ДИПЛОМНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:
Электролизер для получения алюминия с самообжигающимся анодом на силу тока 74000А
Содержание
Объяснительная записка
Введение
1. ГОСТы на алюминий и сырье
1.1 Обоснование состава электролита
1.2 Обоснование технологических параметров
1.3 Описание конструкции
1.4 Обслуживание при нормальной работе
1.5 Неполадки, способы устранения
1.6 Вопросы БЖД
2 Расчетная часть.
2.1 Конструктивный расчет
2.2 Материальный расчет
2.3 Электрический расчет
2.4 Тепловой расчет
2.5 Расчет числа электролизеров в серии
Библиография
Введение
Алюминий – химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Устойчивых изотопов алюминий не имеет.
Химические свойства.
Алюминий имеет электронную конфигурацию 1s22s22p63s23p1. На третьем внешнем энергетическом уровне атома алюминия находится три электрона, два на s подуровне и один на р подуровне. Так как один р электрон с ядром атома связан слабее, чем два спаренных s электрона, то в определенных условиях, теряя р электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом, образуя соединения низшей валентности. Энергия ионизации первого 3p1 электрона составляет 574,5 кДж / моль, второго и третьего 3s2 электронов – соответственно 1800 и 2730 кДж / моль.
Алюминий химически активен. Уже в обычных условиях он взаимодействует с кислородом воздуха, покрываясь очень тонкой и прочной окиси AI2O3. Эта пленка защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает его довольно высокую коррозионную стойкость, а так же ослабляет металлический блеск. В присутствии примесей ртути, натрия, магния и некоторых других прочность окисной пленки и ее защитное действие сильно понижаются.
В мелкораздробленном состоянии при нагревании на воздухе алюминий воспламеняется и сгорает с выделением большого количества тепла. С серой алюминий реагирует так же при нагревании, образуя сульфид алюминия AI2S3. С хлором и жидким бромом он реагирует при обычной температуре, а с йодом при нагревании или в присутствии воды.
В атмосфере фтора при комнатной температуре алюминий покрывается пленкой AIF3, которая препятствует дальнейшей реакции.
С азотом алюминий реагирует при нагревании свыше 800°С, образуя нитрид алюминия AIN. Взаимодействие алюминия с углеродом начинается при 650°С, но протекает энергично при температуре около 1400°С с образованием карбида алюминия AI4C3.
Нормальный электродный потенциал алюминия в кислой среде 1,66в, а в щелочной 3,25в.
Будучи амфотерным алюминий растворяется в соляной кислоте и растворах щелочей. В серной кислоте и разбавленной азотной кислоте алюминий растворяется медленно. В концентрированной азотной кислоте в органических кислотах и воде алюминий устойчив.
Физические свойства.
Температура плавления алюминия технической чистоты 99,5% 658°С. С повышением степени чистоты температура плавления алюминия возрастает и для металла высокой чистоты 99,996% составляет 660,24°С. Скрытая теплота плавления алюминия около 0,93 кал/г, теплоемкость при 0°С 0,21 кал/(г·°С). При переходе из жидкого состояния в твердое объем его уменьшается на 6,6% для алюминия 99,75%. Кипит алюминий при температуре 2500°С.
Плотность алюминия меньше плотности железа в 2,9 раза, меди в 3,3 раза. В твердом состоянии для алюминия технической чистоты она составляет 2,703 г/см3, а для алюминия высокой чистоты 2,6989 г/см3.
В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье.
В твердом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, резанью, волочению. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу. Пластичность алюминия возрастает по мере повышения его чистоты. Так предел прочности на разрыв литого алюминия технической чистоты составляет 9-12 кгс/мм2, прокатанного 18-28 кгс/мм2. Относительное удлинение соответственно равно 18-25 3-5%, а твердость по Бринеллю 24-32 и 45-60 кгс/мм2.
Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность. При температуре 200°С теплопроводность алюминия составляет 0,531 кал/(см·с·°С) для алюминия 99,7% и 0,82 кал/(см·с·°С) для алюминия 99,9%. Электропроводность алюминия так же зависит от его чистоты. Для алюминия технической чистоты 99,5% она составляет 62,5% от электропроводности меди, а для алюминия высокой чистоты 99,997% составляет 65,45%. Различные примеси влияют на электропроводность алюминия, но в неодинаковой степени. Наиболее сильно снижают электропроводность примеси хрома, ванадия, и марганца.
Малая плотность, высокая электропроводность, низкая коррозионная стойкость, достаточно высокая механическая прочность, пластичность обеспечили высокое применение, как чистого металла, так и сплавов на его основе. К тому же алюминий, как известно, относится к числу наиболее распространенных элементов. Содержание его в земной коре достигает 7,45%, и по распространенности он занимает третье место после кислорода (49,3%) и кремния (26%).
Чистый алюминий применяется в электротехнической промышленности для изготовления проводов и кабеля, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей. В силу большой коррозионной стойкости он широко применяется в химическом машиностроении, для изготовления бытовых приборов, в пищевой промышленности для хранения пищевых продуктов (упаковочные материалы).
Алюминиевые сплавы – литейные и деформируемые – также находят широкое применение в различных областях техники, главным образом в авиастроении, автомобильной промышленности, транспортном машиностроении, в промышленном и гражданском строительстве.
Всё большое значение приобретают спечённые алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС). Помол порошка осуществляют с таким расчетом, чтобы получить на поверхности частиц требуемый слой оксида алюминия. Затем пудру брикетируют и спекают. Полученные заготовки также обрабатывают, как и металл. Однако, наличие дисперсных частиц оксида алюминия приводит к упрочнению САП и прочность сохраняется до температуры 500 градусов.
Широкое распространение получили алюминиевые сплавы с добавкой лития, обладающие пониженной плотностью и повышенной пластичностью, а также сплавы, полученные с применением высоких скоростей затвердевания.
В странах СНГ до 1992 года алюминий и его сплавы в строительстве и для упаковке применялись значительно меньше, чем в Европейских странах и США. В период с 1991 до 1997 годы потребление алюминия в странах СНГ резко сократилось – с 60% от выпускаемого первичного алюминия в 1991 году до 12% в 1997 году. Однако подобный спад следует расценивать как временное явление, поскольку опыт развития мировой экономики свидетельствует о существовании устойчивой тенденции повсеместного роста потребления алюминия. В народном хозяйстве алюминий в основном применяется для изготовления посуды.
В данное время получение алюминия в нашей стране осуществляют на электролизерах различных типов. В данном проекте рассматриваются вопросы получения алюминия на электролизерах с боковым токоподводом.
1. ГОСТы на алюминий и сырье
Глинозем металлургический ГОСТ 30558-98. По физико-химическим показателям глинозем должен соответствовать следующим нормам:
Примечание:
1) В глиноземе марки Г-1, выпускаемом из бокситового сырья, допускаемая массовая доля железа (111) не более 0,05%, сумма оксидов натрия и калия в пересчете на оксид натрия не более 0,5%.
2) При содержании в глиноземе фракции менее 45 мкм не более 25% к обозначению марки глинозема добавляют букву «К» (крупнозернистый): Г-00К.
Криолит искусственный, технический ГОСТ 10561-80. По физико-химическим показателям криолит должен соответствовать следующим нормам:
Алюминий фтористый, технический ГОСТ 19181-78.
Фтористый алюминий по физико-химическим показателям должен соответствовать нормам, указанным в таблице.
Фтористый натрий, технический ТУ 113-08-586-86.
Фтористый натрий по физико-химическим показателям должен соответствовать нормам, указанным в таблице.
Сода кальцинированная, техническая ГОСТ 5100-85.
По физико-химическим показателям техническая, кальцинированная сода должна соответствовать следующим нормам, указанным в таблице.
Магнезит ГОСТ 1216-87.
Порошки магнезитовые каустические. ПМК-90(ПМК-87) должны удовлетворять следующим требованиям:
Фтористый кальций(шпат плавиковый)ГОСТ 29219-91.
Фтористый кальций должен соответствовать следующим требованиям:
Криолит вторичный ТУ 48-5-130-85 Марки ВРК(Регенерационный криолит). Криолит должен соответствовать следующим требованиям:
Вторичный (регенерационный) криолит хранится в закрытом складе, а к электролизерам транспортируется в открытых кюбелях.
Анодная масса ТУ 48-5-80-86.
Анодная масса должна соответствовать следующим требованиям:
Технологические материалы.
Для производства алюминия-сырца применяют следующие материалы:
а) Для подвода электрического тока к аноду, сборки и крепления контакта спуск-штырь: штыри стальные, длина 1050 мм, хомуты, клинья, пальцы, сережки.
Штыри поступают в цех на железнодорожных платформах, далее автотранспортом завозятся на площадку мех. мастерской. С площадки в мех. мастерскую штыри транспортируются электрокарой и проходят рассверловку отверстий в головке, после чего в специальных контейнерах транспортируются в электролизные корпуса. Внутри корпусов контейнеры со штырями к электролизерам транспортируются мостовым краном.
После каждого цикла употребления контактная поверхность штырей очищается от окалины во вращающихся стальных барабанах. Хомуты, клинья, пальцы, сережки изготовляются в мех мастерской и транспортируются в корпус электрокарами или автомобильным транспортом.
б) Для изготовления анодного кожуха применяют алюминиевый лист согласно ГОСТ 21631-76 шириной 1200мм, толщиной 0,8 ± 0,05мм или 1 ± 0,05мм. Алюминиевый лист поступает из центрального склада завода в рулонах 2 ± 0,2 т автотранспортом в мех. мастерскую, где разрезается до нужных размеров. В электролизные корпуса лист доставляется электрокарами, на аноды поднимается мостовым краном.
в) В качестве смазочных материалов для механизмов, установленных на электролизерах, для машин по обслуживанию электролизеров и анодов применяются нигрол, машинное масло, УТВ - 1 – 13.
Смазочные материалы поступают из центрального склада на склад ГСМ в бочках автотранспортом, а в корпусе электролиза – электрокарами. Горюче смазочные материалы хранятся в герметичной таре вдали от источников тепла и огня.
г) Древесные жерди для гашения анодных эффектов автотранспортом завозятся с центрального склада на площадки электролизных корпусов.
Характеристика товарной продукции.
Алюминий первичный технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5, А35, А0.
Химический состав алюминия должен соответствовать ГОСТ 11069 – 2001. Химический состав алюминия по маркам.
* Для суммы Ti, V, Cr, Mn.
** Массовая доля ванадия не более 0,03 %
*** Допускаемая массовая доля железа не менее 0,18 %
**** В документе о качестве указывается фактическое значение массовой доли Fe и Si отдельно.
1.2 Обоснование состава электролита
К электролиту предъявляют следующие требования:
1) Электролит не должен содержать ионов металла более электроположительных, чем алюминий.
2) Температура плавления электролита должна быть близкой к температуре плавления алюминия или ниже.
3) В расплавленном состоянии электролит должен иметь плотность меньше плотности алюминия, что упрощает конструкцию ванны.
4) Должен хорошо растворять глинозем, чтобы не было осадка.
5) Должен быть мало летучим и не гигроскопичным.
6) Должен обладать высокой электропроводностью.
7) Должен быть дешевым и не дефицитным.
Состав электролита выбирается на основе его свойств:
Температура плавления
3NaF·AlF3 – криолит 75% NaF и 25% AlF3
5NaF·AlF3 – хиолит 62,5% NaF и 37,5% AlF3
NaF·AlF3 метафторалюминат Na 50% NaF и 50% AlF3
Чистый NaF плавится при температуре 992 °С. При добавлении к нему AlF3 температура плавления снижается, и при содержании AlF3 14,5% образуется эвтектика с температурой плавления 888°С. При концентрации AlF3 25% имеем стойкое химическое соединение криолит. При концентрации AlF3 37,5% образуется нестойкое химическое соединение хиолит. При содержании AlF3 50% образуется нестойкое химическое соединение метафторалюминат Na. Т.к. чистый AlF3 при температуре 1260 °С возгоняется не плавясь, то дальнейшее изучение диаграммы затруднено из-за высокой летучести AlF3.
Область диаграммы I – щелочные электролиты, II – кислые. Рабочей областью является участок с КО 2,5-2,7
Температура плавления криолита составляет 1010°С. При добавлении к криолиту глинозема температура его снижается примерно на 5°С на каждый 1% массы глинозема. Наиболее низкая температура плавления около 938°С получается при концентрации глинозема 14,5%. Дальнейшее увеличение концентрации глинозема приводит к резкому повышению температуры плавления смеси.
Растворимость Al2O3 в электролите описывается диаграммой состояния NaF3AlF6- Al2O3. Диаграмма имеет большое практическое значение и исследовалась неоднократно, т.к. по ней можно определить концентрации глинозема, при которых процесс электролиза идет наиболее эффективно. Глинозем снижает температуру плавления но имеет в нем ограниченную растворимость. При содержании глинозема 14,5% по массе образуется эвтектика с температурой плавления 938 °С. При снижении концентрации Al2O3 менее 1% электролит перестает смачивать подошву анода и возникает анодный эффект.
Максимальная растворимость глинозема в криолите при 1000°С составляет около 16,5% по массе, поэтому во избежание образования на подине больших глиноземистых осадков содержание Al2O3 в электролите поддерживают в пределах от 1 до 5 %. Следовательно, если электролит будет состоять только из смеси криолита и глинозема, то его температура при указанной концентрации глинозема будет равна 985-1005 °С. Однако это слишком высокая температура, чтобы успешно вести технологический процесс. Температуру плавления электролита можно так же уменьшить за счет изменения криолитового отношения, т.е. увеличения содержания в нем NaF или AlF3.
Но первый путь не желателен т.к. при увеличении содержания NaF возрастает вероятность выделения на катоде Na и как следствие снижение выхода по току.
Поэтому на практике применяют второй путь – увеличивают содержание фтористого алюминия, т.е. уменьшают криолитовое отношение. Снижение криолитового отношения на 0,1 уменьшает температуру плавления электролита на 3-5 °С. На практике криолитовое отношение поддерживают в пределах 2,5÷2,7, т.к. дальнейшее снижение его приводит к ухудшению растворения глинозема и увеличению потерь фтор солей за счет летучести.
С целью снижения температуры в электролит так же вводят добавки фтор солей: фтористого кальция CaF2, фтористого магния MgF2. Например 1% CaF2 снижает температуру плавления примерно на 3 °С; 1% MgF2 на 5 °С.
Очень эффективной добавкой для снижения температуры электролита являются соли лития, например углекислый литий Li2CO3, алюминат лития Li2O· Al2O3. Но эти соли дороги и пока не нашли широкого применения. Общее содержание добавок в электролите не рекомендуется увеличивать более 7-8%, т.к. они снижают растворимость глинозема и при большом содержании затрудняют ведение технологического процесса.
Летучесть электролита
Наиболее летучим компонентом является AlF3, таким образом чем меньше к.о. тем больше содержание AlF3 и тем выше летучесть электролита. Добавки глинозема снижают его летучесть.
Обычно электролит перегрет на 13-15 °С по сравнению с его температурой плавления, а летучесть его незначительна. При повышении температуры плавления свыше 980 °С летучесть его резко увеличивается, поэтому вводят добавки CaF2 и MgF2 которые несколько снижают температуру и тем самым уменьшают летучесть.
Плотность электролита
Важным свойством электролита является его плотность. Необходимо стремиться к тому чтобы она была наименьшей, поскольку электролит в ванне находится сверху расплавленного алюминия, имеющего плотность 2,3 г/см3. Плотность криолита в твердом виде составляет 2,95 г/см3 а при температуре 1000°С 2,09 г/см3. Добавление к криолиту глинозема снижает плотность расплава. Так, при 10% Al2O3 плотность его равна 2,04 г/см3.
Плотность уменьшается так же при снижении КО меньше 3. В этом случае уменьшение КО на 0,1 позволяет снизить плотность примерно на 0,007 г/см3. Добавка MgF2 изменяет плотность незначительно. Даже 10% этой соли увеличивает плотность всего на 0,03 г/см3. Но CaF2 существенно изменяет плотность электролита: каждый его процент увеличивает плотность на 0,008 г/см3.
Плотность электролита так же зависит и от температуры. Повышение ее на каждые 10 °С уменьшает плотность на 0,01 г/см3. Причем у электролита плотность зависит от температуры в большей степени чем у алюминия. Наглядно – это видно из следующей диаграммы.
Таким образом при температуре 1000 °С плотность Al на 10% больше плотности электролита это обеспечивает нормальное разделение продуктов электролизом, и упрощает конструкцию электролизера т.к. металл собирается под слоем электролита. Расплав с содержанием глинозема 5%, КО 2,7, при температуре 960 °С имеет плотность 2,11 г/см3.
При значительном снижении температуры может произойти выравнивание плотностей металла и электролита, что приведет к всплыванию алюминия, а это не желательно т.к. нарушается технологический процесс.
Вязкость электролмта
Вязкость электролита оказывает существенное влияние на расслоение продуктов электролиза. Минимальной вязкостью обладает чистый NaF, а с увеличением содержания AlF3 вязкость повышается. Поэтому наиболее вязкими являются кислые электролиты.
Добавки глинозема до 10% практически не изменяют вязкости. Однако дальнейшее увеличение концентрации глинозема значительно повышает вязкость электролита. Например при температуре 1000°С и содержании глинозема 17% вязкость составляет около 5 сантипуаз . Несколько большее влияние на вязкость оказывает температура, так повышение температуры на 10 °С уменьшает вязкость примерно на 3%.
Промышленные электролиты обычно имеют вязкость 3,2-3,4 сантипуаз.
Электропроводность
Это свойство оказывает большое влияние на расход энергии и температурный режим электролизера. В слое электролита имеется наибольшее падение напряжения. Дляпроцесса электролиза нужен электролит с наибольшей электропроводностью.
Наилучшей электропроводностью обладает NaF. При температуре 1000°С его электропроводность 4,46 Ом-1·см-1. Для криолита эта величина составляет 2,67 Ом-1·см-1.
С повышением содержания AlF3 электропроводность ухудшается. Так же большое влияние на электропроводность оказывают добавки Al2O3. При содержании глинозема 5% электропроводность электролита 2,45 Ом-1·см-1.
Добавки CaF2 и MgF2 так же несколько снижают электропроводность. Обычно промышленные электролиты несколько загрязнены угольной пеной, которая так же снижает электропроводность и нарушает токораспределение.
В практических расчетах пользуются величиной обратной электропроводности – электросопротивление. Для промышленных электролитов оно составляет 0,5 Ом.
Поверхностное или межфазное натяжение
При электролизе криолит-глиноземных расплавов поверхностное натяжение рассматривается на четырех границах:
Электролит – анодные газы.
Электролит – анод.
Электролит – металл.
Электролит – угольная футеровка – металл.
На границе 1 наибольшим поверхностным натяжением обладает NaF, он плохо смачивает электролит. AlF3 снижает натяжение и способствует лучшему удалению анодных газов – это наблюдается в кислых электролитах.
На границе 2 в щелочных электролитах смачиваемость лучше, чем в кислых – это приводит к пропитыванию анода и его разрушению.
Большое влияние на смачиваемость анода оказывает содержание глинозема в электролите. При уменьшении концентрации глинозема электролит хуже смачивает анод и при содержании глинозема менее 1% электролит перестает смачивать анод. В результате возникает анодный эффект.
Из-за разрушения анода в электролите всегда присутствует угольная пена, она легче выделяется из кислых электролитов чем из щелочных.
На границе 3 электролит – металл кислые электролиты плохо смачивают жидкий алюминий. Это положительный фактор т.к. снижается растворимость алюминия в электролите.
На границе 4 металл – угольный блок поверхностное натяжение металла большое, поэтому он не смачивает падину. Под слой металла может попасть электролит который смачивает падину хорошо, пропитывает ее и разрушает. Щелочные электролиты пропитывают падину лучше чем кислые.
Основные технологические показатели процесса
Для электролизеров с боковым токоподводом и самообжигающимся анодом выбирается следующий оптимальный состав электролита.:
Криолитовое отношение 2,5÷2,7
Содержание CaF2 5,2÷6,0%
Содержание MgF2 1,4÷2%
Суммарное содержание добавок CaF2+MgF2 не должно превышать8%. Допускается увеличение содержания CaF2+ MgF2 до 10% на электролизерах с сильным разрушением угольной футеровки и выдающих металл с повышенным содержанием железа.
4)Уровень металла после выливки не менее 28см, оптимальным считается уровень 32-34см.
5)Уровень электролита на ваннах поддерживается в пределах 16÷20 см – это обеспечивает наилучший выход по току.
6)Анодный эффект служит показателем работы электролизной ванны. Количество вспышек в сутки не должно превышать 0,5 – 2. Время гашения не более 2 минут. Напряжение анодного эффекта от 30в.
7) Рабочее напряжение 4,12-4,52
8) Температура электролита поддерживается не выше 965°С.
9) Форма рабочего пространства должна отвечать следующим требованиям, обязательное наличие горнисажей в зоне электролита, крутопадающая настыль в зоне металла и отсутствие осадка и настыли на подине под анодом.
10)Падение напряжения в подине не должно превышать 0,35в.
Оптимальное падение напряжения в подине возможно при содержании ее в чистом от осадков и коржей состоянии, при правильной форме рабочего пространства. Заниженное падение напряжения в подине свидетельствует о слабых бортовых настылях или полном их отсутствии, что отрицательно влияет как на выход по току, так и на срок службы электролизеров.
1.3 Обоснование технологических параметров
Технологические параметры выбираются исходя из влияния различных факторов на выход потоку.
Температура
При повышении температуры до оптимальной выход по току увеличивается. При достижении оптимальной температуры tопт выход по току будет максимальным и при дальнейшем увеличении температуры выход по току снижается.
Оптимальной температурой считается :
tопт = tпл + 15÷17°С
Увеличение температуры выше оптимальной приводит к увеличению растворимости алюминия в электролите и сгоранию его за счет окисления анодными газами и кислородом воздуха.
При уменьшении температуры ниже tопт увеличивается вязкость электролита, уменьшается разность плотностей металла и электролита. Из-за увеличения вязкости электролита, он хуже растворяет глинозем, и ванна зарастает осадком. Так же при уменьшении температуры ванна зарастает большими настылями, что ухудшает обслуживание электролизера.
Таким образом, температура является главным фактором, влияющим на выход по току. При повышении температуры на 10°С свыше оптимальной ηi уменьшается примерно на 3%. Не допускается работа на горячо или холодно идущих ваннах.
Плотность тока
В алюминиевом электролизере различают три вида плотностей тока:
А) dА – плотность тока в сечении анода.
Б) dК – плотность тока в сечении катода.
В) dЭ – плотность тока в сечении электролита.
Они находятся по формулам:
Где SА и SК – площади сечения анода и катода.
Плотность тока на аноде выбирается в зависимости от типа и мощности ванны и должна быть экономически выгодной. С увеличением плотности тока до оптимальной величины выход по току растет, а потери металла сохраняются на каком-то определенном уровне. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к увеличению температуры и увеличению потерь алюминия за счет его растворимости в электролите.
Снижение плотности тока не желательно т.к. увеличиваются размеры ванны и растут капитальные затраты на строительство электролизных корпусов. Для ванн до 100 Ка  =0,75-0,85 А/см3.
Катодная плотность тока влияет на выход однозначно: выше плотность тока, выше выход по току. С уменьшением зеркала металла, т.е. поверхности жидкого металла в ванне выход по току возрастает, т.к. поверхность контакта жидкого металла и электролита уменьшается, следовательно уменьшается растворимость металла в электролите.
Влияние меж полюсного расстояния(МПР)
МПР – это расстояние между подошвой анода и поверхностью жидкого металла в ванне. Оптимальным считается примерно 5 см. С уменьшением МПР увеличивается вероятность окисления алюминия на аноде. При очень малом МПР процесс электролиза прекращается и идет интенсивное горение металла. Такая ванна называется зажатой, в этом случае электролит перестает бурлить, а выход по току становится отрицательным. При этом необходимо поднять анод и добиться бурления электролита.
При большом МПР возрастает сопротивление электролита в меж полюсном зазоре и увеличивается приход тепла в ванну.
На практике МПР примерно 4см, при этом выход по току снижается незначительно, но существует возможность увеличения силы тока.
Уровень металла
Оказывает большое влияние на выход по току. Алюминий находясь в ванне в незавершенном производстве способствует отводу тепла из под центра анода и равномерному его распределению на падине, а так же снижает вредное воздействие электромагнитных полей. В ваннах с силой тока до 100кА их влияние очень заметно и приводит к снижению выхода по току.
Для электролизеров с самообжигающимся анодом средней мощности до 100кА уровень металла после выливки 32-34см, а для мощных 36-38см.
Повышение уровня металла свыше указанных параметров приводит к появлению осадков на подине, что усложняет процесс.
Уровень электролита
Оптимальный уровень электролита для ванн с самообжигающимся анодом составляет15-17см. При меньшем уровне часть глинозема не успевает раствориться и выпадает в осадок. На вспышках электролит быстро перегревается. При большем уровне электролита анод глубже погружен. Путь тока по электролиту увеличивается, тепла приходит больше, а теплоотдача хуже.
Состав электролита
Максимальный выход по току будет наблюдаться у электролита оптимального состава. Для большинства предприятий оптимальный состав различен и зависит от типа оборудования, типа питания ванн, от мощности и от наличия добавок.
Ориентировочно в электролите с криолитовым отношением 2,7 потери металла минимальны. Добавки несколько снижают потери металла.
Влияние формы рабочего пространства
В ванне на боковых стенках должен быть защитный горнисаж толщиной от 8 до 12 см и подовые настыли круто обрывающиеся под анод. Отсутствие настылей уменьшает катодную плотность тока и выход по току. Отсутствие защитного горнисажа создает утечки тока через боковую футеровку, приводит к ее разрушению и преждевременному выходу ванны из строя. Формирование горнисажей и настылей проводится во время обработки ванны.
1.4 Описание конструкции
Основными элементами электролизера являются: катодное устройство, анодное устройство, ошиновка и металлический грузонесущий каркас со смонтированным на нем механизмом перемещения анода, шторными укрытиями, бункерами для хранения глинозема и т.д.
Катодное устройство состоит из стального кожуха, футерованного внутри угольными подовыми блоками, боковыми плитами и огнеупорными теплоизоляционными кирпичами. В нижнюю часть подовых блоков перед их установкой в электролизер устанавливаются стальные стержни(блюмсы) которые заливают чугуном. Блюмсы служат для отвода тока от подины. Швы между подовыми блоками и периферийный шов набивают холодно набивной подовой массой. К катодной ошиновке подключаются с помощью пакетов гибких медных лент стальные блюмсы катодного устройства.
Анодное устройство электролизеров с боковым токоподводом состоит из анодной рамы с «перьями», подвешенной на винтовых домкратах к грузонесущему каркасу. В анодной раме по периметру ее устанавливается алюминиевая обечайка, в которой формируется анод. Анод подвешивается к анодной раме за нижний ряд штырей, которые лежат на сережках, вывешенных на нижних концах перьев рамы или при помощи клиновой подвески. По высоте анода расположены четыре или пять рядов штырей с таким расчетом, чтобы при забивке очередного ряда штырей они не попали в скоксовавшуюся часть анода. Токоведущими являются два нижних ряда штырей. Они подключаются к анодной ошиновке с помощью медных спусков. Анодные спуски подключаются к штырям с помощю клинового контакта.
Электролизеры с боковым токоподводом снабжены укрытием для сбора и эвакуации вредных веществ, Выделяющихся в процессе электролиза: укрытие монтируется на каркасе и имеет вверху газосборный колпак и шторы навивного или створчатого типа, закрывающие боковые и продольные стороны электролизера.
1.5 Обслуживание электролизеров
Обслуживание электролизеров включает в себя следующие операции:
- наблюдение за технологическим процессом;
- поддержание технологических параметров электролиза в заданных пределах;
пробивка корки электролита и загрузка сырья и материалов;
ликвидация анодных эффектов;
- переключение анодных спусков;
- извлечение и забивка штырей;
- перетяжка анодной рамы;
- наращивание алюминиевой обечайки;
- загрузка анодной массы;
- перетяжка анодной рамы;
- наращивание алюминиевой обечайки;
- загрузка анодной массы;
- выливка металла;
- устранение возможных нарушений технологического режима.
Наблюдение за технологическим процессом.
В течение смены обслуживающий персонал ведет наблюдение за работой каждого электролизера, поддерживает на электролизерах заданное рабочее напряжение, уровни металла, электролита и его состав, состояние анода, настылей, гарниссажей. осадков на подине, междуполюсного расстояния.
Нормальная работа электролизера должна характеризоваться следующими внешними признаками:
1. Огни, отведенные вблизи углов анода (два с каждой продольной стороны), должны выбиваться с силой из-под корки электролита и иметь фиолетово-голубой цвет.
2. Рабочее напряжение должно быть устойчивым, без частых колебаний.
3. Корка должна быть равномерной по толщине вокруг анода.
4. Электролит должен равномерно бурлить вокруг анода.
5. Угольная пена должна хорошо отделяться от электролита и выгорать.
6. Покраснения поверхности анода над расплавом должны отсутствовать.
7. Электролит, настывающий на ломике при кратковременном опускании его в расплав, должен иметь четко различимую линию границы металла с электролитом.
8. Застывшая проба электролита в изломе не должна содержать угольных частиц.
О нарушениях технологического режима обслуживающий персонал ставит в известность мастера смены и по его распоряжению принимает меры по их устранению. Обслуживающий персонал должен особое внимание уделять герметизации технологического оборудования и системы газоотсоса, оказывающих влияние на состояние воздушной среды в корпусах электролиза. Количество электролизеров, одновременно разгерметизированных в корпусе по различным причинам (обработка электролизеров, выливка металла, извлечение и забивка анодных штырей и т.п.) не должно превышать 15% от общего количества электролизеров. Администрация цеха (корпуса) должна постоянно следить за состоянием шторных укрытий и своевременно принимать меры по устранению неисправностей. При отключении электролизеров на капитальный ремонт газоочистные патрубки должны быть закрыты.
Обработка электролизеров и загрузка глинозема.
При обработке электролизеров пробивку криолитоглиноземной корки осуществляется самоходными пневматическими машинами. После пробивки корки на электролизере устанавливается нормальное рабочее напряжение (перемещением анода). При этом необходимо руководствоваться не только показанием вольтметра, но и наблюдать за работой анода (электролит должен равномерно бурлить вокруг анода).
На электролизерах, работающих в режиме периодического питания, обработка производится регламентировано 8 раз в сутки через каждые три часа и заключается в пробивке корки электролита всей продольной стороны с чередованием сторон. Торцы пробиваются не реже одного раза в двое суток с обязательной расчисткой угольной пены и кусков электролита: подошва и углы анода, прилегающие обрабатываемому торцу, продираются кочергой и скребком. Разовая загрузка глинозема около 120 кг. Не разрешается простой электролизера без обработки более чем 12 часов.
Пусковые электролизеры обрабатываются согласно инструкции по обжигу и пуску электролизеров и по указанию старшего мастера. На электролизерах с расстроенным технологическим ходом разрешается пробивка с продольных сторон и обоих торцов с уменьшенной загрузкой глинозема на корку электролита, уменьшение или увеличение числа обработок против принятого схемой, снятие угольной пены с поверхности электролита и так далее.
Перед обработкой электролизера электролизник обязан проверить на закрепленных электролизерах:
а)уровень металла и электролита:
г) величину и постоянство рабочего напряжения;
д) на всех электролизерах использовать информацию о режимных параметрах, полученных при приемке смены, записей на панели электролизера и визуальных наблюдений за состоянием технологического хода.
При обработке электролизера необходимо выполнить следующие операции :
- пробить криолитоглиноземную корку электролита, погружая ее в электролит и не допуская попадания кусков корки под анод;
- удалить из электролита куски спекшейся анодной массы и анода;
- при наличии скоплений угольной пены выгарнуть ее из-под углов анода и торца на середину продольной стороны;
- оплескать электролитом оголенную часть боковой поверхности анода во избежание выгорания «шеек»;
- подобрать с бортов электролизера горячий глинозем и оборот на поверхность электролита, после чего загрузить глинозем из бункеров. Простаивание электролизеров без загрузки глинозема на корке не допускается.
Во время обработки электролизера необходимо проверить работу анода (равномерное бурление электролита по периферии анода). В случае неравномерной работы электролизник обязан доложить мастеру и принять меры к устранению данного явления.
После окончания обработки и загрузки новой порции глинозема на электролизере отводятся «Огни» в корке электролита, по два с каждой продольной стороны, на расстоянии не ближе 10 см от анода. «Огни» на электролизере должны поддерживаться постоянно во избежание выгорания «шеек» на аноде и вытекания электролита через борт.
На табличке каждого электролизера в обязательном порядке должны отмечаться дата, смена и характер последнего анодного эффекта, общее их количество на данном электролизере с начала месяца, а также характер последней обработки электролизера, дата обработки торцов.
На электролизерах должна быть создана и постоянно поддерживаться прочная круто падающая бортовая настыль. Образование подовой настыли не допускается, с целью профилактики образовавшийся осадок ежедневно подтягивают к борту электролизера с помощью специального скребка. Контроль за чистотой подин и состоянием настылей осуществляется ежедневно электролизниками на закрепленных за звеном электролизерах и не реже одного раза в неделю - сменным мастером, 2-х раз в месяц - старшим мастером. Состояние чистоты подин по каждому электролизеру проверяется и регистрируется в технологическом журнале ежемесячно.
Устранение анодного эффекта.
Для устранения анодного эффекта необходимо :
- на электролизерах, питающихся способом пробивки криолитоглиноземной корки, произвести дополнительную внеочередную обработку в объеме не менее ½ продольной стороны, обработанной перед анодным эффектом;
- если после извлечения жерди вспышка возникает вновь, в электролизер добавляется глинозем и операция ее гашения повторяется. Для гашения анодного эффекта жердь вводится под анод кратковременно. Категорически запрещается оставлять деревянную жердь в расплаве после устранения анодного эффекта. При отсутствии жердей устранение анодного эффекта производится скребком или «шумовкой». Время ликвидации анодного эффекта - не более 2,0 минут.
Корректировка электролита.
Необходимый уровень электролита в электролизерах поддерживается загрузкой свежего, регенерированного криолита, оборотного твердого и жидкого электролита; для поддержания заданного состава могут использоваться добавки фтористого алюминия, фтористого натрия или соды, каустического магнезита, фтористого кальция.
Свежий криолит состоит из собственно криолита и фтористого алюминия, что позволяет использовать свежий криолит как добавку для корректировки электролита. Кусковой оборотный электролит загружается вдоль продольных сторон электролизера.
Свежий криолит, фтористый алюминий, регенерированный криолит, фтористый натрий, фтористый кальций, каустический магнезит загружаются после обработки электролизера по регламенту на поверхность электролита, предварительно присыпанную горячим глиноземом. Загрузка фтористого натрия целесообразна после анодного эффекта. При использовании соды она разбрасывается тонким слоем по поверхности электролита с соблюдение мер предосторожности (возможен выброс электролита в случае увлажненности соды).
Загруженные на присыпанную глиноземом корку электролита ровным слоем фторсоли укрываются затем полной дозой глинозема. Разовая загрузка фторсолей не должна превышать (40 - 90) кг. Максимальная загрузкафторсолей (120-150) кг (2 продольные стороны и торец).
Выливка металла.
Выливка металла из электролизеров производится по установленному графику. В особых случаях, в зависимости от состояния технологического хода электролизеров, график выливки может быть изменен старшим мастером серии.
При выливке металла попадание электролита в вакуум-ковш не допускается.
Напряжение при выливке металла не должно превышать нормальное более, чем на 0,2 В. После выливки металла рабочее напряжение устанавливается такое же, что и до выливки.
Отверстие в корке электролита для выливки металла пробивается между 2 и 3 штырями от угла анода со стороны вольтметра.
Уровень металла в электролизерах после выливки должен быть по вертикали при ежедневном графике выливки - не менее 28 см.
После выливки металла на электролизере проверяется положение углов анода и отсутствие перекоса анода. Соприкосновение углов анода с настылью не допускается.
Обслуживание анода.
Обслуживание анода включает в себя следующие операции: переключение анодных спусков с одного ряда штырей на другой, извлечение и забивка штырей, перетяжка анодной рамы, наращивание алюминиевого кожуха (обечайка), загрузка анодной массы.
Переключение анодных спусков производится при расстоянии от подошвы анода до 1-го ряда штырей (20 — 22) см. Анодные спуски переключаются в этом случае с 1-го ряда штырей на 3-й. Переключение спусков сводится к разборке, зачистке и сборке контакта «шинка - штырь». Особое внимание следует уделять зачистке и сборке, так как плохое качество контакта определяет дополнительные потери электроэнергии.
Неисправные анодные спуски ремонтируются и подключаются немедленно при и: обнаружении.
Извлечение анодных штырей нижнего ряда осуществляется при помощи специальных машинок. Перед извлечением штырей их освобождают от нагрузки веса анода. С этой целью анод подвешивают на временные тяги. Количество временных тяг для подвески анода -10 штук. Извлеченные из анода штыри правятся и отправляются на чистку.
После извлечения штырей осуществляется перетяжка анодной рамы на новый горизонт до тех пор, пока серьги не будут подняты под штыри второго ряда, и временные тяп не освободятся от веса анода. После этого временные тяги снимают. При операции перетяжки анодной рамы необходимо следить за равномерностью ее перемещения, не допуская перекосов и неравномерной нагрузки на анодные штыри. При невозможности тщательного подбора сережек под не подошедшие под штыри сережки должны быть подложены алюминиевые прокладки необходимой толщины.
После перетяжки рамы забивают верхний ряд штырей. Штыри в анод забивают под углом не менее 5° по отношению к горизонту. Оптимальный угол забивки штырей - (5 - 11)°. Длина не забитой части штыря должна быть - (240 - 250) мм.
Наращивание алюминиевой обечайки производится через 30 - 50 дней в зависимости от скорости сгорания анода, а также ширины алюминиевого листа, используемого для изготовления секций обечайки. Новую секцию устанавливают в обечайку так, чтобы шов перекрывался на (250 - 300) мм. Шов по всему периметру анода проклёпывается алюминиевыми заклепками.
Для создания качественного тела анода загрузка анодной массы должна производиться равномерно, 2 раза за период между перетяжками анодной рамы, но не позднее одних суток после нее. Разовая доза не более 2 брикетов весом (1 - 1,3) т каждый.
Загрузка производится так, чтобы слой жидкой анодной массы выдерживался в пределах (45±75) см. С целью получения анодов высокого качества и избежании расслоений поверхность расплавленной массы в анодах перед загрузкой очередных порций анодной массы тщательно очищается струей сжатого воздуха от пыли.
Корректировка жидкого слоя анодной массы производится добавками массы с большим или меньшим (по сравнению с рядовой) содержанием связующего, а при отсутствии такой массы - добавкой пека. Добавление в анод пека допускается только в исключительных случаях с разрешения начальника цеха или заместителя начальника цеха по производству.
1.6 Неполадки в работе ванн
Все электролизеры с расстроенным технологическим ходом отключаются от автоматического регулирования и обрабатываются под руководством мастера смены.
Основные нарушения технологического режима, возникающие в практике из-за неправильного обслуживания электролизеров:
- «зажатие» электролизера, т.е. замыкание части анода или непосредственно на «зеркало» металла (катод) при чрезмерном занижении межполюсного расстояния или через куски угля, скопление пены и насыщенный металлом осадок в межполюсном пространстве;
- образование «конуса» на подошве анода и отставание в сгорании углов анода; - «горячий ход» и работа «в бока», т.е. нарушение теплового равновесия электролизера;
- «холодный ход» и образование на подине под анодом осадка, настыли, «коржей»;
- «негаснущая вспышка», т.е. вспышка, возникшая из-за перенасыщения электролита глиноземом и увеличение его электросопротивления.
Если на электролизере обнаружено расстройство технологического режима, то необходимо немедленно выяснить его причины, т.е. характер технологического нарушения и принять меры по его ликвидации.
«Зажатие» электролизера, приводящее к снижению напряжения, «замиранию» анода и повышению температуры электролита ликвидируется увеличением междуполюсного расстояния за счет поднятия анода. Поднимать анод нужно до тех пор, пока не начнется бурление электролита вокруг анода. При этом напряжение на электролизере может повыситься до (6±7) В, а иногда и выше. По мере того как электролизер начнет улучшать ход, напряжение будет самопроизвольно снижаться, а электролит охлаждаться. Если при снижении напряжения ухудшается бурление электролита, то анод нужно снова поднять. Необходимо снизить температуру электролита. Это достигается за счет загрузки криолита на поверхность электролита и переплавки твердого алюминия.
Для ликвидации «зажатия», вызванного замыканием через куски угля, скопление пены и так далее, необходимо поднять анод до бурления электролита и очистить междуполюсное пространство с помощью кочерги и скребка, вскрыв для этого корку электролита в местах. где электролизер «желтит» или при необходимости полностью. Куски корки электролита не должны попадать под анод.
Угольную пену необходимо снять, загрузку глинозема уменьшить. Напряжение постепенно снизить до нормального.
«Конус» на подошве и отставание в сгорании углов анода образуются в результате длительного скопления угольной пены или осадка под анодом, т.е. вследствие «зажатия» электролизера или низкой электропроводности в этом месте анода.
«Конус» и отставание в сгорании углов анода приводят к «горячему ходу» электролизера.
На таком электролизере необходимо: против места образования конуса или в углах вскрыть корку, не опуская ее в электролит, возможно больше поднять анод; сбить «конус» или отставшие углы с помощью специальных ломов, тщательно продрать подошву анода скребками, очистить междуполюсное пространство, снять пену, засыпать уменьшенную порцию глинозема на корку и постепенно снизить напряжение до нормального.
Если «конус» срубить не удается, то электролизер оставляют работать на завышенном MПP при напряжении (5-6) В для сжигания «конуса» и обрабатывают его, как «горячо идущий».
«Конус» систематически продирают кочергой или скребком. В исключительных случаях, когда длительное время не удается восстановить нормальный технологический режим, с разрешения заместителя начальника цеха по производству электролизер временно отключают от токовой нагрузки, поднимается анод из электролита и срубается «конус».
Работа производится под руководством старшего мастера серии.
«Горячо» работающий электролизер исключается из общего графика обработки и обрабатывается по указанию старшего мастера серии или мастера смены. «Горячий ход», как правило, следствие «зажатия» электролизера, образования «конуса» на подошве анода, отставания в сгорании углов анода, образования «коржей» и осадка на подине, а также работы на завышенном напряжении из-за неверного показания вольтметра. Порядок обработки «горячо» идущего электролизера:
- тщательно снимают глинозем с корки электролита, полностью или частично вскрывают корку и снимают пену ;
- проверяют пространство под анодом, выявляют причину «горячего хода» и устраняют ее;
- тщательно очищают междуполюсное пространство, не допуская замешивания осадка в электролите, во избежание возникновения «негаснущей» вспышки;
- обрубают гарниссаж и места его оплавления запиковывают оборотным электролитом;
- на образовавшуюся корку дают небольшую загрузку глинозема;
- если «горячий ход» электролизера вызван наличием на подине электролизера “коржей”, то необходимо повысить уровень электролита, уменьшить до минимума загрузку глинозема, повысить криолитовое отношение электролита и удалить «коржи».
Если на «горячем» электролизере науглерожен электролит, то производят частичную или полную его замену, во избежание карбидообразования («грибов»), путем его отливки и добавки свежего порошкового криолита или заливки чистого электролита из другого электролизера.
Частоту обработок «горячего» электролизера необходимо увеличить, до минимума снизить загрузку глинозема, если надо, увеличить или уменьшить «зеркало» металла, контролировать и восстанавливать боковой гарниссаж путем запиковки оборотным электролитом. «Горячий» электролизер, как правило, обрабатывается кругом. Порядок такой обработки сохраняется до тех пор, пока электролизер не даст нормальную вспышку.
«Холодный ход» электролизера возникает вследствие недостаточного прихода тепла или недостаточного перегрева электролита по сравнению с температурой его кристаллизации, в связи с изменением состава электролита.
На «холодно» идущем электролизере следует на (0,1в - 0,2в) В поднять напряжение, уменьшить частоту обработки, тщательно отгребать глинозем с корки электролита при обработке. Снизить постепенно уровень металла и повысить криолитовое отношение к установленному инструкцией. Увеличить загрузку глинозема на корку электролита с целью утепления электролизера. Если на подине большой осадок и настыль, следует после разогрева электролизера осторожно очистить от них подину, избегая замешивания осадка в электролите.
Порядок ликвидации «негаснущей» вспышки:
- снять с корки электролита глинозем, возможно выше поднять анод, вскрыть
и снять корку с обеих сторон электролизера, при «кислом» электролите добавить фтористый натрий или соду для увеличения криолитового отношения электролита;
- охлаждать и освежать электролит путем непрерывной подсыпки свежего криолита равномерно вокруг анода;
- места с сильным движением расплава у борта электролизера закладывать крупными кусками оборотного электролита;
- отливать перенасыщенный глиноземом электролит;
- для охлаждения электролизера использовать также оборотный электролит, хорошо просеянную угольную пену и твердый металл;
- гашение «негаснущей» вспышки обычным методом запрещается;
- при ликвидации «негаснущей» вспышки необходимо все работы выполнять быстро, действовать исходя из конкретно сложившейся обстановки по указанию мастера смены или старшего мастера серии.
В случае, если указанным порядком вспышку не удается погасить, и на электролизере создается аварийное положение, в виде исключения, мастер смены с разрешения диспетчера завода и старшего мастера на (5-10) минут может отключить серию от токовой нагрузки Для ликвидации «негаснущей» вспышки.
После ликвидации вспышки напряжение постоянно, с учетом хода электролизера, снижается до нормального, и устанавливается нормальный режим обработки. При необходимости в электролизере плавится металл. После установления нормального режима на электролизере, как правило, чистится подина.
Прорыв металла и электролита на электролизере.
Признаки нарушения:
Быстрое падение уровня, повышение напряжения до вспышечного, оголение погруженной части анода, появление дыма и газов из-под рифления и вокруг ванны.
Причины, вызывающие нарушения – не однократный горячий ход электролизера. Работа ванны «в бока». Изношенное состояние футеровки или подины.
Способы ликвидации нарушения:
Быстро прорубить корку над местом вытекания расплава и забить дырку либо оборотным кусковым электролитом с добавкой окиси магния, либо глиноземом или магнезитом. Если авария носит серьезный характер, электролит и металл очень быстро уходит из ванны, опустить анод до замыкания с металлом или подиной, чтобы не разорвать цепь серии. Защитить катодную ошиновку от расплавления. Если опускание анода не поспевает за убылью металла и электролита, необходимо отключить серию. Серию подключить снова, когда анод будет поставлен на подину или металл. Место прорыва забить подовой массой, затем в ванну залить электролит, анод поднять до нормального напряжения.
Прорыв жидкой анодной массы из анода.
Признаки нарушения:
Вытекания жидкой анодной массы на поверхности корки электролита, попадание ее в электролит, протекание через борт ванны на рифленки, в шинные каналы и на асфальтовое покрытие пола.
Причины, вызывающие нарушения:
Неосторожная забивка анодного штыря, забивка анодных штырей, подлежащих отбраковке, некачественная подготовка алюминиевой обечайки, разрыв обечайки при перетяжке рамы, отслоение обечайки от конуса спекания при перетяжке анодной рамы.
Способы ликвидации нарушения:
Забивка места вытекания массы «кляпом» из бумаги или ткани, перекапывание поверхности анода напротив места вытекания, недопущение попадания массы на оголенную поверхность электролита, подсыпка глиноземом рифленок и асфальтового пола для предотвращения прочного прилипания массы к их поверхности при остывании. При ликвидации прорыва тщательная очистка корки и электролита от попавшей анодной массы, постоянное наблюдение за местом ухода массы.
В алюминиевых электролизерах допускается переплавка твердого алюминия в виде бракованных и недолитых чушек, обрезков слитков, заготовок и отходов производства катанки, проката, прессованной стружки и фольги, сплавов и съемов из ковшей и миксеров, проливов, шлаков из литейного отделения, а также «пушонки» и «козлов». Переплавка других видов твердого алюминия, в частности бракованных изделий, имеющих полости и каналы, не разрешается.
Материалы перед загрузкой в электролизер должны быть хорошо просушены и прогреты на борту электролизера или на корке электролита не менее 6 часов; «козлы» перед опусканием в расплав должны быть прогреты на борту электролизера или на корке электролита не менее 12 часов; «пушонка» в начале подсушивается тонким слоем на перекрытии шинных каналов в течение суток, а затем прогревается на корке электролита не менее 16 часов.
В послепусковой период работы электролизеров запрещается плавить «козлы» и «пущенку».
Переплавка твердого алюминия в электролизерах производится в следующих случаях:
- в послепусковой период работы электролизеров при снижении рабочего напряжения. Для ускорения вывода электролизеров на сортность переплавляемый твердый металл должен быть не ниже марки А5;
- на нормально работающих ваннах для восполнения металла, отобранного для заливки в пусковые электролизеры;
- при обслуживании электролизеров с нарушенным технологическим режимом («зажатие» электролизера, «горячий» ход, негаснущая «вспышка») для охлаждения электролизера и снижения температуры электролита.
1.7 Вопросы БЖД
Мероприятия ПО БЖД.
- Планировка предприятия и основных цехов
- Создание безопасных условий труда начинается на стадии планирования предприятия, цеха. План разрабатывается согласно СН 245-71 (СНиП по проектированию генпланов цветной металлургии)
- Санитарно - защитная зона для предприятия алюминиевой промышленности не менее - 1000 метров относительно жилой зоны, располагать предприятие следует с подветренной стороны. Компоновка производственных зданий, объёмно - планировочные решения должныудовлетворять требованиям СН 245- 71 и СНиП
- Санитарно-гигиенические требования к воздушной среде. Процесс воздействия метеоусловий на организм человека, тесно связан с процессами терморегуляции организма. Потери тепла человеком происходят в следствии затрат энергии на выполняемую работу и зависят влажности воздуха, скорости его перемещения на рабочем месте, состава воздуха и содержание в нем вредных примесей. Согласно ГОСТ 12.1.005 -88, оптимальная температура воздуха в рабочей зоне, в холодный и переходное время года должна быть при относительной влажности воздуха 40-60, температура 18-21°С, скорость ветра 0.5м/сек, для летнего периода: не должна превышать на 5°С наружную. Для нормализации метеоусловий применяется естественная вентиляция (аэрация) и вытяжная Предельно допустимые концентрации в рабочей зоне согласно СН 245 -71
Электробезопасность.
Размещение, устройство и эксплуатация электродвигателей, электрических сетей пускорегулирующей, контрольно - измерительной и защитной аппаратуры, средств контроля автоматизации и связи должны соответствовать требованиям "Правил устройства электроустановок" (ПУЭ), "Правил технической эксплуатации и Правил техники безопасности приэксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭ и ПТБ), ГОСТ12.2.007-75, общим и отраслевым правилам техники безопасности.
При проектировании и строительстве корпусов электролиза предусматривается электроизоляция их внутренних стен на высоту не менее трёх метров, колонн на высоту не менее 3,5 м от уровня рабочих площадок, фундаментов и опорных конструкций электролизёров, подземных каналов и междуэтажных перекрытий. Сопротивление изоляции должно быть не менее 0,5 мОм.
Конструкция фрамуг и створок фонарей должна исключать попадания внутри цехов атмосферных осадков. Течи воды в корпуса должны немедленно устраняться
Подземные тоннели для шинопроводов от преобразовательной подстанции к корпусам электролиза должны быть защищены от проникновения ливневых, грунтовых и талых вод, вентилироваться и быть сухими. Пересечение тоннелей трубопроводами запрещается. Металлические крышки люков подземных газоходов и напольные вентиляционные решетки в корпусах электролиза должны устанавливаться на электроизоляционное основание.
Питание электрооборудования переменного тока, работающего в корпусах электролиза (за исключением кранов и осветительных сетей, расположенных выше 3-х метров от площадок обслуживания электролизёров) и расположенного ближе 6 м от шинопровода постоянного тока и выступающих частей электролизёра, должно осуществляться через разделительные трансформаторы, к одному подключается 15 электродвигателей. Заземление указанного оборудования запрещается.
Корпуса электродвигателей электролизёров должны быть соединены заземляющими проводами с подставками на которые они установлены. Шкафы пусковой аппаратуры должны быть изолированы от строительных конструкций корпусов и пола.
Металлические трубопроводы, защитные трубы и короба должны иметь электроизоляционные вставки на входе и выходе из корпуса, в местах отводов сетей к электролизёрам и подсоединения к ним. Также должны иметь две ступени электроизоляции от стройконструкции корпуса электролиза
Гибкие шланги для подвода сжатого воздуха на рабочие места не должны иметь металлической арматуры
Крановые пути в корпусах должны быть заземлены. С учётом эксплутационных условий машин и кранов, работающих в цехах производства алюминия, все части машины, которые могут входить в контакт с электролизёром, должны быть оснащены трёхступенчатой электроизоляцией, по отношению к подкрановому пути. Аналогично изолирована кабина крановщика
Кожухи электролизёров и внутрицеховые шинопроводы должны быть электроизолированы от земли и строительных конструкций корпуса не менее чем двумя ступенями изоляции
Трубопроводы должны быть заземлены через 45 метров
Обслуживающему персоналу запрещается:
- прикасаться к проводам и токоведущим частям, производить работы по устранению неисправностей в электропроводке, электрооборудовании, электроаппаратуре;
- проходить под балкой - коллектора в торцах электролизёров;
- касаться во время работы металлических частей электролизёра, ошиновки, сетчатых ограждений;
- передавать металлические предметы из рук в руки с нулевой отметки на отметку +4.0м;
- работать в сырой спецодежде и валенках, с неисправной и сырой подошвой
Рациональное освещение.
Согласно СН245-71 нормальное освещение рабочих мест осуществляется как естественным, так и искусственным освещением.
Нормальное значение коэффициента естественного освещения (КЕО) приводится в СниП 11—4-79 (10м2 на 1м2пола, площади окна) совместноеосвещение в соответствии с СниП 2-4—79 и "Отраслевыми нормами искусственного освещения основных цехов алюминиевого производства". Освещённость электролизного цеха должна соответствовать 200Лк. Освещённость рабочих мест и поверхностей вне здания устанавливается от 5 до ЗОЛк 11-98-81, СН 11-80
Защита от шума.
Наиболее опасны шумы средней (300-800 Гц) и высокочастотные (более 800Гц), узкополосные и импульсные
Мероприятия по борьбе с шумом:
- применение механических процессоров, уровни шума которых не превышают допустимых величин;
- уменьшение шума в источнике его возникновения;
- звукоизоляция ограждённых устройств и мест пересечения их с инженерными коммуникациями;
- применение дистанционного управления;
- применение звукоизоляционных экранов;
- правильная организация труда и отдыха Нормирование шума по ГОСТ 12.1.003-83, СН 245-71, предельно допустимое значение 85 Дб.
Защита от вибрации.
Особо опасные вибрации с частотой резонансной телу или органам(6-8Гц)
Мероприятия по борьбе с вибрацией:
- не допускать действия вибрации в течение больше 50-60% рабочего времени;
- использование динамических гасителей вибрации; амортизация рабочих мест и конструкций машин; правильная организация труда и отдыха
Техника безопасности.
При эксплуатации электролизеров обслуживающий персонал работает с электролитом и металлом имеющие температуру выше 9500С, поэтому во избежании ожогов должны применятся меры по предупреждению разбрызгивания и выбросу электролита и металла. С этой целью в производстве должен использоваться только подогретый и сухой инструмент, загружать в электролизер сухое, подогретое сырье. Обслуживающий персонал должен пользоваться соответствующей одеждой (спецодеждой) и защитными приспособлениями.
В электролизных корпусах существует опасность поражения обслуживающего персонала электрическим током, так как конструкция электролизеров имеет потенциал относительно земли до 850 В. Следует помнить, что источником потенциала “ земля ” в электролизных корпусах могут быть: влага, оголенная арматура строительных конструкций, металлические предметы и сырье, находящееся у стен корпусов, машинками сжатого воздуха. В целях предупреждения поражения электрическим током необходимо своевременно выявить и устранить опасные потенциалы и выполнять требования инструкций по
охране труда. Не допускать загромождение проходов. Обслуживающий персонал должен знать, что спецодежда (валенки, рукавицы) не являются защитой от электропоражения.
При обслуживании электролизеров не исключена возможность обрыва анода, что сопровождается выбросом электролита, поэтому необходимо строго выполнять все операции и соблюдать технологические параметры работы электролизеров по инструкции, а также меры предосторожности, оговоренные инструкцией по охране труда.
С целью обеспечения санитарных норм необходимо:
- работать в спецодежде, применяя средства индивидуальной защиты органов дыхания, лица и глаз;
- следить за герметичностью оборудования и работой газоотсоса;
- не допускать попадание солей внутрь организма;
- соблюдать правила личной гигиены;
При получении травмы необходимо пострадавшему оказать первую помощь согласно общей инструкции по безопасности труда для всех работающих на заводе.
Наиболее вероятной аварией в электролизном цехе может быть прорыв металла и электролита через футеровку ванн, а также, особенно в пусковом периоде. В случае аварии действие обслуживающего персонала определяются типом ликвидации аварий, который разработан для каждого корпуса.
Не допускается нахождение посторонних лиц в электролизном корпусе. Все операции по обслуживанию электролизеров производятся в соответствии с требованиями технологической инструкции.
2. Расчетная часть
2.1 Конструктивный расчет
Конструктивный расчет выполняется для определения размеров конструктивных элементов ванн, для этого необходимы следующие показатели: сила тока на ванне, анодная плотность тока. Анодную плотность тока принимаем 0,78 А/см2
На основании этих данных определяем размеры анода.
 ,
где:
I – сила тока, А
dA – плотность тока, А/см2
ВА – ширина анодного массива принимаем 210 см, тогда длина анодного массива будет:
НА – высота анодного массива:
НА= hконуса спекания + hжидкой части = 135 + 45 =180 см
Размеры шахты ванны.
Внутренние размеры шахты ванны определяются исходя из размеров анодного массива и расстояния до боковой футеровки, которое составляет: по продольной стороне 55см, а по торцевой 50см.
Ширина шахты – ВШ
ВШ = ВА + 2 · 55 = 210 + 110= 320 см
Длина шахты – LШ
LШ = LАМ + 2 · 50 = 451,77 + 100 = 551,77 см
Глубина шахты – НШ
НШ = hМЕ + hЭЛ = 30 + 20 =50 см
Конструкция подины.
Число блоков.
В настоящее время длина катодных блоков 60 – 220 см, шириной 55 см, высотой 40 см, ширина угольной засыпки 4 см. Отсюда число катодных блоков в ряду будет равно:
а - размер набоечного шва в торцах
b - Размер набоечного шва по продольным сторонам
 ,
где L1 и L2 длина катодных блоков, см
Внутренние размеры катодного кожуха.
Определяются размерами шахты ванны с учетом теплоизоляции
Длина катодного кожуха LКОЖ.
LКОЖ. = LШ + 2(20 + hТЕПЛ) = 551,77 + 2(20 + 8) = 607,77 см
Ширина катодного кожуха ВКОЖ.
ВКОЖ. = ВШ + 2(20+8) = 320 + 56 = 376 см
Высота кожуха НКОЖ.
НКОЖ. = НШ + НБ + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см
Наружные размеры катодного кожуха
Наружная длина LКОЖ.Н.
LКОЖ.Н. = LКОЖ. + (2 · 40) = 607,77 + 80 = 687,77 см
Наружная ширина кожуха ВКОЖ.Н.
ВКОЖ.Н. = ВКОЖ. + (2 · 40) = 376 + 80 = 456 см
2.2 Материальный расчет
Проводится для определения производительности электролизера и расхода сырья на производство алюминия. Исходными данными является сила тока, выход по току и расходные нормы по сырьевым материалам и анодной массе.
ηi – выход по току, принимаем 0,9
I – сила тока 74000 А
Расходные нормы:
AI2O3 – 1,92 – 1,93 т/т AI - Рг
Анодная масса – 0,5 т/т AI - Ра
Фторсоли 0,057 т/т AI - Рф
Приходная часть
Производительность электролизера определяется по формуле
Р AI = С · I · ηi · 10-3,
где С – электрохимический эквивалент, 0,336 г/А·ч
Р AI = 0,336 · 74000 · 0,9 · 0,001 = 22,38 кг/ч
Определяем приход материалов в ванну
Р AI2O3 = Р AI · Рг = 22,38 · 1,92 = 42,97 кг
РАНОД = Р AI · Ра = 22,38 · 0,5 = 11,19 кг
РФТОР = Р AI · РФ = 22,38 · 0,057 = 1, 27 кг
Расходная часть.
Анодные газы
Количество СО и СО2.
NСО и NСО2 – мольные доли СО и СО2 в анодных газах, NСО – 0,4, а NСО2 – 0,6.
Весовое количество СО и СО2
РСО2 = МСО2 · 44 = 0,465 · 44 = 20,46 кг
РСО = МСО · 28 = 0,31 · 28 = 8,68 кг
Потери глинозема ΔР AI2O3.
ПAIп,т – практический и теоретический расход глинозема, т/т AI
ΔР AI2O3 = Р AI (ПAIп – ПAIт) = 22,38 (1,92 – 1,89) = 0,671 кг
Потери фторсолей ΔРФТОР.
ΔРФТОР = РФТОР = 1,27 кг
Потери углерода
РС = (МСО + МСО2) · 12 = (0,31 + 0,465) = 9,3 кг
ΔРС = РАНОД – РС = 11,19 – 9,3 = 1,89 кг
Таблица материального баланса.
2.3 Электрический расчет
Цель : определение конструктивных размеров ошиновки, определение падения напряжения на всех участках цепи, составление баланса напряжений. Определение рабочего греющего и среднего напряжения. Определение выхода по энергии и удельного расхода по электроэнергии.
dAI = 0,415 A/мм2 = 41,5 A/см2
dCu = 0,7 A/мм2 = 70 A/см2
dFe = 0,18 A/мм2 = 18 A/см2
Определяем падение напряжения в анодном устройстве.
Падение напряжения в стояках.
 ,
где:
I – сила тока, А
ρt – удельное сопротивление проводника, Ом · см
а – длина участка шинопровода, см
SОб – общее сечение проводника, см2
SЭК –экономически выгодное сечение стояка, см2
nШ – число алюминиевых шин, шт
 ,
где:
SПР – практическое сечение одной шины, см2
SОб – общее сечение стояка, см2
SОб = nШ · SПР = 8 · (43 · 6,5) = 2236 см2
ρt AI – удельное сопротивление алюминиевых шин
ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10-6 Ом · см ,
где t из практических данных 60 ° С
ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10-6 = 3,44 · 10-6 Ом · см
a – из практических данных 265 см
Определяем падение напряжения в анодных шинах.
Общее сечение анодных шин
SОб= SОб ст = nШ · SПР = 8 · (43 · 6,5) = 2236 см2
Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ° С
ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10-6 = 3,65 · 10-6 Ом · см
Длина анодных шин принимается равная длине кожуха + 100 см
LА.Ш. = LКОЖ + 100см = 607,77 + 100 = 707,77 см
Падение напряжения в анодных шинах
Определяем количество рабочих штырей
 ,
где:
2 – количество рабочих рядов, шт
Р – периметр анода, см
Р = 2 · (LА + ВА) = 2 · (210 + 451,77) = 1323,54 см
Определяем среднее сечение штыря
Определяем средний диаметр штыря
Длина штыря 105см
Определяем падение напряжения в анодных спусках.
Удельное сопротивление анодных спусков при t = 150 ° С
ρt Cu = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,9 · 10-6 Ом · см
Сечение анодных спусков
При длине анодных спусков 210 см определяем падение напряжения
Определяем количество медных шинок приходящихся на 1 штырь, если сечение одной шинки 1см2
Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде.
Определяется по формуле
Где:
ВА – ширина анода, см
SА – площадь анода, см2
К- количество штырей, шт
lСР – среднее расстояние от токоведущих штырей до подошвы анода - 45см
ρt – удельное электро сопротивление анода 0,007 Ом · см
dА – анодная плотность тока – 0,78 А/см2
D – длина забитой части штыря – 85 см
Определяем падение напряжения в контактах анодного узла.
Принимается по практическим данным:
Анодная шина – анодный стояк
Анодный стояк – катодная шина
Анодная шина – анодный спуск
Принимаем по 0,005 в на каждом участке, тогда
ΔUКОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 в
В контакте шинка – штырь 0,007 в, тогда общее падение напряжения в контактах составляет
ΔUКОНТ АН. = 0,022 в
Падение напряжений в анодном устройстве определяется суммой всех падений напряжения в аноде.
ΔUАН УСТР = ΔUСТ + ΔUА. Ш. + ΔUА. СП. + ΔUА + ΔUКОНТ АН = =0,03 + 0,085 + 0,043 + 0,255 + 0,022 = 0,435 в
Падение напряжения в электролите.
Рассчитывается по формуле
 ,
где:
I – сила тока 74000 А
ρt – удельное сопротивление электролита 0,5 Ом · см
l – межполюсное расстояние 4-5 см
SА – площадь анода, см2
LА – длина анода 451,77 см
ВА – ширина анода 210 см
Падение напряжения в катодном устройстве.
Падение напряжения в подине.
где lПР – приведенная длина пути тока по блоку
 ,
где:
Н - высота катодного блока 40 см
h - высота катодного стержня с учетом чугунной заливки 13 см
в - ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки 26см
ρt – удельное электро сопротивление угольного блока 0,005 Ом · см
А – половина ширины шахты 320 : 2 = 160 см
а – ширина бортовой настыли в шахте ванны 40-60 см
В – ширина блока с учетом шва 59 см
SСТ – площадь поперечного сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки 338 см2
dА – 0,78 А/мм2
Падение напряжения в стержнях не заделанных в подину.
где :
L – длина стержня 50 см
S – суммарная площадь поперечных сечений катодных стержней
S = 23 · 11,5 · 18 = 4761 см2
ρFe – удельное сопротивление стержней при t = 150 ° С
ρt = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,08 · 10-5 Ом · см
Падение напряжения в катодных спусках.
где:
L – длина спусков 60 см
ρСu – удельное сопротивление катодных спусков при t = 150 ° С
ρt = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,912 · 10-6 Ом · см
SЭ.В. - экономически выгодная площадь поперечного сечения спусков
Число лент в пакете катодных спусков приходящихся на 1 штырь
Площадь поперечного сечения лент
Падение напряжения
Падение напряжения в катодных шинах.
где:
ρAI - удельное сопротивление АI шин при t = 150 ° С
ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10-6 = 4,396 · 10-6 Ом · см
L - длина катодных шин
L = LK + 100 см = 607,77 + 100 = 707,77 см
SК.Ш. – площадь сечения катодных шин
Площадь сечения 1-ой шины 43 · 6,5 = 279,5 см2
Количество шин
S – экономически выгодная площадь сечения катодных шин
S = 279,5 · 8 = 2380 см2
Падение напряжения
Падение напряжения в контактах.
1) Катодный стержень – спуск.
2) Спуск – катодная шина.
Составляют по 0,005 в на каждом участке, поэтому в сумме 0,01 в.
Падение напряжения в катодном устройстве.
Определяется как сумма всех потерь
Падение напряжения за счет анодных эффектов.
где:
UА.Э. – напряжение анодного эффекта до 40 в
К – количество анодных эффектов в сутки 1 шт
UРАБ – принимаем 4,25 в
τ – продолжительность анодного эффекта, принимаем 2 мин.
Греющее напряжение.
ΔUГР = ΔUА + ΔUПОД + ΔUЭЛ + ΔUАЭ +UРАЗЛ= 0,255 +0,32 + 1,6+ + 0,0496 + 1,65 = 3,8746 в
Рабочее напряжение.
ΔUРАБ = ΔUЭЛ + UРАЗЛ + ΔUКАТ. УСТР.+ ΔUАН. УСТР.+ +ΔUОБЩЕСЕР. == 1,6 + 1,65 + 0,461 + 0,435 + 0,05 = 4,196 в
Среднее напряжение.
ΔUСР = ΔUРАБ + ΔUА.Э.
где ΔUОБЩЕСЕР – падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05в
ΔUРАБ = 4,196 + 0,0496 = 4,2456 в
Данные из расчета сводим в таблицу
Определяем основные показатели.
Выход по энергии
где :
ηi – выход по току, принимаем 0,9
с – электрохимический эквивалент 0,336 г/А·ч
Удельный расход электроэнергии
2.4 Тепловой расчет
Данный расчет составляется для t = 25 ° С. При выполнении данного расчета учитывается уравнение теплового баланса.
QЭЛ + QСГОР. АНОДА = QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ + QПОТ
Приход.
Тепло от электроэнергии.
I – сила тока 74 кА
UГР – напряжение греющее 3,87 в
QЭЛ = 3,6 · 103 · I · UГР = 3,6 · 103 · 74 · 3,87 =1030968 кДж/ч
Тепло от сгорания анода.
QСГОР. АНОДА = PCO · ΔНCO + PCO2 · ΔНCO2
где: ΔНСО2 и ΔНСО - тепловой эффект образования реакции СО2 и СО.
По справочнику:
ΔНсо2 = 394070 кДж./кМоль
ΔНсо = 110616 кДж.кМоль
PCO и PCO2 количества СО иСО2 в кило молях
где: m – объемная доля СО2 в анодных газах, принимаем 0,6 или 60%
QСГОР. АНОДА = 0,310 · 110616 + 0,466 · 394070 =
= 34290,96 + 183636,62 = 217927,58 кДж/ч
Суммарный приход тепла.
QПРИХ = QСГОР. АНОДА + QЭЛ = 217927,58 + 1030968 = 1248895,58 кДж/ч
Расход тепла
На разложение глинозема.
QРАЗЛ = РАI2О3 · НТАL2О3
где : НТАI2О3 - тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25 ˚С.
По справочнику:
НТАI2О3 = 1676000 кДж./кМоль
РАI2О3 - расход глинозема на электрическое разложение
где: F – число Фарадея 26,8 А·ч
QРАЗЛ = 0,4 · 1676000 = 670400 кДж/ч
С выливкой металла.
Определяется из условия равенства вылитого AI и наработанного за то же время
QМЕТ = РAI · (ΔН960 - ΔН25)
где :
27 - атомная масса алюминия
ΔН960 - теплосодержание алюминия при температуре 960 ˚С – 43982 кДж/моль
ΔН25 - теплосодержание алюминия при температуре 20 ˚С – 6716 кДж/моль
QМЕТ = 0,82 · (43982 - 6716) = 30513,84 кДж/ч
Унос тепла с газами.
QГАЗ = V · C · (t2 – t1)
где:
V – объем газов, принимаем 7600 м3/ч
С – теплоемкость анодных газов 1,4 кДж/м3·°С
t1, t2 – температура газов 25 °С, 50 °С
QГАЗ = 7600 · 1,4 · (50 - 25) = 266000 кДж/ч
2.4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера.
QПОТ = QПРИХ – (QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ) = 1248895,58 + (670400 + +30513,84 + 266000) = 281981,74 кДж/ч
2.5 Расчет числа электролизеров в серии
Число работающих электролизеров определяется UСР и UПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. Для серии электролизеров выпрямительный агрегат имеет U = 850 в. Учитываются потери напряжения в шинопроводах подстанции, принимаем 1%. Резерв напряжения при снижении I при анодном эффекте принимаем 40 в. Резерв напряжения для компенсации колебаний напряжения во внешней электросети 1%. При этом напряжение серии составит:
UСЕРИИ = 850 – (8,5 + 40 + 8,5) = 793 в
Число работающих электролизеров
Число резервных электролизеров
Производительность серии в год
Р = I · 8760 · 0,336 · nРАБ · ηi · 10-6 = 74000 · 8760 · 0,336 · 180 · 0,9 · 10--6 = 35285 т/год
Библиография
1. «Металлургия алюминия» И.А. Троицкий, В.А. Железнов.
2. «Производство алюминия» В.Г. Терентьев и др.
|
