Курсовая работа: Автоматизация процесса электролиза алюминия на примере ИркАЗ-РУСАЛ

Современный процесс электролиза алюминия объединяет независимый промышленный процесс от природных глиноземсодержащих руд до чистого металла.

Поскольку механические свойства алюминия сильно зависят от небольших количеств примесей, важно, чтобы металл металлургических сортов являлся высококачественным. Производство чистого алюминия требует высокосортного глинозема и углеродных материалов.

Полный цикл алюминиевого завода приведен на рис.1.4. На заводе поступающая электроэнергия переменного тока непосредственно преобразуется в энергию постоянного тока высокого напряжения и подается к серии электролизеров, соединенных последовательно (рис.1.5). В этом случае ток серии поддерживается постоянным, хотя индивидуальное напряжение на каждом электролизере различно. Модернизация твердотельных выпрямительных систем привела к значительным изменениям в этой части алюминиевого производства. Размер выпрямителей не только уменьшился, но увеличился и КПД преобразования при одновременном снижении эксплуатационных затрат.

Рис.1.4 Блок-схема процесса производства алюминия из глинозема

Электролизер является нервным центром процесса в целом. Несмотря на варьирование их мощности между заводами, мощность каждого электролизера завода превышает 175 кА.

Основная электрохимическая реакция, протекающая в электролизере при температуре 960^О С представлена уравнением:

Al₂ O₃ (раствор) + 3С(тв) = 2Al(ж) + 3СО(г) (1.1)

Алюминий оседает на подине электролизера. Однако часть его растворяется в электролите, и транспортируется таким образом, что может быть окислена выделяющимся на аноде СО₂ согласно реакции:

2Al(раствор) + 3СО₂ (г) = Al₂ O₃ (р-р) + 3СО(г) (1.2)

Но не только вторичная реакция приводит к снижению выхода по току. Следует также учитывать присутствие в анодных газах СО, что приводит к дополнительному расходу углерода на тонну произведенного металла.

Электролизеры в корпусах размещены продольно (рис.1.5) Используются многофункциональные краны, производящие загрузку глинозема в бункера электролизеров, выливку металла и замену анодов. Как видно из табл.1.2, электролизер на 150 кА в среднем производит более 1 тонны металла в сутки.

Выливка металла является одной из обычных операций, и выполняется ежесуточно переливом в транспортировочные ковши. Для стабильной работы необходимо, чтобы количество вылитого металла соответствовало по времени производительности электролизера.

Сегодня на заводе используются весы, которыми оснащены современные краны, поскольку точность предыдущих систем измерения зависела от качества замеров либо в выливном ковше, либо на электролизере.

Расплавленный металл извлекается из электролизера вакуум-ковшом (Рис124), и перевозится в другое отделение, где отстаивается в печи, или непосредственно перерабатывается. Если необходимо, металл может очищаться.

Концентрацию глинозема в алюминиевом электролизере необходимо поддерживать в ограниченных пределах. Количество добавок впоследствии может варьироваться и увязываться с частотой пробивания корки и подачи глинозема.

Если глинозем загружен с избытком, то это приводит к образованию осадков, а если в электролизере существует недостаток глинозема, анодная реакция сдвигается в сторону разложения фторидов, вызывая анодные эффекты, которые расстраивают технологию нормального процесса электролиза.

Вследствие задержки во времени аналитические методы определения концентрации глинозема не нашли широкого применения в контроле процесса питания электролизеров. Поэтому многие производители рассматривали регулярное наличие анодных эффектов как средство против избыточного питания ванн, несмотря на те неудобства, которые возникали в этом случае. Пока точечные питатели устанавливаются на электролизеры нового поколения балочные системы центрального питания являются, вероятно, наиболее широко используемым способом загрузки глинозема. Они работают с циклом длительностью 10-60 мин. Корка пробивается и погружается в расплав, пополняя содержание глинозема в электролите, тогда как заданное количество глинозема высыпается из бункера электролизера для образования разрушенной изолирующей корки. Существует тенденция к установке 3-5 точечных питателей на электролизере, срабатывающих более часто. Они загружают только 1-5 кг глинозема в заданном месте каждые 1-3 мин.

Поскольку потребление глинозема всегда близко к стехиометрическому отношению, его распределение и потребление в электролизере важно для эффективной эксплуатации, поскольку глинозем выполняет и ряд других функций. Он используется для защиты анодов от окисления воздухом, и в этом плане играет роль термоизолирующей засыпки для уменьшения тепловых потерь. Теплопроводность и угол естественного откоса в этом случае стали очень важными свойствами. Удельная поверхность (ВЕТ) глинозема также стала важной характеристикой, поскольку глинозем часто используется в качестве сорбента для улавливания выбросов из электролизера.

Необходимой составной частью электролита является криолит (Na₃ AlF₆ ), который является наилучшим растворителем глинозема. Различные добавки к криолиту изменяют его физико-химические свойства и улучшают таким образом работу электролизера. Наиболее важными добавками, используемыми в промышленности являются фтористый алюминий (2-10 % масс.) и фтористый кальций (до 8 % масс.). Обе эти добавки снижают точку плавления электролита. В любом случае добавки к электролиту должны поддерживать его плотность ниже чем плотность жидкого алюминия, которая приблизительно составляет 2.3 г/см³ при 1000^О С. При этой температуре, содержании глинозема 5 % масс. и добавленном фториде алюминия плотность электролита составляет около 2.05 г/см³ , демонстрируя таким образом близкую величину, и в дальнейшем, важность влияния состава электролита на его плотность.

Наиболее важными свойствами электролита являются:

· точка замерзания

· растворимость глинозема

· плотность

· электропроводность

· давление паров

· термодинамическая стабильность относительно глинозема

· склонность к растворению электродных продуктов

· смачиваемость анодов

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--