Достоинства алюминия и его сплавов. Малый удельный вес как основное свойство алюминия. Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы для ковки и штамповки. Литейные алюминиевые сплавы. Получение алюминия. Физико-химические основы процесса Байера.
Все сплавы алюминия можно разделить на две группы: Деформируемые алюминиевые сплавы - предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. а) Упрочняемые термической обработкой: Дуралюмины, "дюраль" (Д1, Д16, Д20, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) - удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. б) Не упрочняемые термической обработкой: Сплавы алюминия с марганцем (АМЦ) и алюминия с магнием (АМГ2, АМГ3, АМГ5, АМГ6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Алюминий получают из глинозема электролизом. Суть метода заключается в том, что алюминиевые растворы очень быстро начинают разлагаться при введении гидроокиси алюминия, а раствор, который остался от разложения после выпаривания при интенсивном перемешивании при температуре 170 С, может снова растворить глинозем, который содержится в бокситах. При этом гидраты окиси алюминия при соединении со щелочью в раствор переходят в форме алюмината натрия, а кремнезем, который содержится в боксите, соединяясь со щелочью, в раствор переходит в форме силиката натрия.Схема электролизера с OA приведена на рис. Анодное устройство состоит из анодной рамы 4, опирающейся через домкраты на катодных кожух 1 или отдельно стоящие стойки. На анодной раме с двух сторон расположена анодная ошиновка 5, к котор зажимами прижимается токоподводящая штанга 3 с анодом 2. Принципиальная схема самообжигающегося анода с боковым токоподводом приведена на рис.2. Нижняя его часть под действием высокой температуры спекается в сплошной электропроводный блок 1.
План
Содержание
Введение
Аналитический обзор
Получение глинозема
Физико-химические основы процесса Байера
Технология процесса электролиза
Расчетная часть
Расчет числа электролизеров и производительности серии
Конструктивный расчет электролизера
Материальный расчет электролизера
Энергетический расчет электролизера
Список литературы
Приложение
Введение
Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C. По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место - среди металлов.
К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло - и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
Наряду с чистым алюминием большое значение имеют и алюминиевые сплавы, в которых сохраняется основное свойство алюминия - малый удельный вес и имеются новые ценные для целей практического применения свойства, отсутствующие или недостаточно развитые у чистого алюминия. Все сплавы алюминия можно разделить на две группы: Деформируемые алюминиевые сплавы - предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. а) Упрочняемые термической обработкой: Дуралюмины, "дюраль" (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) - удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.
Сплав авиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.
Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.
Сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. б) Не упрочняемые термической обработкой: Сплавы алюминия с марганцем (АМЦ) и алюминия с магнием (АМГ2, АМГ3, АМГ5, АМГ6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.
Литейные алюминиевые сплавы - предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).
Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.
Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.
Жаропрочные алюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.
С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки, алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости обработки: Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы при обработке резанием: а) Отожженные: Д16, АВ. б) Не упрочняемые термической обработкой: АМЦ, АМГ2, АМГ3, АМГ5, АМГ6.
Сравнительно твердые и прочные алюминиевые сплавы, которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент): а) Закаленные и искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ. б) Ковочные: АК6, АК8, АК4-1. в) Литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде, изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий, благодаря комплексу свойств, широко распространен в тепловом оборудовании.
Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство - изза прочной оксидной пленки его тяжело паять.
Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.
Аналитический обзор
Получение глинозема
Глиноземом называется кристаллическая окись алюминия. Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов - веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).
Глинозем получают из руды, содержащей горную породу - боксит. Бокситы имеют сложный химико-минералогический состав. Основной и полезной их частью являются различные модификации гидрата окиси (гидроокиси) алюминия (Al (ОН) 3, ALOOH и др.). В состав бокситов входят обычно окислы железа, кремния, в малом количестве - серы, титана, галлия, хрома, ванадия и пр., а также карбонатные соли кальция, магния, железа, органические вещества (остатки древних растений и животных) и пр. Чрезмерное содержание любых других примесей также является вредным и приводит к повышению затрат на производство глинозема.
Глинозем можно получить тремя методами: кислотным, щелочным и электролитическим. Самым популярным и наиболее простым является щелочной метод, предложенный Байером и называемый Байер-процессом. Суть метода заключается в том, что алюминиевые растворы очень быстро начинают разлагаться при введении гидроокиси алюминия, а раствор, который остался от разложения после выпаривания при интенсивном перемешивании при температуре 170 С, может снова растворить глинозем, который содержится в бокситах. Данный способ имеет такие главные стадии: 1. Подготовка боксита, которая подразумевает его дробление и измельчение в специальных мельницах. В мельницы отправляют едкую щелочь, боксит и немного извести. Пульпу, которая получилась, направляют на выщелачивание.
2. Выщелачивания боксита подразумевает его химическое разложение от соединения с водным раствором щелочи. При этом гидраты окиси алюминия при соединении со щелочью в раствор переходят в форме алюмината натрия, а кремнезем, который содержится в боксите, соединяясь со щелочью, в раствор переходит в форме силиката натрия. В растворе эти соединения: алюминат натрия и силикат натрия формируют нерастворимый натриевый алюмосиликат. В этот остаток переходят окислы железа и титана, которые предают остатку красный оттенок. Такой остаток - это красный шлам. Когда растворение полученного алюмината натрия завершается, его разводят водным раствором щелочи при понижении температуры до 100°С.
3. Отделение красного шлама и алюминатного раствора друг от друга происходит благодаря промывке в сгустителях. После чего красный шлам оседает, а оставшийся алюминатный раствор фильтруют.
4. Разложение алюминатного раствора. Его фильтруют и отправляют в крупные емкости с мешалками. Из данного раствора при охлаждении до 60°С и постоянном перемешивании выделяется гидроокись алюминия. Изза того, что процесс протекает неравномерно и очень медленно, а рост кристаллов гидроокиси алюминия очень важен при дальнейшей обработке, то в эти емкости с мешалками - декомпозеры еще добавляют много твердой гидроокиси.
5. Получение гидроокиси алюминия осуществляется в вакуум-фильтрах и гидроциклонах. Большую часть гидроокиси как затравочный материал возвращают к процедуре декомпозиции. После водной промывки остаток отправляется на кальцинацию; и фильтрат тоже возвращается в процесс.
6. Обезвоживание гидроокиси алюминия - завершающая стадия производства глинозема. Она проходит в трубчатых, постоянно вращающихся печах. Сырая гидроокись алюминия, когда проходит через печь, полностью высушивается и обезвоживается. (Схема 1).
В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% ?-Al2O3 (корунд), остальное ?-Al2O3.
Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ОС.
Необходимым условием производства глинозема является контроль и соблюдение параметров веществ и процессов на всех этапах производства, начиная от подачи в него боксита и кончая выгрузкой готового глинозема. К ним, в частности, относятся: тонкость помола, концентрация щелочи, температура, давление, расход жидких и твердых веществ, расход энергоносителей и их параметры, крупность затравки и многое другое. Получают эти данные еще на стадии проектирования завода посредством многочисленных теоретических расчетов и экспериментальных проверок и корректируют их после пуска производства. Контроль за соблюдением технологии осуществляется постоянно специально лабораторией, а соблюдение условий производства является основной функцией инженерно-технического персонала и рабочих.
Важной составной частью производства является энергетическое хозяйство, поставляющее электроэнергию, тепло и пар для подогрева растворов и сухих веществ.
Глиноземное производство эксплуатирует очень большое число различных насосов и единиц запорной арматуры, и от их надежности существенным образом зависит стабильность производства.
Сегодняшнее производство глинозема в значительной мере автоматизировано.
Это существенно облегчает управление процессами, но требует более квалифицированного персонала для обслуживания.
Схема 1. Схема производства глинозема по Байеру.
Физико-химические основы процесса Байера
В основе способа Байера лежит химическая реакция Al (OH) 3 NAOH ? NAA1O2 2H2O. В условиях выщелачивания равновесие этой реакции сдвинуто вправо, т.е. гидроксид алюминия из боксита "переходит в раствор в виде алюмината натрия. В условиях декомпозиции равновесие сдвигается в обратную сторону, т.е. происходит гидролиз алюминатного раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия.
Затраченная при выщелачивании щелочь освобождается при декомпозиции и возвращается в голову процесса-на выщелачивание новых порций боксита. Таким образом, в способе Байера цикл по щелочи замкнут.
На рис.1 показан примерный цикл процесса Байера в системе Al2O3-Na2O-H2O. Цикл начинается с выщелачивания боксита оборотным щелочным раствором. Составу этою раствора отвечает точка А, которая лежит в области ненасыщенных глиноземом растворов. При выщелачивании глинозем из боксита переходит в раствор, в результате чего состав раствора из точки А перемещается в точку Б. Каустический модуль раствора при этом понижается (в данном случае с 3,56 до 1,65). Раствор в точке Б, как видно на диаграмме, не насыщен глиноземом при 200°С, но пересыщен при 30 и 60°С. Линию АБ, но которой изменяется концентрация раствора при выщелачивании, называют линией выщелачивания.
Она направлена к точке Al2O3*ЗН2O при выщелачивании гиббситовых бокситов и к точке Al2O3*H2O-при выщелачивании бемитовых и диаспоровых бокситов.
После выщелачивания раствор (пульпу) разбавляют. Разбавление конденсатом в зависимости от способа нагрева пульпы может начинаться еще в процессе выщелачивания. Состав раствора при этом перемещается из точки Б в точку В. Далее следует разбавление пульпы промывными водами. Так как при разбавлении каустический модуль не изменяется, то точка Г, отвечающая составу раствора после разбавления, должка лежать на линии постоянного каустического модуля. Линия БГ, характеризующая изменение концентрации раствора при разбавлении, называется линией разбавления. Раствор в точке Г имеет температуру порядка 95-100°С; он практически стойкий.
Смешение алюминатного раствора с затравкой ведет к изменению его каустического модуля, так как вместе с затравкой вносится некоторое количество маточного раствора, имеющего высокий каустический модуль. Состав раствора при этом из точки Г переходит в точку Д. Линия ГД называется линией смешения с затравкой.
Рис. 7. Цикл процесса Байера в системе Al2O3-Na2O - H2O.
При декомпозиции раствор охлаждается до температуры порядка 50 ?С и оказывается в области пересыщенных глиноземом растворов. Пересыщенный раствор гидролитически разлагается, что сопровождается снижением концентрации глинозема в нем и повышением каустического модуля. Составу маточного раствора после декомпозиции отвечает точка Е. Линия ДЕ называется линией декомпозиции. Она направлена к точке Al2O3*ЗН2O. Далее следует выпаривание маточного раствора. При выпаривании концентрация раствора повышается, каустический же модуль остается постоянным, поэтому состав раствора из точки Е перемещается, но линии постоянного каустического модуля в точку Ж. Линия ЕЖ называется линией выпаривания. После добавки свежей щелочи состав оборотного раствора переходит в точку А, в которой цикл заканчивается и начинается новый.
Технология процесса электролиза
Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись углерода (CO) или двуокись углерода (CO2). На практике находят применение два типа анодов: а) самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых "хлебов" массы Зедерберга (малозольный уголь с 25-35% каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
б) обожженные, или "непрерывные", аноды из больших угольных блоков (например, 1900?600?500 мм массой около 1,1 т).
Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизеров. К этим параметрам относятся сила тока, рабочее и среднее напряжение, температура электролита, количество металла и электролита, перепад напряжения в подине ванны, состав электролита, частота и продолжительность анодных эффектов, форма рабочего пространства, а также технологические параметры формирования самообжигающихся анодов.
Силу тока серии устанавливают в зависимости от размеров, конструкции н технологического состояния электролизеров, а регулируют ее, исходя из технических возможностей оборудования преобразовательной подстанции. Среднюю силу тока серии вычисляют на основании средней мощности, потребляемой серией, и среднего напряжения. Среднюю мощность, потребляемую серией, определяют по величине расхода электроэнергии постоянного тока, технологической электроэнергии переменного тока и коэффициента преобразования, включающего расход электроэнергии подстанцией на собственные нужды и потерю энергии в шинопроводе от подстанции до электролизной серии. При наличии достаточно точных средств учета силы тока среднесуточную силу тока определяют по показаниям счетчиков ампер-часов. Среднемесячное значение силы тока рассчитывают по потребляемой мощности постоянного тока.
Среднее напряжение серии вычисляют по показателям серийных счетчиков вольт-часов. Расчет и контроль силы тока и напряжения серии осуществляются персоналом преобразовательной подстанции.
Рабочее напряжение электролизера контролируют по показателям вольтметров, установленных на электролизерах, и поддерживают в пределах, оговоренных в рабочих технологических инструкциях. Для различных типов электролизеров рабочее напряжение составляет 3,8-4,3В. Рабочее напряжение электролизеров, как правило, регулируется автоматически и поддерживается в пределах заданной установки по сопротивлению.
Среднее напряжение электролизера состоит из рабочего напряжения, напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке между электролизерами; рассчитывается по показанию серийных вольтметров.
Температуру электролита на нормально работающем электролизере поддерживают в пределах 950-965°С. Этот параметр оказывает наибольшее влияние на производительность электролизера, поэтому все операции технологического процесса подчинены одной цели - поддержанию температуры электролита на нижнем пределе, вплоть до снижения силы тока по серии.
Количество технологического алюминия в электролизере характеризуется высотой столба (уровнем) металла в шахте ванны. Уровень металла в силу высокой теплопроводности алюминия позволяет регулировать теплоотдачу электролизера: чем выше этот уровень, тем больше тепла отводится через боковые поверхности катодного узла электролизера. Увеличение уровня металла способствует интенсификации (повышению силы тока) процесса электролиза.
Однако повышенный уровень металла осложняет ведение технологического процесса - увеличивается образование глиноземистых осадков на подине, наблюдается образование пологих подовых настылей, что снижает выход по току и в конечном итоге - производительность электролизера. Поэтому для каждой конструкции электролизеров в зависимости от выбранной технологии процесса в рабочей технологической инструкции указывается оптимальный уровень технологического металла - уровень металла в шахте ванны после очередной выливки.
Состав электролита наиболее существенно влияет на технико-экономические показатели работы электролизера. Многочисленными научно-исследовательскими работами установлено, а промышленной практикой подтверждено, что при прочих равных условиях лучшие показатели технологического процесса достигаются при электролите с криолитовым отношением 2,6-2,85 в зависимости от типа электролизеров и суммарном содержании добавок до 9,0 %. Наиболее часто в практике алюминиевой промышленности в качестве добавок к электролиту используют фтористые соли лития, кальция и магния; иногда - хлористый натрий.
Анодные эффекты (вспышки) подразделяются на "тусклые" (менее 10В), "средние" (менее 25В), "мигающие” (напряжение вспышки резко изменяется) и "ясные" (выше 25В). По характеру вспышек контролируют работу электролизера. В нормально работающем электролизере напряжение анодного эффекта мгновенно поднимается от 4,3-4,5 до 25 В, а иногда и выше. Возникновение вспышек другого характера указывает на отклонения от нормальной работы электролизера.
Анодные эффекты оказывают существенное влияние на тепловой режим электролизера и при необходимости могут быть использованы для разогрева расплава. Вместе с тем следует постоянно помнить, что во время анодного эффекта и сразу же после его устранения резко снижается производительность электролизера (одна из причин снижения выхода по току), а расход электрической энергии в этот период при неизменной силе тока возрастает во столько раз, во сколько величина напряжения анодного эффекта выше величины рабочего напряжения на нормально работающем электролизере. Следовательно, производительность электролизера (серии, цеха, завода) находится в прямой зависимости от продолжительности и (частоты) анодных эффектов. Величина потери производительности электролизера (серии, цеха, завода) для определенной продолжительности и частоты анодных эффектов, выраженная в процентах, постоянна.
Форма рабочего пространства нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличием защитных гарниссажей в зоне электролита, крутопадающей настылью в зоне металла и отсутствием осадка и настыли на подине под анодом. Создание и постоянное поддержание указанной формы рабочего пространства - задача обслуживающего персонала.
Перепад напряжения в подине электролизера во многом зависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения специальными щупами падения напряжения на участке жидкий алюминий - катодный стержень. На нормально работающем электролизере перепад напряжения в подине составляет 0,3-0,4 В; увеличение перепада свидетельствует о наличии на подине осадков или пастылей.
При определении характера работы ванны необходимо принимать во внимание, что по мере увеличения срока эксплуатации электролизера перепад напряжения в подине имеет тенденцию к увеличению.
В современной практике ведения процесса электролиза алюминия наблюдаются две тенденции. Там, где стоимость электрической энергии относительно низка, предпочитают работать в интенсифицированном режиме-со сравнительно высоким уровнем технологического металла (300-450 мм). В районах с дорогой электроэнергией предпочитают работать в менее интенсифицированном режиме-с уровнем металла 150-250 мм. Развитие техники и технологии отечественной алюминиевой промышленности в основном идет по пути максимальной интенсификации процесса электролиза.
Схемы электролизеров приведены в приложении. алюминий сплав ковка литейный
Расчетная часть
Расчет числа электролизеров и производительности серии
Расчетная величина среднего напряжения, В: Ucp =0,335•W•?т 10-5, где
0,335 - электрохимический эквивалент, г/ (А•ч), W - расход электроэнергии, КВТ•ч/т; ?Т - выход по току, %.
Для электролизеров с боковым подводом тока к аноду (БТ) W = 14500 - 18000 КВТ•ч/т, с верхним подводом тока (ВТ) W = 14200 - 16500 КВТ•ч/т, с обожженными анодами (OA) W = 13800 - 15000 КВТ•ч/т.
Выход по току для электролизеров с боковым токоподводом составляет ?Т =85 - 87%, с верхним токоподводом ?т =84 - 86%, с обожженными анодами ?т =87 - 92%.
Выбирая данные для ОА получим: Ucp=0,335•14000•90•10-5=4,221 В.
Число работающих электролизеров в серии определяется средним напряжением выпрямительных агрегатов.
При этом учитываются: потери напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции (принимаются 1 %), резерв напряжения для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимается 30 В) и резерв напряжения для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимается 1 %).
Напряжение на подстанции задано (825 или 850 В). Тогда напряжение, которое определяет число устанавливаемых в серии электролизеров, составляет, В: Uдейств. = Uподстанции - 30 - Uподстанции•0,02 = 0,98 • Uподстанции - 30.
Подставим известное значение напряжения на подстанции в формулу: Uдейств = 0,98•850-30= 803 В.
При работе в режимах, когда допускается один анодный эффект в сутки продолжительностью 1,5 мин с напряжением 35 В, составляющая часть от анодных эффектов в среднем напряжении электролизера будет равна, В: ?Ua. э. = , где m - количество анодных эффектов в сутки (1); - продолжительность анодного эффекта, мин (1,5 мин); Ua. э. - напряжение анодного эффекта, В (35 В); 24 - число часов в сутках, 60 - число минут в часах. Тогда число рабочих электролизеров в серии составит, шт.: (4) nраб= Uдейств. / (Ucp - ?Ua. э.) = 803/ (4,221 - 0,036) = 191,876 округляем до 192 (Т.к. это число округляется до ближайшего большего целого значения).
Фактическое число электролизеров в серии больше (с учетом числа резервных).
Число резервных электролизеров в серии определяется продолжительностью межремонтной эксплуатации (принимается 3 года) и длительностью простоя на ремонте (принимается 18 суток). Тогда число резервных электролизеров составит, шт.: nрез=nраб •18/ (3•365) = 192•18/ (1095) =3.
Общее число устанавливаемых в серии электролизеров составит, шт.: nобщ =nраб nрез= 192 3=195 округляем до 196 (т.к. чаще всего электролизеры (число которых в серии достаточно велико) устанавливаются в цехе в 2 ряда.
Тогда общее число электролизеров, полученное при расчете noбщ, доводится до ближайшего большего четного числа.)
Годовая производительность серии определяется, т/год: P= I•8760•0,335• ?Т• nраб•10-8= 155•103•8760•0,335•90•192•10-8=1228,13, где I - сила тока серии, А (задано); 8760 - число часов в году; 0,335 - электрохимический эквивалент, г/ (А•ч); ?Т - выход по току, %; nраб - число работающих электролизеров в серии, шт.
Конструктивный расчет электролизера
Размеры анода определяются следующим образом. В электролизере находится по одному само обжигающемуся аноду (с боковым (БТ) или с верхним (ВТ) токоподводом). Площадь сечения анода, см2: Sa=I/da, где I - сила тока, А (задано); da - анодная плотность тока, А/см2 (определяется по графику на рис.1).
Зависимость анодной плотности тока от силы тока: 1 - для электролизера ВТ; 2 - для электролизера OA
Из графика определяем da = 0,792 А/см2, подставим: Sa=155•103/0,792= 195,707•103 см2.
Зависимость анодной плотности тока для электролизера БТ имеет такой ж вид, как и для других электролизеров, и занимает промежуточное положение между кривыми 1 и 2.
Далее (для самообжигающегося анода) задаются его шириной (Ва= 260-280см) и определяется длина анода, см: La=Sa/Ba=195,707•103/260=0,753•103.
Высота анода равна, см: Ha=hk hж, где hk - высота конуса спекания, см (принимается 90-110см); hж - уровень жидкой анодной массы, см (принимается 25 - 30см). Зададимся величинами, подставим в формулу: Ha=90 25=115 см.
Для электролизеров с обожженными анодами (OA) в ванне также находим: один анод, но он представляет собой анодный массив из отдельных блоков шириной ba=50-110см и длиной la=135-145см. По известной величине Sa (см. выше) количество блоков в обожженном аноде, шт.: nбл= Sa/ (ba•la) =196,707•103/ (50•135) =28,99 округляем до 28, (т.к. число блоков в аноде четное.
Расстояние между блоками по продольной стороне электролизера а (принимается 5 см), между рядами b (принимается 5 см). Тогда длина анода, см: La= (nбл•ba/2) a [ (nбл/2) - 1] = (28•50/2) 5• [ (28/2) - 1] =765.
Ширина анода, см: Ва=2la b=2•135 5=275.
Высота блоков (и всего анода) ha = 60см.
Внутренние размеры шахты электролизера (электролизной ванны) определяются из найденных размеров (длины и ширины) анода и расстояния до стенок бортовой футеровки.
Опытом эксплуатации электролизеров с самообжигающимися анодами установлено, что оптимальное расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки с должно составлять 50 - 6 5 см (для электролизеров с OA расстояние с = 30 см, а от поперечной стороны анода до торцевой футеровки d = 50 - 65см (для электролизеров всех типов).
Тогда внутренние размеры шахты составят
Ширина, см: Вш=Ва 2с=275 2•30=335.
Длина, см: Lш=La 2•d=765 100=865.
Глубина шахты ванны, см: Нш=hал hэл hг =25 20 5= 50, где hал - высота слоя алюминия, см (обычно 25 - 45см), hэл - высота слоя электролита, см (обычно 15-20см) (уровень электролита h,n для электролизеров с OA 20-22 см, для других 15-18 см), hг - толщина корки застывшего электролита с глиноземом (обычно 5-10см).
Основные размеры подины (катодного устройства) определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны, а также стандартными размерами выпускаемых отечественной промышленностью угольных блоков. Они имеют высоту hб = 40см, ширину bб =55см и длину 1б от 60 до 240 см. Схема укладки блоков приведена на рис.2.
Рис. 2. Схема укладки подовых блоков
Подину собирают из блоков 3 разной длины, а между ними набивают продольные и поперечные швы 4. Между бортовой футеровкой 1 и торцами блоков 3 набивают периферийные швы 2. Такие же периферийные швы набивают и с торцов. Толщина межблочных швов f, как правило, составляет 4 см, а периферийных 10-20см.
Исходя из этих соображений число блоков, необходимое для создания подины, шт.: nбл=2• Lш/ (bб f) =2•865/ (55 4) =29,32 округляем до 28, где f - расстояние между блоками, см, равное толщине продольного шва (f= 4 см).
Длина блоков выбирается следующим образом. Она меньше ширины шахты на толщину поперечного шва (f=4 см) и на толщину двух периферийных швов. Пусть, например, ширина шахты составляет 335 см. Принимаем толщину периферийного шва равной 12 см. Тогда длина двух блоков составит, см: Lбл = Вш-f-2•1ш=335-4-2•12 = 307см, где LШ - толщина периферийного шва (12 см).
Выбираем один блок длиной 200 см, а другой 162 см. Толщина периферийного торцевого шва, см: LT= [L - (nбл/2) (bб f) f] /2= [865-14 (55 4) 4] /2=43.
Значение должно LT быть - меньше 10 см или больше 20 см, условие выполняется, если не выполняется, то необходимо изменить величину f (она может быть в пределах 3.5 см) или количество блоков nбл.
После этого определяются внутренние размеры катодного кожуха. Они слагаются из геометрических размеров шахты и толщин слоев огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Большинство отечественных электролизеров имеют боковую футеровку из угольных блоков толщиной 20 см и теплоизоляцию из шамотной крупки толщиной 5 см. Тогда длина и ширина катодного кожуха равны, см: Длина: Lкож = Lш 2•20 2•5=865 40 10=915 Ширина: Вкож = Вш 2•20 2•5=335 50=385
Подина шахты ванны набирается из катодных блоков, угольной подушки, теплоизоляционного слоя из кирпича и шамотной засыпки. Исходя из этого высота кожуха составляет, см: Нкож=Нш hб hуг hкирп hзac= 50 40 3 5•6,5 2=127,5, где hуг - толщина угольной подушки (обычно 3 - 5см); hкирп - толщина слоя из пяти рядов кирпичей по 6,5 см каждый; hзас - толщина слоя шамотной засыпки (обычно 2 - г - 5см).
Материальный расчет электролизера
В этом разделе определяют приход материалов в электролизер и выход материалов из него (расход материалов).
Расчет прихода материалов
Приход рассчитывается по расходу сырья на 1 кг алюминия и по производительности электролизеров за 1 час. В табл.1 представлены данные по расходу сырья, полученные на основании опыта эксплуатации электролизеров. В расход обожженных анодов включены огарки, удаляемые из электролизера. Увеличенный расход анодной массы и фторидов на электролизерах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодов.
Таблица 1. Расход сырья (кг/кг алюминия) для различных типов электролизеров.
Материал Электролизеры с Электролизеры с самообжигающимися обожженными анодами анодами (OA) Аноды с боковым токоподводом (БТ) Аноды с верхним токоподводом (ВТ)
Глинозем 1,92-1,93 1,92-1,93 1,92-1,93
Аноды 0,560 - -
Анодная масса - 0,540 0,590
Фториды 0,052 0,045 0,090
Производительность электролизера, т.е. количество алюминия, образующегося за 1 час, рассчитывается, кг/час: Р = I•q• ?Т •10-5=155•103•0,335•90•10-5=46,733, где q - электрохимический эквивалент, 0,335 г / (А•ч).
Зная производительность электролизера и задавшись расходом материалов (см. табл.1), можно рассчитать приход материалов в ванну, кг/час: PAL2O3=PAL2O3•P=1,92•46,733=89,727; Ра=ра•Р=0,560•46,733=26,170;
Рф= рф•Р=0,052•46,733=2,430, где PAL2O3, ра, рф расходы глинозема, анода (или анодной массы) и фторидов соответственно, кг/кг алюминия - на основе данных табл.1).
Расчет расхода материалов
Выход материалов из электролизера состоит из следующих статей. Алюминий. Количество полученного алюминия (Р) рассчитано ранее.
Анодные газы. Они образуются при окислении углерода анода и состоят из двуокиси и моноокиси углерода. Содержание их в анодных газах в мольных долях составляют 0,3-0,5 и 0,7-0,5 для СО и С02 соответственно. Содержания их заданы. Количества их, образующиеся за один час, определяются, кг/час: Рсо= (Nco•Р•28) / [ (2-Nco) •18] =0,475•46,733•28/27,45 =22,643, где Nco - мольная доля СО.
Рсо2= (Nco2•P•44) / [ (1 Nco2) •18] = (0,525•46,733•44) /27,45, где Nco2 - мольная доля СО2.
Суммарная масса анодных газов, кг/час: Ра. г. =Рсо Рсо2= 22,643 39,327=61,97.
Потери анодной массы (или обожженных анодов). Они определяются как разность между приходом анодной массы (или обожженных анодов) Ра и количеством израсходованного с анодными газами углерода. Потери анодной массы, кг/час: Ра. м. = Ра-Рс, где Рс=12 [ (Рсо/28) (Рсо2/44)] =12 (0,809 0,894) =0,020 кг/час, подставим в выражение для Ра. м.: Ра. м. =26,170-20,436=5,734 кг/час.
Потери глинозема. Эти потери в виде пылеуноса и механические потери. Они определяются как разница между приходом глинозема PAL2O3 и теоретическим расходом глинозема.
Потери глинозема, кг/час: ?PAL2O3= PAL2O3-PAL2O3 (теор) =89,727-88,279=1,448, где PAL2O3 (теор) =102 Р /54 = 1,889Р= 88,279 кг/час.
Потери фторидов. Это потери в виде возгонов, а также на пропитывание подины. Их принимают равными приходу фторидов Рф.
Полученные данные сводятся в таблицу табл.2.
Таблица 2. Материальный баланс электролизера.
Приход кг/час % Расход кг/час %
Глинозем 89,727 75,83 Алюминий 46,733 39,49
Фториды 2,430 2,05 Анодные газы 61,970 52,38
Анодная масса (или обожженные аноды) 26,170 22,12 Потери глинозема 1,448 1,22
Потери фторидов 2,430 2,05
Потери анодной массы (обожженных анодов) 5,734 4,85
Невязка 0,012 0,01
Итого 118,327 100,00 Итого 118,327 100,00
Энергетический расчет электролизера
Энергетический расчет фактически является расчетом теплового баланса. Электролизер можно представить, как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения тока (Qэл) и сгорания анода Qaн). Система расходует тепло на разложение глинозема (Qpaзл), теряет его с вылитым металлом (Qmet) и с отходящими газами (Qгaз), а также расходует тепло на потери в окружающее пространство (Qn). Таким образом, уравнение теплового баланса может быть записано как Qэл Qaн = Qpaзл Qmet Qгaз Qn
Все входящие в это уравнение величины рассчитываются применительно к одному часу работы электролизера.
Приход тепла.
Приход тепла от прохождения электрического тока определяется, КДЖ: Qэл=3,6•I•Uгр, где I - сила тока, А; Uгр - греющее напряжение, В. Это напряжение слагается из падений напряжения на аноде, на подине, в электролите, от анодных эффектов, а также напряжения разложения. Точное определение его затруднительно.
По практическим данным можно принять для всех типов электролизеров Uгр = 0,89•Ucp=3,757 В, Qэл=3,6•155•103 •3,757=2096406 КДЖ
Приход тепла от окисления углерода анода определяется, КДЖ: Qaн= Р?со•?Н?298 (со) Р?со2•?Н?298 (со2), где Р?со и Р?со2 соответственно числа молей СО и СО2, образовавшиеся за один час работы, находятся по формулам: Р?со=Рсо103/М (СО) =808,579, Р?со2=Рсо2103/М (СО2) =893,795.
?Н?298 (со) и ?Н?298 (со2) тепловые эффекты реакций образования оксида и моноксида углерода, КДЖ/моль. Эти данные имеются во многих справочниках, например, в [2].
Qaн=808,579•110,5 893,795•393,51=441076,3 КДЖ.
Расход тепла. Расход тепла на разложение глинозема определяется, КДЖ: Qpaзл=Р?Al2O3 (теор) • ?Н ?298 (Al2O3), где
Р?Al2O3 (теор) =865,48 количество молей Al2O3, затрачиваемое на получение Р кг алюминия; ?Н ?298 (Al2O3) - тепловой эффект реакции образования оксида алюминия, КДЖ/моль (его также определяют по справочникам, нап
Список литературы
[1] Крутский, Ю.Л. Расчет процесса получения алюминия. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу "Общая химическая технология" для студентов механико-технологического факультета, по специальностям 240801, 240802 и других специальностей химико-технологического профиля. - Новосибирск, 2010.
