Проектирование цеха по производству алюминия

Конструкция алюминиевого электролизера, катодного и анодного устройств. Ошиновка и газоулавливающие устройства. Вакуумная выливка жидкого алюминия из ванны. Расчет материального баланса процесса электролиза, оценка продуктов этой операции. Потери сырья.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 27.09.2017
Размер файла 445,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Алюминий необходим и востребован в современном обществе. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов - авиационная и автомобильная промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая, химическая, металлургическая и пищевая промышленности, строительство, ядерная энергетика и т.д. Поэтому с каждым годом потребности в использовании алюминия возрастают.

На крупных алюминиевых заводах для лучшего управления процессами производства существует несколько цехов электролиза. В составе каждого электролизного цеха имеются здания и сооружения различного назначения. При выборе их компоновки определяющим является расположение корпусов электролиза всегда вдоль направления господствующего в течение года ветра. Это необходимо для создания наилучшей естественной аэрации на территории вокруг зданий электролизного цеха. На производство алюминия затрачивается большое количество электрической энергии, поэтому алюминиевые заводы строят в непосредственной близости к крупным ГЭС.

Электролизеры серии расположены в одном или в нескольких промышленных корпусах. В состав электролизного цеха входят также литейное отделение и различные вспомогательные службы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию серий электролиза.

На заводах, назначение которых - только производство алюминия, применяется бесцеховая структура управления. В этом случае понятия «электролизный цех» и «алюминиевый завод» идентичны. На комплексных алюминиевых заводах, производящих, кроме алюминия, другую продукцию, например глинозем, анодную массу или обожженные аноды, прокат и прессованные изделия, производство алюминия выделено в цех электролиза.

Проектируемый цех состоит из двух серий, т.е четырех корпусов с технологией «Содорберга». В дипломном проекте приведены теоретические основы электролиза, расчёты оборудования, потребности в сырье и материалах, экономический расчёт, а так же требования экологии и охраны труда.

1. Описательная часть

1.1 Описание конструкции электролизера

Алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного и анодного устройств, ошиновки, опорных металлоконструкций с механизмами перемещения анодов и устройств для сбора и отвода газов, выделяющихся при электролизе. Электролизеры классифицируются следующим образом:

· По конструкции катодного кожуха - на кожухи с днищем и без него

· По устройству анода - на электролизеры с самообжигающимися (СОА) и с обожженными (ОА) анодами.

· По подводу тока к аноду - на электролизеры с боковым (БТ) и верхним (ВТ) токоподводом, к которому относятся также электролизеры с ОА.

· По мощности - на электролизеры малой (до 50 кА), средней (от 50 до 100 кА),большой мощности (от 100 до 160 кА) и сверхмощные электролизеры (от 180 кА и более).

1.1.1 Катодное устройство

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено для создания условий, необходимых для протекания процесса электролиза в криолитно-глиноземном расплаве. Поскольку электролиз идет в весьма агрессивной среде при 950--1000°С, катодное устройство должно быть устойчиво к действию расплавленных фтористых солей; обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, чтобы до минимума сократить потери тепла, быть электропроводным в зоне протекания процесса и иметь надежную изоляцию во избежание утечек тока; иметь достаточно жесткую конструкцию, способную выдержать напряжения, возникающие от протекания физико-химических реакций; обеспечивать продолжительную работоспособность между ремонтами и мобильность при замене в целях сокращения простоя электролизера в ремонте

Катодное устройство представляет собой заключенную в металлический кожух шахту либо выложенную угольными блоками, либо набитую углеродистой массой. Между кожухом и угольной футеровкой размещены теплоизоляционные материалы, как правило, шамотный кирпич или шамотная засыпка. Угольная футеровка монтируется на цоколе из теплоизоляционных материалов. Такая футеровка стойка против воздействия криолитового расплава и сравнительно хорошо проводит ток, что особенно важно, так как подина служит катодом электролизера. Во время работы электролизера расплавленный алюминий и электролит проникают в толщу теплоизоляционных материалов, вызывая в них физикохимические превращения, приводящие к возникновению значительных деформирующих напряжений. Для защиты шахты от разрушающего действия этих напряжений служит металлический кожух. Существует два вида катодных кожухов: с металлическим днищем и без него.

Глубина шахты катодного устройства зависит от единичной мощности электролизера, геометрических размеров анодного массива, типа применяемого катодного кожуха и составляет 400--600 мм. Внутренние размеры шахты в плане зависят oт геометрических размеров анодного массива. В промышленных электролизерах расстояние от продольных сторон анода до стенки шахты принимается равным 550--650 мм, а от торцовых сторон 500--600 мм. В некоторых конструкциях электролизеров с предварительно обожженными анодами расстояние между продольной стороной анодного массива и стенкой шахты составляет до 300 мм.

1.1.2 Анодное устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Основным материалом анода служит углеродистый материал. По мере протекания процесса электролиза анод постепенно окисляется, и его необходимо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм анодного устройства.

Как уже говорилось, аноды подразделяются на предварительно обожженные и самообжигающиеся, а самообжигающиеся аноды по способу подвода тока -- на аноды с боковым и верхним токоподводами. Анодные устройства с предварительно обожженными анодами подразделяются на многоанодные и блочного типа. Последний тип не получил в настоящее время массового pacпространения из-за трудности его обслуживания, но представляет большой интерес для дальнейшего совершенствования конструкции электролизеров

В отечественной алюминиевой промышленности наиболее распространен тип электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Анод находится внутри металлического кожуха, назначение которого--удержать жидкую часть угольной массы и придать ей по мере коксования нужную форму.

Ток к аноду подводится с помощью сталеалюминиевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминиевый штырь в отличие от ранее применяемых стальных не только обладает повышенной электропроводностью, но и способствует стабилизации электромагнитного поля электролизера, так как в алюминиевой части не обладает магнитными свойствами.

Штыри при помощи специальных эксцентриковых зажимов крепятся к анодной раме. Назначение рамы--удерживать анод в горизонтальном положении и подводить ток к штырям. Анодную раму, как правило, изготавливают из стальных балок, вдоль которых монтируют токоподводящие алюминиевые шины. В электролизерах наиболее современных конструкций анодная рама полностью выполнена из алюминиевого сплава и, обладая высокой электропроводностью, является несущей конструкцией. В современных электролизерах этого типа на силу тока 150--160 кА масса анода со штырями составляет 70--80 т

Для перемещения анодной рамы с подвешенным к ней анодом в вертикальном направлении служит подъемный механизм. В отличие от механизма, необходимого для периодического вертикального перемещения анодной рамы относительно угольного анода, этот механизм называется основным.

Таким образом, анодное устройство электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом состоит из несущей токоподводящей рамы, вертикально установленных штырей, угольного анодного массива н механизмов перемещения анода и анодной рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.

1.1.3 Ошиновка электролизера

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей -- анодной и катодной. Электролизеры, располагаемые рядами один за другим, соединены токопроводами из алюминиевых шин различного сечения и включены в электрическую цепь последовательно: катодные шины одного электролизера соединены с анодными шинами другого. Группа электролизеров, объединенная в одну цепь, называется серией.

В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям (самообжигающиеся аноды) или штангам (обожженные аноды). Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент--катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины, и катодных шин.

Существует много схем устройства шинопроводов электролизеров. Выбор схемы ошиновки зависит от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. При выборе ошиновки следует руководствоваться следующими данными: оптимальная плотность тока в ошиновке, наименьшее влияние взаимодействия магнитных полей на процесс электролиза и возможность быстрого отключения и подключения в электрическую печь одного электролизера без нарушения работы остальных.

1.1.4 Газоулавливающие устройства

Назначение газоулавливающих устройств как составной части электролизера--сбор выделяющихся в процессе электролиза газов (максимально достижимой концентрации) на месте их возникновения и последующая эвакуация газов в газоочистную систему. Выбор конструкции устройства для газоулавливания во многом зависит от типа электролизера. Наилучшей конструкцией является укрытие всего электролизера.

Электролизеры с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом оборудованы набивными шторными укрытиями, полностью закрывающими рабочее пространство электролизера. Эти укрытия открывают только на время, необходимое для обслуживания анодного узла или подачи очередной порции глинозема. Основным недостатком такой системы является большое разбавление улавливаемых газов из-за трудности герметизации.

Для электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом практически невозможно применение устройств для газоулавливания, предусматривающих полное укрытие электролизера, так как их очень трудно обслуживать, а полную герметизацию осуществить практически невозможно. Для электролизеров данного типа широкое распространение получила так называемая колокольная конструкция газоулавливания. Основным преимуществом этой конструкции является улавливание концентрированных газов и возможность дожигания летучих составляющих, образующихся при коксовании анода, а также дожигания СО до CO2 в специальных устройствах -- горелках.

“Колокольное” устройство представляет собой набранную из отдельных секций конструкцию, опоясывающую по периметру анод на уровне нижнего края анодного кожуха. Недостатком такой системы является неполное улавливание (до 70%) отходящих от электролизера газов.

Наиболее просто решается проблема улавливания и эвакуации ' газов на электролизерах с предварительно обожженными анодами. В связи с тем что электролизеры этого типа имеют относительно небольшую высоту, легко создать конструкцию, полностью укрывающую рабочую зону и исключающую подсосы воздуха. Относительно небольшой объем отсасываемых газов позволяет получить их в более концентрированном виде, чем у конструкции электролизеров с самообжигающимися анодами и боковыми токоподводом. Учитывая, что предварительно обожженные аноды не выделяют летучих веществ, сопутствующих процессу коксования самообжигающихся анодов, этот тип электролизера наиболее полно отвечает требованиям охраны труда и окружающей среды.

1.2 Выливка металла

В настоящее время единственным способом извлечения жидкого алюминия из ванны является вакуумная выливка. Применяемый для этой цели ваккум-ковш представляет собой герметичный сосуд в форме усеченного конуса, футерованный изнутри огнеупорным материалом. На грузовой траверсе ковша крепится механизм его поворота. Заборная труда соединена с ковшом шаровой опорой, которая предотвращает до некоторой степени поломку носков при ударах. Разрежение в ковше создается ваккум-линией, с которой ковш соединяют шлангами. На некоторых заводах на вакуум-ковшах устанавливают инжекторно-вихревые насосы, работающие от сети сжатого воздуха. На зарубежных заводах используют вакуум-ковши, транспортируемые тракторами или погрузчиками, что облегчает работу мостовых кранов.

Выливку металла из электролизёров БТ и ВТ производят, как правило, один раз в двое суток, а на мощных электролизёрах ОА (255кА)-ежедневно. Емкость вакуум-ковшей составляет 3-5 т, что позволяет проводить выливку металла из двух ванн в один ковш.

Перед выливкой проверяют состояние ванны, замеряют уровни металла и электролита, величину осадка. За 5-10 мин до выливки в установленном месте для вода вакуум-носка пробивают корку электролита, но не топят ее, а извлекают наверх, снимают пену, очищают подину от осадка и подгребают его к борту.

Выливщик вводит вакуум-носок в летку, подключает ковш к вакуум-линии и через смотровое стекло следит за заполнением ковша металлом. Электролизник в это время опускает анод, сообразуясь со скоростью выливки и не допуская превышения напряжения на ванне более чем на 0,1-0,2 В выше нормального. После выливки заданного количества металла отсоединяют шланг от ковша, извлекают носок из летки и вакуум-ковш транспортируют на средний проход, где жидкий металл переливают в разливочный ковш.

Такая технология выливки и транспортировки металла в литейное отделение не совершенна и имеет следующие основные недостатки:

· при переливке жидкого металла из вакуум-ковша в разливочный угар металла достигает 1 кг/т алюминия;

· конструкция вакуум-ковша не позволяет механизировать операции по его чистке;

· высота транспортных ковшей зачастую превышает высоту приемных карманов миксеров, что увеличивает длину открытой струи металла и повышает его угар;

· наличие вакуумных и разливочных ковшей увеличивает парк оборудования и затраты на его эксплуатацию и пр.

Для устранения указанных недостатков сотрудниками ИркАЗ совместно с СибВАМИ разработан вакуум-ковш со съемной крышкой, который совмещает функции вакуумного и транспортного ковшей. Длительные испытания показали высокую работоспособность таких ковшей, поэтому они нашли применение на некоторых заводах России.

2. Расчётная часть

Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.

При применении самообжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.

2.1 Материальный баланс

В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные окислы углерода.

На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров ОА задаёмся параметрами для расчета электролизера:

- сила тока I=175000 кА

- анодная плотность тока dа =0,731 А/см2

- выход по току =88,7 %

Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:

- глинозем, NГ=1930 кг

- фтористый алюминий, NФа=20,5 кг

- фтористый кальций, N=1,5 кг

- анодная масса, NМ =530 кг

Для упрощения расчетов материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.

Производительность электролизера

Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:

РА1 = j * I * ф * ,(1)

где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);

I - сила тока, кА;

ф - время, час;

- выход по току, доли единицы.

P А1 = 0,335 *175000 *0,887 *103 =52 кг

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:

глинозема RГ, кг

RГ = PAl * NГ (2)

RГ =52 *1,930=100,36 кг

фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг

RФ = PAl * (NФа+ NCa)(3)

RФ =52* (0,0205 + 0,0015) = 1,14 кг

анодной массы Rм, кг

Rм = PAl * Nоа(4)

Rм = 52 *0,53 = 27,56 кг

Расчёт продуктов электролиза

Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.

При получении PAl алюминия выделится кислорода m0, кг:

(5)

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

кг

Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:

(6)

кг

в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:

(7)

Где 60 и 40 - процентное содержание двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.

кг

Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:

(8)

кг

Количество углерода связанного в оксид углерода, mcco, кг:

(9)

кг

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

Pco2 = m0co2 + mcco2 (10)

Pco2 = 34,7 + 13,01 =47,71 кг

Pco = m0co + mcco (11)

Pco = 11,5 + 8,5= 20,2 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco2 + Pco (12)

Ргаз = 47,71 + 20,2 = 67,91 кг

Расчёт потерь сырья

Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:

G = PAl * (Nг - 1,89)(13)

G = 52* (1,930 - 1,89 ) = 2,16 кг

Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = Rм - (mcco2 + mcco)(14)

Rуг = 27,56 - ( 13,01 + 8,7) = 5,85 кг

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.

Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Материальный баланс на силу тока 175000 кА

Приход

кг

%

Расход

кг

%

Глинозем

100,36

77,77

Алюминий

52

40,3

СО2

47,71

36,97

СО

20,2

15,65

Анодная масса

1,14

0,88

Потери:

Глинозем

2,16

1,67

Фтористые соли

1,14

0,88

Фтористые соли

27,56

21,35

Анодная масса

5,85

4,53

ИТОГО:

129,06

100

ИТОГО:

129,06

100

Конструктивный расчет

В задачу конструктивного расчета входит определение основных габаритных размеров электролизера и размеров элементов его конструкции.

Алюминиевый электролизер состоит из трех основных частей:

· анодное устройство

· катодное устройство

· ошиновка

Анодное устройство электролизера

Размеры анода:

Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:

,(15)

где I - сила тока, А;

da- анодная плотность тока, А/см2

см2

Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С8БМ, принимается 285 см.

Тогда длина анода La, см будет:

(16)

см

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

Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:

- общая длина - 2700

- длина стальной части -1950

- длина алюминиевой штанги - 1040

- максимальный диаметр - 138

- минимальный диаметр - 100

Площадь сечения всех штырей SО., мм2 определяются:

(17)

мм2

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

(18)

мм

Площадь сечения одного штыря Sш, мм2:

(19)

мм2

где DШ - средний диаметр штыря, мм

Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:

(20)

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаем их количество кратным 4, то есть 80 штук.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного цоколя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.

Размеры шахты электролизёра

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние

- от продольной стороны анода до футеровки, а = 65 см

- от торца анода до футеровки, в = 55 см.

Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты будут:

Lш =Lа + 2*в;(21)

Lш = 840+ 2 * 55 = 950 см

Вш = Ва + 2*а(22)

Вш = 285+ 2 * 65 =415 см

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков вперевязку.

Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой hб = 40 см , шириной bб = 50 см, и длиной l б от 110 до 400 см. При ширине шахты 415 см применяют катодные блоки:

- короткие l кб = 160 см

- длинные l дб = 220 см

Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:

(23)

где bб - ширина подового блока;

с - ширина шва между блоками, 4 см.

Рисунок 2 Подина электролизера

Число катодных блоков Nб, равно:

Nб = Nс * 2 (24)

Nб = 18 * 2 =36

Подина данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 17 штук в два ряда с перевязкой центрального шва.

Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой.

Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):

- для блока 160 см длина блюмса 219 см;

- для блока 220 см длина блюмса 279 см.

Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:

в торцах подины, bт,

bт = (25)

bт =

- по продольным сторонам, bп:

(26)

Размеры катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5),(27)

где: Lш - длина шахты, см;

Пу - толщина угольной плиты,;

3,5 - толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

=950 + 2 (20 + 3,5) = 997 см

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5),(28)

где: Вщ - ширина шахты, см;

3,5 - толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк =415 + 2 (20+5) = 465 см

Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):

- теплоизоляционная засыпка 3 см;

- два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;

- три ряда шамотного кирпича 3 6,5 см;

- угольная подушка 3 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 3 + 5* 6,5 + 3 + Нш + hб (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

hб - высота подового блока, см.

Нк =3 + 5 * 6,5 + 3 +56,5 +40 = 155,5 см

Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище - 12мм.

Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.

Электрический баланс электролизёра

Электрический расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.

Среднее напряжение UСР. В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно:

Uср = Ер + ?Uа + ?Uп + ?Uаэ + ?Uэл + ? Uо + ?Uоо,(30)

где ЕР - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;

?UА - падение напряжения в анодном устройстве, В;

?UП - падение напряжения в подине, В;

?UАЭ - доля увеличения напряжения при анодных эффектах, В;

?UЭЛ - падение напряжения в электролите, В;

?UО - падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;

?UОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Падение напряжения в анодном устройстве

Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым, тогда ?UА, мВ равно:

,(31)

где Sa - площадь анода, 239398 см2;

К - количество токоподводящих штырей (формула 22); 80 шт

Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих

штырей, принимаем 25-40 см.

da - анодная плотность тока, 0,731 А/см2;

са - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.

Падение напряжения в подине

Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова, ?UП, мВ:

(32)

где lпр - приведенная длина пути тока (формула 33), 28,43см;

сбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;

Вш - половина ширины шахты ванны (формула 22), 415 см;

Вбл - ширина катодного блока (формула 34), 54 см;

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 63,5 см;

S - площадь сечения блюмса (формула 35), 377 см2;

da - анодная плотность тока, 0,731 А/см2.

Приведенную длину пути тока по блоку lпр, см определяем по уравнению:

(33)

где hбл - высота катодного блока;

hст - высота катодного стержня, 14,5 см;

Вст - ширина катодного стержня, 26 см

см

Ширина катодного блока с учетом набивного шва Вбл,см равна:

Вбл = bб + с,(34)

где bб - ширина подового блока;

с - ширина набивного шва между блоками.

Вбл =50 + 4 = 54

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

Sст = hст * Вст (35)

Sст = 14,5 * 26 = 377 см2

Тогда падение напряжения в подине ?UП, В составит (формула 32):

Uп = 323 мВ =0,323 В

Доля увеличения напряжения от анодных эффектов

Величину падения напряжения от анодных эффектов ?UАЭ, В определяем по формуле:

(36)

где UАЭ - напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;

n - длительность анодного эффекта, принимаем 0,8 мин;

k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,5;

1440 - число минут в сутках.

В

Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите, Uэл, В определяется по формуле Форсблома и Машовца:

(37)

где I - сила тока, А;

р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом * см;

l - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;

Sа - площадь анода, см2 (формула );

2 (La + Вa) - периметр анода, см.

В

Падение напряжения в ошиновке электролизёра

Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ?UО = 0,3 В

Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ?UОО = 0,016 В

Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 175000 кА

Наименование

участков

Ucp

Up

Uгр

Ер

1,5

1,5

1,5

UА

0,523

0,523

0,523

UП

0,323

0,323

0,323

UЭЛ

1,982

1,982

1,982

UАЭ

0,012

--

0,012

UО

0,3

0,3

0,3

UОО

0,016

--

--

Итого:

4,656

4,628

4,640

Тепловой баланс электролизёра

Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх

Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы.

Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25С.

В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Qэл + Qан = QГ + Q Al + Qгаз + Qп,(38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;

QГ - расход тепла на разложение глинозёма;

Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;

Qп - потери тепла в окружающее пространство.

Расчет приход тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * Uгр (39)

где 3600 - тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;

I - сила тока, кА;

Uгр - греющее напряжение, В (из таблицы 2);

ф - время, часы.

Q эл = 3600 * 175 * 4,64 = 2923200 кДж

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р1СО2 * ?HTCO2 + Р1СО * HTCO (40)

где Р1СО2 и Р1СО - число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

ТСО2 и ?НТСО - тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО из углерода и кислорода при 25 ?С (298 К):

?H298СО2 = 394 070 кДж/кмоль

?H298СО = 110 616 кДж/кмоль

(41)

кмоль

(42)

кмоль

Qан =1,0843*394070 +0,721*110616 =507044,237 кДж

Расход тепла

На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:

QГ = R1Г * ?HTГ,(43)

где R1Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 44

?HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ?С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

(44)

кмоль

кДж

Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.

При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ?HT1Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ?HT2Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:

QAl = Р1Al * (?HT1Al - ?HT2Al) (45)

где Р1Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

(46)

кмоль

кД

Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов - оксид и диокид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:

Qгаз = Р1СО * ( HT1CO - HT2CO) + Р1СО2 * (HT1CO2 - HT2CO2), (47)

где Р1СО и Р1СО2 - количество CO и CO2, кмоль

HT1CO - энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль

HT2CO - энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

HT1CO2 - энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

HT2CO2 - энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Qгаз =0,721 кДж

Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Qп = (Q эл + Qан) - (QГ + QAl + Qгаз) (48)

кДж

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 175000 кА

Приход тепла

кДж

%

Расход тепла

кДж

%

От прохождения электроэнергии

2923200

85,22

На разложение глинозёма

1646184

48,07

С вылитым металлом

71960,646

2,1

От сгорания угольного анода

507044,237

14,78

С отходящими газами

37636,47

1,1

Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра

1671463,12

48,73

ИТОГО

3430244,24

100

ИТОГО

3430244,24

100

Расчёт цеха

В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии. Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра. КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 2% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д. Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:

U = 850 - (U1 + U2 + U3) (49)

U = В

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

, (50)

где:U - напряжение серии U, В

UСР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);

UАЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

Число установленных электролизёров в серии 172

Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров NУ должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

Количество резервных ванн NР рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:

, (51)

где:N - число рабочих электролизёров в серии;

t - длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 - 8 дней;

Т - срок службы электролизёра, 4 года;

365 - дней в году.

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию. При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 172 электролизера, т.е. размещается в двух корпусах по 86 электролизеров в каждом. Один из этих электролизеров резервный, тогда рабочих электролизеров будет 171. По расчетам рабочих электролизеров может быть 173, из этого следует, что остается запас напряжения.

Тогда в серии будет установленных электролизеров NУ, шт.:

NУ = N+ NР,(52)

где N - число рабочих электролизеров;

NР - число резервных электролизеров.

NУ = 171 + 1 = 172

В 3 сериях будет 6 корпусов, в них установлено электролизёров, NУСТ:

NУСТ = NУ * n(53)

NУСТ = 172 * 3 = 516

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * з * 8760 * N * 10-3 (54)

где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);

I - сила тока, кА;

з - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

N - число работающих ванн в серии.

РС = 0,335 * 175 * 0,887 * 8760 * 171 * 10-3 = 77894,48 т

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс * n (55)

Рц = 77894,48 * 3 = 233683,44 т

Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:

(56)

кВт/ч

Выход по энергии

(57)

г/кВт*ч

3. Экономическая часть

3.1Расчет производственной программы

План производства алюминия-сырца в электролизном цехе алюминиевого завода представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - План производства алюминия-сырца в электролизном цехе алюминиевого завода

Показатели

Формула /обозначение

Цифровые

значения

Число установленных ванн, шт.

А

516

Число ванн, подлежащих кап. ремонту, шт.

а=

129

Длительность простоя одной ванны на кап. ремонте, дни

д

8

Длительность планового периода, дни

Т

365

Среднее число ванн в ремонте, шт.

3

Среднее число действующих ванн, шт.

N=A - NP

513

Сила тока, А

I

175000

Выход по току, %

Ю

88,7

Выход на ванну в сутки, т/сутки

1,2

Количество алюминия сырца, тонн

М=N*m*T

224694

3.2 Расчет численности рабочих

Явочная численность рабочих в одну смену определяется:

(4.1)

где Нч - норматив численности, чел/ед.обор.;

А - количество установленных ванн, шт.

Явочная численность в одни сутки определяется как произведение явочной численности в одну смену на количество смен в сутки (С).

Штатная численность определяется с учетом выходных смен:

Чшт = Чяв*(С+С/)(4.2)

где С/ - количество смен на выходном.

Примечание: если работник работает в одну смену, то явочная численность (в смену и в сутки) равняется штатной численности.

Таблица 4.2 - Баланс рабочего времени

Показатели

Непрерывное производство

Прерывное производство

основное

вспомогательное

Календарный фонд рабочего времени, Ткал, дни

365

365

365

Число выходных и праздничных дней, дни

134

134

106

Номинальный фонд рабочего времени, Тн, дни

231

231

259

Невыходы по причинам:

дни

56

42

37

основные и дополнительные отпуска

48

36

31

болезни

5

4

3

гос. обязанности

2

1

1

отпуск учащимся

1

1

1

отпуск с родами

-

-

1

Эффективный фонд рабочего времени, Тэф, дни/ часы

175/1400

189/1512

222/1776

Коэффициент списочного состава (Ксс), Тн/Тэф

1,32

1,22

1,17

ЧспштСС ,(4.3)

где КСС - коэффициент списочного состава.

Исходными данными для расчета численности являются:

производственная программа;

программные нормы выработки и нормы времени;

нормативы численности;

плановые задания по росту производительности труда;

график сменности.

Для расчета численности рабочих необходимо соблюдать следующие условия:

количество оборудования должно соответствовать количеству установленных ванн согласно производственной программе;

так как процесс производства алюминия непрерывный, то на предприятии для основного и вспомогательного производства установлен пяти сменный график,

в сутки работают три смены две остальные выходные, принимается восьмичасовая смена работы;

дежурные вспомогательные рабочие также работают в смены по восемь часов. Остальные работники работают в одну смену;

коэффициент списочного состава берется из таблицы 4.2

заданные нормативы численности показывают количество работников, необходимых для обслуживания одной единицы оборудования (0,138 работника на 1 электролизер);

численность водителей тракторов зависит от количества получаемого металла в смену и определяется следующим образом:

, т/смена(4.4)

где М - количество алюминия-сырца (таблице 4.1);

Т - длительность планового периода (таблице 4.2);

С- количество смен в сутках;

численность вспомогательных рабочих ППР, ПТО определяется в зависимости от количества получаемого алюминия в сутки по формуле:

, т/сутки(4.5)

Расчет численности рабочих представлен в таблице 4.3

Таблица 4.3 - Расчет численности рабочих

Профессия

А

НЧ

С+С/

ЧЯВ

Чшт

КСС

Чсп

в смене

в сутки

Основные рабочие

1.Электролизник

516

0,138

5

71

213

356

1,32

470

А) Бригадир

-

1

6

Б) помощник бригадира

-

1

18

В) технолог-электролизник

-

1

12

Г) старший звеньевой

-

5

30

Д) выливщик-заливщик

-

1

10

Итого электролизников (1-А,Б,В,Г,Д), из них:

394

4 разряда 9%

-

5

36

Продолжение таблицы 4.3

Профессия

А

Нч

С+С/

Чяв

Чшт

КСС

Чсп

в смене

в сутки

5 разряда 17%

-

5

67

6 разряда 69%

-

5

272

Выливщик-заливщик 5%

-

5

20

2.Анодчик

516

0,05

5

26

78

129

1,32

170

А) бригадир анодчиков

-

1

6

Б) технолог-анодчик*

-

1

6

В) анодчик-рамщик

-

1

12

Итого анодчиков (2-А,Б,В), из них:

146

4 разряда 19%

28

5 разряда 32%

47

6 разряда 49%

72

Итого основных рабочих

642

Вспомогательные рабочие

Машинист крана

516

0,011

5

6

18

28

1,22

34

Водитель трактора

205

0,021

5

4

12

22

1,22

27

Дежурный электрик

516

0,005

5

3

9

13

1,22

16

Машинист МНР-2

516

0,01

5

5

15

26

1,22

32

Механизаторы:

Водитель МЗАМ

516

0,02

5

10

30

52

1,22

63

Водитель МППА

516

0,017

5

9

27

44

1,22

54

Водитель МПТ

516

0,02

1

10

10

10

1,22

12

Водитель ПУМ

516

0,018

5

9

27

46

1,22

56

Водитель МПК-5

516

0,022

1

11

11

11

1,22

13

Водитель МЗФ

516

0,022

1

11

11

11

1,22

13

Водитель МУНО

516

0,022

1

11

11

11

1,22

13

Водитель погрузчика

516

0,031

1

16

16

16

1,22

20

Итого вспомогательных рабочих и механизаторов

244

Обслуживающий и ремонтный персонал

Ремонт основного оборудования

516

0,042

1

22

22

22

1,17

26

Слесарь электрик

516

0,03

1

16

16

16

1,17

19

<...

Подобные документы

  • Ошиновка, электрический и тепловой баланс электролизера. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. Конструкция углеродной футеровки. Значение катодного, анодного и газоулавливающего устройств. Напряжение, разложение глинозема.

    курсовая работа [106,9 K], добавлен 13.09.2015

  • Электролиз алюминия. Определение размеров анода. Размеры конструктивных элементов сборноблочного катодного устройства. Материальный, электрический и энергетический расчет электролизера, его производительность и расход сырья на производство алюминия.

    дипломная работа [145,5 K], добавлен 22.01.2009

  • Основы процесса электролиза. Проектирование современного электролизера, работающего по технологии обожженного анода, из класса мощных ванн на 200 кА. Конструктивный расчет и электрический баланс электролизера. Падение напряжения в катодном устройстве.

    курсовая работа [1008,8 K], добавлен 30.05.2013

  • Определение района строительства цеха электролиза алюминия, обоснование его типа, мощности; характеристика корпуса; конструктивный, технологический, электрический расчёты. Механизация и автоматизация производственных процессов; экономические расчеты.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 24.07.2012

  • Металлофизическое описание алюминиевого сплава и расчет цеха по производству алюминиевого профиля для строительных нужд. Температурный интервал прессования и технические требования к профилю. Расчет производительности пресса и правила приемки изделия.

    курсовая работа [226,2 K], добавлен 25.01.2013

  • Экономия ресурсов, снижение вредного воздействия на экологию и утилизация отходов потребления как основная цель получения алюминия из вторичного сырья. Потенциальные источники вторичного алюминия в России, инновационные способы его производства.

    курсовая работа [560,7 K], добавлен 29.09.2011

  • Достоинства алюминия и его сплавов. Малый удельный вес как основное свойство алюминия. Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы для ковки и штамповки. Литейные алюминиевые сплавы. Получение алюминия. Физико-химические основы процесса Байера.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 05.03.2015

  • Экспериментальное изучение реакции азотирования алюминия для получения нитрида алюминия. Свойства, структура и применение нитрида алюминия. Установка для исследования реакции азотирования алюминия. Результаты синтеза и анализ полученных продуктов.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.02.2015

  • Технологический процесс. Процесс электролиза. Товарные марки алюминия. Чистый алюминий. Рассмотрение технологического процесса с точки зрения автоматизации. Основное оборудование. Анализ состояния и перспективы развития автоматизации на предприятии.

    курсовая работа [181,2 K], добавлен 27.08.2008

  • Расчет производительности электролизера по закону Фарадея. Вычисление количества анодных газов, прихода и потерь сырья. Электрический баланс электролизёра: падение напряжения в анодном устройстве и ошиновке. Атомно-эмиссионный спектральный анализ.

    курсовая работа [99,5 K], добавлен 12.05.2012

  • Общая характеристика и ценные свойства алюминия. Применение алюминия и его сплавов в разных отраслях промышленности. Основные современные способы производства алюминия. Производство глинозема: метод Байера и способ спекания. Рафинирование алюминия.

    реферат [35,0 K], добавлен 31.05.2010

  • Процесс электролиза криолитоглиноземного расплава. Виды сырья для получения алюминия и требования к ним. Свойства и состав промышленного электролита. Влияние факторов и примесей. Корректировка электролита CaF2. Техника безопасности при обслуживании ванн.

    контрольная работа [49,3 K], добавлен 22.01.2009

  • Технология плавки цветных металлов. Техника безопасности при производстве алюминия из вторичного сырья. Альтернативные способы получения алюминия из вторсырья. Использование индукционной тигельной и канальной печей. Применение электродуговых печей.

    курсовая работа [722,3 K], добавлен 30.09.2011

  • Организация переработки твердых фторсодержащих отходов алюминиевого производства; технология получения фтористого алюминия. Конструктивный, материальный и термодинамический расчет барабанной установки; контроль и автоматизация процесса; охрана труда.

    дипломная работа [2,3 M], добавлен 20.09.2013

  • Система менеджмента качества Новокузнецкого алюминиевого завода. Образование газов при электролитическом производстве алюминия. Особенности технологии сухой очистки отходящих газов, типы реакторов, устройства для улавливания фторированного глинозема.

    отчет по практике [523,3 K], добавлен 19.07.2015

  • Запасы и производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России. История развития производства алюминия, основные направления его применения как конструкционного металла. Экологические меры безопасности в производстве алюминия и сплавов.

    курсовая работа [41,3 K], добавлен 23.04.2011

  • Выдвижение гипотез о влиянии примесей на выход алюминия. Оценка зависимости выхода алюминия от содержания азота в каменноугольном пеке. Определение статистической взаимосвязи выхода алюминия и электропроводности анода в алюминиевой промышленности.

    курсовая работа [224,8 K], добавлен 04.10.2013

  • Характеристика алюминия и его сплавов. Технологический процесс производства алюминия и использование "толлинга" в производстве. Состояние алюминиевой промышленности и мировой рынок алюминия в конце 2007 - начале 2008 гг. Применение алюминия и его сплавов.

    контрольная работа [6,2 M], добавлен 14.08.2009

  • Состав, свойства электролита. Строение криолито-глиноземных расплавов. Плотность алюминия электролита. Поверхностное натяжение, давление насыщенного пара. Анодный эффект: положительные и отрицательные действия. Напряжение разложения. Механизм электролиза.

    реферат [58,2 K], добавлен 21.01.2009

  • Технический уровень продукции и сырьевая база предприятия. Суть технологического процесса электролиза алюминия. Устройство электролизёра, его конструктивный расчет, материальный, электрический и энергетический баланс. Анализ вредных и опасных факторов.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 15.01.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.