности России имеет свои особенности. Степень использования ее производственных ресурсов, и, прежде всего показатели их использования - производительность труда, фондоотдача основных производственных фондов, материалоемкость производства - зависят от технико-организационного уровня производства. А эти показатели напрямую влияют на такой важный аспект, как себестоимость производимого алюминия.

Задача снижения себестоимости алюминия - одна из главных задач совершенствования техники и технологии электролизного производства. Интенсификация процесса электролиза в действующих сериях является важнейшим средством повышения эффективности производства. Максимальные значения силы тока, выхода по току и, соответственно, производительности достигаются в относительно узких диапазонах температуры электролита и межполюсного зазора.

Задачей интенсификации является обеспечение заданного диапазона усредненных по группе электролизеров значений температуры электролита и падения напряжения в МПЗ, расширение пределов повышения анодной плотности тока и производительности электролизеров.

Анодная плотность тока определяется по зависимости:

i_a = (K₁ - K₂*(1-з)*з+K₃*h)/(K₄*(1-K₅*?T)*p*L+K₆, где

- i_a - анодная плотность тока, А/см²

- з - выход по току, ед.;

- ?T - перегрев электролита, ^оС;

- p - удельное сопротивление электролита, Ом*см;

- L - межполюсный зазор (МПЗ), см;

- K_1…6 - эмперические коэффициенты.

Коэффициент К₁ определяет влияние тепловых потерь электролизера на плотность тока в зависимости от степени теплоизоляции, сезонных изменений температуры. Выражение K₂*(1-з)*з учитывает влияние тепла экзотермической реакции вторичного окисления катодного металла AL+CO₂ = Al₂O₃ + CO. Коэффициент К₃ отражает влияние уровня металла на тепловые потери электролизера и, соответственно, анодную плотность тока. Выражение K₄*(1-K₅*?T)*p*L включает в себя коэффициенты и параметры, характеризующие свойства электролита, распределение тока по поверхности анода, условия выделения тепла в МПЗ при подборе состава и перегрева электролита. Коэффициент К₆ учитывает изменение перенапряжения реакции разложения глинозема, входящее в греющее напряжение электролизера, в зависимости от i_а.

Температура электролита должна быть, с одной стороны, достаточно низкой для обеспечения высокого выхода по току и нормальной толщины бортового гарнисажа и достаточно высокой, с другой стороны, чтобы исключить образование на подине коржей, подовых настылей и больших скоплений нерастворившегося глинозема.

Обязательным условием достижения высоких значений силы тока, выхода по току и низкого расхода электроэнергии является работа в оптимальном, узком диапазоне межполюсного зазора, контролируемого по величине падения напряжения в нем.

Для решения описанной выше задачи, предлагаю внедрить интенсивную технологию электролиза (ИТЭ), включающую в себя следующие мероприятия мероприятия:

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

изменения состава электролита электролизеров путем увеличения содержания фторида лития;

создание оптимальной формы рабочего пространства;

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

увеличения угла заглубления токоподводящих штырей относительно горизонта;

использование анодной массы с высокими эксплуатационными характеристиками, выполненной из высококачественного сырья, с целью ь снижения разрушаемости до 36,5-37,5 мг/см²час;

внедрение автоматизированной системы управления технологией производства типа «Электра» и АСУ «Ток серии».

Повышение анодной плотности тока осуществляется путем увеличения перегрева электролита в пределах 10-25 ⁰С за счет снижения температуры ликвидуса электролита. Увеличение перегрева электролита при снижении температуры ликвидуса соответствует значению температуры электролита 955 ± 5 ^оC. При перегреве менее 10 ^оС ухудшается технологическое состояние электролизеров из-за образования на подине настылей и коржей. При перегреве более 25⁰С имеет место снижение выхода по току.

Известно, что снижение температуры ликвидуса электролита возможно введением солевых добавок. Однако практика показывает, что температура процесса заметно уменьшается при введении далеко не каждой солевой добавки. Эффективное снижение температуры электролиза могут вызвать только те солевые добавки, которые наряду с увеличением легкоплавкости расплава способствуют уменьшению количества тепла, выделяющегося в электролите, и улучшают условия его отвода расплавом из-под анода. Поэтому подбор состава электролита с заданными свойствами: повышенным межфазным натяжением, пониженными вязкостью и растворимостью металла - занимает центральное место в предлагаемом комплексе мероприятий.

Благодаря увеличению перегрева, межфазного натяжения, уменьшению вязкости электролита и растворимости металла обеспечивается узкий оптимальный диапазон усредненных значений температуры электролита и расширение пределов повышения анодной плотности тока и суточной производительности электролизера. Это достигается за счет уменьшения электрического сопротивления прианодного газоэлектролитного слоя и, соответственно, эффективного удельного электросопротивления электролита.

Повышение перегрева электролита требует усиления интенсивности отвода тепла из МПЗ для сохранения бортового гарнисажа. Для этого необходимо повышение уровня металла в пределах, ограничиваемых параметрами магнитного поля и глубиной шахты электролизера с учетом минимально возможного уровня электролита.

Поддержание падения напряжения в МПЗ в пределах 3,4 В представляет собой достаточно сложную техническую задачу, если принять во внимание в первую очередь, зависимость обратной э.д.с. от концентрации глинозема, а также другие индивидуальные особенности электролизера (срок службы, качество анода, состояние подины и др.). Эти факторы приводят к разбросу значений выхода по току, дестабилизации МПЗ и, соответственно, падению напряжения в нем, ограничению пределов повышения анодной плотности тока и производительности электролизера, как за счет недобора тока, так и в результате снижения выхода по току.

С целью обеспечения заданных значений падения напряжения в МПЗ и расширения пределов повышения анодной плотности тока падение напряжения в МПЗ поддерживают с учетом выхода по току по зависимости:

U_м.п.з. = U_уст. - U_а.к. -K₂ (1- з)* з, где

U_уст. - установочное напряжение электролизера, В;

U_а.к - напряжение анодного и катодного узлов, В.

Реализация этой зависимости сводится к корректировке установочного напряжения по результатам измерения укрупненного электробаланса.

С целью обеспечения правильного подбора установочного напряжения на каждом электролизёре, а также постоянного выдерживания заданных установок во всех режимах работы электролизёров, а именно:

Автоматическая стабилизация теплового процесса электролиза за счёт поддержания на заданном уровне приведённого напряжения (сопротивления) электролизёра в нормальном технологическом режиме;

Автоматическая стабилизация напряжения при выливке металла;

Автоматическая коррекция установок после анодного эффекта, обработки и переключения анодных штырей;

Прогноз и обнаружение анодных эффектов, измерение их амплитудных и временных параметров;

Измерение значений напряжения и тока серии, напряжений групп электролизёров по бригадам, уровня шумов электролизёров, определение местонахождения нулевого потенциала серии относительно земли;

Автоматическое оповещение обслуживающего персонала о технологических нарушениях по цеховой и компьютерной, громкой связи с помощью селективной системы речевых сообщений, формирование соответствующей световой и звуковой сигнализации в помещениях отдыха электролизников;

Формирование базы данных технологического процесса и системы, вывод накопленной информации в виде оперативных сообщений, видеокарт и печатных документов;

Раннее обнаружение и предупреждение технологических нарушений по анализу шумов и параметров волнения металла в электролизёрах;

Оценка концентрации глинозёма в электролите, -

Применяется автоматизированная система управления технологическим процессом типа «Электра».

АСУТП «Электра» представляет собой двухуровневую специализированную систему автоматизации, предназначенную для контроля и управления процессом электролиза алюминия. Верхний уровень образован универсальными ЭВМ, нижний уровень - специализированными контроллерами управления приводами анода (КУП), объединенными в локальную вычислительную сеть. Связь верхнего и нижнего уровней осуществляется через один прибор - концентратор вычислительной сети (КВС), который проводит сбор информации с контроллеров нижнего уровня по линиям связи ЛВС, её первичную обработку и при необходимости передачу в ЭВМ верхнего уровня.

АСУТП «Электра» предназначена для улучшения технико-экономических показателей процесса, снижения удельных расходов электроэнергии, сырья и материалов, трудозатрат на технологическое обслуживание электролизёров, увеличение выпуска металла, улучшение условий труда. Также, в цехе электролиза алюминия, для обеспечения устойчивости дальнейшей работы по подъёму на корпусах токовой нагрузки, применим автоматизированную систему управления «Ток серии», обеспечивающая относительно неизменную, определённую технологическим регламентом величину постоянного тока в цепях серий электролизёров. Стабильность поддержания тока серии является одним из определяющих факторов оптимального протекания технологического процесса электролиза алюминия, выпуска качественной продукции и экономии электроэнергии. Кроме этого, АСУ «Ток серии» выполняет функции технического учёта активной и реактивной электроэнергии на преобразовательной подстанции. Эта система спроектирована с учётом передовых достижений в области автоматизации и управлении технологическими процессами. Цифровая идеология построения придаёт системе гибкость, универсальность и высокую информативность.

Увеличение заглубления токоподводящих штырей относительно горизонта в пределах 9^о-14^о также способствует увеличению анодной плотности тока. Угол заглубления 14^о обеспечивает постоянный контакт через отверстия из-под штырей электролита в МПЗ с электролитом или воздухом в просторянстве борт-анод. Достаточно жидкотекучий электролит с повышенным перегревом обеспечивает выход анодных газов через эти отверстия, по пути наименьшего гидродинамического сопротивления. Выход анодных газов через отверстия в теле анода уменьшает толщину прианодного газоэлектролитного слоя, площадь газовых пузырей CO₂, благодаря чему снижается электросопротивление и падение напряжения в газовом слое, скорость реакции вторичного окисления алюминия. Улучшаются условия отвода тепла из центральных зон межполюсного зазора, что уменьшает разницу температур в центре и в пространстве борт-анод, и способствует снижению средней температуры электролита.

Так же важное значение играет качество анодной массы, из которой будет формироваться анод с высокими эксплуатационными характеристиками: малым электросопротивлением, низкой пористостью, высокой механической прочностью, малой разрушаемостью. Особенно важно в общей разрушаемости получить низкую осыпаемость для того, чтобы электролиз велся без снятия пены.

Особенно важное значение придается снижению частоты анодных эффектов до 0,3 и ниже. Причинами недопущения анодных эффектов является бесполезное расходование электроэнергии, перегрев электролизера, воздействие механического напряжения на футеровку при её расширении и сжатии, расплавление бортовой настыли, что приводит к изменению состава электролита и формы рабочего пространства, а также увеличение расхода анода. Промышленные испытания предлагаемого способа интенсификации проводились в электролизном цехе Богословского алюминиевого завода. Отработка интенсифицированного режима проводилась поэтапно с подбором параметров электролита (содержание добавок, перегрев), повышением уровня металла, внедрением комплекса мероприятий по совершенствованию управления процессом и технологии анода, эффективность которых определялась по изменениям величин выхода по току, рабочего и среднего напряжения, температуры электролита, состояния бортового гарнисажа, технико-экономических показателей. В таблице 1 приведены основные технологические параметры и технико-экономические показатели электролизного цеха в период освоения интенсивной технологии.

Для выявления закономерностей интенсифицированного режима были рассчитаны физико-химические свойства электролита, сняты электрические и тепловые балансы однотипных электролизеров в начальный и завершающий периоды интенсификации (Таблица 2).

Интенсификация происходила практически при постоянной средней температуре электролита, увеличении перегрева электролита за счет снижения температуры ликвидуса при увеличении содержания в электролите добавок AlF₃, CaF₃, MgF₂, LiF.

Падение напряжения в анодном и катодном узлах снизилось, несмотря на повышение силы тока, при этом электролизеры были «разжаты» - среднее значение падения напряжения в МПЗ увеличилось на 142 мВ. Расчетное повышение падения напряжения в МПЗ в результате составляет, мВ:

Оптимизация условий удаления анодных газов с использованием жидкотекучего электролита с пониженной температурой ликвидуса, увеличенным перегревом позволила интенсифицировать процесс со следующими новыми признаками:

- постоянство температуры электролита;

- повышение выхода по току одновременно с ростом анодной плотности тока;

- многократное расширение пределов повышения производительности электролизеров.

По состоянию на момент окончания проведения испытаний были достигнуты следующие результаты:

- повышение силы тока и анодной плотности тока на 9,2%;

- повышение выхода по току на 3,73%;

- увеличение производительности на 12%.

Анализ работы цеха электролиза алюминия показывает, что при осуществлении комплекса мероприятий по совершенствованию технологического режима в сочетании с применением новых конструктивных решений и автоматизации процессов, возможно значительное увеличение производительности электролизеров и выявлены значительные резервы по снижению себестоимости алюминия.

Таким образом, выбранное направление ведения интенсивной технологии электролиза представляется как один из наиболее дешевых путей развития производства алюминия в настоящее время.

14. Автоматизации электролизного производства

14.1 Автоматизация технологического процесса электролиза алюминия

Основные технологические функции по ведению процесса электролиза алюминия сводятся в основном к питанию электролизера стабильным электрическим током постоянной величины. Сырьем (глиноземом, электродной массой и фтористыми солями). Периодическому извлечению алюминия из ванны и регулированию расстояния между подошвой анода и поверхностью металла. Большинство из этих задач поддаются автоматическому управлению за счет реализации сложных алгоритмов управления.

Oт выбранных электрических параметров электролизера, зависит его технико-экономические показатели работы. Кроме того, правильно выбранная величина тока серии и его стабильность существенно влияет на расходные коэффициенты по сырью и электроэнергии на тонну производимого алюминия.

Одним из основных параметров влияющих на максимальную производительность серии является величина тока серии и его стабильность. Учитывая, что серия электролиза представляет из себя серию электролизеров включенных последовательно в общую электрическую цепь, питающуюся от преобразовательной подстанции, величина тока серии определяется величиной выпрямленного напряжения подстанции и суммарным сопротивлением всех электролизеров серии. Величина сопротивления электролизера зависит от многих факторов, но в основном от межполюсного расстояния, которое стабилизируется с помощью АСУТП «ЭЛЕКТРА». [30]

Главная задача АСУТП - предназначена для улучшения технико-экономических показателей технологического процесса: снижения удельных расходов электроэнергии, сырья и материалов, трудозатрат на технологическое обслуживание электролизеров, увеличение выпуска металла, улучшения условий труда.

АСУТП электролиза алюминия "ЭЛЕКТРА" имеет трехуровневую иерархическую структуру, образованную универсальными ЭВМ - верхний уровень, и специализированными контроллерами - нижний уровень, объединенными в локальную вычислительную сеть (ЛВС) и контроллер вычислительной сети (КВС).

14.2 Состав АСУТП «ЭЛЕКТРА»

Связь верхнего уровня с нижним осуществляется через один прибор - концентратор вычислительной сети (КВС), который производит сбор информации с контроллеров нижнею уровня по линиям связи ЛВС. ее первичную обработку и передачу в сервер базы данных. Концентратор вычислительной сети установлен в помещении центрального поста управления. Концентратор вычислительной сети реализован на базе промышленного компьютера. Локальная вычислительная сеть организована на базе стандартного интерфейса RS-485. В качестве приемо-передающего устройства использован приемопередатчик МАХ 1480 с гальваническим разделением 1500В.

14.2.1 Верхний уровень.

На ЭВМ верхнего уровня решаются задачи управления системой, организован учет технико-экономических показателей работы электролизеров, формирование и представление оператору системы и технологическому персоналу документов, содержащих оперативную и учетную информацию о работе электролизеров и серии в целом, а также о функционировании системы управления. Верхний уровень образуют одна ЭВМ - пульт оператора и произвольное число ЭВМ - пультов технолога и АРМов технологического персонала.

На нижнем уровне управления реализуются все операции по автоматическому сбору и обработке первичной информации, формированию и заданию управляющих воздействий, подготовке информации для передачи на верхний уровень.

14.2.2 Нижний уровень

Нижний уровень образуют специализированные контроллеры, в состав которых входят:

· контроллер группы (КГ)

· контроллер управления приводом (КУП)

· контроллер преобразования тока (КПТ)

· контроллер преобразования напряжения (КПН)

· контроллер отображения и сигнализации (КОС)

· контроллер вычислительной сети (КВС)

· контроллер групповых выключателей (КГВ).

Контроллер группы коммуникационный обеспечивает обмен информацией между концентратором вычислительной сети и группой контроллеров электролизеров, группа может включать до 30 контроллеров электролизеров. Контроллер устанавливается в помещении электролиза.

Контроллер электролизера или контроллер управления приводом является индивидуальным для каждого электролизера и обеспечивает выполнение основных функций по автоматическому регулированию межполюсного расстояния в различных технологических режимах, автоматическое управление подачей глинозема и фторсолей. Контроллер может устанавливаться как на стенах или колоннах помещения электролиза, так и на электролизере.

Контроллер преобразования тока обеспечивает измерение тока серии как с датчика тока серии (токовый сигнал), так и напряжения с измерительного шунта, и передачу измеренной величины в цифровом виде по ЛВС контроллерам группы, а те, в свою очередь, контроллерам электролизеров. Контроллер устанавливается в помещении кремниевой питающей подстанции.

Контроллер отображения и сигнализации обеспечивает звуковую сигнализацию о возникновении анодных эффектов в полусерии (корпусе) и отображение на собственном матричном дисплее номеров электролизеров с анодными эффектами. Контроллер устанавливается в помещениях отдыха или совещаний технологического персонала в корпусе электролиза (один или два контроллера), например, на стене.

Контроллер преобразования напряжения обеспечивает измерение напряжений серии и групп электролизеров по бригадам и передачу измеренных значений по линиям ЛВС на верхний уровень. Контроллер преобразования напряжения устанавливается в помещении электролиза.

Контроллер групповых выключателей обеспечивает ручное, дистанционное и автоматическое управление групповыми контакторами. Ручное управление осуществляется кнопками, расположенными на панели управления контроллера. Дистанционное - с пульта оператора, автоматическое по команде контроллера электролизера, в котором была обнаружена предаварийная ситуация. Контроллер групповых выключателей устанавливается в помещении центрального поста управления.

14.3 Функции АСУ ТП «ЭЛЕКТРА»

автоматическая стабилизация теплового режима процесса электролиза за счет стабилизации на заданном уровне приведенного напряжения (сопротивления) электролизеров;

автоматическое поддержание концентрации глинозема на электролизерах, оборудованных АПГ.

сопровождение всех технологических операций (обработка, выливка металла, переключение анодных штырей и перетяжка анодной рамы) с автоматической коррекцией приведенного напряжения перед началом и после окончания операции.

прогноз, обнаружение анодных эффектов, измерение и расчет параметров анодного эффекта.

вычисление параметров, необходимых для управления технологическим процессом (среднего приведенного напряжения, производной приведенного напряжения).

измерение уровня шумов, напряжения электролизеров с целью оценки их технологического состояния, прекращения регулирования при заданном уровне шума.

обнаружение и ликвидация магнитодинамической нестабильности.

автоматическое поддержание концентрации глинозема на электролизерах, оборудованных АПГ.

оценка концентрации глинозема для электролизеров, не оборудованных АПГ.

контроль и диагностика технических и технологических нарушений, блокировка выполнения отдельных функций системы с целью предупреждения развития аварийных ситуаций.

одновременное отображение на мониторе пульта оператора в реальном масштабе времени состояния и основных технологических параметров всех электролизеров серии.

автоматическое оповещение обслуживающего персонала о технологических нарушениях по цеховой и компьютерной громкой связи с помощью селективной системы речевых сообщений, формирование соответствующей световой и звуковой сигнализации в служебных помещениях технологического персонала;

обеспечение диалога эксплутационного персонала с АСУТП при помощи системы мнемонической индикации и меню на пультах оператора и технолога, реализация его запросов и команд;



14.4 Возможности АСУ ТП «ЭЛЕКТРА»

В системе заложены следующие возможности:

§ контроль и управление работой произвольного количества электролизеров в пределах серии, содержащей до 240 электролизеров:

§ программно-аппаратная поддержка выполнения технологических операций характерных как для электролизеров с самообжигающимися анодами (переключение анодных штырей), так и обожженными (замена анодов, перетяжка и устранение перекоса анодной рамы):

§ контроль и управление работой электролизеров, оснащенных системой автоматической подачи глинозема (ЛГИ).

§ развитая система нормативно-справочной информации (ПСИ), позволяющая без перепрограммирования оптимизировать технологический процесс для разных типов электролизеров:

§ перепрограммирование контроллеров с верхнего уровня через локальную вычислительную сеть с помощью программатора, встроенного в пульт оператора;

14.4.1 Дополнительные функции

Система обеспечивает выполнение следующих функции:

§ автоматическая стабилизация теплового режима процесса электролиза за счет стабилизации на заданном уровне напряжения (сопротивления) электролизера в нормальном технологическом режиме;

§ автоматическое поддержание концентрации глинозема за счет программно-приборной реализации системы автоматической подачи глинозема:

§ автоматическое сопровождение всех технологических операций (обработка, выливка. переключение анодных штырей для самообжигающихся анодов, замена анода и перетяжка анодной рамы для обожженных анодов):

§ обнаружение анодных эффектов, измерение их амплитудных и временных параметров, автоматическое сопровождение гашения анодного эффекта с помощью системы АПГ;

...