Расчет электролизера по заданным параметрам

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Волгоградский государственный колледж управления

и новых технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине: Электролитическое получение алюминия

на тему: Расчет электролизера по заданным параметрам

Разработчик (выполнил):

Алехин Иван Геннадьевич

Курс 4 Группа № 100-ЦМ

Специальность: 150102

Металлургия цветных металлов

Руководитель:______________________

Волгоград 2010г.

УТВЕРЖДАЮ

Начальник отдела УВР корпуса А

___________ Л. П. Маринченко

«_____» ______________ 200__г.

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Студенту ___________________________________________________________

(фамилия, имя, отчество)

Специальность _______________________________________________________

(код и наименование специальности)

Группа № ___________ Курс ________

Учебная дисциплина ___________________________________________________

Тема курсового проекта: _______________________________________________

Содержание работы (перечень вопросов, подлежащих разработке, исходные данные для разработки, рекомендуемая литература, перечень графического и/или наглядного материала и т.д.):

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Руководитель курсового проекта ___________________

Срок представления работы (проекта) к защите « ___ » ___________ 200__ г.

Дата получения студентом задания

«____»__________ 200 __ г.

СОДЕРЖАНИЕ

Расчет основного металлургического оборудования (электролизера)

2.1 Материальный расчет ……………………………………………….

2.2 Конструктивный расчет ……………………………………………..

2.3 Расчет ошиновки ………………………………………………………

2.4 Расчет электрического баланса ……………………………………..

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ИСТОЧНИКОВ .............................................................…………………….

, каолинов и других горных пород. Наиболее ценная алюминиевая руда – бокситы, содержание Аl2
O3
в бокситах достигает 50%.

Свободный алюминий впервые был получен датским физиком Эрстедом в 1825 г, но только в 1845г немецкий физик Веллер получил алюминий в количестве, достаточном для определения его свойств, эти свойства дали толчок для разработки промышленного получения алюминия.

В 1886г Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США подали заявку на получение алюминия путем электролитического разложения глинозема, растворенного в криолите.

С 1888г началось промышленное получение алюминия по этому способу, применяемому до настоящего времени.

Алюминиевая промышленность России
До революции в России не было собственной алюминиевой промышленности, но теоретические исследования проводились профессором П.П. Федотьевым. В 1930г в Петербурге был пущен опытный завод, а в1931г создан научно- исследовательский и проектный институт « Гипроалюминий», в последствии « ВАМИ».Строительство алюминиевых заводов осуществлялось на базе мощных гидроэлектростанций, ввод которых был предусмотрен планом ГОЭЛРО, одновременно сооружались мощности по производству глинозема, электродной продукции, и фторидов.

14 мая 1932г выдал первый алюминий Волховский алюминиевый завод (ВАЗ).

В 1933г был пущен Днепровский ( г. Запорожье) на базе Днепрогэса (ДАЗ). В 1939г началось строительство Уральского – УАЗ (Г. Каменск-Уральский алюминиевого завода).

В 1943г ввели в эксплуатацию Новокузнецкий алюминиевый завод (НкАЗ).

9 мая 1945г. выдал первый алюминий Богословский алюминиевый завод (БАЗ), г. Краснотуринск.

В послевоенные годы построены алюминиевые заводы в г. Кандалакша-КАЗ, в 1951г, Канакере-КанАЗ - 1950г, Надвоецы-НАЗ - 1954, Сумгаите – САЗ - 1955г, Волгоград-ВгАЗ-1959г, Шелехове- ИркАЗ - и 1962г, Красноярске-КрАЗ - 1964г, Братске- 1966г, Турсу-Заде, ТадАЗ - 1975г, Саяногорске- СаАЗ - 1985г.

Ведущими производителями алюминия
являются США, Россия, Канада, Австралия, Бразилия, Китай, на долю которых приходится 63% всего мирового производства алюминия.

Мировое производство первичного алюминия, тыс. т

Производитель (основной)	1965 г.	1970 г.	1975 г.	1980 г.	1985 г.	1987 г.	1993 г.	1996 г.
СССР (СНГ) США Канада Австрия Бразилия Норвегия Германия Венесуэла Испания Франция Япония	1016 2499 762 87 30 276 234 - 53 340 292	1707 3607 962 206 56 522 309 22 120 381 728	2450 3519 878 214 121 595 676 50 210 383 1013	2816 4654 1074 304 261 662 731 317 386 432 1092	3029 3500 1282 852 549 724 745 403 370 293 226	3140 3343 1540 1024 844 798 738 440 341 322 41	3079 3695 2305 1385 1170 887 552 590 356 426 -	2871 3577 2283 1366 1197 859 576 635 362 349 -
Всего в мире	6410	10209	13129	16379	16168	17096	19609	20844

Раздел 1. Основы электролитического получения алюминия

1.1 Свойства алюминия

Алюминий представляет собой серебристо- белый металл с синеватым оттенком. Уникальное сочетание свойств – малая плотность, высокая теплопроводность и электропроводность, коррозионная стойкость, хорошая механическая прочность в сочетании с высокой пластичностью – обеспечили широкое применение как чистого металла , так и сплавов на его основе.

Физические свойства

Плотность алюминия
2,69 г/см3
при 200
С. Зависимость между плотностью и его составом носит практически линейный характер, что позволяет определять плотность как сумму плотностей каждого элемента. С ростом температуры плотность алюминия снижается, и при 9650
С составляет 2,35г/см3
. Удельный вес алюминия в 3,3 раза меньше меди, вследствие чего медные провода в линиях электропередач часто заменяются алюминиевыми

Температура плавления
. Очень чувствительна к чистоте металла, для высокочистого алюминия (99,996%) она составляет 660,30
С. Благодаря этому свойству алюминий высокой чистоты долгое время использовался для калибровки термопар .Температура плавления изменяется с изменением чистоты металла, а также зависит от содержания примесей, с их ростом она возрастает. С ростом внешнего давления температура плавления возрастает. Температура кипения алюминия -24970
С.

Теплопроводность.
Теплопроводность отожженного алюминия в твердом состоянии снижается по мере роста температуры с 2,37 (при 2100
С) до 2,08 Вт/см.К (при 6600
С). При температуре выше 70,7 0
С она малочувствительна к чистоте металла. В жидком состоянии теплопроводность алюминия резко падает до 0,907 Вт/см.К.

Удельное электросопротивление
алюминия высокой чистоты ( 99,99%) при температуре 200
С составляет 2,6548·10­8
Ом·м. С ростом

температуры удельное электросопротивление возрастает практически по линейной зависимости. Электросопротивление в значительной степени зависит от чистоты металла. Электропроводность технического алюминия составляет 62-65% от электропроводности меди. При переходе в жидкое состояние электросопротивление возрастает и достигает 3,8·10­8
Ом·м при 10000
С.

Удельная теплоемкость
алюминия по мере увеличения температуры возрастает от 0,90 Дж·г­1
·К­1
при 00
С до 28,12 Дж·г­1
·К­1
при 3270
С.

Поверхностное натяжение
имеет максимальное значение при температуре плавлении, и с ростом температуры оно снижается.

Вязкость алюминия в
жидком состоянии с ростом температуры снижается и увеличивается с ростом твердых включений.

Химические свойства

Алюминий относится к третьей группе элементов Периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 13 , атомный вес 26,98. Алюминий трехвалентен, в химических соединениях он обычно является ионом АL+3
, при определенных условиях атом алюминия становится одновалентным ионом АL+1
,образуя субсоединения. Алюминий обладает большой химической активностью; энергия образования его соединений с кислородом, серой, углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди электроотрицательных элементов, его нормальный электродный потенциал равен ­1,67В. В обычных условиях при взаимодействии с кислородом воздуха алюминий покрывается прочной пленкой оксида алюминия (AL2
O3
) толщиной 2 ∙10-5
см, которая защищает его от дальнейшего окисления, при наличии в алюминии или окружающей среде Na, Ca, Cu прочность оксидной пленки резко снижается.

Высокая теплота образования AL2
O3
, позволяет использовать алюминий для восстановления других металлов из оксидов. При нагревании AL взаимодействует с S, образуя AL2
S3
. При взаимодействии AL с F образуется AL F3
, реакция идет с выделением тепла, при нагревании AL F3
в присутствии алюминия, идет реакция с образованием субфторида (AL F ). При охлаждении AL F разлагается с образованием AL.

Алюминий при температуре 12000
С взаимодействует с С, с образованием карбида алюминия (AL4
С3
) с большим выделением тепла. В присутствии расплавленных солей (криолит) взаимодействие С с алюминием протекает при температуре около 10000
С.

Алюминий не взаимодействует с водородом, но водород хорошо растворяется в жидком алюминии. Присутствие водорода отрицательно сказывается на механических свойствах алюминия.

Алюминий взаимодействует с кислотами, образуя соли, а с щелочами – алюминаты.

Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах и щелочах.

Азотная и органические кислоты на алюминий не действуют.

Механические свойства
зависят от количества примесей, механической обработки, температуры. С ростом содержания примесей прочность алюминия растет, а пластичность уменьшается.

1.2. Применение алюминия

Обладая такими свойствами как малая плотность, высокая теплопроводность, высокая электропроводность, высокая пластичность и коррозионная стойкость, высокие прочностные свойства, алюминий получил широкое использование в различных отраслях современной техники.

Чистый технический алюминий используется в электротехнике и для производства фольги. Основная часть алюминия применяется в виде литейных и деформируемых сплавов и небольшое количество - в виде порошков.

За последнее время Al широко используется в машиностроении, производстве строительных конструкций, химической, атомной и пищевой промышленности (в качестве упаковочного материала), электротехнической промышленности, авиастроении, ракетостроении, оборонной промышленности, в черной металлургии, для получения металлов методом алюмотермии.

Деформируемые сплавы.
Для повышения механических свойств изделий из алюминия изготавливаются сплавы, легированные различными элементами ( Cu, Mn, Si, Mg, Zn и др.)

Изготовляются эти сплавы по ГОСТу, который регламентирует химический состав. Сплавы изготовляются в виде чушек или слитков в зависимости от того, для каких целей изготовляется сплав.

Сплавы, используемые для изготовления фольги, - это сплавы Al- Mn, Al- Mg.

Сплавы для автомобильной промышленности - это сплавы Al- Mg, Al- Mn , Al- Mg- Si.

Сплавы для авиационной промышленности - это сплавы Al- Cu, Al- Zn, Al- Mg-Li.

Сплавы для изготовления жестких контейнеров применяются для изготовления деталей донышек и обечаек консервных банок. Донышки изготавливают из сплава Al- Cu- Mn, Обечайки из сплава Al- Mn.

Литейные сплавы.

Широкое применение получили сплавы, основной легирующей добавкой в которых является Si, сплавы с содержанием Si в 10-13% называются силумины. Помимо Si используются в качестве легирующих добавок Cu, Mn, Si, Mg, Zn. Такие сплавы применяются для изготовления деталей практически во всех отраслях

Основные направления потребления первичного алюминия

Вид продукции	Строи­тельство	Транс­порт	тнп	Элсктро техника	Машино­строение	Упаков­ка	Всего
Листы Плиты Штамповки Прессованные изделия Трубы Фольга Электропроводники	13,6 - - 10,2 0,3 0,2 -	4,2 1,9 0,8 3,2 0,3 0,2 -	3,4 - - 1,0 1,0 0,5 -	1,6 0,1 - 1,7 0,5 0,2 7,7	1,8 0.3 0,2 1,3 1,1 0,2 -	17,9 - - - - 5,8 -	43,2 2,5 1,2 18,3 3,2 7,1 7,7
Всего...	24,3	10,6	5,9	11,8	5,9	23,7

1.3. Производство алюминия

Основным способом получения алюминия является электролиз криолитоглиноземных расплавов

Первые промышленные электролизеры были рассчитаны на силу тока до 0,6кА, и за последующие 100 лет используемая сила тока возросла до 300кА и более. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.

Общую схему производства алюминия можно представить в виде:

Основным агрегатом в этой схеме является электролизер

Принципиальная схема электролизера с самообжигающимся анодом (Содерберга)

Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фтористого алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс протекает при переменных концентрациях глинозема от1% до 8%. Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Существует два основных типа расходуемых анодов самообжигающиеся и предварительно обожженные.

Самообжигающиеся аноды используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Сам угольный анод находится в стальной рубашке.

Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего

К аноду подводится положительный полюс электрической цепи постоянного тока. Для самообжигающихся анодов - посредством запеченных в угольную часть анода стальных или сталь-алюминиевых токоподводов (штырей). Штыри посредством зажимов крепятся к анодной раме, подвешенной на домкратах. Домкраты перемещают анодную раму и весь анод.

Расплавленный алюминий при температуре электролиза 950-9600
С тяжелее электролита и находится на подине электролизера. К подине подводится отрицательный полюс цепи постоянного тока.

Криолитоглиноземные расплавы очень агрессивны, противостоять им могут углеродистые материалы или некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера. В нижнюю часть угольной футеровки заделаны стальные стержни, через которые производится токоподвод. Для поддержания тепла в электролизере за углеродистой футеровкой ванны располагается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Вся футеровка размещается в стальном кожухе.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные на кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один агрегат дает ток силой до 63кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, т.к они включены параллельно.

Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите.

Al
2

O
3

→ 2
Al
+3

+3О-2

Положительно заряженные катионы Al
+3

присоединяют свободные электроны катода

Al
+3

+3е-
=
Al
,

превращаются в нейтральные атомы и выделяются на жидком алюминиевом катоде. По мере накопления жидкого алюминия он выливается с помощью вакуум ковша. Вылитый металл направляется в литейное отделение для разливки в товарную продукцию.

Отрицательно заряженные анионы на положительно заряженном аноде превращаются в кислород:

О-2
-2е-
→О2

Выделяющийся на угольном аноде кислород окисляет уголь до СО и СО2

, эти газы и выделяются из -под анода.

Электролизеры оборудуются укрытиями, отводящими выделяющиеся газы в систему газоочистки. В отходящих от электролизёров газах преобладает СО2
( большая часть СО дожигается над электролитом либо в горелках), азот, кислород, газообразные и твердые фториды, частички глиноземной пыли. В системе газоочистки по определенной технологической схеме происходит очистка от вредных примесей и возврат фторидов в производство.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением

Al
2

O
3

+ хС = 2
Al
+ (2х – 3) СО + (3-х) СО2

Таким образом, теоретически на производство алюминия расходуется глинозем, углерод анода, электроэнергия для разложения глинозема и поддержания рабочий температуры.

Практически - расходуются фтористые соли, которые испаряются и впитываются в футеровку.

Производство алюминия - одно из самых энергоемких производств, расход электроэнергии достигает 14500-1800кВт-час на получение 1т алюминия.

Для получения 1т алюминия расходуется :

глинозема - 1925-1930 кг/т;

углерода анода - 500-600кг/т;

фтористых солей - 50-70кг/т.

Все материалы , поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал.

Расчёт электролизёра заданной мощности

Выбор плотности тока. Материальный баланс.

Плотность тока выбирается по графику зависимости плотности тока от силы тока для электролизёра заданной мощности. Для данного электролизёра с ВТ в соответствии с графиком плотность тока составляет 0,70А/см2
.

1 -
верхний токоподвод; 2 — обожженные аноды.

Расчёт материального баланса

Приход материалов.
Рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия и производительности электролизера в час. Для расчета используем данные, сложившиеся на основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров.

Расход сырья (кг/кг
AI
) и выход по току (%) для различных типов электролизеров

Материал	Обожженные аноды	Боковой токоподвод	Верхний токоподводд
Глинозем	1,92-1,93	1,92-1,93	1,92-1,93
Аноды, анодная масса	0,560	0,540	0,590
Фториды	0,052	0,045	0,090
В том числе;
криолит свежий	0,011	0,030	0,019
криолит регенерационный	0,015	­	0,026
фторид алюминия	0,025	0,020	0,043
фторид кальция	0,001	0,001	0,002
Выход по току	87-92	85-87	84-86

Производительность электролизера рассчитываем по формуле:

РА
l
═ I×g×hт
×10-3
, где I- сила тока в амперах,

g-0,3354 г/А.час – электрохимический эквивалент Al,

hт
– выход по току (доля единицы)

Задаемся выходом по току (из сложившихся данных- 86%) и вычисляем производительность электролизёра:

РА

l

= 300000 × 0,3354× 0,86 ×10-3
= 41,824 кг/час

Зная производительность и расход материалов( данные из таблицы), рассчитываем приход материалов:

РAl2
O3
═ рAl2
O3
× РА
l
= 1,93 × 41,824 = 80,72 кг/час – глинозёма;

Ра
═ ра
× РА
l
= = 0,560 × 41,824 = 23,421 кг/ час – анодной массы;

Ркр.св
═ ркр.св
× РА
l
= 0,011 × 41,824 = 0,460 кг/час – криолита свежего;

Ркр.рег
═ ркр
.рег
× РА
l
= 0,015 × 41,824 =0,627 кг/час – криолита регенерационного;

Рф.ал.
═ рф.ал
× РА
l
= 0,025 × 41,824 =1,046 кг/час – фторида алюминия;

Рф.кал..
═ рф.кал
× РА
l
= 0,001 × 41,824 =0,042 кг/
час – фторида кальция.

Вычислим расход материалов:

Алюминий.
Количество полученного алюминия определяется производительностью ванн:

РА

l

= 46,151 кг/час

Анодные газы.

Количество анодных газов рассчитывают, исходя из их состава и суммарной реакции по формуле: Al
2

O
3

+
XC
= 2
Al
+ (3-
X
)
CO
2

+ (2
X
- 3)
CO
, где Х – объёмное содержание СО2
в процентах.

Мольные доли газов определяем из формулы:

N
СО2
=2 (
h
т

- 50),
где hT
– выход по току.

N
СО2
= 2 × ( 86 - 50) = 72 % = 0,72

N
СО = 100 – 72= 28%=0,28

Количество СО2
и СО (кмоль/час) определяем по формулам:

Мсо═
N
со РА

l

/[18(2-
N
со)]

Мсо2
═
N
со2
РА

l

/ [18(1+
N
со2
)]

Мсо= 0,28 ×
41,824/ 18(2-0,28)=11,711/30,96= 0,378 кмоль/час

Мсо2
= 0,72×
41,824/ 18(1+0,72)=30,113/30,96=0,973 кмоль/час

Рассчитаем весовые количества СО2
и СО (кг/час)

Рсо
= 28× 0,378=10,584 кг/час

Рсо2
= 44× 0,973=42,812 кг/час,
где 28 – молекулярная масса СО,

44 – молекулярная масса СО2

Потери углерода.

▲Рс
═ Ра
-­ Рс
,где Ра

- приход анодной массы или обожжённых анодов,

Рс

– количество углерода, израсходованного с газами.

Рс
═12×(Мсо + Мсо2
)=12×(0,378+0,973)=12 ×1,315= 15,78 кг/час

▲Рс=
23,421 – 15,78 = 7,641кг/час

Потери глинозема.

▲

PAl
2

O
3

═ PAl
2

O
3

–­ P
Al2
O3(теор)
,где PAl
2

O
3

—приход глинозёма в электролизёр, а P
Al2
O3(теор)
– теоретический расход глинозёма.

РAl2
O3(теор)
═102
РА
l
/54═102
×41,824/54=4266,048/
54=79,001 (кг/час),
где:

54- молекулярная масса алюминия

102- молекулярная масса глинозема

▲

РAl2
O3
= 80,72- 79,001 = 1,719 кг/час

Потери фторидов :
принимаются равными приходу.

Таб. Материальный баланс

Приход	Един. изм. кг/час	Расход	Един. изм. кг/час
Глинозем, РА l 2 O 3	80,72	Получено алюминия, РА l	41,824
Криолит свежий, Ркр	0,460	Получено со, Рсо	10,584
Фторид алюминия, Рф.ал.	1,046	Получено со2 , Рсо2	42,812
Фторид кальция, Рф.кал	0,042	Криолит свежий, Ркр	0,460
Криолит регенерационный, Ркр.рег.	0,627	Фторид алюминия, Рф.ал.	1,046
Анодная масса(аноды), Ра	23,421	Фторид кальция, Рф.кал	0,042
	Криолит регенерационный, Ркр.рег	0,627
	Потери углерода, ▲Рс	7,641
	Потери глинозема, ▲ РА l 2 O 3	1,719
ИТОГО	106,316	ИТОГО	97,755

Конструктивный расчёт.

Конструктивный расчёт электролизёра необходим для определения его основных размеров.

Определение площади анода.

По заданной силе тока 300000 А и выбранной в соответствии графиком зависимости анодной плотности тока от силы тока, величины плотности тока - 0,70 А/см2
, определим площадь анода по формуле:

J=l/S ,
откуда
: S
а

= I/ja
;

S
= 300000А : 0,70А/см2
= 207142,85 см2

Определение длины анодных блоков

На практике для электролизёров с ВТ, средней мощности тока 145 кА, ширина анода
принимается приблизительно равной 285 см
( Ва

).

Определение внутренних размеров шахты

Зная размеры анода, можно определить внутренние размеры шахты катодного узла. Установлено, что расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки С
следует выбирать в пределах 550-600 мм,а от торца анода до боковой футеровки d
- в пределах 500 – 600 мм.

Длина шахты: Аш
=Аа
+2
d
= 7270мм+ 2.
500 мм = 8270 мм

Ширина шахты : Вш
= Ва
+ 2С = 2850 мм+2.
550 мм = 3950 мм

Глубина шахты : Нш

- определяется суммой столба жидкого металла, электролита и толщиной корки электролита, чаще всего глубину шахты принимают в пределах 500 – 550 мм.

Конструкция подины

На отечественных предприятиях применяются сборно-блочные (двухсекционные) подины. Катодные блоки выпускаются высотой

h
б

– 400 мм
и шириной d
б

– 550 мм.

Число блоков определяется исходя из длины шахты :

n
б

= 2Аш
/(
d
б

+ 40) = 2.
8270/( 550+40) = 28,03 шт.

Количество секций должно быть чётным, принимаем 28 шт.

Ширина шва между блоками 40 мм
. Ширина периферийного шва (l
)
составит:

по торцам -

l
тор

═{ Аш
­-[(
n
б

d
б

/2)+(
n
б

/2 ­-1)40] }/2={8690-[(28.
550/2)+(28/2 – 1).
40]}/2=(8270-8220)/2=25мм

по продольным сторонам -

l
прод

═[ Вш
­-(
L

б.к

+ L
б.д

+40)]/2=
[ 3950-­(1600
+ 2200
+40)]/2= (3950-3840)2=55мм,
здесь:

L
б.к

– длина короткого блока, 2200 мм.

L
б.д –

длина длинного блока, 1600 мм

Выпускаются блоки длинной 600, 800, 1200, 1400, 1600, 2000, 2200мм.

Внутренние размеры кожуха

Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной теплоизоляционного слоя. Боковая футеровка имеет толщину угольных блоков 200мм и теплоизоляционного слоя из засыпки 50мм. Тогда длина и ширина составят.

Акож═Аш+2·(200+50)=8270+500=8770мм

Вкож═Вш+2·(200+ 50)= 3950+500=4450мм

По высоте подина шахты (Нп )
набирается из:

Катодных блоков
высотой -400мм

Защитной подушки
- 30-50мм

Теплоизоляционного слоя
из пяти рядов кирпича по- 65мм

Шамотной засыпки
-20-50мм

Высота кожуха
вычисляется по формуле : Нк= Нш
+ Нп
;

где Нш- глубина шахты;

Нп – высота подины : Нп= 400+ 50+ 65х
5 + 50 = 825мм, тогда

Нк = 550мм+825мм = 1375 мм

Полученные данные сведём в таблицу.

Наименование	Ед. измер.	Велич.
Анод: длина ширина высота	мм мм мм	7270 2850 1700
Габариты анодного кожуха высота длина ширина	мм мм мм	1250 7270 2850
Габариты шахты: высота длина ширина количество катодных блоков	мм мм мм шт	550 8270 3950 28
Габариты катодного узла высота длина ширина	мм мм мм	775 8270 4450
Габариты катодного кожуха: высота длина ширина	мм мм мм	1375 8270 4450

Расчёт ошиновки

Ошиновка служит для подвода электрического тока к электролизёру.

Сечение шинопровода и спусков определяется исходя из величин силы тока и экономической плотности тока, которые для элементов токоподвода составляют ( А/мм2
).

Алюминиевые шины 0,20- 0,35

Алюминиевые спуски 0,50-0,70

Медные спуски 0.8-1,2

Стальные части штырей и блюмсов 0,15-0,20

Определяем количество шин.

При расчете количества шин и спусков берутся их типовые промышленные размеры.

Принимаем экономически выгодную плотность тока для алюминиевых шин i
эк

= 0,30 А/мм2
и заданную силу тока 300000А. Сечение шинопровода будет равняться:

S
ш═
I
/
i
эк

=300000/0,30=483333,33
(мм2
)

Определяем число шин в шинопроводе (шт). В промышленности используются шины сечением 430×60 - 800×100 мм2

Выбираем шину сечением S
1ш

=
580×70 и определяем количество шин :

n
═
S
ш

/
S
1ш

= 483333,33/(580×70)=483333,33/40600=11,9

округляем до 12 шт.

Реальная плотность тока при выбранном сечении шины и количества шин тогда получается :

i
эк

= I/ S1

ш

× n=300000/(580×70)×12=300000/40600×12=0,298
А/мм2

округляем до 0,30 А/мм2

Определим количество штырей.

Число штырей для электролизеров определяется из выражения

k
═
So
/
S
ср ,
где

S
ср-
среднее сечение штыря, мм2
(т.к . штыри имеют коническую форму);

So
-
общая площадь штырей, мм2

S
ср= π (
d
б

2

+
d
м

2

)/8,
где

d
б

–
максимальный диаметр конической части штыря, мм.

d
м

-
минимальный диаметр конической части штыря, мм.

На электролизерах с ВТ используются штыри двух типов:

Цилиндрические штыри с медной рубашкой (
d
б

= 120мм,
d
м

=90мм)

Составные ( сталь-алюминиевые) штыри (
d
б

= 138мм,
d
м

=100мм)

В настоящее время все электролизеры с силой тока более 130кА используют составные штыри. Для заданной силы тока выбираем составные штыри.

S
ср= π (
d
б

2

+
d
м

2

)/8= π ( 1382
+1002
)/8= π(19044+10000)/8=(3,14 ×29044)/8=11399,77мм2

So
=
I
/
i
эк.шт

Выбираем i
эк.шт

=0,20
А/мм2

So= I/i
эк

.

шт

=
300
000/0,2=725000
мм
2

k
═725000 / 11399,77=63,60 шт.

Так как штыри располагаются в 4 ряда, то число штырей принимается кратным 4-м., т. е. количество штырей принимаем равным 64 шт.

Фактическая плотность тока получается.

i
ф

=300000/64×11399.77=300000/729585,3=0,199
А/мм2

Определим количество лент в пакете стального блюмса.

Стальные блюмсы катодных блоков соединяются с катодными шинами при помощи гибких пакетов алюминиевых лент (спусков), приваренных к катодным блюмсам и шинам.

Число лент в пакете стального блюмса n
л ( шт)

n
л
═ I/( i
эк

n
б

S1

л

)

S
1л

–
сечение одной ленты, мм2
, на практике применяются ленты сечением 200×1,5 - 200×0,8 мм2

i
эк

-
экономическая плотность тока , которая для алюминиевых спусков составляет 0,5 – 0,7 А/мм2
.

Выбираем ленту сечением 200×0,8 мм2
,
тогда

S
1л

= 0,8×200=160мм2

i
эк

– 0,6
А/мм2

n
л = 3000000/ ( 0,6 ×28 ×160 )= 300000/2688= 54шт

Фактическая плотность тока в одной ленте.

i
ф

= I/ n
б

× n
л× S1

л

=300000/ 28×54×160=300000/241920=0,6
А
/
мм
2

n
б

–
число катодных блюмсов равно числу подовых катодных секций, шт

При проведении конструктивного расчёта было вычислено количество катодных секций, которое оказалось равным 28.

Плотность тока в катодном блюмсе.

i
бл

= I
/
S
бл×

n
б

Для выбранных катодных секций используются стальные блюмсы, сечением 230×115мм2

i
бл

= 300000/ 230×115×28=300000/740600=0,196А/мм2

Полученные данные сведём в таблицу:

Характеристика токоподводящих элементов электролизера

Наименование токоподводящих элементов	Един. измер.	Величина
Шинопровод: количество шин сечение шины плотность тока фактическая	шт мм×мм А/мм2	12 580×70 0,298
Анодные штыри, количество Максимальный диаметр конической части Минимальный диаметр конической части плотность тока фактическая	шт мм мм А/мм2	64 138 100 0,199
Катодные спуски: количество спусков количество лент в спуске сечение ленты плотность тока фактическая	шт шт мм×мм А/мм2	28 54 200×0,8 0,6

Вычислим количество шин по стоякам
:

Длину элементов ошиновки рассчитывают по геометрическим размерам электролизера.

Распределения тока по ветвям токоподвода принимаем одинаковой. Нагрузку по стоякам используют ассиметричную, для выравнивания воздействия магнитных полей на металл. При ассиметричной ошиновке нагрузка на глухой стороне- на входном стояке -составляет 40% всего тока, и на выходном стояке -10%. На лицевой стороне- на входном стояке - 33%, на выходном -17%. Общее количество шин было вычислено ранее и оказалось равным 14 шт.

Число шин по стоякам
:

глухая сторона
, входной стояк
n
ш.вх.г.=

12×0, 4= 4,8
принимаем 5 шин

глухая сторона, выходной стояк
n
ш.вых.г.=

12×0, 1= 1,2
принимаем 1 шина

лицевая сторона, входной стояк
n
ш.вх.г.=

12×0,33= 3,96
принимаем 4 шины

лицевая сторона, выходной стояк
n
ш.вых.г.=

12×0,17= 2,04
принимаем 2 шины

Длина анодной шины.

L
а.ш.= Акож+(580+100×2)=8770+780=9550мм

580-
ширина шины, мм;

100-
расстояние от кожуха до анодного стояка, мм(
принимается из сложившейся практики).

Определим длину анодного стояка.

Длина анодного стояка.
Рассчитывается следующим образом. Принимаем за нулевую отметку- верхнюю грань катодного кожуха «0».

Высота анода На=1700мм.

Погружение анода в электролит h
п.а.эл

=100мм

Расстояние от верхней поверхности анода до нижней части анодной шины 1200мм,
при максимально верхним положением анодной рамы ( принимается по практическим данным).

L
1

ан.ст.= На+1200 ­
h
п.а.эл

+580=1700+1200-100+580=3380мм (выше «0» отметки);

L
2

ан.ст = 580+ Нш
+
h
б

-115=580+550+400-115=1415мм (ниже «0» отметки);

115мм-
высота катодного блюмса;

L
3

ан.ст -
горизонтальная часть анодного стояка;

L
3

ан.ст= 380+(6×70)+0,5×Вкож=380+420+0,5× 4450 = 380 +420 +2225 =3025мм,
где -

380-
расстояние от катодного кожуха до катодного пакета шин,мм (
принимается по практическим данным);

6
- количество шин в пакете,шт;

70 –
толщина одной шины,мм.

L
ан.ст=
L
1

ан.ст+
L
2ан

.ст+
L
3ан.ст = 3380+1415+3025=7820мм

Вычислим длину катодной ошиновки.

Длина катодной ошиновки.
Складывается из длины катодной ошиновки на входной стояк и выходной стояк. Длина лицевой и глухой ветвей ошиновки одинаковы. Рассчитываем одну ветвь.

Рассчитываем расстояние между торцами кожухов двух рядом стоящих ванн.

Ав-в= (100×2)+(580×2)+300=200+1160+300=1660мм

300мм-
расстояние между входными и выходными анодными стояками, соседних ванн, принимаем по практическим данным

Рассчитываем расстояние от торца кожуха до оси первого блюмса.

Б1 тр-бл= 250 +
l
тор

+
d
б

/2=250+235+550/2=250+235+275=760мм

250мм-
толщина бортовой футеровки

Длина катодной ошиновки на входной стояк
. Этот пакет шин тающий

L
к.ош.вх.ст = Акож – Б1 тр-б+ Ав-в-100=9550-720+1660-100 = 10390 мм

Длина катодной ошиновки на выходной торец. Этот пакет постоянного сечения с равномерно распределенной нагрузкой

L
к.ош.вых.ст = Ав-в + Акож +100+580+ Б2 тр-б

Б2 тр-бл -
расстояние от торца кожуха до оси третьего блюмса

Б2 тр бл=250+235+(2×550)+(2×40)+(0,5×550)=250+235+1100+80+275 =1940мм

L
к.ош.вых.ст=1660+8770+100+580+1900= 13010мм

Наименование токоподводящих элементов	Един. измер	Величина
Число шин по стоякам: глухая сторона, входной стояк глухая сторона, выходной стояк лицевая сторона, входной стояк лицевая сторона, выходной стояк	шт шт шт шт	6 1 5 2
Длина анодного стояка	мм	7720
Длина анодной шины	мм	8770
Длина катодной ошиновки: длина катодной ошиновки на входной стояк длина катодной ошиновки на выходной торец	мм мм	10390 13010

6. Электрический баланс

Расчёт электрического баланса состоит в определении падений напряжения в конструктивных элементах электролизёра, электролите и напряжения поляризации. Рассчитанные или принятые по практическим данным падения напряжения на отдельных элементах электролизёра сводятся в таблицу, которую принято называть электрическим балансом электролизёра.

На практике различают три вида напряжения:

U
ср

═Е +▲
U
эл

+▲
U
а

+▲
U
к

+▲
U
ош

+▲
U
ан.эф

+▲
U
с.ош.

среднее напряжение определяет средний расход электроэнергии на производство алюминия, его величина рассчитывается по показаниям счетчика вольт-часов.

U
г

═Е +▲
U
эл

+▲
U
а

+▲
U
к

+▲
U
ан.эфк

греющее напряжение используется для расчета теплового баланса, непосредственно замерить невозможно.

U
р

═Е +▲
U
эл

+▲
U
а

+▲
U
к

+▲
U
ош

Рабочее напряжение измеряется вольтметром, установленным на ванне, характеризует технологический режим электролиза в стационарном режиме , т.е. при отсутствии на нём выливки металла, перетяжки анодной рамы, обработки и анодного эффекта.

Е-
напряжение поляризации
( Э.Д.С. поляризации ), обратная ЭДС 1,4-2,0 В, его можно рассчитать по эмпирической формуле. При температуре электролиза на электролизерах с ВТ:

Е=1,13+0.37
i
а

=1,13+(0,37×0,73)=1,13+0,2701=1,4001В=1,40В

i
а

– 0,73
анодная плотность тока, А/см2
.

▲ Uэл
– падение напряжения в электролите, зависит от состава электролита, от чистоты электролита . Рассчитывается по уравнению:

▲
U
эл

=
Ipl

/ [
Sa
+2(
Aa
+
Ba
)(2,5 +
l

)]=300000×0,54×5,5/[ 219178,08 +2 ( 769,04 +285) (2,5 +5,5) ]= 475200 /[ 219178,08+16864,64] =475200 /236042,72 =2,013 В,
где

I
–
сила тока, 300000А;

p
–
удельное электросопротивление электролита, принимаем из справочных данных 0,540 Ом×см, для состава электролита КО=2.4, содержание глинозема- 8%, фтористого кальция -6-8%;

l

–
межполюсное расстояние, принимаем из практических данных 5,5см;

Sa
-
площадь сечения анода , 207142,85
см2
;

2(
Aa
+
Ba
)
-длина и ширина анода , 726,81
×285см.

▲ Uа
- падение напряжения в аноде
, определяется конструкцией анода, рассчитывается по уравнениям.

Для электролизеров с ВТ:

▲
U
а

= {26000-(16000-10,9
Sa
/
k
-805
l
ср

-
l

ср

Sa
/6,85
k
)
i
а

}q

▲
U
а

-
падение напряжения в аноде на участке от подошвы анода до контакта штырь- анодная шина, мВ;

Sa
–
площадь анода,219178,08
;

k
-
число штырей(64
шт);

l

ср

–
среднее расстояние от всех токоподводящих штырей до подошвы анода, см;

i
а

–
анодная плотность тока( 0,70А
/см2
);

q –
среднее удельное сопротивление анода в интервале температур 750-9500
С , принимаем 0,0070
Ом .
см;

l
ср

=
lmin

+ (
nr

– 1)∆
l
/2=23+(4-1)10/2=23+3×5=38см

lmin

-
минимальное расстояние от конца штыря до подошвы анода, принимаем из практики 23
см;

nr

–
число горизонтов, принимаем наиболее оптимальную на сегодня 4-х
-горизонтную;

∆
l
–
расстояние между горизонтами, при 4-х горизонтной схеме, 10 см

▲
U
а

= {26000-(16000-10,9× 219178,08/64 – 805 ×38 - 38× 219178,08 /6,85×72) × 0,75}0,007={26000-(16000 -33181,126- 30590 – 16887,2) ×0,73} 0,007={26000-(16000 -33181,126- 30590 – 16887,2)×0,75} 0,007=732 мВ

▲
U
к

– падение напряжения в катоде
, рассчитывается по уравнению. Падение напряжения в металле в балансе не учитывается, т.к удельное электросопротивление жидкого алюминия при температуре процесса очень низкое, ниже чем в электролите в 15000раз.

▲
U
к

={
L
пр

×
q
×103
+ (3,83 ×10-2
×А2
+2,87а ×а1/3
) В/
S
}
ia

L
пр

–
приведенная длина пути по блоку, см;

L
пр

= 2,5 + 0,92Н - 1,1h + 132/
b

q
-
удельное сопротивление блока, Ом×см ;

А-
половина ширины шахты,395/2= 197,5 см;

В
- ширина блока с учетом шва, 55+4= 59 см;

S
-
площадь поперечного сечения катодного блюмса с учетом чугунной заливки, 26,5×14,5=384,25см2
;

а-
ширина настыли, 55+10=65
см ( равно расстояние борт – анод плюс 10-15см);

Н-
высота блока, 40
см;

h-
высота блюмса,11,5
см;

b
-
ширина блюмса,23 с
м;

q
= 0,006(1-0.00025
t
ср

)=0,006(1-0,00025×900)= 0,006(1-0,225)=0,00465
Ом×см

t
ср

–
средняя температура блока, принимаем из практических замеров 9000
С

L
пр

= 2,5 + 0,92Н - 1,1h + 132/
b
= 2,5+0,92×40 -132/11,5=2,5+36,6-11,48 = 27,62см

▲
U
к

={62 ×0,00465 ×103
+ (3,83 ×10-2
×197,52
+2,87×65×651/3
) 59/384,25}0,73 ={27,62×0,00465×1000 + (3,83×0,01×39006,25 + 2,87×65×4,021) ×0,154}×0,73={127,052+( 1493,94+750,12)×0,154}×0,73= 345,03мВ

▲
U
ош

– падение напряжения в ошиновке
рассчитывают по отдельным элементам ошиновки и прибавляют падение напряжения в контактах.

На пакете шин постоянного сечения, в которых сила тока не изменяется по длине, падение напряжения может быть вычислено по закону Ома:

Анодные стояки
. Рассчитываем перепад одной ветви.

▲ U
ош

.

ст

= q l i
ош

= q l I/ S=3,332×10-6
×15,64×0,28×104
=16,154×10-2
=0,16154
в
=161,54
мВ

l
-
длина участка шинопровода, 782×2=15,64 м

q
–
удельное электросопротивление в стояках,Ом∙см:

q
=2,80(1+0,0038×
t
) 10-6
=2,8(1+ 0,0038×50)10-6
=2,8×1.19×10-6
= 3,332 ×10-6

Ом
∙см;

t
–
принимаем температуру стояка среднегодовую 500
С,
практические данные;

i
ош

–
плотность тока, 0,28А/мм2

;

Для пакета шин постоянного сечения при достаточно большом числе подводов и отводов тока при условии, что они равномерно распределены по длине пакета и ток в них одинаков ( к такому пакета шин относится анодная ошиновка):

▲
U
ош.ан

=
q
l
i
ош.мак

/3=
q
l
I
/3
S
=3,332×10-6
×9,3×0,28×104
/3 =9,606×10-2
/3 =3,202×10-2
= 0,0320в=32мВ

l
-
длина анодной шины 9,3м

Для тающего пакета шин при достаточно большом числе подводов и отводов тока при условии, что они равномерно распределены по длине пакета и ток в них одинаков ( к такому пакета шин относится катодная ошиновка идущая на входной торец следующей ванны):

▲
U
1ош.к
=
q
l
i
ош.

/2=
q
l
I
/2
S
мак

=3,332×10-6
×(9×0,59)×0,28×104
/2=3,332×5,31×0,28×10-2
/2=2,74×10-2
=0,0274в=27,4мВ

9×0,59=5,
31м
длина участка подключения спусков.

▲
U
2ош.к
=
q
l
i
ош

=3,332×10-6
×(9,36-5,31)×0,28×104
=3,332×10-6
×4,05×0,31×104
= 4,183×10-2
=0,04183в=41,83мВ

Падение напряжения в катодной ошиновке идущей на выходной торец следующей ванны

▲
U
1ош.к
=
q
l
i
ош.мак

/3=
q
l
I
/3
S
на участке подключения спусков

▲
U
1ош.к
=3,332×10-6
×0,59×0,28×104
/3=0,61×10-2
/3 =0,002в=2мВ

▲
U
2ош.к=

q
l
i
ош

на участке от последнего подключенного спуска, до выходного торца следующей ванны.

▲
U
2ош.к
=3,332×10-6
×(12,760-0,59)×0,28×104
=3,332×12,17×0,31×10-2
=0,126в=126мВ

▲
U
ош.к

=27,4+41,83+2+126=197,23мВ

U
ош.

= ▲
U
ош.к

+▲
U
ош.а

+▲
U
ош.ст

=197,23+32+161,54=390,77мВ

Падение напряжения в контактах принимаем по практическим данным

Катодный блюмс- катодный спуск -0,006В

Катодный спуск –катодная шина -0,003В

Катодный спуск -0,033В

Катодная шина- стояк - 0,003В

Анодная шина- стояк - 0,002В

Штырь-анодная шина -0,008В

Контакт стояк- гибкая шина - 0,002В

ИТОГ -0,057В

▲
U
ош

= 390,77мв +57мв = 447,77мв= 0,44777В

▲
U
ан.эфк

– падение напряжения от анодных эффектов
зависит от числа эффектов, продолжительности, напряжения вспышки.

▲
U
ан.эфк

= (
U
ан.эфк

-
U
раб

) ∙n ∙
t
/ 1440

U
ан.эфк

–
напряжение анодного эффекта, ( 30-40В), принимаем 30В

n –
количество анодных эффектов на один электролизер( частота вспышек), принимаем1,2 шт

t
–
продолжительность анодного эффекта, (2-3) мин, принимаем 2,5мин

1440 –
количество минут в сутках

▲
U
ан.эфк

= (
U
ан.эфк

-
U
р

) ∙n ∙
t
/ 1440= (30-4,792) ×1,2× 2,5/1440 = 25,206 ×1,2× 2,5/1440=0,0525В

U
р

═Е +▲
U
эл

+▲
U
а

+▲
U
к

+▲
U
ош

= 1,41 +2,153 +0,43+ 0,35448 + 0,45434 = 4,79182В

▲
U
с.ош.

– падение напряжения в общесерийной ошиновке
рассчитывают исходя из длины шинопроводов, проходящих по торцам корпуса, средним проездам внутри корпуса и между корпусами. Она составляет 0,03-0,05в на ванну. Принимаем 0,04В.

Электрический баланс электролизера

Статьи	U ср	U р	U гр
Напряжение поляризации (разложения),в	1,41	1,41	1,41
Падение напряжения в электролите, в	2,153	2,153	2,153
Падение напряжения в катоде, в	0,354	0,354	0,354
Падение напряжения в аноде, в	0,43	0,43	0,43
Падение напряжения в ошиновке, в	0,391	0,391	-
Падение напряжения в контактах, в	0,057	0,057	-
Падение напряжения от анодного эффектов, в	0,053	-	0,053
Падение напряжения в общесерийной ошиновке, в	0,04	-	-
ИТОГ	4,888	4,795	4,4

Список литературы

1 Металлургия алюминия / Ю.В. Борисоглебский , Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – 2-е изд. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000.

2 Расчёт и проектирование алюминиевых электролизёров/ Ю.В.Борисоглебский.- Л.: ЛПИ, 1981.