КГБПОУ «Красноярский индустриально – металлургический техникум»

КГБПОУ «Красноярский индустриально – металлургический техникум»

Код специальности 22.02.02

Рабочая тетрадь

МДК.01.02. МЕТАЛЛУРГИЯ ЛЁГКИХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Тема 2.4 Металлургия алюминия

ПреподавательГ.Д. Баранова

Студент

ГруппаМд –

Красноярск

Содержание

Расчёт и проектирование алюминиевого электролизёра. 2

Введение. 2

Материальный баланс электролизера. 2

1 Расчёт производительности электролизера. 2

2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 2

3 Расчёт продуктов электролиза. 3

4 Расчёт потерь сырья. 4

Конструктивный расчет электролизера. 4

1 Расчёт анодного устройства. 4

1.1 Размеры анода. 5

1.2 Расчет токоподводящих штырей. 5

2 Расчёт катодного устройства. 6

2.1 Размеры шахты электролизёра. 6

2.2 Расчёт подины.. 6

2.3 Размеры катодного кожуха. 7

Электрический расчёт электролизера. 8

1 Падение напряжения в анодном устройстве. 8

2 Падение напряжения в подине. 9

3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 9

4 Падение напряжения в электролите. 10

5 Падение напряжения в ошиновке. 10

Тепловой баланс электролизера. 11

1 Приход тепла. 11

2 Расход тепла. 11

Расчет оборудования. 13

1 Расчёт рабочего напряжения КПП.. 13

2 Число установленных электролизёров в серии. 13

3 Число резервных электролизеров. 13

4 Расчёт показателей СКЭ.. 14

Расчёт и проектирование алюминиевого электролизёра

Введение

В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуются глинозём и фтористые соли, а также сгорает угольный анод. При этом образуются расплавленный алюминий и газообразные окислы углерода. На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров С-8БМ с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом задаёмся параметрами для расчета:

- цех состоит из n серий ____

- сила тока серии, I = ______кА

- выход по току, h = ______ %

- анодная плотность тока d_а = _____ А/см²

Норму расхода сырья N, кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:

- глинозем, N_Г =_________ кг

- фтористый алюминий, N_Фа =_________ кг

- фтористый кальций, N_Cа =_________ кг

- анодная масса, N_М =_________ кг

Расчёты ведём на один час работы электролизера.

Материальный баланс электролизера

Расчёт материального баланса электролизёра включает следующие этапы:

1 Расчёт производительности электролизера.

2 Расчёт прихода сырья в электролизёр.

3 Расчёт продуктов электролиза.

4 Расчёт потерь сырья.

Расчёт производительности электролизера

Производительность электролизера Р_А1, кг согласно закону Фарадея составит:

Р_А1 = j * I * τ * h (1)

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

I - сила тока, кА;

τ - время, час;

h - выход по току, доли единицы.

Р_А1 =

Расчёт прихода сырья в электролизёр

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

- глинозема R_Г, кг

R_Г = P_Al * N_Г (2)

R_Г =

- фтористых солей R_Ф, кг

R_Ф = P_Al * (N_Фа+ N_Ca), (3)

R_Ф =

- анодной массы R_М, кг

R_М = P_Al * N_М (4)

R_М =

Расчёт потерь сырья

4.1 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 = P_Al * (Nг – 1,89) (13)

G =

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

Rуг = Rм – (m_cco₂ + m_cco) (14)

Rуг =

4.3 Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.

Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Материальный баланс электролизера на силу тока _______ кА

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем			Алюминий
СО2
СO
Потери сырья, в т.ч.:
глинозем
Фтористые соли			фтористые соли
Анодная масса			анодная масса
Итого		100,00	Итого		100,00

Конструктивный расчет электролизера

Конструктивный расчет электролизера служит для определения основных размеров (габаритов) электролизера и размеров элементов его конструкции. Любой алюминиевый электролизер состоит из следующих основных частей:

- анодное устройство;

- катодное устройство;

- ошиновка:

- система автоматического питания ванн глинозёмом (АПГ).

Расчёт анодного устройства

Анодное устройство электролизера предназначено для подвода электрического тока в зону протекания процесса электролиза. Анодное устройство состоит из несущей рамы с токоподводящей алюминиевой шиной, вертикально установленных штырей, анодного кожуха, угольного тела анода и механизмов перемещения анода и анодного кожуха.

Размеры анода

1.1.1 Конструктивный расчёт начинают с расчёта размеров анода. Зная силу тока и анодную плотность тока легко определить площадь анода Sa, см²

(15)

где I - сила тока, А

d_a - анодная плотность тока, А/см²

Sa = ---------------

1.1.2 Электролизёр С–8БМ имеет анод прямоугольного сечения шириной Ва = 285см. Тогда длина анода Lа, см равна:

(16)

La = ------------------

Расчёт катодного устройства

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

Размеры шахты электролизёра

2.1.1 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 боковой футеровки кожуха, a = 65 см

- от торца анода до торцевой футеровки кожуха, b = 55 см.

Рисунок 1 - Схема анода и шахты электролизёра

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

Lш = Lа + 2b (21)

Lш =

Вш = Ва + 2a (22)

Вш =

2.1.3 Глубину шахты электролизёра принимаем 56,5 см, как в С-8БМ.

Расчёт подины

2.2.1 Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков в перевязку. Принимаем катодные блоки размерами:

- высотой h_б = 40 см,

- шириной b_б = 55 см,

- короткие l _кб = 160 см

- длинные l _дб = 220 см

Для отвода тока от подины в подовые блоки вставлены и залиты чугуном (или заделаны электродной пастой) стальные катодные стержни (блюмсы):

- для блока 160 см длина блюмса 219 см;

- для блока 220 см длина блюмса 279 см.

Катодный блок с заделанным блюмсом называется катодной секцией.

2.2.2 Число рядов секций в подине, N_р определяют исходя из длины шахты:

(23)

где b_б – ширина подового блока (п. 2.2.1);

с – ширина шва между всеми блоками, 4 см.

N_р = ---------------

2.2.3 Всего катодных секций N_с, равно:

N_с = N_р * 2 (24)

N_с =

Рисунок 3 - Схема укладки подовых секций

Подина данного электролизера монтируется из ___ подовых секций с перевязкой центрального шва. Межблочные швы при монтаже подины заделываются холодно набивной подовой массой (ХНПМ).

2.2.4 Ширина периферийных швов от подовых секций до футеровки будет равна:

- в торцах подины, b_т,

b_т = (25)

b_т = ---------------------------------

- по продольным сторонам, b_п:

b_п = (26)

b_п = -------------------------------

Периферийные швы при монтаже подины набиваются ХНПМ.

Размеры катодного кожуха

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

2.3.2 Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5) (27)

где Lш - длина шахты, см;

Пу - толщина угольной плиты, 20 см;

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

Lк =

2.3.3 Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5) (28)

где Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк =

2.3.4 Высота катодного кожуха рассчитывается по высоте футеровки Н_ф, см и глубине шахты Нш, см. Футеровка днища катодного кожуха выполняется снизу вверх:

- теплоизоляционная засыпка 3 – 5 см;

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

- три ряда огнеупорного кирпича 3 6,5 см;

- угольная подушка 3 – 5 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = Н_ф + Нш (29)

Нк =

2.3.5 Применяю катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно ____, по ____ с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище 12 мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.

Падение напряжения в подине

2.1 Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова, U_П, мВ

U_П = , (32)

где l_пр - приведенная длина пути тока по блоку, см (формула 33);

ρ_бл - удельное сопротивление прошивных блоков 3,72*10^-3 Ом*см;

В_щ - половина ширины шахты ванны, см (формула …22..);

В_бл - ширина катодного блока с учетом набивного шва, см (формула 34);

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до футеровки, (рис. 1);

S_cт – площадь сечения блюмса с учетом заделки, см² (формула 35);

d_a - анодная плотность тока, А/см².

2.2 Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению

l_пр = 2,5 + 0,92 * h_бл - 1,1* h_ст (33)

где h_бл - высота катодного блока;

h_ст - высота катодного стержня с учетом заделки, 14,5 см;

В_ст - ширина катодного стержня с учетом заделки, 26 см

l_пр =

2.3 Ширина катодного блока с учетом набивного шва В_бл, см, равна

В_бл = b_б + с (34)

где b_б – ширина подового блока (п. 2.2.1);

с – ширина набивного шва между блоками (из формулы 23).

В_бл =

2.4 Площадь сечения катодного стержня с учетом заливки чугуном равна

S_ст = h_ст * В_ст (35)

S_ст =

2.5 Тогда падение напряжения в подине U_П, мВ составит (по формуле 32)

U_П =

Приход тепла

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

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (39)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт*ч, кДж;

I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ – время, один час.

Q эл =

1.2 Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_СО2 ^* ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (40)

где Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется исходя из формул (10 и 11):

∆Н^Т_СО2 и ∆Н^Т_СО – тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО при 25˚С (298 К):

∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО = 110 616 кДж/кмоль

Р¹_СО2 = (41)

Р¹_СО2 = ----------

Р¹_СО = (42)

Р¹_СО = ---------

Qан =

Расход тепла

2.1 На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_Г * ∆H^T_Г (43)

где R¹_Г - расход глинозёма, кмоль, (формула 44)

∆H^T_Г - 1676000 кДж/кмоль, тепловой эффект образования оксида алюминия при 25˚С (298 К)

R¹_Г = (44)

R¹_Г = ---------------

Q_Г =

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

Тогда потери тепла Q_Al, кДж с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = Р¹_Al * (∆H^T1_Al - ∆H^T2_Al) (45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле (46);

∆H^T1_Al - энтальпия алюминия при температуре 960°С составляет 43982 кДж/кмоль;

∆H^T2_Al - энтальпия алюминия при температуре 25 °С равна 6716 кДж/кмоль.

Р¹_Al = (46)

Р¹_Al = ------------------

Q_Al =

2.3 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 диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_СО * (ΔH^T1_CO - ΔH^T2_CO) + Р¹_СО2 * (∆H^T1_CO2 - ∆H_T2^CO2) (47)

где Р¹_СО и Р¹_СО2 – количество CO и CO₂, кмоль

∆H^T1_CO – энтальпия СО при температуре 550°С, равна 24860 кДж/кмоль

∆H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25°С, равна 8816 кДж/кмоль

ΔH^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550°С, равна 40488 кДж/кмоль

ΔH^T2_CO2 –энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ =

2.4 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, то для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра Q_П, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Qп = (Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ) (48)

Qп =

Результаты расчета представлены в таблице 3

Таблица 3 - Тепловой балансэлектролизера на силу тока_____кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии			На разложение глинозёма
С вылитым металлом
От сгорания угольного анода			С отходящими газами
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра
ИТОГО		100,00	ИТОГО		100,00

Расчет оборудования

Переменный ток напряжением 220 кВ от общей энергосистемы поступает на понизительные подстанции завода, где напряжение понижается до 10 кВ. Далее переменный ток подаётся на кремниево – преобразовательные подстанции (КПП), где преобразуется в постоянный, а напряжение понижается до 850 В.

КПП сооружаются вблизи электролизных корпусов, чтобы избежать больших потерь постоянного тока в ошиновке на участке от подстанции до электролизёра, а также больших затрат на устройство шинопроводов.

Серия электролиза алюминия состоит из двух корпусов и питается постоянным током от одной КПП. Электролизёры в серии соединены в электрическую цепь последовательно. Значит, число рабочих электролизеров в серии определяется суммой средних напряжений электролизеров и напряжением выпрямительных агрегатов. При этом также учитываются:

- потери напряжения U₁ в шинопроводах КПП (принимаем 1 %),

- резерв напряжения U₂ для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %),

- резерв напряжения U₃ для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимаем 30 В).

Расчёт показателей СКЭ

4.1 В соответствии с заданием количество установленных электролизёров в сериях, N_УСТ:

N_УС = Nу * n (53)

N_УС =

4.2 Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * η * 8760 * Nр * 10^-3 (54)

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

I - сила тока, кА;

η - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

Nр - число рабочих электролизёров в серии.

Pс =

4.3 Годовая производительность ____ серий Р, т будет:

Р = Рс * n (55)

Р =

4.4 Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т равен:

W = (56)

W = -----------------

4.5 Выход по энергии ηэ, г/(кВт*ч)

(57)

ηэ = -----------------

Рассчитанные параметры и показатели приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Производственная программа по выпуску алюминия _____ серий

Технико-экономические показатели, ед. изм.	Обозначение/ формула	Цифровое значение
Число установленных электролизёров, шт.	NУСТ
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт.	а =
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дни	t
Длительность планового ремонта, дни	T
Число электролизёров в ремонте, шт.	Nрез
Число рабочих электролизёров, шт.	N р
Сила тока, А	I
Выход по току, %	η
Производительность электролизёра, т/сутки	m
Среднее напряжение, В	Uср
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т	W
Производительность цеха, т/год	Р

КГБПОУ «Красноярский индустриально – металлургический техникум»

Код специальности 22.02.02

Рабочая тетрадь

МДК.01.02. МЕТАЛЛУРГИЯ ЛЁГКИХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Тема 2.4 Металлургия алюминия

ПреподавательГ.Д. Баранова

Студент

ГруппаМд –

Красноярск

Содержание

Расчёт и проектирование алюминиевого электролизёра. 2

Введение. 2

Материальный баланс электролизера. 2

1 Расчёт производительности электролизера. 2

2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 2

3 Расчёт продуктов электролиза. 3

4 Расчёт потерь сырья. 4

Конструктивный расчет электролизера. 4

1 Расчёт анодного устройства. 4

1.1 Размеры анода. 5

1.2 Расчет токоподводящих штырей. 5

2 Расчёт катодного устройства. 6

2.1 Размеры шахты электролизёра. 6

2.2 Расчёт подины.. 6

2.3 Размеры катодного кожуха. 7

Электрический расчёт электролизера. 8

1 Падение напряжения в анодном устройстве. 8

2 Падение напряжения в подине. 9

3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 9

4 Падение напряжения в электролите. 10

5 Падение напряжения в ошиновке. 10

Тепловой баланс электролизера. 11

1 Приход тепла. 11

2 Расход тепла. 11

Расчет оборудования. 13

1 Расчёт рабочего напряжения КПП.. 13

2 Число установленных электролизёров в серии. 13

3 Число резервных электролизеров. 13

4 Расчёт показателей СКЭ.. 14