Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

 

 

7.5 Расчет боковых футеровочных плит

 

Футеровка боковых стенок состоит из угольных плит размером 20 × 63 × 55 мм. Для продольных сторон потребуется блоков:

 

,                                    (7.5.1)

 

       где  – длина шахты, см.

 

 блока.

 

Для торцевых сторон:

 

,                               (7.5.2)

 

 

        где  – ширина шахты, см.

 

блоков.

 

7.6 Каркас ванны

 

Каркас ванны выполняем  из швеллерных и двутавровых балок  №20 и №30. Колонны устанавливаются на углы кожуха. Высота каркаса принимается, исходя из высоты, удобной для обслуживания анодов, равной 320 см от бортового листа кожуха. Для укрытия ванны принимаем шторы навивного типа, так как они обеспечивают лучшую герметизацию ванны и позволяют применить электропроводы для перемещения штор.

 

 

 

 

7.7 Расчет токоведущих элементов

 

Расчёты ведём согласно принятым технико-экономическим плотностям тока для различных материалов, А/мм²:

Алюминиевые шины…...0,4

Медные спуски…………1,2

Стальные стержни……...0,2

 

7.7.1 Стояки и анодные пакеты

 

От соседнего электролизёра  ток передаётся с помощью двух анодных стояков, представляющих собой пакеты алюминиевых шин сечением . От стояков по продольным сторонам анода проложены две анодные шины переменного сечения. В торцах анода анодные шины соединены уравнительными шинами.

Поскольку электрический  ток подводится к ванне с двух сторон, то через каждый стояк протекает половина общей силы тока. С учетом этого площадь сечения стояка определится как:

 

,                                                (7.7.1.1)

 

        где  – сечение стояка, мм²;

        – сила тока, А;

        – экономическая плотность тока в алюминиевых шинах, А/мм².

 

.

 

Число шин в стояке:

 

,                         (7.7.1.2)

 

        где  – площадь сечения стояка, мм².

        – площадь сечения одной шины, мм².

 

.

 

Во избежание нагрева шин принимаю .

Тогда общее сечение шин стояка составит: .

Фактическая плотность  тока в каждом стояке составит:

 

.                              (7.7.1.3)

 

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

В целях экономии алюминия анодный пакет шин по всей длине электролизёра разбиваем на шесть участков, в которых по мере удаления от стояков уменьшаем число шин на одну, а в конце оставляем одну шину. Анодные пакеты шин симметричные, тающие.

Рассчитаем высоту стояка:

 

,                              (7.7.1.4)

 

        где  – высота анода, мм.

 

.

 

Рассчитаем длину питающего  анодного пакета:

 

,                                          (7.7.1.5)

 

        где  – длина анода, мм.

 

.

 

Рассчитаем длину уравнительных  шин:

 

,                                        (7.7.1.6)

 

        где  – ширина анода, мм.

 

.

 

Рассчитаем длину катодного  пакета:

 

,                                (7.7.1.7

 

        где  – длина кожуха, мм.

 

.

 

7.7.2 Штыри

 

При расположении штырей в пять рядов в шахматном порядке, ток к аноду   подводится с четырех сторон двумя нижними рядами штырей. Расстояние между штырями по горизонтали 400 мм, по вертикали 220 мм. Материал штырей – сталь марки СТ-2. Экономическая плотность тока в сечении штыря 0,2 А/мм².

Общее число рабочих  штырей и площадь их сечения определяется из условия средней токовой нагрузки на штырь 1324 А.

Число штырей:

 

,                                         (7.7.2.1)

 

        где  – сила тока, А.

 

.

 

Принимаю = 68 штырей (см. пояснение (7.1.2)).

Среднее сечение одного штыря:

 

,                               (7.7.2.2)

 

        где  – сила тока, А;

        – число штырей в аноде, шт;

        – экономическая плотность тока для стального штыря, А/мм².

 

.

 

Средний диаметр штыря

 

,                        (7.7.2.3)

 

         где  – постоянное число, равное 3,14.

 

.

 

Принимаю штыри со средним диаметром 80 мм и длиной 1020 мм.

 

7.7.3 Токоведущие медные спуски

 

Ток от анодных алюминиевых шин  к каждому штырю подводится медными спусками.

Среднее сечение лент, приходящихся на каждый штырь, при экономической  плотности тока в них, равной , составит:

,                                (7.7.3.1

 

        где  – сила тока, А;

        – число штырей в аноде, шт;

        – экономическая плотность тока для медных лент, А/мм².

 

.

 

Принимаем стандартные  медные ленты марки М1 сечением 1 × 100 мм (по ГОСТ 1173 - 49).

Общее число лент, приходящихся на каждый штырь:

 

,                                                (7.7.3.2)

 

        где  – сечение лент, мм².

 

.

 

Принимаю 12 лент.

Тогда фактическая плотность  тока в медных спусках:

 

,                                (7.7.3.3)

 

        где  – сила тока, А;

        100 – сечение медной ленты,  мм²;

        – число штырей в аноде, шт;

        – число лент, шт.;

 

.

 

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

Общую длину медного спуска принимаем  равной 2300 мм, исходя из возможности опускания анода на подину.

 

7.7.4 Катодные стержни

 

Общее число катодных стержней при экономически выгодной плотности тока в них 0,2 А/мм² составит:

 

,                                      (7.7.4.1)

 

        где  – общая площадь сечения катодных стержней, мм²;

       – сила тока, А;

        – плотность тока в катодных стержнях, А/мм².

 

.

 

При числе катодных стержней сечение каждого их них будет равно:

 

,                             (7.7.4.2)

 

        где  – сечение катодного стержня, мм².

 

.

 

Принимаем катодные стержни по ГОСТ 25991 - 57 сечением 230 × 115 мм.

Тогда фактическая плотность  тока в них составит:

,                                  (7.7.4.)

 

        где  – сила тока, А;

       – число катодных стержней, шт.

 

.

 

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

 

7.7.5 Алюминиевые соединительные шины

 

Катодные стержни соединены  с катодными шинами алюминиевыми лентами сечением 1 × 200 мм. Длину  их из конструктивных соображений принимаем 600 мм.

Общая площадь сечения  лент:

,                                       (7.7.5.1)

 

        где  – общая площадь сечения лент, мм²;

        – сила тока, А;

        – экономичная плотность тока в катодных спусках, А/мм².

        – количество стержней, шт.

 

.

 

Определим количество лент на один катодный стержень:

 

,                              (7.7.5.2)

 

        где  – общая площадь сечения лент, мм²;

 

.

 

Принимаю 56 лент на стержень.

Тогда фактическая плотность тока в них составит

 

,                                    (7.7.5.3)

 

        где  – сила тока, А;

        – число катодных стержней, шт.;

        – число лент, шт.

 

.

 

Полученное значение лежит в пределах экономически выгодной плотности тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

8 РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА

 

Задача расчёта материального баланса электролизёра – определить производительность электролизёра и удельный расход сырья.

Рассчитаем часовую производительность электролизёра:

 

,                                         (8.1)

 

       где – часовая производительность электролизёра, кг/час;

0,336 – электрохимический эквивалент, г/(А · ч);

 – сила тока, А;

 – выход по току, в долях единицы.

 

.

 

Приход и расход сырья  и материалов ведем на 1 тонну  алюминия. Расход сырья на приготовление одной тонны алюминия сырца принимаем по данным практики, кг/т таблица 8.1.

 

       Таблица 8.1 - Расход сырья на 1 тонну алюминия сырца

Сырье и материалы	Расход на 1т Al, кг
Al2O3	1910,0
Na3AlF6	7,0
AlF3	16,0
CaF2	0,5
MgO	0,8
Карбонат лития	1,18
Листовой алюминий	1,1
Анодная масса	494,8

 

Приход материалов в  ванну рассчитываем по расходу сырья на одну тонну алюминия сырца и по производительности электролизёра в час.

Расход сырья для  получения 27,52 кг/час алюминия составит:

Al₂O₃        1,910 ∙ 27,52 = 52,563 кг/час;

Na₃AlF₆     0,0700 ∙ 27,52 = 0,193 кг/час;

AlF₃      0,0160 ∙ 27,52 = 0,440 кг/час;

CaF₂      0,0005 ∙ 27,52 = 0,014 кг/час;

MgO      0,0008 ∙ 27,52 = 0,022 кг/час;

        Карбонат лития                                   1,1800 · 27,52 = 0,032 кг/час

        Листовой алюминий                           0,0011 ∙ 27,52 = 0,033 кг/час;

Анодная масса    0,4948 ∙ 27,52 = 13,62 кг/час.

 

Теоретический расход глинозёма в час определим по реакции:

 

Al₂O₃ → 2Al + 1,5O₂,                                          (8.2)

 

Выразим из реакции через пропорцию расход глинозёма и получим:

 

,                                            (8.3)

 

        где – теоретический расход глинозёма, кг/час;

 – часовая производительность электролизёра, кг/час;

 – молекулярный вес глинозёма, г/моль;

 – молекулярный вес алюминия в глинозёме, г/моль.

 

.

 

Разница между практическим и теоретическим расходом обуславливается  наличием примесей в глинозёме и механическими потерями при транспортировке и загрузке глинозёма в ванну.

Величина потерь глинозёма составит:

 

.

 

Содержание СО и СО₂ в анодных газах принимаем соответственно 15 и 85 моль %. Количество анодных газов рассчитываем, исходя из суммарной реакции, протекающей в электролизёре:

 

Al₂O₃ + x·C = 2Al + (2·x – 3)·CO + (3 – x)·CO₂,         (8.4)

 

где х – величина, лежащая в пределах (1,5 - 3).

Согласно данной реакции  количество анодных газов можно  определить по уравнениям:

Количество СО:

 

,                                           (8.5)

 

        где – количество CO, кмоль/час;

 – мольная доля CO в анодных газах.

.

 

Количество CO₂:

 

,                                    (8.6)

 

        где – количество CO₂, кмоль/час;