Реферат: Расчет электролизера по заданным параметрам

--PAGE_BREAK--
  Литейные сплавы.

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

Основные направления потребления первичного алюминия

Вид продукции

Строи­тельство

Транс­порт

тнп

Элсктро техника

Машино­строение

Упаков­ка

Всего

Листы              

Плиты

Штамповки

Прессованные изделия

Трубы                

Фольга            

Электропроводники

13,6

-

-

10,2 0,3

0,2

-

4,2 1,9 0,8 3,2 0,3 0,2

-

3,4

-

-

1,0 1,0 0,5

-

1,6

0,1

-

1,7 0,5

0,2

7,7

1,8

0.3

0,2

1,3

1,1

0,2

-

17,9

-

-

-

-

5,8

-

43,2

2,5

1,2

18,3

3,2

7,1

7,7

Всего...

24,3

10,6

5,9

11,8

5,9

23,7




<img width=«696» height=«1073» src=«ref-2_130457564-4671.coolpic» v:shapes="_x0000_s2308 _x0000_s2309 _x0000_s2310 _x0000_s2311 _x0000_s2312 _x0000_s2313 _x0000_s2314 _x0000_s2315 _x0000_s2316 _x0000_s2317 _x0000_s2318 _x0000_s2319 _x0000_s2320 _x0000_s2321 _x0000_s2322 _x0000_s2323 _x0000_s2324 _x0000_s2325 _x0000_s2327">1.3. Производство алюминия
Основным способом получения алюминия является электролиз криолитоглиноземных расплавов

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

Общую схему производства  алюминия можно представить в виде:

<img width=«416» height=«200» src=«ref-2_130462235-19192.coolpic» v:shapes=«Рисунок_x0020_2»>



Основным агрегатом в этой схеме  является электролизер

<img width=«585» height=«344» src=«ref-2_130481427-31334.coolpic» v:shapes="_x0000_s2307">



<img width=«696» height=«1073» src=«ref-2_130457564-4671.coolpic» v:shapes="_x0000_s2328 _x0000_s2329 _x0000_s2330 _x0000_s2331 _x0000_s2332 _x0000_s2333 _x0000_s2334 _x0000_s2335 _x0000_s2336 _x0000_s2337 _x0000_s2338 _x0000_s2339 _x0000_s2340 _x0000_s2341 _x0000_s2342 _x0000_s2343 _x0000_s2344 _x0000_s2345 _x0000_s2347">Принципиальная схема электролизера  с самообжигающимся анодом (Содерберга)

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

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

Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего

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

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

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

<img width=«696» height=«1073» src=«ref-2_130517432-4723.coolpic» v:shapes="_x0000_s2348 _x0000_s2349 _x0000_s2350 _x0000_s2351 _x0000_s2352 _x0000_s2353 _x0000_s2354 _x0000_s2355 _x0000_s2356 _x0000_s2357 _x0000_s2358 _x0000_s2359 _x0000_s2360 _x0000_s2361 _x0000_s2362 _x0000_s2363 _x0000_s2364 _x0000_s2365 _x0000_s2367">


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

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

Al
2
O
3
→  2
Al
+3
  +3О-2

    Положительно заряженные катионыAl
+3
  присоединяют свободные электроныкатода 

Al
+3
  +3е — =
Al
,

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

Отрицательно заряженные анионы на положительно заряженном аноде превращаются в кислород:

О-2-2е-→О2

Выделяющийся на угольном аноде кислород окисляет уголь до СО и СО2, эти газы  и выделяются из -под анода.

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

<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s2368 _x0000_s2369 _x0000_s2370 _x0000_s2371 _x0000_s2372 _x0000_s2373 _x0000_s2374 _x0000_s2375 _x0000_s2376 _x0000_s2377 _x0000_s2378 _x0000_s2379 _x0000_s2380 _x0000_s2381 _x0000_s2382 _x0000_s2383 _x0000_s2384 _x0000_s2385 _x0000_s2387">  Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением

Al
2
O
3
+ хС = 2
Al
+ (2х – 3) СО +  (3-х) СО2

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

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

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

Для получения 1т алюминия расходуется :

 глинозема — 1925-1930 кг/т;

углерода анода — 500-600кг/т;

фтористых солей -  50-70кг/т.

Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал.
<img width=«695» height=«1065» src=«ref-2_130526825-4649.coolpic» v:shapes="_x0000_s1694 _x0000_s1695 _x0000_s1696 _x0000_s1697 _x0000_s1698 _x0000_s1699 _x0000_s1700 _x0000_s1701 _x0000_s1702 _x0000_s1703 _x0000_s1704 _x0000_s1705 _x0000_s1706 _x0000_s1707 _x0000_s1708 _x0000_s1709 _x0000_s1710 _x0000_s1711 _x0000_s1713">Расчёт  электролизёра  заданной  мощности

Выбор плотности тока. Материальный баланс.

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

<img width=«374» height=«276» src=«ref-2_130531474-13121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

                

1— верхний  токоподвод; 2— обожженные аноды.
Расчёт материального баланса

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

<img width=«695» height=«1074» src=«ref-2_130544595-4717.coolpic» v:shapes="_x0000_s1084 _x0000_s1085 _x0000_s1086 _x0000_s1087 _x0000_s1088 _x0000_s1089 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1092 _x0000_s1093 _x0000_s1094 _x0000_s1095 _x0000_s1096 _x0000_s1097 _x0000_s1098 _x0000_s1099 _x0000_s1100 _x0000_s1101 _x0000_s1103">Расход сырья (кг/кг
AI
) и выход по току (%) для различных типов электролизеров



 

Производительность  электролизера рассчитываем по формуле:

РАl  ═ I×g×hт×10-3, где  I— сила тока в амперах,

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

hт – выход по току (доля единицы)

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

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

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

РAl2O3 ═ рAl2O3 × РАl  = 1,93 × 41,824 = 80,72 кг/час – глинозёма;                                                                  

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

<img width=«695» height=«1067» src=«ref-2_130549312-4674.coolpic» v:shapes="_x0000_s1124 _x0000_s1125 _x0000_s1126 _x0000_s1127 _x0000_s1128 _x0000_s1129 _x0000_s1130 _x0000_s1131 _x0000_s1132 _x0000_s1133 _x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1143">Ркр.св ═ ркр.св × РАl  =  0,011 × 41,824 = 0,460 кг/час – криолита свежего;

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

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

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

Вычислим  расход  материалов:

Алюминий. Количество полученного алюминия определяется производительностью ванн:

РА
l
= 46,151  кг/час

Анодные газы.

Количество анодных газов рассчитывают, исходя из их состава и суммарной реакции по формуле: Al
2
O
3
+
XC
= 2
Al
+ (3-
X
)
CO
2
+ (2
X
— 3)
CO, где Х – объёмное содержание СО2  в процентах.

Мольные доли газов определяем из формулы:

N
СО2 =2 (
h
т
— 50),где hT– выход по току. 

N
СО2 = 2 × ( 86 -  50) = 72 % = 0,72               

N
СО = 100 – 72= 28%=0,28

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

Мсо═
N
со РА
l

/[18(2-
N
со)]

Мсо2 ═
N
со2РА
l

/[18(1+
N
со2)]

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

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

         Рассчитаем  весовые количества  СО2 и СО (кг/час)

Рсо = 28× 0,378=10,584 кг/час

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

44 – молекулярная масса СО2



Потери углерода.

▲Рс═ Ра -­ Рс, где Ра — приход анодной массы или обожжённых анодов,  

Рс– количество углерода, израсходованного с газами.

<img width=«695» height=«1067» src=«ref-2_130553986-4644.coolpic» v:shapes="_x0000_s1714 _x0000_s1715 _x0000_s1716 _x0000_s1717 _x0000_s1718 _x0000_s1719 _x0000_s1720 _x0000_s1721 _x0000_s1722 _x0000_s1723 _x0000_s1724 _x0000_s1725 _x0000_s1726 _x0000_s1727 _x0000_s1728 _x0000_s1729 _x0000_s1730 _x0000_s1731 _x0000_s1733">Рс ═12×(Мсо + Мсо2)=12×(0,378+0,973)=12 ×1,315= 15,78 кг/час

▲Рс=23,421 – 15,78 = 7,641кг/час 

Потери глинозема.

▲PAl
2
O
3═ PAl
2
O
3–­ PAl2O3(теор), где  PAl
2
O
3—приход глинозёма в  электролизёр, а PAl2O3(теор)– теоретический расход глинозёма.  

РAl2O3(теор)═102РАl/54═102×41,824/54=4266,048/54=79,001 (кг/час),  где:

54- молекулярная масса алюминия

102- молекулярная масса глинозема
    продолжение
--PAGE_BREAK--
▲РAl2O3 = 80,72- 79,001  = 1,719 кг/час

Потери  фторидов: принимаются  равными приходу.

Таб. Материальный баланс


Приход

Един. изм.

кг/час

Расход

Един. изм.

кг/час

Глинозем, РАl2O3

80,72

Получено алюминия, РАl


41,824

Криолит свежий, Ркр

0,460

Получено со, Рсо

10,584

Фторид алюминия, Рф.ал.

1,046

Полученосо2, Рсо2

42,812

Фторид кальция, Рф.кал



0,042

Криолит свежий, Ркр

0,460

Криолит регенерационный, Ркр.рег.



0,627

Фторид алюминия, Рф.ал.

1,046

Анодная масса(аноды), Ра

23,421


Фторид кальция, Рф.кал



0,042

<img width=«695» height=«1065» src=«ref-2_130558630-4637.coolpic» v:shapes="_x0000_s1734 _x0000_s1735 _x0000_s1736 _x0000_s1737 _x0000_s1738 _x0000_s1739 _x0000_s1740 _x0000_s1741 _x0000_s1742 _x0000_s1743 _x0000_s1744 _x0000_s1745 _x0000_s1746 _x0000_s1747 _x0000_s1748 _x0000_s1749 _x0000_s1750 _x0000_s1751 _x0000_s1753">





Криолит регенерационный, Ркр.рег



0,627

    Потери углерода,▲Рс

7,641

Потери глинозема,  ▲РАl2O3

1,719

ИТОГО

106,316

ИТОГО

97,755


<img width=«695» height=«1064» src=«ref-2_130563267-4674.coolpic» v:shapes="_x0000_s2146 _x0000_s2147 _x0000_s2148 _x0000_s2149 _x0000_s2150 _x0000_s2151 _x0000_s2152 _x0000_s2153 _x0000_s2154 _x0000_s2155 _x0000_s2156 _x0000_s2157 _x0000_s2158 _x0000_s2159 _x0000_s2160 _x0000_s2161 _x0000_s2162 _x0000_s2163 _x0000_s2165">Конструктивный расчёт.

Конструктивный расчёт электролизёра   необходим  для  определения его основных размеров.

Определение площади анода.

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

J=l/S , 
откуда
:    S
а
= I/ja   ;     

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

Определение  длины анодных блоков

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

Определение внутренних размеров шахты

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

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

Ширина шахты: Вш= Ва + 2С = 2850 мм+2.550 мм = 3950 мм

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

Конструкция подины

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

h
б
– 400 мм  и шириной d
б
– 550 мм.

Число блоков определяется  исходя из длины шахты :

 n
б 
= 2Аш/(
d
б
+ 40) = 2.8270/( 550+40) = 28,03 шт.

Количество секций должно быть чётным, принимаем 28 шт.

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

по торцам -

l
тор
═{ Аш­-[(
n
б

d
б
/2)+(
n
б
/2­-1)40] }/2={8690-[(28.550/2)+(28/2 – 1).40]}/2=(8270-8220)/2=25мм

по продольным  сторонам -

l
прод ═[Вш­-(L
б.к+L
б.д +40)]/2=
[3950-­(1600+2200+40)]/2= (3950-3840)\2=55мм, здесь:

L
б.к – длина короткого блока, 2200 мм.

L
б.д –
длина длинного блока, 1600 мм

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

   

<img width=«695» height=«1065» src=«ref-2_130567941-4644.coolpic» v:shapes="_x0000_s1754 _x0000_s1755 _x0000_s1756 _x0000_s1757 _x0000_s1758 _x0000_s1759 _x0000_s1760 _x0000_s1761 _x0000_s1762 _x0000_s1763 _x0000_s1764 _x0000_s1765 _x0000_s1766 _x0000_s1767 _x0000_s1768 _x0000_s1769 _x0000_s1770 _x0000_s1771 _x0000_s1773">Внутренние размеры кожуха

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

Акож═Аш+2·(200+50)=8270+500=8770мм

Вкож═Вш+2·(200+ 50)= 3950+500=4450мм

По высоте подина шахты (Нп ) набирается из:

Катодных  блоков  высотой -400мм

Защитной подушки— 30-50мм

Теплоизоляционного слояиз пяти рядов кирпича  по- 65мм

Шамотной засыпки-20-50мм

Высота кожухавычисляется по формуле: Нк= Нш +Нп ;                     

где Нш- глубина шахты;

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

Нк = 550мм+825мм = 1375 мм
<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130572585-4674.coolpic» v:shapes="_x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1313">Полученные данные сведём в таблицу.

Наименование

Ед. измер.

Велич.

Анод:                                        

   длина

   ширина

   высота  



мм

мм

мм



7270

2850

1700

Габариты анодного кожуха

   высота

   длина

   ширина



мм

мм

мм



1250

7270

2850






Габариты шахты:

   высота

   длина

   ширина

  количество катодных блоков



мм

мм

мм

шт



550

8270

3950

28

Габариты катодного узла

высота

длина

ширина



мм

мм

мм



775

8270

4450

Габариты катодного кожуха:

   высота

   длина

   ширина



мм

мм

мм



1375

8270

4450

<img width=«695» height=«1066» src=«ref-2_130577259-4695.coolpic» v:shapes="_x0000_s1774 _x0000_s1775 _x0000_s1776 _x0000_s1777 _x0000_s1778 _x0000_s1779 _x0000_s1780 _x0000_s1781 _x0000_s1782 _x0000_s1783 _x0000_s1784 _x0000_s1785 _x0000_s1786 _x0000_s1787 _x0000_s1788 _x0000_s1789 _x0000_s1790 _x0000_s1791 _x0000_s1793">Расчёт  ошиновки

Ошиновка служит для подвода электрического тока к электролизёру.

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

Алюминиевые шины                                      0,20- 0,35

Алюминиевые спуски                                     0,50-0,70

Медные спуски                                                 0.8-1,2

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

Определяем количество шин.

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

Принимаем экономически выгодную плотность тока для алюминиевых шин i
эк= 0,30 А/мм2 и заданную силу тока 300000А. Сечение шинопровода  будет равняться:

S
ш═
I
/
i
эк
=300000/0,30=483333,33(мм2)

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

Выбираем шину сечением  S
1ш
=580×70  и определяем количество  шин :

n
═
S
ш
/
S
1ш
= 483333,33/(580×70)=483333,33/40600=11,9

округляемдо 12 шт.

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

i
эк
= I/ S1
ш
×n=300000/(580×70)×12=300000/40600×12=0,298А/мм2

округляем до 0,30 А/мм2

Определим количество штырей.

Число штырей для электролизеров определяется из выражения

k
═
So
/ 
S
ср, где

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

So
— общая площадь штырей, мм2

                                         
S
ср= π (
d
б
2
  +
d
м
2
)/8, где

d
б
–максимальныйдиаметр конической части штыря, мм.

d
м
— минимальный  диаметр конической части штыря, мм.

На электролизерах с ВТ используются штыри двух типов:

Цилиндрические штыри с медной рубашкой(d
б
= 120мм,
d
м
=90мм)

Составные ( сталь-алюминиевые) штыри (d
б
= 138мм,
d
м
=100мм)

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

S
ср= π (
d
б
2
  +
d
м
2
)/8= π ( 1382 +1002 )/8= π(19044+10000)/8=(3,14 ×29044)/8=11399,77мм2

So
=
I
/
i
эк.шт


Выбираемi
эк.шт
=0,20А/мм2

So= I/i
эк
.
шт

=
300
000/0,2=725000
мм
2


k
═725000 /  11399,77=63,60 шт.

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

<img width=«695» height=«1064» src=«ref-2_130581954-4653.coolpic» v:shapes="_x0000_s1384 _x0000_s1385 _x0000_s1386 _x0000_s1387 _x0000_s1388 _x0000_s1389 _x0000_s1390 _x0000_s1391 _x0000_s1392 _x0000_s1393 _x0000_s1394 _x0000_s1395 _x0000_s1396 _x0000_s1397 _x0000_s1398 _x0000_s1399 _x0000_s1400 _x0000_s1401 _x0000_s1403">Фактическая плотность тока получается.

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

Определим количество лент в пакете  стального блюмса.

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

Число лент в пакете стального блюмса nл ( шт)

n
л
═I/( i
эк
n
б

S1
л
)

<img width=«695» height=«1067» src=«ref-2_130553986-4644.coolpic» v:shapes="_x0000_s1794 _x0000_s1795 _x0000_s1796 _x0000_s1797 _x0000_s1798 _x0000_s1799 _x0000_s1800 _x0000_s1801 _x0000_s1802 _x0000_s1803 _x0000_s1804 _x0000_s1805 _x0000_s1806 _x0000_s1807 _x0000_s1808 _x0000_s1809 _x0000_s1810 _x0000_s1811 _x0000_s1813">S
1л
– сечение одной ленты, мм2, на практике  применяются ленты сечением 200×1,5 — 200×0,8 мм2

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

Выбираем ленту сечением 200×0,8 мм2,тогда

S
1л =  0,8×200=160мм2 


i
эк
– 0,6
А/мм2

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

Фактическая плотность тока в  одной ленте.

i
ф
=I/ nб

× nл×S1л

=300000/ 28×54×160=300000/241920=0,6

А
/
мм
2
    продолжение
--PAGE_BREAK--
n
б
– число катодных блюмсов равно числу подовых катодных секций, шт

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

Плотность тока в катодном блюмсе.

i
бл =I
/
S
бл×

n
б


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


i
бл = 300000/ 230×115×28=300000/740600=0,196А/мм2
<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s1404 _x0000_s1405 _x0000_s1406 _x0000_s1407 _x0000_s1408 _x0000_s1409 _x0000_s1410 _x0000_s1411 _x0000_s1412 _x0000_s1413 _x0000_s1414 _x0000_s1415 _x0000_s1416 _x0000_s1417 _x0000_s1418 _x0000_s1419 _x0000_s1420 _x0000_s1421 _x0000_s1423">Полученные данные сведём в таблицу:

Характеристика токоподводящих элементов электролизера

Наименование токоподводящих элементов

Един.

измер.

Величина

Шинопровод:

количество шин

сечение шины

плотность тока фактическая





шт

мм×мм

А/мм2



12

580×70

0,298

Анодные штыри, количество

Максимальный диаметр конической части

Минимальный диаметр конической части

плотность тока фактическая


шт

мм

мм

А/мм2

64

138

100

0,199

Катодные спуски:

количество спусков

количество лент в спуске

сечение ленты

плотность тока фактическая

               



шт

шт

мм×мм

А/мм2




28

54

200×0,8

0,6


<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s1424 _x0000_s1425 _x0000_s1426 _x0000_s1427 _x0000_s1428 _x0000_s1429 _x0000_s1430 _x0000_s1431 _x0000_s1432 _x0000_s1433 _x0000_s1434 _x0000_s1435 _x0000_s1436 _x0000_s1437 _x0000_s1438 _x0000_s1439 _x0000_s1440 _x0000_s1441 _x0000_s1443">Вычислим количество шин по стоякам:

Длину элементов ошиновки рассчитывают по геометрическим  размерам электролизера.

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

Число шин по стоякам:

глухая сторона, входной стояк  n

ш.вх.г.=
12×0, 4= 4,8    принимаем5 шин

глухая сторона, выходной стояк  n

ш.вых.г.=
12×0, 1= 1,2  принимаем1 шина

лицевая сторона, входной стояк  n

ш.вх.г.=
12×0,33= 3,96    принимаем4 шины

лицевая сторона, выходной стояк  n

ш.вых.г.=
12×0,17= 2,04   принимаем2 шины

Длина анодной шины.

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

580- ширина шины, мм;

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

Определим длину анодного стояка.

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

Высота анодаНа=1700мм.

Погружение анода в электролит h
п.а.эл
=100мм

<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s1444 _x0000_s1445 _x0000_s1446 _x0000_s1447 _x0000_s1448 _x0000_s1449 _x0000_s1450 _x0000_s1451 _x0000_s1452 _x0000_s1453 _x0000_s1454 _x0000_s1455 _x0000_s1456 _x0000_s1457 _x0000_s1458 _x0000_s1459 _x0000_s1460 _x0000_s1461 _x0000_s1463">Расстояние от верхней поверхности анода до нижней части анодной шины1200мм, при максимально верхним положением анодной рамы  ( принимается по практическим данным).

L

1
ан.ст.= На+1200 ­
h
п.а.эл
+580=1700+1200-100+580=3380мм (выше «0» отметки);

L

2
ан.ст = 580+Нш +h
б
-115=580+550+400-115=1415мм (ниже «0» отметки);


115мм- высота катодного блюмса;

L

3
ан.ст -горизонтальная часть анодного стояка;

L

3
ан.ст= 380+(6×70)+0,5×Вкож=380+420+0,5× 4450 = 380 +420 +2225 =3025мм,  где -

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

6— количество шин в пакете, шт;

70 – толщина одной шины, мм.

L
ан.ст=
L

1
ан.ст+
L

2ан
.ст+
L
3ан.ст = 3380+1415+3025=7820мм

Вычислим длину катодной ошиновки.

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

Рассчитываем расстояние между  торцами кожухов двух рядом стоящих ванн.

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

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

Рассчитываем расстояние от торца кожуха до оси первого блюмса.

Б1 тр-бл= 250+
l
тор
+
d
б
/2=250+235+550/2=250+235+275=760мм

250мм- толщина бортовой футеровки

Длина катодной ошиновки на входной стояк. Этот пакет шин тающий

<img width=«695» height=«1067» src=«ref-2_130605261-4652.coolpic» v:shapes="_x0000_s1464 _x0000_s1465 _x0000_s1466 _x0000_s1467 _x0000_s1468 _x0000_s1469 _x0000_s1470 _x0000_s1471 _x0000_s1472 _x0000_s1473 _x0000_s1474 _x0000_s1475 _x0000_s1476 _x0000_s1477 _x0000_s1478 _x0000_s1479 _x0000_s1480 _x0000_s1481 _x0000_s1483">L
к.ош.вх.ст = Акож – Б1 тр-б+ Ав-в-100=9550-720+1660-100 = 10390 мм

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

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

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

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

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



Наименование токоподводящих элементов

Един.

измер

Величина

Число шин по стоякам:

глухая сторона, входной стояк 

глухая сторона, выходной стояк

лицевая сторона, входной стояк

лицевая сторона, выходной стояк 

шт

шт

шт

шт

6

1

5

2

Длина анодного стояка

мм

7720

Длина анодной шины

мм

8770

Длина катодной ошиновки:

длина катодной ошиновки на входной стояк

длина катодной ошиновки на выходной торец

мм

мм

10390

13010


6. Электрический   баланс

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

 На практике различают три вида напряжения:

U
ср
═Е +▲
U
эл
+▲
U
а 
+▲
U
к
+▲
U
ош
+▲
U
ан.эф
+▲
U
с.ош.

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

U
г
═Е +▲
U
эл
+▲
U
а 
+▲
U
к
+▲
U
ан.эфк


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

U
р
═Е +▲
U
эл
+▲
U
а 
+▲
U
к
+▲
U
ош

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

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

Е=1,13+0.37
i

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

i

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

<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s1554 _x0000_s1555 _x0000_s1556 _x0000_s1557 _x0000_s1558 _x0000_s1559 _x0000_s1560 _x0000_s1561 _x0000_s1562 _x0000_s1563 _x0000_s1564 _x0000_s1565 _x0000_s1566 _x0000_s1567 _x0000_s1568 _x0000_s1569 _x0000_s1570 _x0000_s1571 _x0000_s1573">▲ Uэл –падение напряжения в электролите, зависит от состава электролита, от  чистоты электролита. Рассчитывается по уравнению:

▲
U
эл
=
Ipl
/ [
Sa
+2(
Aa
+
Ba
)(2,5 +
l
)]=300000×0,54×5,5/[ 219178,08 +2   ( 769,04 +285) (2,5 +5,5) ]= 475200 /[ 219178,08+16864,64] =475200 /236042,72 =2,013 В,где

 
I
– сила тока, 300000А;

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

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

   Sa
— площадь сечения анода, 207142,85 см2 ;

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

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

Для электролизеров с ВТ:

▲
U
а 
= {26000-(16000-10,9
Sa
/
k
-805
l
ср
—
l
ср

Sa
/6,85
k
)
i

а
}q

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

Sa
– площадь анода,219178,08;

k
— число штырей(64шт);

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

i

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

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

l
ср
=
lmin
 
+ (
nr
– 1)∆
l

/2=23+(4-1)10/2=23+3×5=38см

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

<img width=«695» height=«1073» src=«ref-2_130424729-4670.coolpic» v:shapes="_x0000_s1574 _x0000_s1575 _x0000_s1576 _x0000_s1577 _x0000_s1578 _x0000_s1579 _x0000_s1580 _x0000_s1581 _x0000_s1582 _x0000_s1583 _x0000_s1584 _x0000_s1585 _x0000_s1586 _x0000_s1587 _x0000_s1588 _x0000_s1589 _x0000_s1590 _x0000_s1591 _x0000_s1593">nr

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

∆
l
– расстояние между горизонтами, при 4-х горизонтной схеме, <metricconverter productid=«10 см» w:st=«on»>10 см

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

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

     ▲
U
к
={
L
пр
×
q
×103 + (3,83 ×10-2  ×А2 +2,87а ×а1/3 ) В/
S
}
ia

L
пр
– приведенная длина пути по блоку, см;

                                 
L
пр
= 2,5 + 0,92Н — 1,1h + 132/
b


q
— удельное сопротивление блока, Ом×см ;

А- половина ширины шахты,395/2= <metricconverter productid=«197,5 см» w:st=«on»>197,5 см;

В— ширина блока с учетом шва, 55+4= <metricconverter productid=«59 см» w:st=«on»>59 см;

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

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

Н- высота блока, 40см;
    продолжение
--PAGE_BREAK--