Основоположниками электрического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США.
23 апреля 1886 года Поль Эру и 9 июля того же года Чарльз Холл заявили, независимо друг от друга аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Эти даты следует считать началом возникновения алюминиевой промышленности. В последующие годы электролитическое производства алюминия стало развиваться чрезвычайно интенсивно.
К началу текущего столетия производство алюминия существовало в шести странах: Швейцарии, Франции, США, Германии, Англии и Австрии. В настоящее время производство алюминия осуществляется на более ста электролизных и глиноземных заводов мира.
Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире, как по объемам производства, так и по технической оснащенности. В августе 1929 года правительство приняло решение о строительстве первых в СССР алюминиевых заводов.
Наибольшее развитие, алюминиевая промышленность, получила с вводом в действие мощных алюминиевых заводов, оборудованными электролизерами с верхним токоотводом и, особенно, таких гигантов цветной металлургии как Братский и Красноярский алюминиевые заводы. На базе электроэнергии гидроэлектростанций рек Сибири и Волги были пущены заводы: Волгоградский (1959г.), Иркутский (1962г.), Красноярский (1964г.), Братский (1966г.) и д.р.
В настоящее время существенно изменяется технологическая оснащенность алюминиевых заводов, характерны не только высокие темпы роста производства металла, но и стремление к максимальной механизации трудоемких процессов улавливанию и регенерации солей, фтора, перехода от выпуска чушкового металла к производству полуфабрикатов, широкому использованию систем управления, максимальной рационализации процесса электролизера.
Технологическое перевооружение алюминиевых заводов выдвигает их в число наиболее совершенных в мировой алюминиевой промышленности.
1. Технологическая часть
Электролиз алюминия является материалоемким процессом. В качестве основного сырья для производства алюминия используется глинозем. Глинозем должен быть чистым, содержать минимальное количество влаги, хорошо растворяться в электролите, не давать осадков в электролизере на подине и иметь низкую степень пыления.
Основной средой, в которой протекает процесс электролиза, является электролит. Основными компонентами является криолит (Na3 Al F6), фтористый алюминий (Al F3) и глинозем (Al2 О3). Электролит промышленных электролизеров отличается от криолита некоторым избытком фтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношением электролита (к.о.), молекулярным отношением NaF:Al F3.
Помимо основных компонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующихся за счет примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава СаF2, MgF2, NaCe, LiF.
Для чистого криолита к.о. = 3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащие избыток NaF и к.о. > 3 - называются щелочными, а электролиты, имеющие избыток AI F3 и к.о. < 3 называются кислотными.
На практике к.о. электролитов поддерживается 2,6 - 2,8. Это обеспечивается избытком NaF в электролите в количестве 2,5 - 5%. На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами, электролиты еще более кислые - к.о. поддерживают 2,2 - 2,4.
Состав электролита
Na3 Al F6 (криолит) 70 - 90%;
Al2 О3 (оксид алюминия) 1 - 10%;
СаF2, MgF2 от 6 - 9%.
Процесс электролиза алюминия проводят при t0 955 - 9650C.
Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся:
Сила тока - устанавливается в зависимости от размеров, конструкции и технологического состояния электролизеров.
Среднее напряжение - вычисляется по показаниям серийных счетчиков вольт/часов.
Рабочее напряжение - контролируется по показаниям вольтметров и поддерживается в пределах, оговариваемых рабочими технологическими инструкциями.
Среднее напряжение - состоит из рабочего напряжения, напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке между электролизерами.
Количество технологического алюминия - в электролизере характеризуется высотой столба (уровня) металла в шахте ванны. Уровень металла в силу высотой теплопроводности алюминия позволяет регулировать теплоотдачу электролизера.
Количество электролита - тоже характеризуется его уровнем в шахте ванны. Практика показывает, что оптимальный уровень электролита находится в пределах 150 - 180мм., для самообжигающихся анодов.
Анодные эффекты - подразделяют на тусклые (меньше 10В.), средние (менее 25В.), ясные (более 25В.). Анодные эффекты оказывают существенное влияние на тепловой режим электролизера.
Форма рабочего пространства - нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличием защитного гарнисажа в зоне электролита, круто падающей настыли в зоне металла и отсутствием осадка и настыли на подине под анодом.
Перепад напряжения - в подине электролизера во многом зависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения приборами, составляет 0,3 - 0,4В.
Основными технологическими параметрами, определяющими правильность формирования самообжигающегося анода, являются высота конуса стекания, уровень и температура жидкой анодной массы.
Для конструкции с верхним токоподводом - минимальное расстояние от штырей до подошвы анода, число горизонтов, на которых установлены штыри, высота выступающих частей конструкций, применяемых для охлаждения жидкой части анода.
2. Расчетная часть
2.1 Конструктивный расчет электролизера
Сила тока (J) 155 кА;
Анодная плотность (da) 0,68 А/см2;
Ширина анода (Вa) 2750мм.;
Высота конуса спекания (hк) 1300мм.;
Высота уровня жидкой анодной массы (hж) 350мм.;
Уровень электролита (hэ) 180мм.;
Уровень металла (hм) 300мм.;
Толщина корки электролита (hч) -50мм.
При конструктивном расчете определяются основные размеры электролизера.
Определение размеров анода
По заданной силе тока J = 155кА, и анодной плотности тока da = 0,68, определенной по зависимости тока da = 0,68, определенной по зависимости анодной плотности от Аллы тока, определяем площадь сечения анода:
Приняв ширину анода = 2750мм., находим длину анода:
Высота анода , складывается из высоты уровня жидкой анодной массы:
и высоты конуса спекания:
Внутренние размеры шахты
Их определяют с учетом найденных размеров анода и выбранного расстояния анода от боковой и торцевой стенок бортовой футеровки кожуха.
Расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки
до торцевой футеровки
1. Внутренняя сторона шахты ванны
2. Внутренняя длина шахты ванны
3. Глубина шахты ванны
Определяем уровнем технологического
уровнем электролита
толщиной корки электролита с глиноземом
Расчет анодных штырей
Длина стальной части штыря 1950мм.
Диаметр верхней части 138мм.
Диаметр нижней части 100мм.
Длина конусной части 1080мм.
Длина штыря со штангой 2700мм.
Длина алюминиевой части 750мм.
Определяем средний диаметр штыря:
Среднее значение штыря:
Общее сечение штырей в аноде:
Плотность тока в стальной части штырей:
Средняя токовая нагрузка на 1 штырь, принимается 2160А (max 2200A).
Конструкция катода
Основные размеры конструктивных элементов сборноблочного катодного устройства определяется найденными геометрическими размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и стальных токопроводящих стержней.
Размеры подовых блоков выбираем:
400 х 500 х 2000
где
Подовые секции укладывают в подину с шириной шва
Количество катодных секций
т.к. расстояние между катодными секциями, будет при таких данных слишком мало, принимаем
Расстояние между катодными блоками и боковой футеровкой шахты:
Расстояние между катодными блоками и боковыми блоками в торцах шахты
Разметы катодного кожуха зависят от геометрических размеров шахты ванны и толщены слоя футеровочных и теплоизоляционных материалов.
асбестовый лист, толщина ;
шамотная крупка засыпка на дне 50мм.
стороны борта 50мм.
Кирпичная футеровка включает Р рядов шамотного и Q рядов легковесного шамотного кирпича, всего 4-6 рядов.
Углеродистая подушка из подовой массы
Расчет внутреннего размера кожуха
Внутренние размеры определяются внутренними размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200мм. и теплоизоляционного слоя толщиной 50мм., а для подины шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400мм. теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65мм.
Внутренние размеры катодного кожуха составят:
длина
ширина
высота
Расчет плотности тока в одном катодном стержне
Выбираем катодные стержни размером 115 х 230 х 2590, катодные блоки 30 штук.
Полученные данные оформляем в сводную таблицу №1.
Таблица 1 - Сводные данные
Наименование показателей
Ед. измерения
Значение
Сила тока
кА
155
Выход по току
%
86
Анодная плотность тока
а/см2
0,68
Количество катодных блоков
шт.
30
Размер анодного массива
мм.
8440 х 2750
Размер шахты
мм.
9440 х 4050
Глубина шахты
мм.
550
Количество штырей
шт.
72
2.2 Материальный расчет электролизера
При производстве алюминия в процессе электролиза криалитно-глиноземного расплава расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных окисей и двуокиси углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода, часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих ее коксование.
При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия.
производительность электролизера (Р), при силе тока J = 155А и принятом выходе по току = 86% составляет:
где 0,3354 - электрохимический эквивалент для ;
- сила тока;
- выход по току.
Р = 44,79 кг/г - такое количество сырца требуется для ведения технологического процесса.
Расходные коэффициенты
Таблица 2 - Расходные коэффициенты
Наименование
Значение
Глинозем
1915-1920кг/г.
Криолит свежий
2кг/ч.
Фтористый алюминий
26-28кг.
Криолит флотационный
45-47кг.
Анодная масса
525-530кг.
Содержание отходящих газов СО2
СО
60%
40%
Содержание углерода в анодной массе
96%
Содержание связующий ванн массе
30%
Выход угольной пены
30кг/ч.
Содержание фторсолей в угольной пене
70%
Выход пены з анодной массы
6%
КПД напольного укрытия по фтору
80%
На получение сырца - 44,79кг/ч., необходимо израсходовать:
глинозема
1,920 * 44,79 = 85,99кг/ч.
свежего криолита
0,002 * 44,79 = 0,0896кг/ч.
фтористого алюминия
0,028 * 44,79 = 1,25кг/ч.
криолита вторичного
0,047 * 44,79 = 2,1кг/ч.
анодной массы
0,530 * 44,79 = 23,74кг/ч.
Итого: 113,17кг/ч.
При получении сырца, Р = 44,79кг/ч., выделяется кислород. 48; где 48 и 54 количество молей и в глиноземе.
44,79 / 54 * 48 = 39,8кг.
Из этого количества кислорода перейдет в состав и .
Расход количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющиеся в результате электрохимического разложения глинозема, принимаем состав анодных газов.
= 60%;
= 40%.
= 39,8 * 60 * 2 / (2 * 60 + 40) = 29,9кг/ч.
= 39,8 * 40 / (2 * 60 + 40) = 9,95кг/ч.
Потери глинозема составляют:
(1,92 - 1,89) * 44,79 = 1,34кг/ч.
где 1,89 - теоретический расход глинозема.
Отсюда отсчитываем количество углерода связанного двуокись углерода (углеродистый) газ.
в окись углерода СО (угарный газ)
где 16; 12 - молекулярная масса и .
Таким образом при получении 44,79кг/ч. сырца выделяется:
Падение напряжения в катодной ошиновке при ее длине , площади поперечного сечения и удельном сопротивлении составит:
Греющее напряжение
Определяем по формуле:
где Uа.у. - падение напряжения в анодном узле.
Uк.у. - падение напряжения в катодном узле.
Uэл. - падение напряжения в электролите.
Uн.р. - направление разложения.
Uан.эф. - падение напряжения от анодного эффекта.
Суммируя все составляющие находим среднее напряжение:
Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем по практическим данным 0,04В.
Отсюда
Удельный расход электроэнергии
где J - сила тока.
A - часовая производительность.
24 - количество часов в сутках
Баланс напряжения электролиза
Таблица 4 - Баланс напряжения электролиза
Статьи падения напряжения
Падение напряжения
Uгр
Uраб
Uср
Всего
В
%
Анодные контакты
Анод
+
+
+
+
+
+
0,02
0,565
0,45
12,7
Итого в анодном устройстве
+
+
+
0,585
13,1
Электролит
Напряжение разложения
+
+
+
+
+
+
1,70
1,38
38,2
31
Итого в электролите
+
+
+
3,08
69,2
Подина
Контакты катодного узла
Катодный стержень
Катодные алюминиевые ленты
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0,35
0,01
0,013
0,020
7,86
0,22
0,29
0,45
Итого в катодном устройстве
+
+
+
0,393
8,83
Продолжение Таблицы 4
Статьи падения напряжения
Падение напряжения
Uгр
Uраб
Uср
Всего
В
%
Анодная ошиновка
Катодная ошиновка
-
-
+
+
+
+
0,18
0,13
4,04
2,9
Итого в ошиновке
-
+
+
0,31
6,97
Падение напряжения
от анодного эффекта
общесерийная ошиновка
+
-
-
+
+
+
0,048
0,04
1,1
0,90
Всего:
4,1
4,4
4,45
4,45
100
2.4 Энергетический расчет электролизера
Нормальную работу электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу.
Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих:
Исходные данные:
сила тока - 155кА
? - 86%
глинозем - 1920кг/т
анодная масса - 530кг
часовая производительность - 44,49кг/ч
электрохимический эквивалент - 0,336
Часовая производительность определяется по формуле:
где А - производительность.
J - сила тока
? - выход по току.
0,336 - электрохимический эквивалент.
А = 0,336 * 155 * 0,86
А = 44,79кг/ч
Зная А, определяем
Приход тепла
Qприх = Qреак + Qан + Qэн
где Qреак - тепло обратной реакции.
Qан - тепло от сгорания анода.
Qэн - тепло от электроэнергии.
Тепловые эффекты реакций протекают при электролизе, получены при t0
25 (2980К)
Qприх = 2191799, 86 кДж/ч
Расходные коэффициенты
Таблица 5 - Показатели расходных коэффициентов
Наименование глинозема
Расход на 1т.
Расход на часов производительности
Глинозем
1,920
85,99
Анодная масса
0,530
23,74
1. От взаимодействия продуктов электролиза (или тепло обратной реакции)
Тепло обратной реакции определяем по формуле:
где - тепловой эффект реакции из Табл.№5 15681.
где - 0,86 - выход по току.
2. Использование тепла анодных газов СО2 и СО при охлаждении от 9600 до 5000С где Рсо2 и Рсо - число молей в час данных газов.
где m = 0,6 (60%), доля СО2 и СО в анодных газах.
Отсюда находим Qан * газов
где цифровые данные 24,886 и 15,238 из Табл.№5 и
3. Тепло от электроэнергии
Расход тепла
а) На электрохимическую реакцию
(на разложение глинозема)
б) На нагрев материалов
Температура окружающей среды 250С - загружаем сырье и доводим до t0 процесса 9600C
где
где - расход на часовую производите2ьность (табл.№5).
в) Тепло теряемое с отходящими газами СО2 и СО
и - число молей в час данных газов (определены ранее).