Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Современный цех электролиза представляет собой территориально и административно обособленную хозрасчетную единицу с полным циклом производства -- от приемных складов сырья до складов товарной продукции, основу которого составляет одна или несколько серии последовательно соединенных электролизных ванн.

Электролизеры серии расположены в одном или в нескольких промышленных корпусах. В состав электролизного цеха входят также литейное отделение и различные вспомогательные службы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию серии электролиза. На заводах, назначение которых--только производство алюминия, применяется бесцеховая структура управления.

ГЛАВА 1. ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕХА ПО ПРОИЗВОДСТВУ АЛЮМИНИЯ

Современный цех электролиза представляет собой территориально и административно обособленную хозрасчетную единицу с полным циклом производства -- от приемных складов сырья до складов товарной продукции, основу которого составляет одна или несколько серии последовательно соединенных электролизных ванн.

Электролизеры серии расположены в одном или в нескольких промышленных корпусах. В состав электролизного цеха входят также литейное отделение и различные вспомогательные службы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию серии электролиза. На заводах, назначение которых--только производство алюминия, применяется бесцеховая структура управления. В этом случае понятия “электролизный цех” и “алюминиевый завод” идентичны.

На комплексных алюминиевых заводах, производящих, кроме алюминия, другую продукцию, например глинозем, анодную массу или обожженные аноды, прокат и прессованные изделия, производство алюминия выделено в цех электролиза.

На крупных алюминиевых заводах для лучшего управления процессами производства создано несколько цехов электролиза. В составе каждого электролизного цеха имеются здания н сооружения различного назначения. При выборе их компоновки определяющим является расположение корпусов электролиза--всегда вдоль направления господствующего в течение года ветра. Это необходимо для создания наилучшей естественной аэрации на территории вокруг здании электролизного цеха.

На производство алюминия затрачивается большое количество электрической энергии, поэтому цехи электролиза строят в непосредственной близости к крупным электростанциям.

Серия электролизеров и питание их постоянным током

Объединение электролизных ванн в серии обусловливается необходимостью обеспечения каждого электролизера электрическим током одинаковой силы, что достигается последовательным соединением их в электрическую цепь. Число электролизеров в серии определяется максимальным напряжением выпрямительных агрегатов, преобразующих переменный ток в постоянный, и средним напряжением на электролизере, так как при последовательном соединении суммарное напряжение складывается из разности потенциалов всех источников потребления. При этом учитывается резерв напряжения для компенсации потерь в шинопроводах преобразовательной подстанции и компенсации возможных колебании напряжения во внешней электросети. Кроме того, необходим резерв напряжения для сохранения постоянства силы тока во время возникновения анодных эффектов, когда напряжение временно возрастает. На подстанции резерв напряжения рассчитывают с учетом вероятности частоты одновременного возникновения анодного эффекта на нескольких электролизерах. Чем больше число электролизеров серии, тем больше вероятность возникновения анодного эффекта одновременно на нескольких из них. В зависимости от возможностей применяемой выпрямительной техники, конструктивных особенностей электролизеров и выбранной технологии число алюминиевых ванн в серии составляет от 70 до 200.

В алюминиевой промышленности применяются выпрямительные агрегаты напряжением от 400 до 1000 В. В отечественной промышленности работает выпрямительная техника напряжением 400, 425, 450, 825 и 850 В. На смену сложным мотор-генераторам механического действия с коэффициентом преобразования до 90%, требовавшим больших эксплуатационных затрат, пришли сначала ртутные выпрямители с коэффициентом преобразования 94--95%, а с 60-х годов--полупроводниковые выпрямительные агрегаты.

Основной рабочий элемент в них--кристаллы кремния или германия, обладающие свойством пропускать ток только в одном направлении. У лучших конструкций полупроводниковых выпрямителей коэффициент преобразования достигает 98%. Такие выпрямители компонуют в малогабаритных шкафах. На обслуживание этих выпрямителей требуются минимальные затраты. Полупроводниковые выпрямители наиболее надежны в эксплуатации. В настоящее время завершается повсеместная замена выпрямителей устаревших конструкций полупроводниковыми.

Один современный выпрямительный агрегат дает до 25 кА постоянного тока. Необходимая сила тока серии обеспечивается группой агрегатов, соединенных параллельно в электрическую цепь.

Группы агрегатов, обеспечивающих постоянным током серию электролизеров, размещают в специальных для этого помещениях, называемых преобразовательными подстанциями н расположенных у торцов корпусов электролиза, во избежание потерь электроэнергии в шинопроводах и для снижения затрат на их сооружение.

Для поддержания постоянной силы тока в группе выпрямительных агрегатов, обслуживающих серию электролиза, всегда имеется один агрегат в резерве.

В зависимости от специфики технологического процесса производства алюминия на преобразовательных подстанциях применяют различные системы регулирования электрических параметров: силы тока, напряжения и мощности. Наибольший интерес для ведения технологии процесса электролиза представляет регулирование его па .постоянную силу тока. При этом в случае возникновения одновременно на нескольких электролизерах анодного эффекта резко и значительно возрастает потребляемая серией мощность, что оказывает отрицательное влияние на работу подстанции и энергосистемы. На практике используют комбинированные схемы, которые позволяют до определенной величины возрастания потребляемой мощности поддерживать постоянство силы тока ссрнн н автоматически переходить на регулирование по мощности, когда она достигает заданной величины. Таким способом удается обеспечить достаточно равномерное питание серии током. Для выравнивания силы тока, питающего серии электролиза алюминия, находят применение специальные компенсационные системы.

Корпус электролиза. Системы газоулавливания и вентиляции

Электролизеры серии располагаются в зависимости от их числа в одном или нескольких корпусах. Внутри корпуса электролизеры можно расположить продольно или поперечно в один, два или

Рис. 1. Схема поперечного разреза корпуса электролиза: 1--электролизер; 2--токоподоюдящая ошиновка; 3 - электромостовой кран

в несколько рядов. Чем больше рядов электролизеров в корпусе, тем он шире. Размеры корпусов определяются числом и размерами располагаемых в нем электролизеров, способами их размещения и конструктивными решениями, обеспечивающими надлежащие условия труда.

Наибольшее распространение получили двухэтажные корпуса с двухрядным продольным расположением в них электролизеров. В этих корпусах электролизеры устанавливают на втором этаже здания (риc. 129). При такой планировке корпуса происходит эффективная естественная вентиляция рабочей зоны. Воздух, нагретый теплом, излучаемым электролизерами, поднимается и удаляется из корпуса через аэрационный фонарь. Свежий воздух через проемы первого этажа и вентиляционные решетки, расположенные вдоль электролизеров, попадает в рабочую зону. При такой аэрации не только создаются надлежащие условия труда, но и обеспечивается интенсивный отвод тепла от ошиновки, а также от других конструктивных элементов ванны, отчего снижается расход электроэнергии и улучшаются условия работы ванны.

В отечественной практике основные строительные конструкции выполняют из сборного железобетона или металлоконструкций. Стеновые ограждения делают с учетом нагрузок от ветра: обычно их собирают из тонкостенных крупноблочных нацелен или гофрированного алюминия. На уровне первого этажа ограждающие панели не устанавливают для свободного доступа воздуха. Естественное освещение осуществляется через световые проемы в стенах корпуса. В последнее время в световые переплеты вместо стекла устанавливают синтетическую пленку, так как стекло под действием фтористых соединений быстро теряет светопроницаемость.

При монтаже корпуса особое внимание уделяют электроизоляции строительных конструкций, так как разность потенциалов между элементами конструкций электролизеров и землей может достигать более 800 В (в зависимости от напряжения на серии). Для изоляции все железобетонные н металлические конструкции на высоту не менее 3,5 м от пола рабочей зоны покрывают изолирующим материалом. Полы в корпусах выполняют из материалов, обладающих электроизоляционными свойствами (чаще всего из асфальта). Стальные вентиляционные решетки, располагаемые вдоль корпуса, укладывают на электроизоляционные прокладки. В таких корпусах электролизеры устанавливают на опоры в виде сборных железобетонных рам, которые одновременно служат опорами для шинопроводов. Между этими опорами и электролизерами располагают электроизоляционные прокладки, а шинопроводы монтируют на бетонные столбики и электроизоляционные прокладки.

Электролизеры в корпусе располагают на таком расстоянии от стен, чтобы механизмы обслуживания электролизеров могли работать беспрепятственно. В современных корпусах это расстояние составляет не менее 4 м. Расстояние между рядами электролизеров, где потоки грузов и обслуживающих машин движутся в обоих направлениях, составляет не менее 7 м. С целью сокращения капитальных вложений между электролизерами оставляют минимальное расстояние. Для прохода обслуживающего персонала и проезда машин по обработке электролизеров в каждом ряду имеется несколько проходов шириной около 1 м и проездов шириной не менее 3 м; в средней части корпуса имеется средний проезд между рядами электролизеров более 12 м. В торцах корпуса на отметке первого этажа оставлены площадки для ремонта оборудования, складирования сырья и различных материалов.

Элементы конструкций корпусов электролиза выполняют с учетом принятого на заводе способа капитального ремонта электролизеров. Обычно в корпусах, оборудованных электролизерами большой мощности, для транспортирования самообжигающихся анодов и катодных устройств служат большегрузные мостовые краны. Несущие колонны такого корпуса и подкрановые балки выполняют с учетом грузоподъемности этих кранов. В корпусах, оборудованных электролизерами с предварительно обожженными анодами многоблочного типа, нашло применение транспортирование катодного устройства на капитальный ремонт специальными большегрузными платформами по первому этажу (нижняя выкатка катодных устройств). Анодное устройство такого электролизера состоит из элементов относительно небольшой массы, для транспортирования которых не требуются большегрузные краны. При таком конструктивном решении намного снижается стоимость здания корпуса, так как значительно облегчаются элементы его конструкции. Для осуществления некоторых технологических операций и транспортирования грузов внутри корпуса устанавливают несколько электромостовых кранов.

С внешней стороны к корпусам пристраивают расходные бункера для глинозема, иногда и для анодной массы. Пристройки с расходными бункерами располагают равномерно по длине корпуса; число их зависит от длины корпуса (рис. 130).

В процессе электролиза алюминия в рабочее пространство корпусов выделяются различные газы: фтористый водород, продукты испарения электролита, оксид углерода, углекислый газ, серусодержащие газы, летучие составляющие коксования самообжигающнхся анодов. Кроме того, выделяются пыль и тепло. Для создания необходимых условий труда корпуса электролиза оборудованы системой газоулавливания и вентиляционной системой рабочего пространства.

Система газоулавливания предусматривает улавливание большей части выделений на месте их образования--в электролизной ванне. Для этого служат такие составные части электролизера, как укрытия, выполненные в различном конструктивном исполнении, или колокольный газосборник для улавливания и дожигания составляющих газа электролизеров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Любой тип газоулавливающего устройства электролизера соединен с системой вытяжной вентиляции.

Система вытяжной вентиляции состоит из газоходов, назначение которых - удалить от электролизера уловленный газ, вентиляторов, создающих необходимое разрежение в газоходах и газоулавливающих устройствах ванн, а также вентиляционных (дымовых) труб, служащих для рассеивания газов на возможно большую территорию. Обычно высота вентиляционных труб достигает 80-120 м. Газоходы выполнены и виде каналов или трубопроводов, а в современных корпусах газоходы комбинированные. От отдельных электролизеров, объединенных в группы, газы транспортируются по трубам возрастающего диаметра в коллекторы--каналы, прорытые ниже уровня пола.

Газы, попадающие в систему вытяжной вентиляции, как правило, подвергаются очистке. Из-за специфики процесса электролиза ни одна из конструкции газоулавливания на электролизерах не обеспечивает полного улавливания газов и пыли. Так, колокольная система позволяет улавливать до 70 % выделении; полное укрытие электролизера 90--95 %.

Улучшение условии труда в рабочей зоне достигается с помощью систем приточной вентиляции, назначение которой--многократное разбавление и эвакуация из рабочей зоны различных

производственных выделении. Естественная вентиляция рабочего пространства корпусов осуществляется путем подсоса воздуха через специальные проемы в нижней части стенового ограждения и удаления воздуха через аэрационные фонари. Наиболее эффективна естественная вентиляция в корпусах, где электролизеры расположены на втором этаже.

При расположении электролизеров на первом этаже естественной вентиляции рабочего пространства корпуса недостаточно;

В этом случае приходится нагнетать свежий воздух в рабочую зону высокопроизводительными вентиляторами но специальным каналам, расположенным ниже уровня пола, в которых па равном расстоянии друг от друга установлены вентиляционные решетки. Вентиляторы располагаются в специальных помещениях между корпусами.

Преимуществом искусственной вентиляции перед естественной является возможность регулирования температуры подаваемого в корпус воздуха. Для этого в воздухозаборе устанавливают радиаторы, в которые подают нагревающие или охлаждающие воздух реагенты. На сооружение и эксплуатацию таких систем требуются значительные затраты, которые прямо зависят от объема подаваемого воздуха.

ГЛАВА 2. ГАЗООЧИСТКА ЦЕХА ПО ПРОИЗВОДСТВУ АЛЮМИНИЯ

При производстве алюминия очистке промышленных выделений уделяют первостепенное значение. В выборе типа и конструкции электролизера решающими факторами являются минимальное количество выделяемых при электролизе вредных веществ и возможность улавливания их в максимально концентрированном виде. Отходящие от электролизера газы захватывают частицы порошкообразного сырья, в основном мелкие фракции глинозема.

Назначение газоочистки -- отделить вредные составляющие и пыль от основной массы газов.

Применяют различные системы газоочистки, состоящие из одной, двух и более ступеней. Назначение и аппаратурное оформление ступеней системы газоочистки различно. Па первой ступени газовая смесь очищается от механических включений (пыли) и смолистых составляющих, образующихся в результате коксования пека. Затем от газообразной части отделяются вредные составляющие. Для улавливания и выделения ценных фтористых соединений чаще всего применяют содовый раствор, который по мере обогащения фтористыми солями поступает в специальные отделения и цехи для регенерации фтора. При взаимодействии соединений фтора с алюминатным раствором фтор переходит в твердое состояние; образующееся соединение отвечает но составу формуле криолита Na₃AlF₆.

Для улавливания пыли и смолистых составляющих применяют электрофильтры специальной конструкции, охлаждающие электроды которых оборудованы гидросмывом. Уловленная в электрофильтрах пыль в виде шламов поступает на дальнейшую переработку для извлечения из нее ценных составляющих. Для улавливания пыли могут быть применены и мультициклоны.

Для очистки газов от фторсодсржащих компонентов применяют различные аппараты мокрой очистки, в которых фтористые соединения переводятся в раствор. Наиболее часто применяют скрубберы н цепные аппараты, работающие по принципу противотока. Раствор в виде распыленной взвеси или пены, постепенно обогащаясь фтористыми соединениями, движется сверху вниз, а газы--снизу вверх, и по мере очистки выбрасываются через вентиляционные трубы.

Системы газоочистки объединяют с системами вытяжной вентиляции н располагают, как правило, между вентиляторами, создающими разрежение в системе вытяжной вентиляции, и вентиляционными трубами. Аппараты газоочистки располагают последовательно на свободном пространстве между корпусами электролиза.

Число аппаратов для очистки газов или число секций в аппарате, входящих в один блок, подбирают по производительности с таким расчетом, чтобы обеспечить постоянную очистку всего объема поступающих газов. Перед остановкой на чистку или ремонт одной секции пли одного аппарата к работе подключают резервные, чем и достигается непрерывность очистки газов. В отечественной практике наибольшее распространение получило расположение газоочнстных аппаратов, приведенное на рис. 131.

Системы газоочистки корпусов, оборудованных непрерывными самообжигающимися анодами с верхним подводом тока, состоят, как правило, из трех ступеней. В первой ступени (в “горелке” газосборного колокола) сгорают уловленные смолистые составляющие коксования анода и дожигается угарный газ до углекислого.

Во второй ступени (обычно в электрофильтре) улавливается пыль и несгоревшие в “горелках” остатки продуктов коксования. В третьей ступени улавливаются фторсодержащие и серусодержащие составляющие газа. Для этого широкое распространение получили пенные аппараты различных конструкций.

Избирательное действие отдельных ступеней газоочистки позволяет повысить общую степень очистки газов и снизить трудовые затраты на обслуживание системы. Например, при очистке газов в одну ступень только н аппаратах “мокрой” очистки эти аппараты быстро забиваются пылью, что резко снижает степень очистки и приводит к частым остановкам для извлечения накопившейся твердой фазы. Эта операция очень трудоемка и практически не поддается механизации.

В последнее время все большее распространение получают системы так называемой сухой очистки газов. Принцип действия таких систем основывается на избирательной способности некоторых твердых реагентов улавливать (адсорбировать) фторсодержащие составляющие промышленного газа. Наиболее эффективно применение таких систем для очистки газов, не содержащих смолистых составляющих. Такие газы улавливают газосборными устройствами электролизеров с предварительно обожженными анодами.

В качестве улавливающего реагента, как правило, применяют специально приготовленный глинозем с относительно малым содержанием составляющей б и разветвленной поверхностью зерен.

Механические свойства указанного глинозема должны удовлетворять следующим требованиям: удельная поверхность не менее 40 м²/г; угол естественного откоса 30--35°; гранулометрический состав: --160+40 мкм не менее 20%, --40 мкм--не более 5%.

В аппаратурном оформлении такие системы представляют собой рукавные фильтры с большой рабочей поверхностью, на которую перед началом очистки газов наносят слой адсорбента (глинозема). По мере насыщения адсорбента фтористыми соединениями приводятся в действие механизмы встряхивания, и обогащенный фтористыми соединениями адсорбент удаляется. Если в качестве адсорбента применяется глинозем, то он направляется на электролиз. На очищенную рабочую поверхность тканей рукавных фильтров наносят новую порцию глинозема, и процесс очистки возобновляется.

Применение таких систем позволяет в одну ступень достаточно хорошо (до 95%) очистить промышленные газы, выделяющиеся в процессе электролиза алюминия, от фторсодержащих составляющих и пыли. О сложности и масштабах работы системы “сухой” очистки газов можно судить по тому, что для нормального ее функционирования при использовании в качестве адсорбирующего компонента глинозема необходимо вовлекать в процесс очистки не менее одной трети глинозема, используемого для электролиза.

Перечисленными выше способами осуществляется очистка достаточно концентрированных газов организованного газоотсоса. При высоких темпах роста производства алюминия для надежной охраны окружающей среды в последнее время все чаще стали применять системы, сводящие до минимума выделение вредных составляющих промышленных газов в атмосферу через аэрационные фонари корпусов электролиза алюминия. Такие системы получили название “фонарной” газоочистки (рис. 2). Принцип улавливания вредных составляющих газа в системах такого типа заключается в пропускании всего объема выходящих из корпуса газов через газопоглощающий раствор, подаваемый в аэрационный фонарь форсунками специальной конструкции в виде мелкодисперсной взвеси. Соприкасаясь с частицами раствора фтористые соединения растворяются в нем. Для увеличения контактной поверхности и сокращения брызгоуноса на пути газа устанавливают несколько рядов решеток.

Когда фонарь корпуса используют для улавливания вредных составляющих газа, его выполняют герметичным. Для создания

необходимого разрежения применяют вентиляторы, которые устанавливают либо на строительных конструкциях фонаря корпуса либо в специальных помещениях между корпусами. В первом случае устанавливают много вентиляторов малых размеров, во втором --высокопроизводительные вентиляторы больших размеров вес которых не лимитируется прочностью несущих конструкций здания корпуса. Число таких вентиляторов выбирают на основании их производительности с учетом обеспечения непрерывного отсоса из корпуса требуемого объема газа.

При установке вентиляторов на здании корпуса вся система по очистке газов располагается около фонаря. При установке вентиляторов между корпусами очистку газов можно организовать как под фонарем корпуса, так и после вентиляторов в специальных гaзоочистных аппаратах с применением различных схем их компоновки. В зимнее время и газоулавливающие растворы таких систем добавляют различные антифризные добавки (препятствующие замерзанию раствора). Насыщенные фтористыми соединениями растворы направляют на регенерацию.

Основным недостатком систем “фонарной” газоочистки, кроме сложности изготовления и больших капитальных и эксплуатационных затрат на сооружение и обслуживание, является ограничение кратности обмена воздуха внутри корпуса, что приводит к ухудшению условий труда. Перспективными для “фонарной” газоочистки могут оказаться сухие способы улавливания газа.

ГЛАВА 3. ОТДЕЛЕНИЕ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Назначение отделения -- регенерировать (восстановить) полезные компоненты отходов электролизного производства. Поэтому эти отделения называются регенерационными. Наиболее ценным компонентом различных видов отходов электролиза алюминия является фтор. Попутно со фтором, как правило, удается извлечь и глинозем.

Основным сырьем для отделений регенерации служат растворы газоочистки, угольная пена и демонтированная футеровка электролизеров, Технология переработки каждого вида отходов различна. Однако некоторые технологические операции и часть аппаратуры идентичны, что позволяет при организации переработки всех видов отходов в одном отделении рационально использовать оборудование.

Отделение регенерации размешают в отдельно стоящем здании.

Основное оборудование отделения--стандартные дробилки, мельницы, фильтры, насосы, флотационные машины, мешалки, баковая аппаратура, а также сушильные печи.

Технология переработки растворов газоочистки зависит от состава этих растворов. В практике отечественной алюминиевой

промышленности улавливание фтор- н ссрусодержаших составляющих промышленных газов осуществляют содовым раствором, который приготавливают в отделении регенерации. Фтористый водород и сернистый газ взаимодействуют с содовым раствором в аппаратах газоочистки по реакциям:

HF+ Na₂CO₃ = NaF+NaHCO₃;

SО₂+Nа₂СО₃=Nа₂SО₃+СО₂.

Сульфит натрия (Na₂SO₃) быстро окисляется до сульфата Na₂SO₄, и растворы газоочистки постепенно обогащаются фтористым натрием и сульфатом натрия. При достижении определенных концентраций эти растворы направляют в отделение регенерации для переработки. Обычно растворы, поступающие на переработку, содержат NaF 15--20 г/л и Na₂SO₄ 20--30 г/л. Для удаления из этих растворов твердой фазы их подают на осветление в отстойники. Осветленный раствор направляют в реакторы, где он смешивается с раствором алюмината натрия (варка криолита). При взаимодействии этих растворов фтор переходит в твердое состояние в виде криолита, а содовый раствор возвращается в систему газоочистки:

6NaF + 4NаHСО₃ + NaAlO₂ == Nа₃А1F₆ + 4Nа₂СО₃ + 2H₂O.

Осажденный из растворов газоочистки криолит содержит от 5 до 15 % сульфат-иона. Если в криолите содержится сульфат натрия, то в процессе электролиза требуется на корректировку электролита повышенный расход фтористого алюминия, дополнительный расход электроэнергии на восстановление сульфат-нона до сернистого газа и снижается растворимость глинозема в электролите.

Простым и достаточно эффективным методом очистки полученного таким способом криолита от сульфатов является многократная промывка его при интенсивном перемешивании; в результате такой промывки содержание сульфатов снижается до 1--1,5%.

Отфильтрованный после промывки регенерированный криолит сушат во вращающихся устройствах трубчатого или барабанного типа.

Переработка демонтированной футеровки обусловлена тем, что вместе с ней из процесса электролиза выбывает до 6 кг фтора на тонну получаемого алюминия. Поскольку 90 % фтора содержится в угольной части футеровки и в так называемом серо-белом слое, который образуется от взаимодействия верхних рядов огнеупорной кладки с расплавленными фтористыми солями, переработке целесообразней подвергать, не весь объем демонтированной футеровки, а только обогащенную фтористыми соединениями часть. Перед обработкой демонтированную футеровку сортируют на специально отведенных для этих целей площадках и дробят на куски размером 300 мм грузом в 3--5 т, сбрасываемым с высоты 3--4 м.

Организация переработки отработано футеровки в мелких масштабах нецелесообразна. Поэтому в небольших цехах электролиза предусматривается только предварительное дробление и сортировка демонтированной футеровки, которую затем транспортируют на переработку.

Поступающие на переработку после предварительного дробления футеровочные материалы сначала дробят в стандартных дробилках, а затем подвергают мокрому измельчению в шаровых мельницах. Дальнейшая переработка зависит от принятой схемы; наибольшее распространение получила щелочная схема.

Выщелачивание, по этой схеме, как правило, начинают и мешалках, куда подают раствор каустика. Далее пульпу перекачивают в автоклавы для подогрева, и завершается процесс в выщелачивателе, в который подают дополнительное количество каустика. Процесс выщелачивания протекает по реакции

Nа₃АlF₆+4NaOH=6NaF+NaAlO₂+2H₂O.

В отходах футеровки содержится большое количество соединении кремния. Поэтому после выщелачивания раствор перекачивают на обескремнивание одним из общеизвестных способов. При необходимости в процесс обескремнивания добавляют алюминатный раствор.

После отделения шлама фильтрацией раствор поступает на карбонизацию, в результате которой выделяется криолит по реакции

6NaF + NaAlO₂ + Н₂О + ЗСО₂ == Na₃AlF₆ + Na₂CO₃ + 2NаНСО₃.

Криолит отделяют от щелочного раствора фильтрованием и сушат в трубчатых или барабанных печах.

Переработка угольной пены осуществляют методом флотации или выжиганием из нее угольной составляющей. Более широкое распространение получил метод флотации. Угольная иена состоит на 30--35 % из угольных частиц, остальное--различные соединения фтора и глинозем. Поступающую из электролизных корпусов угольную пену подвергают дроблению и мокрому измельчению в шаровых мельницах. Полученную пульпу подают на стандартные многосекционные флотационные машины.

В основу флотации угольной пены положено различие смачиваемости водой частиц угля и электролита. Подбирают флотореагенты, которые сорбируются поверхностью частиц угля, и через перемешиваемую пульпу пропускают мелкие пузырьки воздуха, которые сорбируют на своей поверхности флотореагент. Покрытые одинаковыми флотореагентами пузырьки воздуха и частички угля слипаются и всплывают в виде пены, а частицы электролита оседают на дно машины. Пену удаляют, а очищенный концентрат (электролит) подвергают сгущению и фильтрации. Так называемый флотационный криолит сушат, после чего он должен содержать не менее 39 % фтора и не более 0,9 % оксида железа, 0,5 % оксида кремния, 1,8 % углерода и 4,0 % влаги.

В отделениях регенерации, кроме перечисленных процессов, осуществляется переработка пыли из газоходных каналов и электрофильтров газоочистки, а также других фторсодержащих отходов производства алюминия. На крупных алюминиевых заводах, имеющих в своем составе не менее двух электролизных цехов, регенерацию отходов производства выделяют в самостоятельный цех завода.

ГЛАВА 4. ПУТИ СНИЖЕНИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ АЛЮМИНИЯ-СЫРЦА

Важнейшие положения новой системы планирования и экономического стимулирования промышленного производства разработаны на основе экономических законов социализма. Степень использования производственных ресурсов и прежде всего показатели эффективности их использования -- производительность труда, фондоотдача основных производственных фондов и матерналосмкость производства зависят от технико-организационного уровня производства. От этих показателей зависят объем производства и себестоимость продукции -- основные факторы, определяющие величину прибыли. Наиболее обобщающим фактором является себестоимость продукции. Чтобы полнее использовать резервы повышения прибыли и рентабельности, необходимо выявить влияние факторов, определяющих себестоимость товарной продукции.

Повышение единичной мощности электролизеров за период развития алюминиевой промышленности позволило увеличить темпы роста производства, создало благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов и большие перспективы повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции.

Себестоимость продукции зависит не только от количества расходуемого на ее производство сырья, материалов, энергии, труда н других материальных ценностей, но и от их стоимости (цены).

По мере развития общества увеличивается потребление материальных ресурсов. Запасы легкодоступных видов сырья и топливноэнергетических ресурсов, расположенных в освоенных районах, оказываются недостаточными для удовлетворения растущей потребности в них. Возникает необходимость вовлечения в производство новых сырьевых и топливно-энергетических источников, расположенных, как правило, в необжитых труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями либо на большой глубине. Кроме того, все шире вовлекаются в производство менее богатые полезными компонентами руды. Все это приводит к увеличению затрат на их добычу и переработку и, следовательно, стоимости этих ресурсов. Вместе с тем в результате совершенствования технологических процессов и оборудования в перерабатывающих отраслях промышленности, внедрения полуавтоматических и автоматических поточных линии в машиностроении создаются предпосылки к снижению стоимости изделий этих отраслей.

В целях приведения в соответствие затрат на добычу и переработку полезных ископаемых со сложившимися на данный период стоимостными критериями, а также для стимулирования опережающего развития добывающих отраслей промышленности периодически (обычно раз в десять-пятнадцать лет) производится пересмотр оптовых цен на промышленную продукцию. Очередной пересмотр цен осуществлен в начале восьмидесятых годов, и с 1982 г. вступили в действие новые оптовые цены на промышленную продукцию.

С изменением цен на сырье, топливно-энергетические и другие ресурсы изменяется структура затрат в себестоимости готовой продукции, что в отдельных случаях может привести к пересмотру технической политики развития и оснащения как отдельных предприятий, так и целых отраслей народного хозяйства.

Эти потери могут быть значительно сокращены, если для перевозки глинозема будут использованы специальные большегрузные вагоны тина цистерн, которые в настоящее время находятся в стадии разработки.

Доставка глинозема к электролизерам с помощью бункеров также сопровождается его потерями; централизованная подача глинозема аэрожелобами или пневмотранспортом позволит уменьшить потерн на 0,5 %, приведет к повышению производительности труда и создаст условия для широкого внедрения процесса непрерывного питания электролизеров. Такие системы закладываются в проекты новых заводов.

Фтористые соли

При электролизе криолито-глиноземных расплавов в некоторых цехах до 30 % фтора выбывает из производственного цикла, так как технологическая схема не замкнута по фтору. При существующем методе расплавления фтористых солей в электролизерах потери фтора, по данным ряда исследований, составляют от 15 до 30 % от загружаемого количества (в зависимости от качества фтористых солей и способов расплавления).

Известно, что фтористый алюминий обладает большой летучестью и при непосредственном попадании в расплав частично сублимирует, не растворяясь в электролите. В связи с этим особого внимания заслуживает метод добавления фтористых солей в электролизеры в виде брикетов или гранул, а также в виде смеси с глиноземом.

Применение криолита с пониженным криолитовым отношением наряду с положительными факторами способствует увеличению его расхода. Наиболее неблагоприятно проявляется это свойство при применении такого криолита для пуска электролизеров. Применение криолита с различным криолитовым отношением в зависимости от технологических целей позволит снизить его расход.

Дальнейшее совершенствование системы газоулавливания с последующей регенерацией фтористых соединений позволит вернуть в производство значительное количество фтористых солей. Поэтому наряду с существующими весьма перспективны системы очистки выбросов общеобменной вентиляции (“фонарной” газоочистки) в сочетании с сухими способами улавливания газов. Перспективна также переработка шламов мокрой газоочистки, так как содержание фтора в шламах достигает 25--27 %. Осуществление регенерации фтора из шламов в сочетании с более полным улавливанием и регенерацией его из газов позволит возвратить в производство до 15 % теряемого сейчас фтора.

Значительная часть фтора выбывает из производственного цикла с различными элементами катодного устройства электролизера, являющимися отвальными продуктами при демонтажных работах. Повсеместное внедрение технологии переработки всех этих отходов позволит снизить себестоимость алюминия на 0,3 %.

Общее возможное снижение себестоимости алюминия за счет выполнения всех намечаемых мероприятий но снижению расхода фтора и возвращению его в производственный цикл оценивается в 1-1,5 %.

Анодная масса, анодные блоки

Наиболее перспективным при производстве анодной массы в широком масштабе можно считать применение высокотемпературного пека, а также подбор оптимального гранулометрического состава сухой шихты. В результате внедрения этих мероприятий в промышленном масштабе достигнуты значительные успехи. Подобран такой состав анодной массы, которой не только меньше расходуется, но и из которой в процессе электролиза с применением самообжигающегося анода практически не выделяются летучие составляющие коксования, что делает этот тип электролизера весьма перспективным для дальнейшего развития алюминиевой промышленности.

Удешевление производства анодной массы должно осуществляться в первую очередь за счет сокращения расхода коксов и пека. Суммарные потери кокса при производстве анодной массы составляют от 10 до 35 %. При решении этой задачи главным является организация глубокой прокалки всех электродных коксов на месте их изготовления.

Имеются значительные резервы в снижении себестоимости алюминия при применении электролизеров с предварительно обожженными анодами многоблочного типа за счет сокращения расхода анодных блоков, стоимость которых почти в два раза выше стоимости анодной массы. Уменьшить расход анодных блоков возможно, улучшая их качество и изыскивая более совершенные способы защиты их боковой поверхности от окисления, что позволит полнее использовать угольную часть такого анода.

По этой статье расхода в ближайшей перспективе следует ожидать снижения себестоимости алюминия на 0,4--0,5%.

Электроэнергия

За последние годы значительно усовершенствовано ведение технологического процесса электролиза, модернизировано оборудование (внедрены оптимальные схемы ошиновок электролизеров, заменена преобразовательная техника), повсеместно внедрены автоматизированные системы управления процессом электролиза.

Все это позволило снизить на 1000 кВт.ч удельный расход электроэнергии, что соответствует снижению этой статьи расхода в себестоимости алюминия на 1,5 %.

Рассмотрение зависимости выхода но току и среднего напряжения от междуполюсного расстояния по балансу напряжения показывает, что при прочих равных условиях уменьшение междуполюсного расстояния на 1 см снижает выход по току на 2,2%, одновременно снижая напряжение па электролизере на 5 % и увеличивая выход по энергии на 3 %. Это особенно важно для цехов электролиза, потребляющих дорогую электроэнергию. При правильном подборе всех параметров работа на малом мсждуполюсном расстоянии экономически выгодна и не сопровождается уменьшением производительности электролизеров, так как снижение напряжения позволяет поднять силу тока, не изменяя потребляемой электролизером мощности.

Схемой развития алюминиевой промышленности на ближайшyю перспективу намечено дальнейшее совершенствование технологического режима, модернизация большинства устаревших типов электролизеров, ввод в эксплуатацию новых серий электролиза, оборудованных электролизерами с предварительно обожженными анодами. Осуществление мероприятий этой схемы позволит только в текущем пятилетии снизить расход электроэнергии на 2--2,2%, что соответствует снижению себестоимости алюминия на 0,5%, а за весь планируемый период--на 1,5--2%.

Дальнейшее резкое снижение энергетических затрат при производстве алюминия можно ожидать после промышленного освоения принципиально новых способов его получения.

Важным резервом снижения себестоимости алюминия является дальнейшее повышение производительности труда. Проделанная за последние 10 лет в цехах электролиза работа над освоением и совершенствованием процесса электролиза, механизацией и автоматизацией обслуживания, а также улучшением организации производства и труда позволила при значительном росте заработной платы снизить затраты по этой статье до 3,5 %.

Внедрение принципиально новых систем обслужвания электролизеров многооперационным и автоматизированными механизмами большой производительности с программным управлением, а также систем автоматизации всех операций обслуживания электролизера позволит увеличить производительность труда в 1,2--1,5 раза.

На долю цеховых расходов, в том числе амортизационных отчислений, в себестоимости алюминия приходится ~8--9%. Увеличение выпуска алюминия за счет продления межремонтного срока работы и сокращения простоя электролизеров на канитальном ремонте приведет к уменьшению цеховых затрат на единицу продукции. Так, при увеличении срока службы электролизеров на 1 г. и сокращении простоя на капитальном ремонте за 10 сут снижение себестоимости составит 0,2 %.

Осуществление комплекса мероприятии по совершенствованию технологического режима в сочетании с применением новых конструктивных решений и материалов позволит значительно увеличить продолжительность межремонтной эксплуатации электролизеров. Строительство новых и совершенствование эксплуатации действующих цехов по индустриальному ремонту электролизеров сократит простой на капитальном ремонте в 2 раза, что позволит снизить себестоимость алюминия на 0,4--0,6 %.

Анализ затрат при производстве алюминия-сырца показывает, что имеются значительные резервы снижения себестоимости алюминия. Осуществление технических и организационных мероприятий, предусмотренных в генеральной схеме развития и в комплексном плане технического перевооружения алюминиевой промышленности на ближайшую перспективу, позволит поднять производство алюминия на качественно новую ступень и снизить себестоимость металла на 4--5 % против достигнутой при условии стабильности цен на покупное сырье, основные материалы и электрическую энергию.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ В ПРОЦЕССЕ ПЛАВКИ

алюминий переработка вторичный плавка

Фильтрование жидкого металла все чаще используют на литейных заводах. Применение данной технологии дает целый ряд преимуществ. С одной стороны, фильтрование помогает получать отливки более высокого качества и снижать процент брака при их производстве, с другой стороны эта технология позволяет более рационально использовать жидкий металл, снижая издержки на финишную обработку отливок (оснастка, рабочая сила, трудоемкость).

Иногда бывает сложно разместить фильтр в литниковой системе формы в оптимальном положении, при котором достигается наибольший эффект от фильтрования. Поэтому рекомендуется применять различные решения по фильтрованию на нескольких технологических этапах, предшествующих заливке металла в форму. Особенно целесообразно внедрять данные решения в цехах литья под давлением с целью уменьшения дефектов литья (дефекты поверхности, газовая пористость, негерметичность и т.д.), причиной которых является наличие первичных включений в расплаве.

Зачастую литейные предприятия не владеют в полной мере информацией о новых тенденциях в технологии фильтрования, что приводит к исключению фильтрования из производственного процесса как якобы неэффективного метода обработки жидкого металла. Кроме того, на многих заводах, возможно, используют устаревшие методы фильтрования и неподходящие типы фильтров, следствием чего является повышенная трудоемкость либо более низкий уровень качества. Решения по применению фильтров, описанные ниже, основаны на 15-летнем опыте работы фирмы Igor Lanik -- Techservis Boskovice на мировых рынках, а также на новых наработках, полученных клиентами.

Системы фильтров для плавильных и раздаточных печей

Обычно раздаточные и плавильные печи в производствах алюминиевого литья вообще не оснащают какой-либо системой фильтров, в то время как именно здесь наиболее целесообразно внедрять фильтрование. Очистка расплава с помощью данной технологии внутри раздаточной печи, как правило, и представляется наиболее целесообразным решением.

Имеется возможность использования несложной системы, включающей фильтровальную воронку с пенокерамическими фильтрами VUKOPOR^®A, при переливании металла в раздаточную печь. Это простое решение обеспечивает за один раз фильтрование 100-500 кг расплава. Фильтровальную воронку рекомендуется выполнять со специальным «стояком», который играет роль успокоителя металла при заливке и предотвращает образование новых включений (оксидных пленок) благодаря устранению турбулентности потока жидкого металла. Воронка изготавливается из материала, представляющего собой изолирующий мат c хорошими механическими свойствами, что позволяет использовать её многократно.

Для фильтрования больших объемов металла целесообразно использовать фильтр-боксы. Вовнутрь фильтр-боксов помещаются металлургические фильтры VUKOPOR^®A с конусом и уплотнительной прокладкой. Фильтр требует оснащения устройством электрического или газового нагрева, обеспечивающим его многократное использование. Ресурс данных фильтров измеряется десятками тонн. Данная технология может быть применена при разливе металла из плавильных печей в ковши для транспортировки. При этом преимущество заключается скорее в снижении стоимости операции, чем в результате фильтрования, т.к. новые включения могут образоваться на последующих стадиях разлива металла.

Для постоянного фильтрования очень больших объемов жидкого металла рекомендуется разрабатывать конструкции с использованием специальных пенокерамических фильтров VUKOPOR^®A в качестве фильтрующего барьера. Фильтры помещают в раздаточную печь в керамической футеровке или тигле. Фильтр может быть U-образной формы для тигельных печей или квадратной формы для раздаточных печей. Возможно оснащение фильтра керамической рамкой, облегчающей его постановку и извлечение. Рекомендуется устанавливать фильтр как можно ближе к выпускному отверстию печи, однако при этом помните о необходимости теплового экрана за фильтром. Фильтр оптимальной конструкции способен очистить сотни тон расплава за несколько недель. Печи должны быть оснащены устройством нагрева, либо фильтры должны быть постоянно погружены в расплав для предотвращения их «застывания».

Наиболее чистый металл можно получить при использовании круглого фильтр-бокса, в нижнюю часть которого установлен фильтр цилиндрической формы. Бокс изготавливают из термостойкого мата, который помещают на стороне выхода раздаточной печи и закрепляют железным держателем. Фильтр постоянно погружен в металл. Полость фильтр-бокса служит в качестве выходной зоны для автоматических питателей. Ресурс внутрипечных фильтров составляет несколько недель, а объем очищенного металла измеряется десятками тонн.

Технология фильтрования с применением фильтров низкой плотности VUKOPOR^®LD

Пенокерамические фильтры VUKOPOR^®LD применяют для очистки алюминиевых сплавов при температуре до 850°C. Фильтровальный мат изготовлен из керамических компонентов низкой объемной плотности, что гарантирует очень хорошую теплопроводность и механическую прочность. Указанные свойства в комплексе обеспечивают преимущества при фильтровании в производстве алюминиевого литья.

Действие фильтра VUKOPOR^®LD аналогично другим пенокерамическим фильтрам. Он обеспечивает абсорбцию крупных включений на своей поверхности (с образованием фильтрационного кека) и глубокую очистку за счет пропускания жидкого металла через внутренний лабиринт фильтра. Второй положительный эффект фильтра заключается в гашении турбулентного движения потока металла, который превращается в ламинарный поток (эффект преобразования потока). То есть фильтр играет роль успокоителя металла при заполнении формы.

Уникальные главные преимущества фильтров LD заключаются именно в их низкой плотности и отличной теплопроводности, за счет чего обеспечивается очень быстрая очистка жидкого металла и снижается трудоемкость последующей утилизации элементов литниковой системы. Кроме того, благодаря применению фильтров LD сокращается механический износ металлообрабатывающих инструментов, так как уменьшается объем финишной обработки отливок.

Фильтры VUKOPOR^®LD можно устанавливать в литниковые каналы литейных форм, литниковые воронки или изолирующие чаши. Возможен также метод заливки непосредственно на фильтр, размещаемый под стояком. Фильтры LD лучше применять в литейном производстве для разовой фильтрации при изготовлении отдельных отливок. Они не рекомендуются для непрерывного фильтрования (например, для очистки первичного алюминия), а также для периодического или постоянного нахождения в жидком металле при длительном фильтровании (в процессах получения заготовок непрерывной разливки, использования в фильтр-боксах, печах и т.д.). Фильтры VUKOPOR^®LD производятся по современной технологии, гарантирующей самое высокое качество и стабильные параметры. Широкий ассортимент по размерам, форме и пористости фильтров позволяет использовать их для получения различных типов отливок и литейных технологий. Возможно изготовление квадратных, прямоугольных, круглых и специальных типов фильтров по индивидуальным заказам.

При разливке расплавленного алюминия в формы, расплав алюминия пропускается через фильтры из стеклоткани. Цель такого фильтрования заключается в уменьшении количества твердых частиц, например, боридов и оксидов алюминия, содержащихся в расплавленном металле, в получаемом твердом алюминии. Метод с использованием фильтров из стеклоткани для указанных целей описан в патенте Канады 554853.

Метод фильтрования широко используется в алюминиевой промышленности и значительные количества металла застывают и остаются на фильтре после каждой разливки расплава. Обычный метод регенерации оставшегося на фильтрах алюминия заключается в дифференциальном плавлении. При этом фильтры с остатками металла нагреваются до температуры, при которой происходит плавление алюминия.

Как видно из схемы, использованные стеклянные фильтры 1, покрытые металлическим алюминием, направляют по конвейеру 2 в загрузочный бункер 3, из которого они доставляются к пункту измельчения 4, состоящему из вращающегося цилиндрического барабана 5 с фасонным резаком 5а. Барабан приводится в движение с помощью мотора 6.

Окружающий барабан экран 7 имеет отверстия размером ^2,5 см, через которые проходят раздробленные куски стеклянных фильтров.

Куски 8, прошедшие через отверстия экрана, подаются на транспортер 9 и затем ^ бункер 10. На втором пункте измельчения ]/ куски еще более измельчаются. Устройство // включает приводимый в действие мотором 16 барабан 12 с резаками 14, проходящими фиксированный нож 13. И в этом случае резак окружен экраном 15 с размерами отверстий 9 мм, Таким образом происходит раздробление материала до получения частиц 18 достаточно малого размера, проходящих через отверстия экрана 15 и попадающих на транспортер 17.

Усовершенствованный простой способ механического разделения разработан Д . П. Скелтоном (патент США 4044955, 30 августа 1977 г.). Метод включает стадии дробления отходов на мелкие куски, сплющивания их между твердыми поверхностями пары вращающихся цилиндров с достаточным сжимающим давлением