Расчет электролизера по заданным параметрам (стр. 2 из 6)
Алюминий при температуре 12000С взаимодействует с С, с образованием карбида алюминия (AL4С3 ) с большим выделением тепла. В присутствии расплавленных солей (криолит) взаимодействие С с алюминием протекает при температуре около 10000С.Алюминий не взаимодействует с водородом, но водород хорошо растворяется в жидком алюминии. Присутствие водорода отрицательно сказывается на механических свойствах алюминия.
Алюминий взаимодействует с кислотами, образуя соли, а с щелочами – алюминаты.
Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах и щелочах.
Азотная и органические кислоты на алюминий не действуют.
Механические свойства зависят от количества примесей, механической обработки, температуры. С ростом содержания примесей прочность алюминия растет, а пластичность уменьшается.
1.2. Применение алюминияОбладая такими свойствами как малая плотность, высокая теплопроводность, высокая электропроводность, высокая пластичность и коррозионная стойкость, высокие прочностные свойства, алюминий получил широкое использование в различных отраслях современной техники.
Чистый технический алюминий используется в электротехнике и для производства фольги. Основная часть алюминия применяется в виде литейных и деформируемых сплавов и небольшое количество - в виде порошков.
За последнее время Al широко используется в машиностроении, производстве строительных конструкций, химической, атомной и пищевой промышленности (в качестве упаковочного материала), электротехнической промышленности, авиастроении, ракетостроении, оборонной промышленности, в черной металлургии, для получения металлов методом алюмотермии.
Деформируемые сплавы. Для повышения механических свойств изделий из алюминия изготавливаются сплавы, легированные различными элементами ( Cu, Mn, Si, Mg, Zn и др.)
Изготовляются эти сплавы по ГОСТу, который регламентирует химический состав. Сплавы изготовляются в виде чушек или слитков в зависимости от того, для каких целей изготовляется сплав.
Сплавы, используемые для изготовления фольги, - это сплавы Al- Mn, Al- Mg.
Сплавы для автомобильной промышленности - это сплавы Al- Mg, Al- Mn , Al- Mg- Si.
Сплавы для авиационной промышленности - это сплавы Al- Cu, Al- Zn, Al- Mg-Li.
Сплавы для изготовления жестких контейнеров применяются для изготовления деталей донышек и обечаек консервных банок. Донышки изготавливают из сплава Al- Cu- Mn, Обечайки из сплава Al- Mn.Литейные сплавы.
Широкое применение получили сплавы, основной легирующей добавкой в которых является Si, сплавы с содержанием Si в 10-13% называются силумины. Помимо Si используются 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 |
1.3. Производство алюминияОсновным 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:
 |
Основным агрегатом в этой схеме является электролизер
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.
 |
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.
Al2O3 → 2Al+3 +3О-2
Положительно заряженные катионы Al+3 присоединяют свободные электроны катода
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.
Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнениемAl2O3 + 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 :