Содержание 

       Введение

 

       Насчитывается более 250 минералов алюминия, которые  преимущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, и более 40 % из них относится к алюмосиликатам.

       Алюминий  уже давно является промышленным металлом, так как он обладает рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Для него характерны: небольшая плотность; хорошая пластичность и достаточная механическая прочность; высокая тепло- и электропроводность, коррозионная устойчивость.

       Важнейшие потребители алюминия и его сплавов  – авиационная и автомобильная промышленность, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая, химическая, металлургическая и пищевая промышленности, промышленное и гражданское строительство.

       В металлургической промышленности алюминий применяют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (хрома, кальция и пр.) алюмотермическими способами, для сварки стальных деталей.

       Конструкции из алюминия требуют более низких затрат в течение срока службы и практически не требуют ремонта. Обладая хорошей гибкостью, алюминиевые конструкции эффективно несут нагрузки и значительно снижают затраты на сооружение фундаментов и опор.

       Алюминий  способен образовывать сплавы со многими  металлами. Алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные сплавы, которые применяются для фасонного литья, и деформируемые сплавы, идущие на производство проката и штампованных изделий. Из литейных сплавов наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами.

       1 Расчётная часть

       Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу  и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.

       При применении самообжигающихся анодов в  процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.

       1.1 Материальный баланс

 

       В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные оксиды углерода.

       Расчет  веду на основании заданных параметров:

       - сила тока I = 176,5 кА

       - анодная плотность тока d_а = 0,71 А/см²

       - выход по току h =88,3 %= 0.883

       Расход  сырья N кг на получение 1 кг алюминия

       - глинозем, N_Г   = 1,927 кг

       - фтористый алюминий, N_Фа = 0,036 кг

       - фтористый кальций, N_Cа  = 0,0012 кг

       - анодная масса, N_М   = 0,537 кг 

       Проектируемый цех состоит из 3 серий.

       1.1.1Производительность электролизера

 

       Производительность  электролизера Р_А1, кг рассчитывается по закону Фарадея:

Р_А1 = j _* I _* τ _* h,      (1) 

где : j – электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА_*час);

  I – сила тока, кА;

τ – время, час;

 h - выход по току, доли единицы.

P_А1 = 0,335 * 176,5 * 0,883 = 52,21 кг

       1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр

 

       Приход  материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1 кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Затраты по сырью составят

       - глинозема R_Г, кг

R_Г = P_{Al *} N_Г       (2)

R_Г = 52,21 * 1,927 = 100,61кг

       - фтористых солей (А1F₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca)     (3)

R_Ф = 52,21* ( 0,036 + 0,0012) = 1,94 кг

       - анодной массы R_м, кг

R_м = P_{Al *} N_оа       (4)

R_м = 52,21 * 0,537 = 28,04 кг

       1.1.3 Расчёт продуктов электролиза

 

       Количество  анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для расчета принимаю состав анодных газов, % (масс.): СO₂ – 60; СО – 40.

       При получении 52,21 алюминия выделится кислорода m₀, кг:

      (5)

где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.

 кг

       Из  этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m₀co_2, кг:

      (6)

 кг

в окись  углерода свяжется кислорода m₀co, кг: 

      (7)

где 60 и 40 – процентное содержание оксида углерода (CO₂) и окиси углерода (СО) соответственно.

 кг

Отсюда  можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись m_cco₂, кг:

     (8)

 кг

Количество  углерода связанного в оксид углерода, m_cco, кг:

      (9)

 кг

Таким образом, в час выделяется оксидов Pco₂ и Pco, кг:

Pco₂ = m₀co₂ + m_cco₂      (10)

Pco₂ = 34,81 + 13,05 = 47,86 кг

Pco = m₀co + m_cco      (11)

Pco = 11,60 + 8,70 = 20,3 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco       (12)

Ргаз = 47,86 + 20,3= 66,449 кг

       1.1.4 Расчёт потерь сырья

 

       Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:

G = P_{Al *} (Nг - 1,89)     (13)

G = 52,21* (1,927– 1,89 ) = 1,93 кг

       Потери  углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы R_м и расхода углерода, связанного в окислы:

       Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco)    (14)

       Rуг =28,04 - (13,05+8,70) = 6,29 кг

       Приход  фторсолей в электролизёр принимаем  равным их расходу.

       Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 176,5 кА.

       * - с учетом газов коксования  и механических потерь. 

       1.2 Конструктивный расчет 

       В задачу конструктивного расчета  входит определение основных размеров электролизера.

       1.2.1 Анодное устройство электролизера

 

       Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:

              _, (15)

где  I – сила тока, А;

     d_a- анодная плотность тока, А/см²

       

 см²

Ширина  анода В_а, см, для электролизёра С8БМ, принимаем 285 см. Тогда длина анода La, см имеющего прямоугольное сечение составит:

               (16)

       

см

       Расчёт  штырей, с помощью которых ток  подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря принимаю  равной dш = 0,2 А/мм².

Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:

       - общая длина – 2700

       - длина стальной части -1950

       - длина алюминиевой штанги –  1040

       - максимальный диаметр – 138

       - минимальный диаметр – 100

       Площадь сечения всех штырей S_О., мм² определяются:

               (17)

       

 мм²

Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.

             (18)

       

мм

Площадь сечения одного штыря S_ш, мм² имеющего круглое сечение составит:

             (19)

       

 мм²