Материал: Описание конструкции электролизера

Описание конструкции электролизера

Содержание

Введение

. Описательная часть

.1 Описание конструкции электролизера

.1.1 Катодное устройство

.1.2 Анодное устройство

.1.3 Ошиновка электролизера

.1.4 Газоулавливающие устройства

.2 Напряжение, разложение глинозема

.3 Виды товарной продукции

. Расчётная часть

.1 Материальный баланс

.2 Конструктивный расчет

.3 Электрический баланс электролизёра

.4 Тепловой баланс электролизёра

.5 Расчёт цеха

. Организационно экономическая часть

.1 Расчет производственной программы

Список использованной литературы

Введение

Алюминий - легкий, прочный и пластичный металл. Уникальное сочетание его свойств, в числе которых - долговечность, непроницаемость, высокая тепло- и электропроводность, устойчивость к коррозии и возможность стопроцентной переработки - делает его незаменимым компонентом для огромного количества промышленной продукции - от электрической лампочки до реактивного самолета.

Он относится к III группе периодической системы, обозначается символом Al, имеет атомный номер 13 и атомную массу 26,98154. Температура его плавления составляет 660°. Алюминий чрезвычайно распространен в природе: поэтому параметру он занимает четвертое место среди всех элементов и первое - среди металлов (8,8% от массы земной коры), ноне встречается в чистом виде. Его в основном добывают из бокситов, хотя известно несколько сот минералов алюминия (алюмосиликаты, алуниты и т.п.), абсолютное большинство которых не подходит для получения металла.

Это один из самых востребованных металлов, и по темпам роста потребления он давно и с большим отрывом оставил позади сталь, никель, медь и цинк. Главная область его применения - авиа- и автомобилестроение.

Благодаря своей легкости и прочности алюминий делает автомобили и самолеты более безопасными и позволяет сократить расход топлива и объем вредных выбросов, от чего выигрывают не только производители транспорта, но и все население планеты.

Алюминий без преувеличений можно назвать металлом будущего - возможности и темпы развития человечества напрямую зависят от развития алюминиевой отрасли. Интенсивный рост мирового населения предполагает строительство новых дорог и зданий, а также производство транспорта в объеме, достаточном для перевозки ежегодно увеличивающегося количества пассажиров. Все это возможно только с применением алюминия.

Кроме того, алюминий - важный участник глобальной борьбы за экологическую безопасность и предотвращение угрозы глобального потепления. По сравнению с другими металлами его производство значительно более дружелюбно по отношению к окружающей среде, он может бесконечно перерабатываться, не теряя своих уникальных свойств, а с его применением создается энергоэффективный транспорт и экологичное жилье.

Первичный алюминий используется в транспортной, строительной, электротехнической и упаковочной отраслях промышленности. Предприятия РУСАЛа производят первичный алюминий в соответствии с международными стандартами, российскими ГОСТами и различными техническими спецификациями, разработанными по запросам потребителей.

1. Описательная часть

.1 Описание конструкции электролизера

.1.1 Катодное устройство

Наиболее распространенной модификацией является катодные кожухи с днищем, которые применяют на электролизерах всех типов и устанавливают на фундаментах в одноэтажных корпусах, и на специальных ригельных балках в двухэтажных корпусах. Один из возможных вариантов такого катодного устройства представлен.

В результате пропитки футеровки компонентами расплава и воздействия высокой температуры объем футеровки возрастает, благодаря чему возникают значительные усилия, воздействующие на стенку катодного кожуха, что приводит к его деформации, разрешению футеровки и сокращению срока службы электролизера. Для обеспечения надежной и длительной работы ванны катодный кожух выполняют жесткой конструкции, способной противостоять возникающие усилиям. Различают два вида катодных кожухов с днищем и без днища.

Футеровка

Состоит из углеродистой, огнеупорной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную роль, обладающие способностью взаимодействовать с большинством химических элементов и их соединений. От качества футеровки в решающей степени зависит срок службы ванны.

По конструкции углеродной футеровки промышленные электролизеры можно разделить на три группы:

. Монолитные катоды создавались путем набойки шахты пластичной подовой массы. Это самый дешевый тип катодного устройства, но из-за низкого качества подина, выделения большего количества смолистых соединений при обжиге они в настоящее время не находят применения.

. Катоды из обожженных блоков с набивными межблочными швами являются наиболее отработанным и практически единственным типом подины, широко применяемым в алюминиевой промышленности России. Межблочные швы - слабо место подины, и их качество во многом определяет срок службы электролизера.

. Склеенные полумонолитные катоды из обожженных и механически обработанных блоков представляют собой наиболее совершенный (и самый дорогой) тип катода, который обеспечивает длинный срок службы электролизера. Этот тип подины пока не нашел широкого применения из-за высокой стоимости блоков и сложности монтажа.

Гнездо для монтажа блюмса в катодных блоках, изготавливаемых в России, имеет форму ласточкина хвоста. Соединение блока с блюмсом чаще всего осуществляют заливкой жидкого чугуна в пространства между ними. При недостаточном или неравномерном нагреве блока и блюмса перед заливкой чугуна в блоках образуются трещины, приводящие к преждевременному выходу ванн из строя.

Поверхность угольной подины плохо смачивается жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения в ней приходится поддерживать большей столб жидкого металла на подине. Снижением перепада напряжения в подине способствовало бы использование смачиваемых алюминиевых подовых блоков. Поэтому в последние годы расширяется объем исследований материалов на основе тугоплавких соединений, улучшающих свойства угольной футеровки катода, наиболее подходящей из которых являются бориды и карбиды титана и циркония.

Новые материалы для футеровки подины, по мнению исследователей, позволят в 5-10 раз увеличить съем алюминия с единицы площади катода, на 25-30% снизить расход электроэнергии и увеличить срок службы ванны на 3-4 года. Основные сведения о проводимых работах по применению тугоплавких соединений для покрытия поверхности подин.

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 самообжигаюшегося анода служит пек и углеродистая масса. По мере протекания процесса электролиза анод спекается, а затем сгорает. Поэтому его надо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм анодного устройства.

В отечественной алюминиевой промышленности наиболее распространен тип электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Анод находится внутри металлического кожуха, назначение которого - удержать жидкую часть углеродистой массы и придать ей по мере коксования нужную форму. Ток к аноду подводится с помощью сталеалюминевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминевый 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, углеродистой анодной массы и механизмов перемещения анода и анодной рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.

.1.3 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. 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 на месте их возникновения и последующий вывод газов в газоочистную систему. Выбор конструкции устройства для газоулавливания во многом зависит от типа электролизера. Наилучшей конструкцией является укрытие всего электролизера.

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.

.2 Напряжение разложение глинозема

Напряжение разложения глинозема зависит от материала анода. При электролизе с угольными анодами разряжающийся на электроде кислород окисляет углерод до СО2 и СО. Тогда напряжение разложения глинозема равно 0,9В-1,1В. Процесс окисления углерода, сопровождается выделением энергии. Окисление углерода приводит к анодной деполяризации, от которой снижается напряжение разложения глинозема. Однако эти числа действительны только в теории, на практике эти значения равны 1,4В-1,6В. Это происходит вследствие того что окисление угольного анода в реальных условиях протекает значительно сложнее чем это принимается в теоретических расчетах.

Разница между теоретическими затратами напряжения и практическими, обусловлена тем что образование анодных газов затруднено и происходит через образование промежуточных соединений на что и тратиться дополнительная энергия:

С + О₂ = С_хО = СО

С + О₂ = С_хО = СО₂

.3 Виды товарной продукции

Номенклатура товарной продукции из года в год расширяться; основные ее виды - Алюминий в чушках (ГОСТ 11070 - 74), слитки плоские для проката (ГОСТ 9498 - 71), катанка (ГОСТ 13843 - 68), цилиндрические слитки (ГОСТ 19437 - 74), слитки для проволоки (ГОСТ 4004 - 64), алюминиевые шины, рулонная заготовка, силумин и другие виды литейных сплавов. Для повышения эффективности использования алюминия в народном хозяйстве номенклатура товарной продукции электролизных цехов все больше изменяется в сторону непереплавляемых в последующем видов продукции. Для этого стремятся к уменьшению выпуска чушкового металла и к выпуску продукции наиболее прогрессивными методами, совмещающими в одном агрегате непрерывную разливку с последующей прокаткой. При выпуске такой продукции сокращаются энергетические затраты и исключаются потери алюминия неизбежные при повторной переплавке.

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.

Расчет алюминиевого электролизёра с непрерывным самообжигающимся анодом ведем по заданным параметрам:

сила тока I=173 кА

анодная плотность тока d_a = 0,731 А/см2

выход по току h =88.8 %

расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия:

глинозем, N_г= 1,936 кг

фтористый алюминий, N_Фа= 0,0012кг

фтористый кальций, N_Ca = 0,0213 кг

анодная масса, N_M = 0,521 кг

Материальный баланс рассчитываю на 1 час работы электролизера.

Производительность электролизера

Производительность электролизера Р_Al, кг рассчитывается по формуле:

Р_А1 = j _* I _* τ _* h,(2.1)

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

τ - время, час;

h - выход по току, доли единицы.

P _А1 = 0,335 * 173 * 1*0,888 = 51.46 кг

Расчёт прихода сырья в электролизёр

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