Проект цеха электролиза производительностью 315 тыс. т алюминия в год с установкой электролизеров с обожженными анодами на силу тока 315 кА
Работа из раздела: «
Производство и технологии»
/
Проект цеха электролиза производительностью 315 тыс. т алюминия в год с установкой электролизеров с обожженными анодами на силу тока 315 кА
Содержание
- Введение
- 1. Определение района строительства цеха электролиза, обоснование типа и мощности электролизера
- 1.1 Определение района строительства цеха электролиза
- 1.2 Обоснование типа и мощности электролизёра
- 2. Расчёт электролизёра, параметров цеха электролиза
- 2.1 Конструктивный расчёт электролизёра
- 2.1.1 Расчёт размеров анодного устройства
- 2.1.2 Расчёт размеров шахты и катодного устройства
- 2.1.3 Укрытие электролизёра
- 2.1.4 Установка АПГ
- 2.2 Технологический расчёт электролизёра
- 2.3 Расчёт удельного количества фтористых соединений, выделяющихся в корпусе электролиза
- 2.3.1 Удельный расход фтора
- 2.3.2 Удельный приход фтора
- 2.4 Расчёт эффективности укрытия электролизёра и выделения фтористых соединений в корпус электролиза
- 2.5 Материальный баланс электролиза
- 2.5.1 Приход сырья
- 2.5.2 Расход сырья
- 2.6 Электрический расчёт электролизёра
- 2.6.1 Расчёт греющего напряжения
- 2.6.2 Расчёт напряжения разложения
- 2.6.3 Расчёт падения напряжения в анодном узле
- 2.6.4 Расчёт падения напряжения в подине
- 2.6.5 Расчёт падения напряжения в электролите
- 2.6.6 Расчёт падения напряжения от анодных эффектов
- 2.6.7 Расчёт среднего напряжения
- 2.6.8 Расчёт падения напряжения в ошиновке
- 2.6.8.1 Определение токовой нагрузки катодных участках7
- 2.6.8.2 Определение падения напряжения в катодной и анодной ошиновке электролизёра
- 2.6.9 Баланс напряжения электролизёра
- 2.7 Энергетический баланс электролизёра
- 2.7.1 Приход тепла
- 2.7.2 Расход тепла
- 2.7.2.1 Потери тепла конструктивными элементами электролизёра
- 2.7.2.1.1 Теплопотери анодного устройства
- 2.7.2.1.2 Теплопотери катодного устройства
- 2.8 Расчёт объёма производства, характеристика корпуса и цеха электролиза
- 3. Специальная часть. разработка мероприятий направленных на увеличение выхода по току и срока службы электролизера
- 4. Механизация и автоматизация производственных процессов
- 4.1 Механизация в корпусе электролиза
- 4.2 Автоматизация производственных процессов
- 4.2.1 История развития систем автоматизации. Структурные схемы АСУТП разных поколений
- 4.2.2 Использование АСУТП на отечественных алюминиевых заводах94
- 4.2.3 АСУТП «ТРОЛЛЬ-5»
- 4.2.4 Функции АСУТП «ТРОЛЛЬ-5»
- Вывод
- 5. Безопасность жизнедеятельности
- 5.1 Анализ технологического процесса по вредным и опасным факторам
- 5.2 Производственная санитария
- 5.2.1 Вентиляция в корпусах электролиза
- 5.2.2 Защита от теплового излучения
- 5.2.3 Освещение
- 5.2.4 Водопровод и канализация, отопление
- 5.2.5 Бытовые помещения
- 5.3 Чрезвычайные ситуации
- 5.3.1 Противопожарная профилактика
- 5.3.2 Аварийные ситуации
- 5.4 Охрана окружающей среды
- 5.5 Техника безопасности
- 6. Экономика и организация труда
- 6.1 Организация труда в корпусе электролиза
- 6.2 Расчёт численности трудящихся и трудоёмкости продукции
- 6.2.1 Расчёт численности явочного состава для корпуса с электролизёрами ОА-315
- 6.2.2 Расчёт трудоёмкости продукции
- 6.3 Расчёт годового фонда оплаты труда
- 6.3.1 Расчёт годового фонда заработной платы основных рабочих
- 6.3.2 Расчёт годового фонда оплаты труда
- 6.3.3 Расчёт годового фонда заработной платы специалистов
- 6.4 Расчёт себестоимости алюминия-сырца
- 6.4.1 Расчёт капитальных затрат
- 6.4.1.1 Расчёт сметы затрат на содержание зданий и сооружений
- 6.4.1.2 Расчёт сметы затрат на содержание и эксплуатацию оборудования
- 6.4.1.3 Расчёт калькуляции себестоимости 1 т. алюминия-сырца
- 6.5 Расчёт экономического эффекта от уменьшения выбросов фтористых соединений
- 6.6 Расчёт основных технико-экономических показателей цеха электролиза
- Заключение
- Литература
Введение
Специфические свойства алюминия: лёгкость, ковкость, хорошая теплопроводность, электропроводность, высокая коррозийная стойкость, прочность в соединении с другими металлами, обеспечили ему широкое применение в промышленности. Кроме того, алюминий наиболее распространённый элемент в земной коре (он занимает третье место после кислорода и кремния). Чистый алюминий применяется в электротехнической промышленности, химическом машиностроении. Алюминиевые сплавы находят широкое применение в авиастроении, автомобильной промышленности, транспортном машиностроении, в промышленном и гражданском строительстве, в пищевой промышленности и др.
По масштабам производства и потребления алюминий в мировой экономике занимает первое место среди цветных металлов и второе место после железа.
Впервые металлический алюминий получил датский учёный физик Г. Эрстед в 1825 г., восстановив хлористый алюминий амальгамой калия.
В 1865 году русский учёный Н.Н. Бекетов предложил получать алюминий вытеснением его из фтористых соединений магнием.
В 1886 году Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США независимо друг от друга заявили аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозёма, растворенного в расплавленном криолите.
С открытием электролитического способа началось быстрое развитие алюминиевой промышленности, чему способствовали уникальные свойства алюминия, которые выгодно отличают его от других металлов. Это небольшая плотность и достаточная механическая прочность, высокая тепло и электропроводность. Алюминий не токсичен и коррозионостоек к ряду химических веществ. Благодаря этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашел исключительно широкое применение в различных отраслях современной технике. К тому же алюминий, как известно, относится к числу наиболее распространённых элементов. Содержание его в земной коре достигает 7,4% и по распространённости занимает третье место после кислорода и кремния.
Чистый алюминий применяется в электротехнической промышленности для изготовления проводов и кабеля, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей. В силу большой коррозийной стойкости он широко применяется в химическом машиностроении, для изготовления бытовых приборов, в пищевой промышленности для хранения продуктов.
Для поддержания оптимального уровня цен на первичный алюминий, обеспечивающего устойчивый потребительский спрос на алюминиевую продукцию, производители вынуждены постоянно изыскивать возможности снижения производственных затрат. Алюминиевым компаниям оказалось чрезвычайно выгодным объединять производственные мощности, выстраивая вертикально интегрированные структуры, участвующие в управлении всей технологической цепочкой производства алюминия - от добычи бокситов, производства глинозёма и первичного алюминия до выпуска полуфабрикатов и готовой продукции.
Стремление к минимизации производственных затрат и обеспечению конкурентоспособности на мировом рынке привело к образованию крупнейших мировых транснациональных корпораций «Alcoa» + «Reynolds Metals» (обе США) и «Alcan Aluminium» (Канада) + «algroup» (Швейцария).
Объём мощностей заводов по производству первичного алюминия оценивался в 4,5 млн. тонн в год. Баланс мощностей заводов «Alcoa» по производству всех видов полуфабрикатов, включая плоско-прокатную и прутковопрофильную продукцию, составлял 4,2 млн. тонн в год (первое место в мире).
Таблица 1
Производство первичного алюминия на заводах России (тыс. тонн)
|
Заводы
|
1990 г.
|
1991 г.
|
1992 г.
|
1993 г.
|
1994 г.
|
1995 г.
|
1996 г.
|
1997 г.
|
1998 г.
|
1999 г.
|
2000 г.
|
|
|
Всего (включая силумин)
|
2915
|
2734
|
2727
|
2704
|
2668
|
2790
|
2840,9
|
2836,4
|
3003,4
|
3129,1
|
3494,4
|
|
|
в том числе из российского глинозёма
|
1424
|
1373
|
1347
|
1040
|
713
|
820
|
1005
|
1088
|
1171
|
1261
|
1355
|
|
|
Надвоицкий АЗ
|
72,8
|
62,3
|
52,9
|
53,9
|
53,8
|
60,5
|
58,6
|
55,0
|
58,9
|
64,6
|
68,7
|
|
|
Кандалакшский АЗ
|
61,6
|
57,4
|
61,8
|
62,3
|
57,9
|
63,2
|
65,7
|
66,1
|
65,8
|
68,0
|
69,5
|
|
|
Волгоградский АЗ
|
140,9
|
139,7
|
140,3
|
141,0
|
117,0
|
115,9
|
123,0
|
119,8
|
127,6
|
130,1
|
141,9
|
|
|
Волховский АЗ
|
15,2
|
13,3
|
12,9
|
11,4
|
10,1
|
7,3
|
9,4
|
9,6
|
11,8
|
17,0
|
20,5
|
|
|
Уральский АЗ
|
78,0
|
70,1
|
69,5
|
67,7
|
56,3
|
65,8
|
71,9
|
79,0
|
81,5
|
82,5
|
607,1
|
|
|
Иркутский АЗ
|
256,4
|
203,9
|
196,7
|
208,6
|
244,0
|
249,3
|
211,0
|
252,6
|
256,9
|
258,2
|
|
|
|
Богословский АЗ
|
159,6
|
155,4
|
160,8
|
148,8
|
124,9
|
131,2
|
144,7
|
146,8
|
156,5
|
158,7
|
168,6
|
|
|
Братский АЗ
|
818,8
|
760,3
|
766,9
|
766,3
|
758,3
|
768,8
|
782,6
|
730,2
|
843,7
|
870,7
|
899,8
|
|
|
Новокузнецкий АЗ
|
285,5
|
273,6
|
259,4
|
254,8
|
241,4
|
256,0
|
264,6
|
262,7
|
268,6
|
273,5
|
278,8
|
|
|
Красноярский АЗ
|
793,4
|
734,9
|
746,4
|
741,0
|
717,2
|
756,0
|
779,9
|
787,1
|
802,0
|
841,0
|
837,2
|
|
|
Саянский АЗ
|
233,2
|
263,1
|
259,1
|
248,2
|
287,3
|
315,9
|
328,4
|
326,6
|
330,1
|
364,8
|
402,3
|
|
|
В капиталистических странах алюминиевая промышленность занимает ведущее место в экономике, уступая только производству чугуна и стали. Современный мировой капиталистический рынок алюминия характеризуется ростом производства, потребления и экспорта, большими объёмами капитальных вложений в развитие алюминиевой промышленности.
Растущее потребление алюминия непосредственно связано с общим экономическим ростом развитых и развивающихся стран, а также с развитием науки и техники, повышением уровня жизни и ростом народонаселения. США, Япония, Германия, Китай и европейские государства потребляют наибольшее количество алюминия по сравнению с другими странами.
Отечественная алюминиевая промышленность до 1991 г. характеризовалась увеличением объёма производства и потребления. Строились новые заводы Таджикский, Саянский. В период с 1991 по 1998 годы потребление алюминия в странах СНГ резко сократилось (с 60% до 12%), увеличился экспорт алюминия. Однако такой спад потребления - это временное явление. Опыт развития мировой экономики свидетельствует об устойчивой тенденции потребления алюминия. В настоящее время все действующие алюминиевые заводы России не только сохранили объёмы производства, но и увеличили за счёт совершенствования технологии, конструкции электролизёров, ошиновки, внедрения современных систем автоматизации, более эффективных систем очистки газов.
В проекте приводится обоснование выбора места строительства цеха, расчёт и описание объекта проектирования.
Исходя из требований экологии и экономики произведен выбор и обоснование конструкции электролизёра и оборудования цеха. На этой основе выполнены конструктивный, электрический и тепловой балансы электролизёра, описан технологический режим, схемы обслуживания и технико-экономические показатели.
Применение автоматической подачи глинозёма в электролизёры позволяет снизить выбросы фтористых соединений в окружающую среду.
В разделе «экономическая часть» приведены расчёты технико-экономических показателей объекта. Доказана высокая рентабельность будущего производства.
В разделе «Безопасность жизнедеятельности» описаны мероприятия по технике безопасности и охране труда при производстве алюминия электролитическим методом, освещены вопросы жизнедеятельности и охраны окружающей среды.
1. Определение района строительства цеха электролиза, обоснование типа и мощности элекролизера
1.1 Определение района строительства цеха электролиза
Промышленность любого развитого государства еще с момента своего появления в истории человечества всегда являлась и по сегодняшний день является главной и ведущей отраслью материального производства. Поэтому немаловажным и одним из необходимых условий развития экономики нашей страны будет правильное и рациональное территориальное размещение объектов промышленности, в особенности, металлургических предприятий.
Большую роль в выборе района строительства металлургического предприятия занимает обеспеченность выбранного района богатыми природными энергоносителями. К таким регионам можно отнести Восточную Сибирь, в частности, Иркутскую область. Здесь сосредоточенно до 85% всех угольных запасов страны (АО ВостСибУголь) и до 80% гидроэнергетических ресурсов Сибири (АО ИркутскЭнерго).
Производство алюминия относится к числу энерго- и материалоемких производств, основные затраты которого связаны с расходом сырья и электроэнергии (до 81% всех затрат), причем затраты по последней статье достигают на некоторых заводах 45% от себестоимости продукции [1]. Поэтому при проектировании электролизного цеха необходимо ориентироваться на максимальное приближение его к источникам дешевой электроэнергии и сырья.
До настоящего времени в Иркутской области были предложены следующие районы строительства: г. Шелехов (строительство второго электролизного цеха ИркАЗа по проекту Сибирско-Уральской Алюминиевой Компании);
г. Тайшет (строительство электролизного цеха, проект в настоящее время уже осуществлен);
г. Братск (п. Гидростроитель, промплощадка АО СибТеплоМаш, и п. Чекановский, промплощадка АО БрАЗ), г. Усть-Илим.
Из всех вариантов рассмотрим размещение проектируемого цеха в г. Усть-Илим, целесообразность строительства завода в котором подтверждают следующие экономически важные факторы:
- наличие в большом количестве дешевой электроэнергии, поступающей с Усть-Илимской ГЭС;
- наличие в неограниченном количестве гидроресурсов (Усть-Илимское водохранилище);
- решение транспортных затрат с помощью железной дороги ВСЖД;
- наличие трудового ресурса (безработица среди населения);
- стабильность в поступлении сырья как от отечественных, так и от зарубежных производителей (по тоулинговой системе).
Кроме перечисленных факторов немаловажно отметить и то, что строительство алюминиевого завода (цеха электролиза) в г. Усть-Илим позволит повысить материальное благосостояние населения города и района за счет создания новых рабочих мест и повышения уровня конкуренции на рынки труда.
1.2 Обоснование типа и мощности электролизера
Важнейшими факторами, определяющими технический уровень и экономику производства алюминия, является мощность и тип электролизера. Увеличение мощности позволяет снижать расходы на тонну выпускаемого алюминия, так как снижаются расходы на эксплуатацию электротехнического и технологического оборудования, уменьшаются удельные капитальные вложения. Но повышение мощности электролизера вызывает увеличение перекосов металла, что вынуждает поддерживать более высокое межполюсное расстояние.
Вероятность проникновения алюминия через швы подины до стальных катодных стержней и выхода электролизера из строя возрастает в прямой зависимости от площади швов и, поэтому, срок службы более мощных электролизеров значительно ниже, чем электролизеров средней мощности.
Отечественная алюминиевая промышленность с самого начала ее организации встала на путь внедрения электролизеров с непрерывными самообжигающимися анодами прямоугольной формы.
Алюминиевые заводы, строящиеся в настоящее время оборудуются, электролизерами с предварительно обожженными анодами (ОА) в комплексе с эффективными средствами механизации, автоматизации и газоочистки.
Электролизеры с обожженными анодами отличаются от электролизеров с самообжигающимися анодами верхнего, бокового токоподвода меньшим электросопротивлением анодного узла, отсутствием необходимости в формировании однородного, крупногабаритного, самообжигающегося анода, лучшими условиями отвода тепла, газов из расплава, более симметричным магнитным полем меньшей напряженности. Все это позволяет иметь более высокие технико-экономические показатели. Главное преимущество указанных электролизеров заключается в том, что при их эксплуатации значительно улучшаются условия труда производственного персонала и защиты окружающей среды, так как исключается источник выделения смолистых погонов, содержащих канцерогенные вещества. Газообразные укрытия просты по конструкции и надежны в работе, обеспечивают высокую степень эффективности улавливания выделяющихся технологических газов.
В связи с вышеизложенным в настоящем проекте принимается к установке электролизер с обожженными анодами на силу тока 315 кА.
2. Расчёт электролизёра, параметров цеха электролиза
2.1 Конструктивный расчёт электролизёра
Зарубежные алюминиевые заводы в основном оснащены электролизёрами с предварительно обожжёнными анодами (ОА), что позволяет улучшить технологию и достичь высоких технико-экономических показателей процесса электролиза и, самое главное, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. В нашей стране заводы в основном оборудованы ваннами с анодом Содерберга. Однако намечается тенденция к расширению внедрения электролизёров с ОА. Строительство новых серий также планируется с введением в эксплуатацию ванн с предварительно обожжёнными анодами.
2.1.1 Расчёт размеров анодного устройства
Анодную плотность тока ia принимаем согласно графика [2] равной 0,74 А/см2.
Тогда площадь сечения анода (Sa) рассчитывается по формуле [2]:
где: I - сила тока проектируемого электролизёра.
При конструктивном расчёте электролизёра следует ориентироваться на типоразмеры серийно выпускаемых анодов [2].
Принимаем обожжённые аноды конструкции электролизёров ТадАЗа, САЗа с размерами в плане 700Ч1450 мм и высотой 600 мм. Анодные блоки установленные длинной стороной перпендикулярно шахте ванны двумя рядами,расстояние между рядами 160 мм, между анодными блоками - 40 мм.
Количество анодных блоков (n) в анодном массиве определяется по формуле [2]:
где: l - длина анодного блока, мм;
b - ширина анодного блока, мм.
Общая длина (La) анодного массива определяется из выражения [2]:
Ширина анодного массива (Ва):
Анодное устройство состоит из:
o балки-коллектора;
o механизмов подъёма анодов;
o анодной ошиновки;
o обожжённых анодов;
o укрытия электролизёра;
o секций автоматизированного питания глинозёмом (АПГ).
К анодной ошиновке с помощью специальных зажимов прикрепляются 42 обожжённых анодов. Каждый анод состоит из угольного блока, предварительно обожжённого, и токопроводящего анододержателя (анододержатель - алюминиевая штанга и стальной кронштейн с 4-мя ниппелями). Анододержатель ниппелями устанавливается в специально высверленные в блоке гнезда и крепится к нему с помощью заливки из чугуна.
Укрытие электролизёра с ОА - сегментного типа, состоящее из балки-коллектора, съёмных сегментных створок-крышек и торцевых щитов. Всего на электролизёре 4 механизма подъёма укрытия, которые состоят из электродвигателя и редуктора. Любая створка укрытия снимается вручную.
Рис. 2.1 Схема укладки подовых блоков на подину электролизёр
Расстояние от продольной стороны анода до:
- боковой футеровки (bш) - 360 мм;
- торцевой футеровки (lш) - 350 мм.
Тогда внутренняя длина шахты (Lш) составит:
,
а её внутренняя ширина (Вш):
Согласно практическим данным для ванн большой мощности Нш=600 мм (уровень металла hм=250 мм; 1э=250 мм; hг=100 мм ; тогда:
2.1.2 Расчёт размеров шахты и катодного устройства
В электролизёре принимается металлический катодный кожух шпангоутного типа.
Рис. 2.2. Схема футеровки электролизёра: 1 - стальной кожух; 2 - засыпка из шамотной крупки; 3 - футеровочная угольная плита; 4 - углеродистая подушка из подовой массы; 5 - кирпичная футеровка из 2 рядов шамотного и 3 рядов легковесного шамотного кирпича; 6 - асбестовый лист.
Расчёт основных размеров подины
Отечественной промышленностью выпускаются катодные блоки сечением 400Ч400 и длиною 600, 800, 1200 и 1600 мм (нормальные) и сечением 400Ч550 и длиной 600, 1400, 2000 и 2200 мм (укрупненные). В проектируемом электролизере используем не стандартные блоки сечением 500Ч690 и длиной 1400 и 2000 мм с двумя блюмсами в блоке каждый сечением 100Ч200 мм.
Принимаем число пар блоков 24:
Расстояние между катодными блоками и боковой футеровкой шахты (с) определяется следующим образом:
где: В1 и В2 длины выбираемых нами блоков.
Ширина шва (d) между катодными блоками и торцевой футеровкой составляет:
Рис. 2.3 Общий вид катодного устройства: 1 - швы между блоками; 2 - паз в блоке; 3 - углеродистая подушка; 4 - катодные стержни; 5 - подовые блоки; 6 - пробки из подовой массы; 7 - боковые угольные плиты
Катодные стержни
Катодные стержни (блюмсы) изготавливаются из стали (Ст2, Ст3). Раньше их заливали в угольный подовый блок чугуном, а в последнее время используют другие материалы. Так, на Иркутском алюминиевом заводе для этих целей применяется МХТД - масса холодная теплопроводная доменная.
Допустимая плотность тока для стали 0,2 А/мм2. Стандартное сечение блюмсов - 120Ч230 мм. Необходимо проверить в стержнях фактическую плотность тока:
Размеры катодного кожуха
Размеры катодного кожуха определяются в зависимости от геометрических размеров шахты ванны и толщины слоя футеровочных и теплоизоляционных материалов. Подина выполнена из угольных подовых секций. Вместо углеродистой подушки из подовой массы для увеличения срока службы электролизера укладывается сухая барьерная смесь (СБС), СБС д3 = 90 мм. Кирпичная часть подины, состоит из двух слоев шамотных кирпичей ШВ-42 и двух слоев низкоплотных вермикулитовых плит (толщиной по 65 мм).
Боковые и торцевые стороны катодного устройства футерованы карбид - кремниевыми блоками толщиной 100 мм.
По торцевым и длинным сторонам угольные плиты укладываются с зазором 40 мм, которые (сверху на 300 мм) забиваются подовой массой и шамотной засыпкой. По торцевым и длинным сторонам шахты выполняется порог из угольных блоков с целью уменьшения площади зеркала металла и снижения потерь металла за счёт обратного растворения металла в электролите, что увеличивает выход по току. Асбестовый лист - толщиной 15 мм, шамотная засыпка на дне - толщиной 40 мм.
Кожух с днищем состоит из двух стального короба (толщиной 10 мм). В настоящем проекте принимаем кожух шпангоутного типа.
Тогда внутренние размеры кожуха составят:
длина:
ширина:
высота:
2.1.3 Укрытие электролизёра
Электролизёр с обожжёнными анодами оборудуется укрытиями сегментного типа. Это укрытие электролизёра состоит из балки - коллектора, съёмных сегментных створок - крышек и торцевых щитов. К нижним кромкам короба балки - коллектора приварены поперечные балки, на которые сверху опирается настил, образующий газоотсосные каналы. К концам поперечных балок шарнирно крепятся наклонные створки из алюминиевого сплава, которые также прикреплены к тягам механизмов подъёма укрытия, установленные на горизонтальном настиле.
При необходимости наклонное укрытие, состоящее из наклонных створок, поднимается вверх с помощью двух механизмов подъёма укрытия и открывается одна продольная сторона электролизёра, затем опускается вниз. На электролизёре четыре механизма подъёма укрытия (на каждое продольное наклонное укрытие по два механизма). Механизм подъёма укрытия состоит из электродвигателя, редуктора. Кроме того, любая створка укрытия может сниматься вручную. Торцевые укрытия (два на электролизёр) - это съёмные щиты, снимаются вручную для доступа к торцам электролизёра. Сегментный тип укрытия выполнен на основе опыта работы рамно-створчатого в корпусах ТадАЗа и отличается снижением площади неплотностей, увеличением эффективности газоотсоса. Электролизёр имеет двухсторонний газоотсос. При этом балка-коллектор соединена с двух концов газоотсосными патрубками со стойками - газоходами, из которых газ направляется в магистральный газоход. Для организации переменного газоотсоса под патрубками имеются шибера.
Уменьшение неплотностей укрытия; оснащение электролизёров установками автоматизированного питания глинозёмом (АПГ), позволяющими вести обработку электролизёров с закрытым укрытием и обеспечивающими значительное сокращение количества одновременно открытых ванн в корпусе; ведение процессов электролиза с жесткой стабилизацией силы тока, стабилизацией концентрации глинозёма в электролите и АСУТП с индивидуальными микропроцессорными управляющими устройствами; соблюдение технологических инструкций по обслуживанию электролизёров позволяют обеспечить эффективность газоотсоса (по фтору) не ниже 98% (см. расчёт баланса по фтору). Для обеспечения такой эффективности по расчётам, проведенным институтом ВАМИ на основании зарубежных фирм, необходимо обеспечить следующие объёмы газоотсоса от укрытия электролизёра:
* от закрытого электролизёра - 11 000, м3/час;
* при замене анода и при открытой продольной стороне - 16 000 , м3/час.
2.1.4 Установка АПГ
Новые поколения зарубежных электролизёров с ОА, имеющие высокие технико-экономические показатели, характеризуются высоким уровнем автоматизации. Они оборудованы системами автоматического питания глинозёмом (так, электролизёры фирмы «Pechiney» оснащены системами АПГ точечного типа, работающими на сжатом воздухе).
Наиболее успешные решения найдены на электролизёрах с ОА. Применение точечной автоматической загрузки глинозёма в электролит имеет неоспоримые преимущества:
1. порция подаваемого глинозёма может быть максимально приближена к электрохимически необходимой величине, что, в свою очередь, оптимизирует процесс и снижает расход электроэнергии;
2. стабилизация температуры электролита на более низком уровне и отсутствие колебаний поверхности металла от поточных обработок повышает производительность электролизёров;
3. АПГ обеспечивает стабильную работу на кислых электролитах (при сниженной растворимости глинозёма), так как появляется возможность держать его концентрацию в более низких пределах;
4. уменьшение прихода тепла за счёт снижения греющего напряжения позволит в разумных пределах увеличить ток (по некоторым данным до 8%);
5. неоспоримым преимуществом АПГ точечного типа является возможность значительно снизить количество вредных выбросов.
В проекте для снижения выбросов фторсодержащих соединений предусматривается оснащение электролизёра установками АПГ точечного типа, состоящими из 3-х секций. Механизмы АПГ имеют пробойники и дозаторы глинозёма, которые приводятся в действие пневмоприводами. Всего на электролизёре установлено 4 пробойника и 2 дозатора - по два пробойника и одному дозатору на каждом механизме АПГ. Управление пневмоприводами пробойников и дозаторов осуществляется с помощью электропневмоклапанов. Механизмы АПГ на электролизёре с целью улучшения нагрузки на пневмосистему работают последовательно во времени. Длительность включенного состояния - 5 - 15 с, а цикл работы АПГ определяется технологией и выбранным алгоритмом питания электролизёра глинозёмом.
Проектные электролизёры работают на новой технологии (применение АПГ и АСУТП), которая позволяет уменьшить количество анодных эффектов до 0,2 шт в сутки вместо 1 шт. в сутки. Кроме того, в проекте электролизёры оборудованы автоматическим гашением анодных эффектов перемещением анодного массива. Автоматическое гашение анодных эффектов позволяет сократить длительность анодного эффекта до 1 мин (вместо 2 мин).
Установка АПГ состоит из 3-х секций. Секция АПГ представляет собой бункер для глинозёма с горловиной и встроенных в него двух пробойников и двух дозаторов. Сам бункер располагается в центральной части балки-коллектора, горловина - сверху коллектора. Установка АПГ пробивает электролитную корку и загружает глинозём по продольной оси между анодами в шести точках электролизёра. Принцип действия данного вида АПГ изображен на рис. 2.4. Принцип действия АПГ:
Дозатор работает следующим образом: когда верхняя камера 3 соединяется с инжектором, диафрагма 1 прогибается вверх (как и изображено на рис. 2.4.) и резиновый 4 клапан плотно закрывает нижнюю камеру 5. Воздух проходит через ткань диафрагмы 1 и под разрежением оказывается средняя камера 4. Глинозём из бункера засасывается и заполняет дозатор (камера 4). После заполнения дозатора вакуум отключается, и дозатор сообщается с атмосферой. Под действием силы тяжести резинового клапана и дозы глинозёма диафрагма прогибается вниз (на рис. 2.4. показано пунктирной линией), и глинозём пересыпается в нижнюю камеру, из которой поступает под пробойник. Пробойник 6 приводится в действие поршнем 7, который двигается в цилиндре 8 под действием сжатого воздуха.
Рис. 2.4 АПГ точечного типа
Точечный тип АПГ успешно эксплуатируется в корпусах ТадАЗа, САЗа
2.2 Технологический расчёт электролизёра
Основным показателем технологической работы электролизера является выход по току, который определяет степень полезного использования тока. В проекте предлагаются следующие мероприятия:
1. жёсткая стабилизация силы тока, обеспечивающейся кремниево-преобразовательной подстанцией (КПП) на 900 В;
2. применение автоматизированного питания электролизеров глиноземом (АПГ) точечного типа;
3. применение автоматизированной системы управления технологическим процессами (АСУТП) «ТРОЛЬ» с индивидуальными микропроцессорными устройствами;
4. применение «сухой» газоочистки электролизных газов;
5. снижение удельного расхода электроэнергии за счет снижения падения напряжения в ошиновке.
Основным показателем технологической работы электролизёра является выход по току (зт), который определяет степень полезного использования тока. В проекте принимается выход по току равным 95%.
Суточная производительность электролизёра (Р, кг) составит:
,
где: gAL = 0,3354 г/А·ч - электрохимический эквивалент алюминия.
Для расхода удельного количества электроэнергии (W) необходимо знать величину среднего напряжения (из баланса напряжения электролизёра, см. разд. 2.5.8) Следовательно:
В таблице приведены конструктивные и технологические параметры электролизёра с обожжёнными анодами на силу тока 315 кА.
Таблица 2.1
Основные технологические и конструктивные параметры электролизёра
|
№ п/п
|
Наименование показателей
|
Един, измер.
|
|
|
Площадь сечения анодов Размеры анодных блоков Длина Ширина Высота 3. Площадь сечения одного анода 4. Общая длина анодного массива 5. Общая ширина анодного массива 6. Внутренняя длина шахты 7. Внутренняя ширина шахты 8. Глубина шахты 9. Расстояние от анода до боковой футеровки 10. Расстояние от анода до торцевой футеровки 11. Высота слоя металла 12. Высота слоя электролита 13.Толщина корки электролита со слоем глинозёма 14. Размеры катодных блоков сечение длина (В1) длина (В2) 15. Ширина шва между катодными блоками и боковой футеровкой 16. Ширина шва между катодными блоками и торцевой футеровкой Количество катодных секций Шамотная крупка * д 2/--на дне д2//--со стороны борта СБС Размеры кожуха Длина Ширина Высота
|
42,56
1450
700
600
1.02
15500
3060
16200
3780
600
360
360
250
250
100
500Ч690
2000
1400
170
110
22
40
40
90
16500
4280
1510
|
м2
мм
мм
мм
м2
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
шт
мм
мм
мм
мм
мм
мм
|
|
|
2.3 Расчёт удельного количества фтористых соединений, выделяющихся в корпусе электролиза
Расчёт удельного количества вредностей, выделяющихся в корпусах электролиза при эксплуатации электролизёра с обожжёнными анодами, выполнен по [2].
Общее удельное количество фтористых соединений (в пересчете на фтор), отходящих от электролизёра в виде пыли и газа, определяется из баланса фтора как разность между суммарным приходом фтора в виде фтористого алюминия, флотационного криолита и возвратов из газоочистки на технологию и суммарной потерь фтора.
В данном разделе рассчитывается расход и приход фтора на процесс электролитического получения алюминия, а также степень улавливания фтора [2].
Исходные данные для расчёта:
1. размер шахты (Вш·Lш) - 3,78Ч16,20 м2;
2. срок службы электролизёра - 6 года;
3. производительность электролизёра (Р) - 2,409 т/сут;
4. количество анодных эффектов (k) - 0,2 шт;
5. длительность анодных эффектов (фаэ) - 1 мин;
6. содержание фтора:
a) - криолите свежем - 54%;
b) - фтористом алюминии - 61%;
7. КПД «сухой» газоочистки - 99,5%; [3];
2.3.1 Удельный расход фтора
Удельный расход фтора состоит из следующих статей:
1. Расход фтора на пропитку угольной футеровки .
По существующим “Нормативам расхода фтористых солей и глинозёма на пуск электролизёров после монтажа и капитального ремонта” расход фтора на 1 м2 площади шахты ванны составляет 230 кг при пуске.
Тогда удельный расход фтора на пропитку футеровки будет:
где: 365 - число дней в году.
2. Расход фтора в виде углефторидов при анодных эффектах определяется по следующей формуле:
где: 0,2 - количество фтора, теряемое в виде углефторидов за 1 мин во время анодного эффекта, кг.
3. Расход фтора с анодными огарками .
В результате окисления угольных анодов из электролизёра после процесса вынимаются анодные огарки, пропитанные электролитом. Согласно практическим данным действующих заводов с обожжёнными анодами с анодными огарками расходуется 3,6 кг фтора на тонну алюминия-сырца, т.е. = 3,6 кг/т.
4. Расход фтора с газами и пылью .
Согласно практическим данным этот расход составляет 20 - 21 кг. В нашем расчёте принимаем 20 кг. Следовательно, расход фтора без мех. потерь составляет:
тогда общий расход составит:
5. Механические потери .
Потери фтора при транспортировке определяются по формуле:
где: 0,05 - доля фтора от общего прихода фтора, потерянного при транспортировке (согласно практическим данным).
Проверка:
6. Удельный приход фтористых соединений
Принимаем общий удельный расход фторсолей в пересчете на фтор равным 27,66 кг.
2.3.2 Удельный приход фтора
Удельный приход F складывается из нескольких статей:
1. На пуск электролизёров после кап. ремонта требуется фторсолей .
где: - расход фтора на пропитку угольной футеровки.
В пересчете на свежий криолит составит:
2. Приход фтора из «сукой» газоочистки .
С учётом степени улавливания фтора, находящегося в системе «сухой» газоочистки глинозёмом, равной 0,9771, и эффективности «сухой» газоочистки в среднем 99,5% приход фтора в процесс электролиза в виде фторированного глинозёма составит:
3. Приход фтора на корректировку КО
Корректировку состава электролита осуществляют фтористым алюминием. Тогда составит:
где: - общий расход фтора, кг (см. раздел 5.1).
Итого: общий приход фтора составит:
По расчётным данным составляется баланс фтора.
Таблица 2.2
Баланс фтора
|
Удельный приход фтора
|
Удельный расход фтора
|
|
|
Статья
|
Кг/т
|
% F, во фторсолях
|
В пересчете на F,кг/т
|
%
|
Статья
|
В пересчете на F, кг/т
|
%
|
|
|
Фтористый алюминий
|
9,1
|
61
|
5,55
|
20,1
|
Для пропитки футеровки
|
2,67
|
9,6
|
|
|
Фторсоли из сухой газоочистки
|
|
|
19,44
|
70,3
|
В виде углефторидов
|
0,01
|
0,04
|
|
|
Фторсоли на пуск электролизера после капремонта
|
4,94
|
54
|
2,67
|
9,6
|
Механические потери
|
1,38
|
5,01
|
|
|
|
|
|
|
С анодными огарками
|
3,6
|
13,03
|
|
|
|
|
|
|
В виде газа и пыли
|
20
|
72,32
|
|
|
Итого
|
|
|
27,66
|
100
|
|
27,66
|
100
|
|
|
2.4 Расчёт эффективности укрытия электролизёра и выделения фтористых соединений в корпус электролиза
В процессе электролиза от электролизёров в атмосферу корпуса и систему газоочистки выделяется фтористых соединений в пересчете на фтор 20 кг/т (см. таблицу 2.2.).
Для определения распределения выделяемого фтора между атмосферой корпуса электролиза и системой газоотсоса необходимо рассчитать эффективность улавливания фторидов укрытием .
рассчитывается по следующей формуле [6]:
где: 1, 2, 3, 4, 5 - технологические операции, соответственно:
- регламентированная обработка;
- ликвидация анодного эффекта;
- выливка металла и технологические замеры;
- замена анодов;
- работа с герметичным укрытием.
- эффективность улавливания фтора герметичным укрытием во время выполнения технологических операций, доли единиц;
Т1,2,3,4,5 - длительность технологических операций, д. ед.
Согласно практическим данным принимается:
Расчёт Т1,2,3,4,5:
,
где: 5 - длительность обработки одной длинной стороны или двух торцевых, мин;
1 440 - количество минут в сутках.
1. ,
2. ,
где: 6 - длительность выливки металла из одного электролизёра, мин;
3. ,
где: 15 - время перестановки одного анода, мин;
29,5 - срок службы анодов, сутки (по факту (САЗа);
nб - количество анодных блоков (42).
4.
Тогда составит:
или 97,71%.
Исходя из полученных удельного количества отходящих от электролизёра фторидов в пересчете на фтор 20 кг и эффективности газоотсоса = 97,71%, фторсодержащих вредностей (в пересчете на фтор) поступает:
- в систему газоочистки :
в том числе:
в виде HF 40% или
в твердом виде 60% или
- в трубу выбрасывается :
HFгаз = 7,82 - 7,78 = 0,04 кг,
Fтв = 11,72 - 11,71 = 0,01 кг;
- возврат в процесс (в виде фторированного глинозёма):
HFгаз = 7,82 · 0,995 = 7,78 кг;
Fтв = 11,72 · 0,995 = 11,71 кг; всего 7,78 + 11,71 = 19,49 кг;
- в атмосферу корпуса :
кг, в том числе
в виде газа 40% или
кг,
в твердом виде или кг.
Итак, в процессе электролиза распределение поступившего фтора выглядит следующим образом:
в атмосферу:
HFгаз 0,04 кг
Fтв 0,01 кг
в атмосферу корпуса:
HFгаз 0,18 кг
Fтв 0,28 кг
возврат в процесс:
HFгаз 7,78 кг
Fтв 11,71 кг
ВСЕГО: 20 кг
2.5 Материальный баланс электролиза
2.5.1 приход сырья
- глинозёма:
- анодов:
- свежих фторсолей:
- выход огарков:
2.5.2 Расход сырья
Глинозём
Иностранные фирмы «Pechiney», «Kaiser» (США), «VAW» (Германия) в своих предложениях по переводу корпусов БрАЗа, ИркАЗа, НкАЗа на обожжённые аноды определяют удельный расход глинозёма равным 1930 кг на 1 т алюминия-сырца. В настоящем проекте принимается удельный расход Al2O3 равный 1920 кг (на 1 т алюминия-сырца), согласно практике зарубежных заводов. Однако повышаются требования к глинозёму при применении АПГ точечного типа. В частности, рекомендуется использовать глинозём «песчаного» типа, к которому относятся зарубежные глинозёмы.
Обожжённые аноды
На зарубежных заводах электролизёры с ОА имеют общий удельный расход анодов 565 - 580 кг (с огарками) и расход без огарков - 415 - 453 кг. На отечественных электролизёрах с ОА самый низкий удельный расход обожжённых анодов (с огарками) имеют корпуса № 7,8 КрАЗа (? 580 кг), в том числе 140 кг - выход огарков.
В настоящем проекте удельный расход обожженных анодов принимается равным 540 кг, в том числе 140 кг - выход огарков.
Фтористые соли
При использовании «сухой» газоочистки, широко и успешно применяемой на зарубежных алюминиевых заводах, часть поступающего на процесс электролиза криолитоглинозёмного расплава фтора возвращается обратно в электролит виде фторированного глинозёма. Данная система газоочистки также успешно используется в корпусах САЗа, УАЗа, в корпусах № 19,20 КрАЗа.
В проекте принимаем удельный расход фтористого алюминия на 1 т алюминия-сырца равным 9,1 кг. Удельный расход свежего криолита на пуск электролизёров после капитального ремонта - 4,94 кг.
Составление материального баланса процесса электролиза
Материальный баланс электролиза представляет собой соотношения поступивших продуктов в процесс и их расход на получение алюминия-сырца в час.
Расчёт ведется на 1 час работы электролизёра.
Для ведения технологического процесса электролиза и получения 100,4 кг в час алюминия-сырца (2409 ч 24 = 100,4 кг) в электролизёр требуется загрузить:
- глинозёма:
- анодов:
- свежих фторсолей:
Расчёт расхода сырья
1) Теоретический расход А12О3 на производство 1 кг алюминия составляет 1,89 кг. Однако на практике расходуется больше глинозёма, тогда его потери составят: (1,92 - 1,89) · 100,4 = 3,01 кг/ч.
2) Расход обожжённых анодов в основном связан с реакциями, протекающими у анода. Для расчёта количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющимся в результате электрохимического разложения глинозёма, принимается состав анодных газов (по факту), % (объёмный) для выхода по току 95%: СО2 - 70%; СО - 30%
При получении 100,4 кг алюминия выделится кислорода:
где: 48, 54 - количество кислорода и алюминия в глинозёме (молекулярный вес кислорода и алюминия в А12О3).
Из этого кислорода перейдет:
в состав СО2:
,
в состав СО:
,
где: 2 · 70 + 30 - содержание кислорода в СО2 + СО, %;
2 · 70 - содержание кислорода в СО2, %;
30 - содержание кислорода в СО, %.
Тогда количество углерода связанного:
- в СО2: ;
- в СО:
где: 12, 16 - молярные веса углерода, кислорода, соответственно.
Таким образом, при получении 100,4 кг алюминия-сырца в 1 час выделяется:
- в СО2: ;
- в СО: .
Выход огарков: 0,14 · 100,4 = 14,06 кг/ч.
Потери обожжённых анодов связаны с окислением, механическими потерями и составляют:
Расход фтористых солей равен приходу фтористых солей (см. баланс фтора).
По расчётным данным составляется материальный баланс процесса электролиза на 1 электролизёр.
Таблица 2.3
Материальный баланс процесса электролиза
|
Приход
|
кг/ч
|
%
|
Расход
|
кг/ч
|
%
|
|
|
Глинозём
|
192,77
|
77,6
|
Алюминий
|
100,4
|
40,42
|
|
|
Обожжённые аноды
|
54,22
|
21,83
|
Анодные газы:
|
|
|
|
|
Фтористые соли
|
1,41
|
0,57
|
- СО2
|
101,1
|
40,7
|
|
|
|
|
- СО
|
27,5
|
11,07
|
|
|
|
|
Потери:
|
|
|
|
|
|
|
- глинозём
|
3,01
|
1,21
|
|
|
|
|
- фторсоли
|
1,41
|
0,57
|
|
|
|
|
- аноды
|
0,76
|
0,31
|
|
|
|
|
- огарки
|
14,06
|
5,66
|
|
|
|
|
- невязка
|
0,16
|
0,06
|
|
|
Итого:
|
248,4
|
100
|
Итого:
|
248,4
|
100
|
|
|
2.6 Электрический расчёт электролизёра
На электролизёрах с ОА ? на 2 000 кВт·ч/т меньший удельный расход электроэнергии, чем на электролизёрах с самообжигающимися анодом и верхним токоподводом [4]. Значение удельного расхода электроэнергии W зависит от величины среднего напряжения на электролизёре. Для этого проводят электрический расчёт алюминиевого электролизёра, чтобы определить величины потерь напряжения в основных узлах металлургического агрегата и найти значения греющего (Uгр), среднего (Ucp) и рабочего (Uраб) напряжений.
Для составления баланса напряжения используются данные конструктивного расчёта проектируемого электролизёра, справочные данные и практические результаты эксплуатации электролизёров с ОА на САЗе, ТадАЗе.
2.6.1 Расчёт греющего напряжения
Расчёт Uгр производится по формуле:
, В,
где: Uр - напряжение разложения глинозёма, В;
ДUа.у. - падение напряжения в анодном узле, В;
ДUn - падение напряжения в подине, В;
ДUэл - падение напряжения в электролите, В;
ДUаэ - падение напряжения от анодных эффектов, В.
Электрический расчет выполняется согласно действующим «Нормам технологического проектирования алюминиевого производства» ВНТП 25-86 [1].
2.6.2 Расчёт напряжения разложения
Определяется по эмпирической формуле:
В,
где: А - коэффициент (А = 1,13).
Таким образом:
где: 0,2 - поправочный коэффициент для электролизёров с ОА.
2.6.3 Расчёт падения напряжения в анодном узле
складывается из потерь напряжения в угольной части анода потерь напряжения в контакте «анод - ниппель , потерь напряжения в ниппеле , потерь напряжения в контакте “ниппель - кронштейн - штанга - анодная шина” .
1) определяется по формуле:
, B,
где: Ф - форм-фактор электрического поля анода;
са - удельное сопротивление угольного анода, Ом·см;
lср - среднее расстояние от дна ниппельного гнезда до подошвы анода, см;
Ф определяется по уравнению:
Ф = 1 + 0,142 · К2,
где:
a·x·b - площадь подошвы анодного блока, см2;
Fнг - площадь полной поверхности ниппельного гнезда (диаметр гнезда равен 16 см, глубина - 10 см), см2;
lср, - (50 + 2) ч 2 = 26 см (50 см - расстояние от дна ниппельного гнезда до подошвы нового анода, 2 см - до подошвы огарка);
где: hнг - глубина ниппельного гнезда, см ( = 10 см);
- площадь боковой поверхности ниппельного гнезда, см2.
Подставив данные, находим К2 = 0,488. Следовательно, Ф = 1,07.
са = 0,007 · (1 - 0,00025 · t) = 58,8 · 10-4 Ом·см при средней температуре анодных блоков 640°С.
Тогда:
2) Падение напряжения в контакте «анод-ниппель» рассчитывается по формуле:
где: сн - удельное электросопротивление, Ом·см;
К - количество ниппелей ( = 4).
На основе промышленных испытаний сн = 50 мВ. Тогда:
Следовательно,
3) определяется следующим образом:
где: сн - удельное электросопротивление ниппеля при t = 70°C, Ом·см2 (по практическим данным сн= 68 · 10-6 Ом·см, 1 = 10 см, Sa = (3,14 · 112)/4 = 95 см2;
lн - длина запеченной части ниппеля, см;
Sн - сечение ниппеля, см.
Тогда
4) Падение напряжения на участке “ниппель - кронштейн - штанга - анодная шина” принимается по практическим данным (ТадАЗ, САЗ):
Итого:
2.6.4 Расчёт падения напряжения в подине
Падение напряжения в катодном устройстве ДUn рассчитывается по эмпирической формуле:
где: 1,098 - коэффициент, учитывающий увеличение напряжения по сравнению с практическими данными (выведен ВАМИ экспериментально).
2.6.5 Расчёт падения напряжения в электролите
На электролизёрах с ОА эта составляющая греющего напряжения на 400 мВ меньше, чем на электролизёрах с ВТ [4].
Падение напряжения в электролите определяется по уравнению Форсбло-ма-Машовца [2]:
где: сэл - удельное электросопротивление электролита, Ом·см;
Ра - периметр анодного массива, см.
Промышленные электролиты имеют сэл = 0,4 ± 0,63 Ом·см, принимаем с = 0,51 Ом·см.
На основании многочисленных исследований, проведенных институтом ВАМИ, лучшие технико-экономические показатели на электролизёрах с обожжёнными анодами достигаются при работе на межполюсном расстоянии, равном 5-5,5 см. [5] В проекте принимается l = 5,0 см.
2.6.6 Расчёт падения напряжения от анодных эффектов
Составляющая греющего напряжения от анодных эффектов определяется по формуле:
где: - превышение напряжения на электролизёре во время анодного эффекта, В (может достигать 60 В, но принимается 25 В);
60 · 24 = количество мин в 1 сутках;
taэ - 1 мин;
k - 0,2.
Тогда:
Итого:
2.6.7 Расчёт среднего напряжения
Расчёт Uср, ведется по следующей формуле:
где: - падение напряжения в ошиновке (с учётом общесерийной).
2.6.8 Расчёт падения напряжения в ошиновке
Исходные данные для расчёта:
o температура катодных шин - 50°С;
o температура катодного стержня - 204°С;
o температура катодного спуска - 127°С;
o температура анодных шин - 80°С.
Удельное электросопротивление катодных, анодных шин, катодных спусков определяется по формуле:
Удельное электросопротивление катодных шин:
Удельное электросопротивление анодных шин:
Удельное электросопротивление катодных спусков:
В настоящем проекте для электролизеров с обожженными анодами на 315 кА, поперечно расположенных в корпусе, применяется усовершенствованная схема катодной ошиновки для предотвращения искривления зеркала металла.
Подвод к электролизеру осуществляется через 5 стояков, расположенных на входной (по ходу тока) стороне электролизера. Все 5 стояков расположены за катодным кожухом и выходят из шинного проема в проекции анода. Четыре стояка равномерно нагружены (76100 А), а пятый стояк нагружен меньше (45600 А). Ток от стояков подводится к передней анодной шине (входная сторона), а к задней шине -токоведущими перемычками, расположенными у мест подключения стояков. Часть тока от катодных стержней направляется под днищем на отметке +1,03 м к трем центральным стоякам следующей ванны. При этом с входной стороны на каждую из двух ветвей ошиновки, привариваются 7 спусков и 14 спусков с выходной стороны (всего 21 спусков на ветви ошиновки) (6 на центральный стояк с обоих сторон). Часть тока от катодных стержней идет по двум ветвям ошиновки на отметке +2,35 м вдоль торцевых сторон к двум крайним стоякам следующей ванны. При этом к одной ветви ошиновки с входной стороны электролизера приваривается 14 спусков, а с выходной 7 спусков (всего 21 спусков на стояк). Схема катодной ошиновки прилагается (см. рис. 2.6.).
Рис. 2.6 Схема катодной ошиновки электролизёра с ОА на 315 кА
Расчёт падения напряжения в ошиновке (анодной и катодной) ведется по одной из сторон электролизёра - по входной стороне.
Падение напряжения ошиновки находится по потере мощности в замкнутом контуре, в котором оно равно 0.
Тогда:
где: I1, I2 - сила тока в 1-ой и 2-ой ветви ошиновки, А;
R1, R2 - сопротивление в 1-ой и 2-ой ветви ошиновки от катодных стержней до нулевой точки на анодной ошиновке, Ом;
Ic - сила тока на одной стороне электролизёра, А.
2.6.8.1 Определение токовой нагрузки катодных участках
Для определения силы тока в 1-ой и 2-ой ветвях ошиновки следует определить токовую нагрузку по катодным стержням в каждой секции. Эта токовая нагрузка определяется из рассмотрения замкнутого контура между двумя соседними стержнями: «металл - катодная секция - пакет катодных спусков - участок катодных шин между соседними спусками - пакет катодных спусков - катодная секция» (см. рис. 2.6.).
На основании 2 - го закона Кирхгофа для замкнутого участка цепи из любых двух соседних стержней справедливо равенство:
(R С + R К + RСП) + Rш = (R С + R К + RСП) In+1, ( 33)
где Rс - полное сопротивление катодной секции, Ом;
Rк - суммарное сопротивление контактов «катодный стержень - спуск»
Rсп - сопротивление катодного спуска, Ом;
In - сила тока в катодном стержне с порядковым номером n, считая от начала ошиновки, А;
Rш - сопротивление участка шинопровода между рассматриваемыми стержнями, Ом;
?In - полный ток на участке шинопровода между рассматриваемыми катодными стержнями, А;
In+1 - сила тока в катодном стержне с порядковым номером (n+1), А.
rк.с- падение напряжения в подине (см электрический расчет электролизера), в;
rсп , rш - определяется по формуле:
, (34)
где: p - удельное электросопротивление, омсм;
l - длина спуска, шины, см;
S - сечение спуска, шины, см2.
После преобразования уравнения получается выражение:
(35)
а) Rс определяется исходя, из расчетного значения падения напряжения в катодном устройстве ?Un:
Ом (36)
б) По практическим данным ?Uк в контакте «катодный стержень - спуск» = 0,005 В, ?Uк в контакте «спуск - шина» - 0,001 В. Тогда суммарное сопротивление контактов:
Ом.
в) Сопротивление алюминиевого катодного спуска длиной 100 см с учетом температурной зависимости удельного электросопротивления алюминия (p = 2,8 • (1+0,0038 t) • 10-6, Ом • см) составит:
Ом
г) Сопротивление катодной шины между соседними стержнями для участка шинопровода, состоящего из 3 шин сечением 60Ч630 мм.
Для каждого участка находим сопротивление катодной шины:
- для одношинного участка:
Ом
- для двухшинного участка:
Ом
Подставив найденные значения Rс, Rк, Rсп, R2ш, и Rш1,2 в уравнение, получим уравнения:
- для одношинного участка:
А
- для двухшинного участка:
А
На участке 1 катодной ошиновки подключено 7 катодных стержней. Задаваясь величиной силы тока в первом стержне (I1), последовательно найдем значения сил тока в остальных катодных стержнях:
- для одношинного участка:
I2 = I1 + 1,2 • 10-3 • I1 = 1,0012 • I1
I3 = I2 + 1,2 • 10-3 • (I1 + I2) = 1,0036 • I1
I4 = I3 + 1,2 • 10-3 • (I1 + I2 + I3) = 1,0072 • I1
I5 = I4 + 1,2 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4) = 1,0120 • I1
I6 = I5 + 1,2 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4 + I5) = 1,0180 • I1
I7 = I6 + 1,2 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6) = 1,0253 • I1
?I1- I6 = 6,042 ?I1- I7 = 7,0673
- для двухшинного участка:
I2 = I1 + 0,6 • 10-3 • I1 = 1,0006 • I1
I3 = I2 + 0,6 • 10-3 • (I1 + I2) = 1,0018 • I1
I4 = I3 + 0,6 • 10-3 • (I1 + I2 + I3) = 1,0036 • I1
I5 = I4 + 0,6 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4) = 1,006 • I1
I6 = I5 + 0,6 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4 + I5) = 1,009 • I1
I7 = I6 + 0,6 • 10-3 • (I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6) = 1,0126 • I1
?I1- I7 = 7,0336
Подставив найденное значение I1 в выражение сил тока (I2, I3, I4, I5, I6, I7), найдем распределение силы тока по остальным катодным стержням всех пяти участках шинопровода.
Результаты расчета распределения тока по катодным стержням представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4
Распределение тока по катодным стержням
|
Участок шинопровода
|
Порядковый номер катодного стержня
|
Итого
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
|
|
I
|
3580
|
3584
|
3593
|
3606
|
3623
|
3644
|
3671
|
25301
|
|
|
II
|
3580
|
3582
|
3586
|
3593
|
3601
|
3612
|
3625
|
25179
|
|
|
III
|
3580
|
3584
|
3593
|
3606
|
3623
|
3644
|
3671
|
25301
|
|
|
IV
|
3580
|
3582
|
3586
|
3593
|
3601
|
3612
|
-
|
21554
|
|
|
V
|
3580
|
3584
|
3593
|
3606
|
3623
|
3644
|
3671
|
25301
|
|
|
VI
|
3580
|
3582
|
3586
|
3593
|
3601
|
3612
|
3625
|
25179
|
|
|
VII
|
3580
|
3584
|
3593
|
3606
|
3623
|
3644
|
3671
|
25301
|
|
|
С использованием найденных значений сил тока в 7 участках катодной ошиновки можно определить потери мощности на каждом катодном участке ошиновки электролизера.
2.6.8.2 Определение падения напряжения в катодной и анодной ошиновке электролизёра
Расчет потерь мощности в анодной ошиновке проводится, исходя из условия равномерного распределения силы тока по анодным блокам:
(37)
где: I - сила тока серии, А
К - количество анодных блоков.
Расчет проводится с учетом двухрядного расположения анодных блоков с каждой стороны анода.
Результаты расчета потерь мощности в ошиновке электролизера приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5
Потери мощности в ошиновке
|
Номер участка
|
Длина, см
|
Площадь сечения,см2
|
с · 10-6, Ом·см
|
R · 10-6, Ом
|
Сила тока, А
|
Потери мощности, Вт
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
|
1
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
3580
|
0,74
|
|
|
2
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
7160
|
2,95
|
|
|
3
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
10740
|
6,64
|
|
|
4
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
14320
|
11,8
|
|
|
5
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
17900
|
18,44
|
|
|
6
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
21480
|
26,55
|
|
|
7
|
422
|
2142
|
3,332
|
0,65
|
25060
|
412,25
|
|
|
8
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
3580
|
1,48
|
|
|
9
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
7160
|
5,9
|
|
|
10
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
10740
|
13,28
|
|
|
11
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
14320
|
23,6
|
|
|
12
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
17900
|
36,88
|
|
|
13
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
21480
|
53,11
|
|
|
14
|
644
|
1071
|
3,332
|
2,01
|
25060
|
1258,24
|
|
|
15
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
3580
|
1,48
|
|
|
16
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
7160
|
5,9
|
|
|
17
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
10740
|
13,28
|
|
|
18
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
14320
|
23,6
|
|
|
19
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
17900
|
36,88
|
|
|
20
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
21480
|
53,11
|
|
|
21
|
242
|
1071
|
3,332
|
0,75
|
25060
|
472,82
|
|
|
22
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
3580
|
1,48
|
|
|
23
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
7160
|
5,9
|
|
|
24
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
10740
|
13,28
|
|
|
25
|
205
|
1071
|
3,332
|
0,64
|
14320
|
130,78
|
|
|
26
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
3580
|
0,74
|
|
|
27
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
7160
|
2,95
|
|
|
28
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
10740
|
6,64
|
|
|
29
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
14320
|
11,8
|
|
|
30
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
17900
|
18,44
|
|
|
31
|
37
|
2142
|
3,332
|
0,06
|
21480
|
26,55
|
|
|
32
|
205
|
2142
|
3,332
|
0,32
|
25060
|
200,26
|
|
|
33
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
3580
|
1,48
|
|
|
34
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
7160
|
5,9
|
|
|
35
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
10740
|
13,28
|
|
|
36
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
14320
|
23,6
|
|
|
37
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
17900
|
36,88
|
|
|
38
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
21480
|
53,11
|
|
|
39
|
242
|
1071
|
3,332
|
0,75
|
25060
|
472,82
|
|
|
40
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
3580
|
1,48
|
|
|
41
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
7160
|
5,9
|
|
|
42
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
10740
|
13,28
|
|
|
43
|
37
|
1071
|
3,332
|
0,12
|
14320
|
23,6
|
|
|
44
|
422
|
1071
|
3,332
|
0,65
|
17900
|
420,66
|
|
|
45
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
46
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
47
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
48
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
49
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
50
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
51
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
52
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
53
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
54
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
55
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
56
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
57
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
58
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
59
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
60
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
61
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
62
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
63
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
64
|
74
|
3076
|
3,332
|
0,08
|
7500
|
4,51
|
|
|
65
|
300
|
3076
|
3,332
|
0,33
|
75000
|
1827,94
|
|
|
66
|
300
|
3076
|
3,332
|
0,33
|
75000
|
1827,94
|
|
|
67
|
300
|
1842
|
3,332
|
0,54
|
44500
|
1074,62
|
|
|
68
|
300
|
3076
|
3,332
|
0,33
|
75000
|
1827,94
|
|
|
69
|
300
|
3076
|
3,332
|
0,33
|
75000
|
1827,94
|
|
|
70
|
300
|
3209
|
3,332
|
0,31
|
75000
|
1752,18
|
|
|
71
|
350
|
3209
|
3,332
|
036
|
75000
|
2044,21
|
|
|
72
|
520
|
1071
|
3,332
|
1,62
|
25060
|
1015,97
|
|
|
73
|
350
|
2142
|
3,332
|
0,54
|
50120
|
1367,65
|
|
|
74
|
520
|
1071
|
3,332
|
1,62
|
25060
|
1015,97
|
|
|
75
|
350
|
3209
|
3,332
|
0,36
|
75000
|
2044,21
|
|
|
76
|
520
|
1071
|
3,332
|
1,62
|
25060
|
1015,97
|
|
|
77
|
350
|
3209
|
3,332
|
0,33
|
75000
|
2044,21
|
|
|
78
|
300
|
3209
|
3,332
|
0,31
|
75000
|
1752,18
|
|
|
79
|
520
|
2142
|
3,332
|
0,8
|
50120
|
2031,94
|
|
|
80
|
103
|
1071
|
3,332
|
0,32
|
25060
|
201,24
|
|
|
81
|
103
|
2142
|
3,332
|
0,16
|
50120
|
402,48
|
|
|
82
|
103
|
1071
|
3,332
|
0,32
|
25060
|
201,24
|
|
|
83
|
235
|
1071
|
3,332
|
0,73
|
25060
|
459,14
|
|
|
84
|
235
|
2142
|
3,332
|
0,36
|
50120
|
918,28
|
|
|
85
|
160
|
3076
|
3,332
|
0,17
|
75000
|
974,9
|
|
|
86
|
160
|
3076
|
3,332
|
0,17
|
75000
|
974,9
|
|
|
87
|
160
|
3076
|
3,332
|
0,17
|
75000
|
974,9
|
|
|
88
|
160
|
3076
|
3,332
|
0,17
|
75000
|
974,9
|
|
|
Рассчитанные значения потерь мощности на отдельных участках ошиновки используются для определения потерь напряжения:
а) в анодной ошиновке:
?Uан.ош.= ??Wан.ош. / I1+I2+I3+I4+I5 = 3354,82 / 157500 = 0,021 В (38)
б) в катодной ошиновке:
?Uк.ош.= ??Wк.ош. / I1+I2+I3+I4+I5 = 3792,24 / 157500 = 0,024 В (39)
в) в анодных стояках и гибких пакетах:
?Uан.ст.= ??Wан.ст. / I1+I2+I3+I4+I5 = 1351,37 / 157500 = 0,008 В (40)
г) в катодных спусках:
?Uсп= Iсп·Rсп= 315000 · 3,9 ·10-6 / 88 = 0,013 В (41)
д) в контактах принимаются по практическим данным (табл. 2.6)
Таблица 2.6
Потери напряжения в контактах
|
Контакт
|
?U , В
|
|
|
«Контакт стержень - спуск»
|
0,005
|
|
|
«Катодный спуск - катодная шина»
|
0,002
|
|
|
«Гибкий пакет - стояк»
|
0,002
|
|
|
«Катодная шина - гибкий стояк»
|
0,003
|
|
|
«Анодный стояк - анодная шина»
|
0,010
|
|
|
«Анодная шина - штанга анододержателя»
|
0,015
|
|
|
Итого
|
0,037
|
|
|
е) в шинах, связывающих анодную и катодную ошиновку между электролизерами ?Uм.э = 0,049 В
ж) Падение напряжения в общекорпусной ошиновке (торцы корпуса, проходы, проезды, соединительный коридор) составляет:
0,01 В ,
где: 65х7 - сечение шин, см2;
22 - количество шин в пакете;
9050 - длина общекорпусной ошиновки, см;
92 - количество электролизеров в корпусе.
Итого суммарные потери напряжения в ошиновке электролизера составят:
?Uош= 0,021 + 0,024 + 0,008+ 0,013+ 0,037 + 0,049+ 0,01 = 0,162 В.
Зная греющее напряжение и потери напряжения в ошиновке находим среднее напряжение электролизера:
Uср = 3,866 + 0,162 = 4,028 В
Из приведенных выше расчетов находим рабочее напряжение - это фактическое напряжение (среднее напряжение Uср) без учета напряжения от анодных эффектов ?Uа.э. и общекорпусной ошиновки:
Uр = Uср - ?Uа.э.- ?Uобщекорп = 4,028 - 0,003 - 0,01=4,015 В (42)
По результатам расчета составляется электрический баланс электролизера (табл. 2.7).
Таблица 2.7
2.6.9 Баланс напряжения электролизёра
|
№ п/п
|
Наименование
|
Обозначение
|
Значение, В
|
%
|
|
|
1
|
Напряжение разложения глинозёма
|
Eр
|
1,604
|
39,82
|
|
|
2
|
Падение напряжения в анодном узле
|
ДUа.у.
|
0,317
|
7,88
|
|
|
3
|
Падение напряжения в подине
|
ДUn
|
0,342
|
8,49
|
|
|
4
|
Падение напряжения в электролите
|
ДUэл
|
1,6
|
39,72
|
|
|
5
|
Падение напряжения от анодных эффектов
|
ДUаэ
|
0,003
|
0,07
|
|
|
6
|
Греющее напряжение
|
Uгр
|
3,866
|
95,98
|
|
|
7
|
Падение напряжения в ошиновке (с учётом общесерийной ошиновки)
|
ДUош
|
0,162
|
4,02
|
|
|
8
|
Среднее напряжение
|
Uср
|
4,028
|
100
|
|
|
9
|
Рабочее напряжение
|
Uраб
|
4,015
|
99,6
|
|
|
2.7 Энергетический баланс электролизёра
Энергетические характеристики электролизёра обычно строятся по принципу соответствия расхода энергии её приходу. Иными словами, в условиях установившегося теплового равновесия электролизёра расход тепла в единицу времени должен быть равен его приходу. Только в этом случае можно обеспечить нормальную работу электролизёра.
Составление теплового баланса действующего электролизёра позволяет выявить причины, вызывающий повышенный расход электроэнергии, найти оптимальное межполюсное расстояние. Расчёт производится применительно к температуре окружающей среды +25°С и в кДж/с (согласно ГОСТа).
При составлении теплового баланса электролизёра используются данные конструктивного, материального балансов и электрического расчёта электролизёра.
2.7.1 Приход тепла
1. Приход тепла от электроэнергии (Qээ) рассчитывается по формуле:
где: 0,86 - тепловой эквивалент Ватт-часа, ккал/Вт·ч.
2. Приход тепла от сгорания угольного анода (Qан) рассчитываетсяпо уравнению:
где: РСО2 и РСО2 - число молей в час СО2 и СО, соответственно;
- тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО,
соответственно: 94 050, ккал/кмоль и 26 400 ккал/кмоль [4].
При выходе по току 95% состав анодных газов характеризуется объёмным соотношением: СО2 : СО = 70 : 30.
Часовая производительность электролизёра равна:
где: F - число Фарадея (26,8 А·час/г моль).
Количество кислорода, выделяющегося при этом:
Из химических реакций:
Решая два уравнения:
получим:
Итого: приход тепла составит:
2.7.2 Расход тепла
Расход тепла (Qpaсх) включает в себя четыре статьи:
1. Расход тепла на разложение глинозёма (Qpaзл) определяется по формуле:
где: РAl2O3 - расход глинозёма на электролитическое разложение, кмоль/ч;
- тепловой эффект реакции образования Аl2О3, равный 400 000 ккал/кмоль [4].
2.Унос тепла с вылитым алюминием (Qмет) составит [2]:
PAl - часовая производительность электролизёра, кмоль/ч;
- теплосодержание Аl при 960°С и 25°С (их разность равна 8 910 ккал/кмоль [4]).
3. Унос тепла с газами (Qгаз) рассчитывается по формуле:
где: V0 - приведённый объём газов в нормальных условиях, нм3/ч;
с - плотность при нормальных условиях 1,252 кг/нм3;
Ср - средняя удельная теплоемкость газов 0,24 ккал/кг·град,
tг, tc - температура отходящих газов и окружающей среды [4].
Объём газоотсоса от одного электролизёра:
- при закрытых шторах - 10 050 м3/ч;
- при одной открытой стороне укрытия - 15 500 м3/ч.
Средний объём газоотсоса с учётом работы электролизёра с открытым укрытием при температуре 50°С составит:
2.7.2.1 Потери тепла конструктивными элементами электролизёра
Расчёт тепловых потерь производится по формуле [3]:
где: S - площадь теплоотдающей поверхности, м2;
б - коэффициент конвективной теплопередачи, ккал/м2·ч·град; для вертикальных стенок электролизёра [2]:
ккал/м2·ч·°С (перевод единицы измерения), а здесь
Дж/м2·с·°С,
где: Ак - коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры (табл. 2.8.);
tП - температура поверхности,°С;
tc - температура среды,°С;
4,9 - коэффициент излучения абсолютного черного тела, ккал/м2·ч·(К)4;
еП - приведённая степень черноты;
ц - коэффициент облучённости окружающего пространства рассматриваемой поверхности;
ТП,ТС - температура поверхности и воздуха, соответственно, К.
Таблица 2.8
Зависимость Ак от температуры для вертикальной стенки
|
tм*, К
|
0
|
50
|
100
|
200
|
300
|
500
|
1000
|
|
|
Ак
|
6,07
|
5,31
|
4,77
|
4,06
|
3,56
|
2,93
|
2,01
|
|
|
*tм = 0,5·(tП+t0);
Степень черноты теплоотдающих поверхностей для стали принимаем равной 0,8 для открытых поверхностей электролита 0,15, алюминия 0,56.
2.7.2.1.1 Теплопотери анодного устройства
1. Боковая стенка балки - коллектора (Qб-к).
tП = 90°С (ТП = 363 К);
tc = 25°С (Тс = 298 К);
Площадь вертикальных стенок балки-коллектора Sвep = 49,5 м2, а горизонтальных Sгop = 30,2 м2,
бверт.стенок = 12,05 ккал/м2·ч·град,
бгор = 12,05 · 1,3 = 15,7 ккал/м2·ч·град.
Теплопотери от вертикальных стенок и горизонтальной стенки балки-коллектора составят:
Qб-k = 49,5 · (12,05 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)4 - (298 ч 100)4])
+ 30,2 · (15,7 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)4 - (298 ч 100)4]) = 66
135 ккал/ч.
2. Горизонтальные створки укрытия (Qгсу).
tП = 90°С (ТП = 363 К); tc = 25°С (Тс = 298 К);
S = 13,8 м2;
Ак = 3,47
ккал/м2·ч·град.
Qгсу = 13,8 · (15,6 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)4 - (298 ч 100)4]) =
14 290 ккал/ч.
3. Алюминиевые штанги анодов
tП = 90°С (ТП = 363 К); tc = 25°С (Тс = 298 К);
Ак = 3,49
S = 36,5 м2 (поверхность штанги выше укрытия);
ккал/м2·ч·град
QAlшт = 36,5 · (12,05 · (90 - 25) + 4,9 · 0,56 · 0,8 [(363 ч 100)4 - (298 ч
100)4]) = 28 810 ккал/ч.
4. Наклонные створки укрытия (Qств).
tП = 63°С (ТП = 336 К); tc = 25°С (Тс = 298 К);
Площадь наклонных створок по длинным сторонам электролизёра и торцевых щитов: S =63,88 м2;
Ак = 3,48
ккал/м2·ч·град
Qств = 63,88 · (10,05 · (63 - 25) + 4,9 · 0,56 · 1 · [(336 ч 100)4 - (298 ч
100)4]) = 24 529 ккал/ч.
5. Открытая поверхность электролита (Qопэ)
tП = 960°С (ТП = 1 233 К); tc = 25°С (Тс = 298 К);
S = 5,2 м2;
Ак = 3,15
ккал/м2·ч·град
При расчёте используется коэффициент, равный 0,025, при расчёте которого учитывается время работы электролизёра с открытым укрытием (периодическая обработка длинных сторон электролизёра, гашение анодных эффектов, перестановка анодов).
Qопэ = 5,2 · 0,025 · (26,5 · (960 - 25) + 4,9 · 0,15 · 0,8 · [(1233 ч 100)4 -
(298 ч 100)4]) = 4 982 ккал/ч.
Итого: потери тепла анодным устройством:
Qан.устр.= 66 135 + 14 290 + 28 810 + 24 529 + 4 982 = 138 746 ккал/ч =
161,3 кДж/с.
2.7.2.1.2 Теплопотери катодного устройства
1. Обортовочный лист:
tП = 131°C (ТП = 404К); to = 25°C (To = 298K); tм = 0,5 · (404 + 25) = 351
К;
S = 5,1 м2, Ак = 3,41, тогда б = 0,859 · 3,41 · (131 - 25)1/3 = 13,86
ккал/м2·ч·°C
2. Верхний пояс кожуха:
tП = 179°C (ТП = 452 К); to = 25°C (To = 358 K); tм = 0,5 · (452 + 298) = 375
К;
S = 31,42 м2, Ак = 3,20, тогда б = 0,859 · 3,20 · (179 - 25)1/3 = 12,5
ккал/м2·ч·°C
3. Нижний пояс кожуха:
tП = 110°C (ТП = 383 К); to = 25°C (To = 298 K); tм = 0,5 · (383 + 298) = 340
К;
S = 16,88 м2, Ак = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (110 - 25)1/3 = 13
ккал/м2·ч·°C
4. Торец кожуха:
tП =110°C (ТП = 383 К); to = 25°C (To = 298 K); tм = 0,5 · (383 + 298) =
340,5 К;
S = 15,6 м2, Ак = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (110 - 25)1/3 = 13
ккал/м2·ч·°C
5. Блюмсы:
tП = 204°C (ТП = 477 К); to = 25°C (To = 298 K); tм = 0,5 · (477 + 298) =
387,5 К;
S = 11,78 м2, Ак = 3,29, тогда б = 0,859 · 4,57 · (204 - 25)1/3 = 16
ккал/м2·ч·°C
6. Днище:
tП = 98°C (ТП = 371 К); to = 25°C (To = 298 K); tм = 0,5 · (371 + 298)=334,5
К;
S = 70,62 м2, Ак = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (98 - 25)1/3 = 8,4
ккал/м2·ч·°C
Итого: потери тепла катодным устройством:
Qку= 11 242 + 102 180 + 27 672 + 25 574 + 48 822 + 73 919 =
= 289 409 ккал/ч = 336,4 кДж/с.
Всего: потери тепла конструктивными элементами электролизёра:
Qкэ = Qaн.y.+ Qкат.y = 138746 + 289409 = 428155 ккал/ч = 497,5 кДж/с.
Итого: расход тепла составляет:
Qрacx = 744403 + 33163 + 70478 + 428155 = 1276199 ккал/ч = 1 483,3
кДж/с.
По данным составляется тепловой баланс электролизёра (табл.2.9).
Таблица 2.9
Тепловой баланс электролизёра
|
№
|
Приход тепла
|
|
|
Статьи
|
кДж/с
|
%
|
|
|
1
|
От электрической энергии
|
1217,2
|
81,2
|
|
|
2
|
От сгорания анода
|
281,6
|
18,8
|
|
|
Итого:
|
1 498,8
|
100
|
|
|
№
|
Расход тепла
|
|
|
Статьи
|
кДж/с
|
%
|
|
|
1
|
На разложение Аl2О3
|
865
|
57,71
|
|
|
2
|
С вылитым металлом
|
39
|
2,6
|
|
|
3
|
С газами
|
81,8
|
5,46
|
|
|
4
|
Конструктивными элементами:
|
497,5
|
33,19
|
|
|
4.1
|
Анодным устройством
|
161,3
|
|
|
|
4.2
|
Катодным устройством
|
336,4
|
|
|
|
Всего:
|
1 483,3
|
|
|
|
невязка
|
15,5
|
1,04
|
|
|
Итого:
|
1 498,8
|
100
|
|
|
2.8 Расчёт объёма производства, характеристика корпуса и цеха электролиза
Производительность корпуса электролиза по алюминию-сырцу зависит от кремниево-преобразовательной подстанции (КПП) и от рабочего напряжения электролизёра.
При строительстве отечественных алюминиевых заводов в основном применяются КПП на 900 в для серии из двух корпусов электролиза. В настоящем проекте принимаем КПП на 900 в.
При этом количество установленных электролизёров в серии (2 корпуса) составит:
,
где: 900 - мощность КПП, в;
34 - резерв напряжения на анодный эффект, в.;
25,5 - резерв напряжения для компенсации напряжения во внешней цепи (принимают в пределах от 1 до 5%) в проекте - 3%, в;
8,5 - потери напряжения в аппаратуре и шинопроводе подстанции, в;
10 - резерв напряжения в серии на пусковые ванны после капитального ремонта и ванны с технологическими нарушениями, в;
4,015 - среднее напряжение электролизёра (см. электрический расчёт электролизёра), в.
В корпусе устанавливается 102 (204ч2) электролизёров. Количество работающих электролизёров в корпусе равно:
,
где: 102 - количество установленных электролизёров, шт.;
7 - простой электролизёра в капремонте (вместе с обжигом), суток (факт опытных электролизёров на 300 кА САЗа);
6 - срок службы электролизёра, лет;
365 - количество дней в году.
Исходя из суточной производительности электролизёра и количества работающих электролизёров, рассчитаем годовую производительность корпуса по алюминию-сырцу:
Q = 2,409 · 101,6 · 365 = 89,3 тыс.т.
Для получения цехом электролиза алюминия-сырца не менее 315 тыс.т. в год требуется строительство 4 корпусов (2 серии электролиза), их годовая мощность по алюминию-сырцу составит: 89,3 · 4 = 357,2 тыс.т/год.
В корпусе электролизёры устанавливаются в один ряд, расположение их - поперечное. Между продольными осями электролизёров - 7 500 мм. (факт корпусов 7,8 САЗа). Это расстояние выбрано с учётом обеспечения необходимых электроизоляционных зазоров между кожухом и стояком, и проходов для обслуживающего персонала, равных 1 150 мм. В полукорпусе два проезда для напольного транспорта шириной 2 650 мм. Соответственно, расстояние между осями электролизёров 7 500 мм и 9 000 мм.
В торце у КПП последние электролизёры устанавливаются с возможностью транспортировки их мостовым краном г/п 2Ч160/32 т в ремонтный торец (сгоняются в торец 4 анодных крана и ось электролизёра совпадает с крюком мостового крана, соблюдая необходимые зазоры между кранами).Противоположный КПП торец - ремонтный торец.
Длина этого торца обеспечивает необходимое пространство для вывоза отработанных катодных устройств в цех капремонта, установки оборотного катодного устройства на отметке ± 0,00 и необходимые площади на рабочей площадке для установки анодного устройства ремонтируемого электролизёра с возможностью проезда напольного транспорта.
С учётом вышеизложенного, для установки 102 электролизёров необходимая длина корпуса 833 м. Ширина корпуса - 28,5 м (пролет здания 27 м).
Эта ширина корпуса обеспечивает необходимые размеры шинного проема, в котором устанавливается электролизёр и катодная ошиновка с оптимальными электроизоляционными зазорами, ширину проезда с противоположной стороны от газоочистки, расстояние от металлических решеток до колонны здания. Выбранная ширина корпуса аналогична работающим двухэтажным корпусам ТадАЗа и САЗа с поперечно расположенными электролизёрами ОА-255 кА и зарубежным корпусам с электролизёрами ОА на 300 кА.
Эта ширина корпуса отвечает требованиям действующих «Правил безопасности при производстве глинозёма, алюминия, магния, кристаллического кремния и электротермического силумина» ПБ11-149-97 [8]. Расстояние между колоннами в корпусе составляет 6 м. Это соответствует СНиП 2.09.02-85 «Производственные здания промышленных предприятий» [10].
Высота корпуса электролиза определяется отметкой рабочей площадки, отметкой рельсового пути кранов и высотой фонаря.
Отметка рабочей площади выбирается равной + 4,Ом на основании практики работы современных отечественных двухэтажных корпусов электролиза САЗа, БрАЗа, ИркАЗа, НкАЗа, КрАЗа.
Такая отметка рабочей площадки улучшает условия для естественной вентиляции корпуса.
Отметка рельсового пути + 13,2 м выбрана с учётом транспортировки анодов над электролизёром.
Отметка низа строительной фермы 18,6 м гарантирует необходимый безопасный зазор от верха анодного и мостового крана г/п 2Ч160/32 т, равный не менее 300 мм.
Высота аэрационного фонаря (на крыше здания) принимается равной 5 м соответственно расчётам, приведённым в настоящей записке в разделе 5.
Здание корпуса - двухэтажное, однопролетное длиной 833 м, пролетом 27 м, высотой (по верху фонаря) 26,9 м, с отметкой рабочей площадки + 4,0 м. Колонны здания - железобетонные с электроизоляционным защитным слоем бетона 35мм от отметки пола + 4м до 7,5 м.
Стены корпуса - панельные толщиной 80 мм.
По длинным сторонам корпуса от отметки ± 0,00 до отметки + 4,0 м предусмотрены проемы, перекрытые металлическими решетками, через которые из первого этажа во второй поступает свежий воздух.
В полу второго этажа по обе стороны каждого ряда электролизёров предусмотрены стальные решетки - плиты перекрытия, через которые из первого этажа этот свежий воздух проходит во второй этаж.
Из второго этажа корпуса загрязненный воздух выбрасывается через аэрационный фонарь.
На отметке + 8,4 м расположены оконные проемы высотой 2 400 мм.
На первом этаже расположены катодные устройства электролизёров и катодная ошиновка. Катодные кожухи устанавливаются через электроизоляцию из асбокартона и текстолита на железобетонные опоры.
Устанавливаются бетонные неармированные столбики с электроизоляцией из асбокартона, асбоцемента, на которые монтируется катодная ошиновка.
В цех электролиза входят 4 корпусов, 2 серии (серия - два корпуса). Каждую серию питает током КПП - 900.
Для каждой серии предусматривается «сухая» газоочистка, состоящая из двух блоков.
Каждый блок газоочистки располагается в межкорпусном дворике и очищает газ с двух полукорпусов.
В середине полукорпуса с 2-х сторон устанавливаются корпусные силоса со свежим и фторированным глинозёмом, из которых глинозём качается в расходные бункера, расположенные в корпусе между колоннами и бункера анодных кранов.
В прикорпусные силоса пневмотранспортом свежий глинозём закачивается из цеховых силосов, имеющих необходимый запас для бесперебойной работы корпусов, фторированный глинозём - из блоков газоочистки.
Входит электролитейная, БВО (блок вспомогательных отделений), компрессорная. В состав завода, кроме цеха электролиза, входят цех обожжённых анодов, цех капремонта (ЦКРЭ), отделение регенерации. Для обеспечения транспортной связи корпуса электролиза соединяются между собой и с другими зданиям цеха электролиза общими соединительным коридором. Ширина соединительного коридора принимается равной 12 м. Отметка проезжей части ± 4 м аналогично работающим отечественным двухэтажным корпусам и цехам электролизёра.
алюминий электролиз цех автоматизация
3. Специальная часть. Разработка мероприятий направленных на увеличение выхода по току и срока службы электролизера
Выход по току является основным технико-экономическим показателем производства алюминия. Он характеризует эффективность подведенной к электролизеру электроэнергии.
На электролизерах с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом выход по току редко превышает 90%, при этом электролизеры оснащены АПГ, высокоэффективной АСУТП. На ваннах с ОА этот показатель может достигать 93-95% благодаря стабильности технологии при использовании также современных средств механизации и автоматизации.
Выход по току зависит от многих факторов: плотности тока, МПР, температуры, гидродинамических явлений в ванне, формы рабочего пространства, криолитового отношения и состава электролита. Правильный подбор всех параметров при нормальном ходе процесса электролиза и дает высокий выход по току, хотя учесть все факторы - очень сложная задача.
В проекте предлагается для повышения выхода по току и срока службы электролизера использование добавки солей лития в электролит.
В табл. 3.1. приведены сравнительные данные о влиянии различных добавок на свойства электролита.
Таблица 3.1
Влияние добавок на свойства электролита
|
Добавка
|
Уровень добавки, вес. %
|
Темп-ра ликвидуса, 0С
|
Проводи-мость, Ом-1см-1
|
Плотность г/см3
|
Вязкость мПа
|
Поверхн. натяж-е, мДж/м2
|
Раств-ть Ме, вес. %
|
Раств-ть Al2O3, вес. %
|
Давление пара, Па
|
|
|
Криолит*
|
100
|
1011
|
2,874
|
2.103
|
2,323
|
131,5
|
0.131
|
12,4
|
534
|
|
|
CaF2
|
4 7
|
-12 -20
|
-0,057 -0,099
|
0.018 0,033
|
0,130 0.228
|
0.3 -2,6
|
-0,013 -0,022
|
-1,5 -2,5
|
-2 -3
|
|
|
AlF3
|
4 12
|
-1 -24
|
-0,171 -0,439
|
-0,025 -0,06
|
-0,091 -0,399
|
-4,0 --12,3
|
-0,033 -0,078
|
-0,4 -1,4
|
137 596
|
|
|
LiF
|
1 3
|
-9 -27
|
0,047 0,142
|
-0,005 -0,014
|
-0,123 -0,399
|
… …
|
-0,018 -0,021
|
-0,5 -0,3
|
-11 -33
|
|
|
MgF2
|
1 3
|
-5 -15
|
-0,047 -0,139
|
0,005 1,013
|
0.041 0,123
|
… …
|
-0,004 -0,012
|
-0,5 -1,4
|
-10 -11
|
|
|
Al2O3
|
3 5
|
-16 -28
|
-0,145 -0.282
|
-0,022 -0,040
|
0,029 0,118
|
-18,7 -36,6
|
-0,003 -0,005
|
|
-90 -130
|
|
|
Темп-ра**
|
-25 -50
|
|
-0,090 -0.182
|
0.023 0,047
|
0.195 0.398
|
3,5 7.0
|
-0,040 -0,082
|
-1.5 -2,8
|
-165 -282
|
|
|
*В первой строке даны свойства электролита при 10110С, в других - изменения от воздействия добавок и температуры.
**Свойства жидкого криолита экстраполированы ниже точки плавления. Добавки снижают температуру плавления, позволяя работать при таких температурах
Использование солей лития в электролите имеет давнюю историю, в нашей стране роль лития как перспективной добавки в электролит была выяснена профессором Беляевым А.И. Интенсификацию процесса электролитического получения алюминия можно осуществлять, не изменяя конструкции узлов электролизера, а изменяя технологию процесса при условии сохранения в ванне теплового равновесия.
Литиевый криолит имеет температуру плавления 7820С, а смесь 32% na3AlF6 +68% Li3AlF6 плавится при температуре 7100С. Фтористый литий имеет температуру плавления 8480С, а смесь расплава 15% na3AlF6 + 85% Li3AlF6 - 6950С. На каждый 1% добавки фтористого лития в электролит температура расплава снижается на 90С.
Таким образом, используя литиевые добавки, можно в широких пределах снижать температуру процесса. Обычно практикуется добавка соли лития 2,5-3% в обычный натриевый электролит, так как в литиевом электролите в 4 раза снижается растворимость глинозема.
Высокая электропроводность фтористого лития позволяет снизить удельное сопротивление электролита в наибольшей степени (см. разд. «Электрический баланс электролизера»).
Основные преимущества, которые даёт добавление LiF в электролит:
Многочисленными промышленными испытаниями было доказано, что добавка 2,5% LiF в электролит приводит к следующим результатам:
§ понижается температура ликвидуса электролита и, следовательно, температура электролиза (на 12-18оС);
§ возрастает выход по току (от 1 до 3%);
§ увеличивается электропроводимость электролита;
§ снижается расход электроэнергии (от 2 до 4%);
§ снижается расход анодного углерода (от 1 до 3%);
§ уменьшается расход фторида алюминия (от 15 до 25%);
§ снижаются выбросы фтора (от 22 до 38%);
§ растёт срок службы электролизёра (+70 сут/год);
§ увеличивается стабильность напряжения ванны.
В табл. 3.2 приведены рабочие параметры серий электролиза по производству алюминия [19,20].
Таблица 3.2
Рабочие параметры серий электролиза алюминия
|
Параметры
|
Без добавок солей лития
|
С добавками солей лития
|
|
|
|
Цель: увеличение тока
|
Цель: уменьшение расхода электроэнергии
|
|
|
КО, масс.
|
2,56
|
2,8
|
2,8
|
|
|
Рабочая температура, 0С
|
970
|
960
|
950
|
|
|
Температура ликвидуса, 0С
|
960
|
940
|
940
|
|
|
Напряжение, В
|
4,5
|
4,5
|
4,4
|
|
|
Уд. расход электроэнергии, кВт.ч/кг Al
|
15,0
|
15,0
|
14,6
|
|
|
Сила тока, А
|
Стандартная
|
+5%
|
Стандартная
|
|
|
Производительность, тыс. тонн
|
Стандартная
|
+5%
|
+1,7%
|
|
|
За рубежом практикуется в качестве литийсодержащего компонента (как добавки в электролит) использование карбоната лития.
При введении в электролит карбоната лития происходит реакция:
3Li2CO3 + 2AlF3 > 6LiF + 3CO2 + Al2O3.
По данным компании SQM, владеющей богатейшими ресурсами рассолов, содержащих хлорид лития (Чили), для производства алюминия расходуется 18% всего производимого лития в мире (табл. 3.3).
Ниже приведены требования к карбонату лития, добавляемого в электролит: Li2CO3 > 99 %; Cl < 0,02 %; Na < 0,18 %; Ca < 0,068 %; Fe2O3 < 0,003 %; SO4 < 0,1 %; Mg < 0,025 %; ппп < 0,8 %; нерастворимость <0,03%; истираемость < 2 %.
Существенными статьями экономии являются уменьшение расхода фторида алюминия (на 22-38%), уменьшение расхода углеродного анода (1-5%) и увеличение срока службы катода. Последнее объясняется тем, что насыщение катодных углеродных блоков литием с атомами радиусом меньшим, чем у натрия, благотворно сказывается на напряженно-деформированном состоянии (НДС) катода. В среднем за год работы ванны с добавкой LiF срок службы увеличивается на 70 сут [19].
Существенным также является уменьшение удельного расхода энергии на 2-5%, или (при том же расходе энергии) повышение производительности на 3% и более.
При переходе на работу с литиевым электролитом необходимо соблюдать следующие условия работы:
Слой осадка под металлом должен быть удален или сильно уменьшен, чтобы гарантировать хорошую базу для контроля за концентрацией глинозема.
Персонал, занимающийся отбором проб и аналитическими определениями, должен быть хорошо подготовлен, чтобы обеспечить воспроизводимость и надежность результатов и контроль за содержанием фтористого лития.
Концентрация фтористого лития в электролите должна быть доведена до значения 2-2,5% в течение не менее 6 недель.
Литий вводится в виде карбоната. Чтобы исключить потери и обеспечить усваиваемость более 90%, карбонат ссыпается на корку электролит слоем 3-4 см и засыпается глиноземом или фторидом алюминия (при этом сокращаются потери с отходящими газами).
Температура электролита и напряжение будут снижаться с ростом концентрации фтористого лития и их нельзя приводить к исходным значениям.
Содержание LiF контролируется сначала каждые 4-5 суток, расход будет много больше, чем при нормальной работе вследствие поглощения соли подиной.
Из-за снижения температуры электролиза и увеличения выхода по току надо ожидать увеличения частоты анодных эффектов, так как уменьшается растворимость глинозема и повышается «наработка» металла. В этом случае очень важно контролировать уровень электролита, его состав, МПР, состояние настылей. Питание ванны глиноземом надо увеличивать, не допуская образования осадка.
Измерять температуру следует как минимум 2 раза в неделю.
Состав электролита следует определять как минимум 2 раза в неделю (в течение 8 недель стабилизации).
Следует обеспечить хорошую герметизацию анодной рубашки.
Существуют три основных недостатка использования фторида лития:
1. Уменьшение растворимости глинозема.
Для компенсации этого недостатка необходимо поддерживать КО электролита в пределах 2,65-2,7.
2. Расходы на карбонат лития.
При содержании LiF в электролите в количестве 2% и расходе Li2CO3 1,5 кг/т Al необходимо дополнительно 3 $ / т алюминия; однако эти расходы компенсируются повышением выхода по току, экономией фторида алюминия, энергии, углерода, капитальных ремонтов.
В практике использования солей лития компаниями «Reynolds» и «Kaiser» срок окупаемости затрат был менее чем 1 год [19,20].
3. Загрязнение «следами» лития
Присутствие лития в алюминии принципиально улучшает литейные и прочностные характеристики электролита. Тем не менее, в некоторых случаях может возникнуть «голубая коррозия» Al, которая может иметь место при производстве фольги или алюминиевых листов (под воздействием влаги на поверхности металла могут появляться так называемые «голубые пятна»). Поэтому наиболее крупные производители фольги в последнее время ориентировались на содержание лития в алюминии 1-2.10-6%.
Обработка алюминия в ковше (ТАС)
Существует несколько способов очистки готового металла от лития. Одним из самых оптимальных является обработка алюминия в ковше (ТАС). Эта технология разработана компаниями «Alcan» и «Stas» (ТАС - Treatment Aluminium in Cruible). Устройство включает ротор, расположенный эксцентрично относительно центра ковша и создающий вихревую воронку, в которую подается реагент AlF3 (рис. 3.1).
Полное время цикла при достижении концентрации натрия и лития 2.10-6% составляет 10-15 мин. По данным, опубликованным «Alcoa-Intalko» [19], ТАС имеет следующие основные характеристики:
Рис. 3.1 Установка ТАС для очистки алюминия от щелочных металлов
1) пропускная способность (производительность) установки - 120-150 тыс. т Al/год;
2) расход AlF3 - 2-4 кг/т Al;
3) трудозатраты - 0,08 чел.час/т Al;
4) срок службы ротора - 300-400 обработок (продолжительностью 6 мин).
Эксплуатационные расходы составляют 3-4 $/тAl.
Модернизированные роторные флотационные установки типа HYCAST (Hydro Aluminium) и RotoJet (HOESCH Metallurgie)
В установках используется принцип газовой флотации с удалением щелочных металлов, водорода и неметаллических включений в алюминии (в ковшах, миксерах, литейных желобах в потоке металла) [21,22].
Натрий и другие щелочные металлы растворены в алюминии. Для слитков в прокатке допускается концентрация натрия, лития, кальция 1-2.10-6%. Равновесное давление этих элементов в инертных флотационных газах низко, но только небольшое их количество может быть абсорбировано. Для ускорения процесса очистки может использоваться «активный» газ (Cl2). Удаление щелочных металлов лимитируется диффузией.
Когда диаметр газовых пузырьков уменьшается от 15 до 5 мм, число пузырьков возрастает в 27 раз, а общая площадь для диффузии - в 4 раза. Площадь поверхности увеличивается с коэффициентом 9, и способность удалять меньшие частицы увеличивается с коэффициентом 3. Флотационный поток должен быть вертикальным и без турбулентности. Расход газа и турбулентность в расплаве также уменьшается с уменьшением диаметра пузырьков.
В газовую смесь, как правило, подают реагент AlF3. Процессы HYCAST и RotoJet весьма похожи и отличаются незначительно как в конструкции ротора и техническом обслуживании, так и по техническим характеристикам и экономическим показателям (рис. 3.2).
Общая реакция почти не зависит от температуры. Типичный расход газа при очистке алюминия в ковшах - 30-60 литров аргона/мин и 0,5 кг AlF3/мин. Концентрация лития, равная 47 .10-6%, уменьшалась до 1.10-6% за 6 мин (температура 7500С). Обычно концентрация натрия и лития снижаются за 6 мин на 95% от начальных концентраций.
Рис. 3.2 Установка HYCAST
Аргон является основным флотационным газом, однако добавка 305% хлора применяется, если требуется снижать содержание натрия до особо низких концентраций. На рис. 3.3 видно, что концентрация карбида алюминия снижается вдвое за время цикла очистки 12 мин.
Рис. 3.3 Зависимость концентрации карбида алюминия от времени очистки
Системы типа РотоДжет показаны на рис. 3.4.
Рис. 3.4 Системы «РотоДжет» (ТМRotoJet, HOESCH Metallurgie GmbH)
Характеристики основных процессов очистки алюминия в ковшах сведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Сравнение процессов очистки алюминия в ковшах
|
Параметр
|
ТАС
|
Hydro H-RAM
|
RotoJet
|
|
|
Время цикла с учетом транспортировки ковша, мин
|
12
|
20
|
20
|
|
|
Количеств ковшей в смену (8час)
|
40
|
24
|
24
|
|
|
Емкость ковша, т Al
|
3,6
|
4,5
|
4,5
|
|
|
Производительность расчетная, т Al/год
|
157243
|
118260
|
118260
|
|
|
Начальная концентрация Li, 10-6%
|
15
|
15
|
15
|
|
|
Время очистки до 2.10-6%, мин
|
12
|
|
|
|
|
Время очистки до 1.10-6%, мин
|
|
15
|
15
|
|
|
Время очистки менее 1.10-6%, мин
|
|
20
|
20
|
|
|
Капитальные затраты, $/т Al
|
3,00
|
2,66
|
1,23
|
|
|
Экология
|
|
|
|
|
|
Эксплуатационные расходы, $/т Al
|
3,97
|
1,51
|
1,46
|
|
|
Из табл. 3.4 видно, что более совершенные технические решения, найденные компаниями HOESCH и Hydro, обеспечивают минимизацию как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов [23].
Расчет экономической эффективности от внедрения солей лития в электролит
За счет увеличения значения выхода по току
Увеличение суточной производительности электролизера составит:
Pсут=0,336 . I . (пр - баз) . 24. 10-3,
где 0,336 - электрохимический эквивалент, г/А.ч;
I - сила тока, А;
пр = 0,95 - выход по току (проектный), доли единицы;
баз = 0,89 - выход по току (базовый, без добавки солей лития в электролит), доли единицы;
24 - количество часов в сутках.
Pсут=0,336 . 315000 (0,95 - 0,89) . 24 . 10-3 = 152,41 кг.
Увеличение производительности в год на цех (4 корпуса): 152,41. 101,6 . 4 .365 = 22607,89 т, где 101,6 - количество работающих электролизеров в корпусе; 4 - количество корпусов; 365 - количество дней в году.
В денежном выражении годовая дополнительная прибыль от применения солей лития составит:
Пдоп = 22607,89. 2450 = 55,389 млн. $ или 1054,9 млн. руб. (курс $ = 30
руб.).
За счет снижения расхода электроэнергии
Э = (Wбаз - Wпр) . ст-ть 1 кВт.ч/т = (15427 - 12642 ) . 257 = 715,75 тыс.
руб. на 1 т Al.
На весь годовой выпуск продукции эффект составит:
715,75. 357,2 = 255665,9 млн. руб.
4. Механизация и автоматизация производственных процессов
4.1 Механизация в корпусе электролиза
В проекте предусматривается автоматическая обработка электролизёров (пробивка электролитной корки, загрузка глинозёма) с помощью системы АПГ (автоматизированного питания глинозёмом). Для чего каждый электролизёр оборудован установками АПГ точечного типа на сжатом воздухе, управляемыми системой АСУТП. Загрузка глинозёма (свежего и фторированного после «сухой» газоочистки) в бункера установок АПГ выполняется системой ЦРГ (централизованная раздача глинозёма), управляемой АСУТП. Для периодической обработки длинных и торцевых сторон электролизёров (пробивка корки и загрузка глинозёма в электролизёры), для перестановки обожжённых анодов, периодической загрузки глинозёма в бункера установок АПГ при ремонте системы ЦРГ в каждом корпусе устанавливаются четыре комплексных анодных технологических крана. Комплексные анодные краны выполняют следующие технологические и транспортные операции по обслуживанию электролизёров в корпусе:
1. перестановка анодов;
2. пробивка электролитной корки и загрузка глинозёма по продольным и торцевым сторонам электролизёров;
3. засыпка глинозёма на поверхности анодов;
4. засыпка глинозёма в бункера установок автоматизированного питания глинозёмом электролизёров при ремонте системы ЦРГ;
5. транспортировка вакуум-ковшей при выливке металла из электролизёра;
6. перетяжка анодной рамы;
7. прочие вспомогательные подъёмно-транспортные работы.
Периодическая обработка длинных сторон электролизёра ОА (один раз в сутки) необходима для поддержания теплового равновесия, т.к. установки АПГ пробивают и загружают глинозём в центре электролизёра.
Кроме того в корпусе для периодической обработки электролизёров предусматриваются напольные машины для пробивки корки МПК - 5У и загрузки глинозёма МРГ - 4М, которые работают при ремонте анодного крана.
Загрузка свежих фторсолей в электролизёры осуществляется при помощи установок АПГ, в бункера АПГ фторсоли загружаются с помощью напольных машин типа МРС.
Устранение анодных эффектов достигается перемещением анодного массива в автоматическом режиме.
Обожжённые аноды в электролизёре устанавливаются по высоте в шахматном порядке. Такая расстановка анодов необходима для распределения равномерной токовой нагрузки в электролизёре и обеспечения более равномерной температуры электролита в различных его участках. Регулировку обожжённых анодов осуществляют на одинаковое междуполюсное расстояние Устранение анодных эффектов достигается перемещением анодного массива в автоматическом режиме.
Рис 4.1 Машина для пробивки корки электролита МПК-5У
Машина предназначена для разрушения электролитной корки в алюминиевых электролизёрах с верхним токоподводом, установленных в электролизных цехах алюминиевых заводов. Тип машины - самоходная, колесная, с дизельным приводом.
Рис 4.2 Машина для раздачи глинозёма МРГ-4М
Машина предназначена для транспортировки и раздачи глинозёма от внутрицеховых силосов на продольные стороны электролизёров с верхним токоподводом, установленных в электролизных цехах алюминиевых заводов. Тип машины - самоходная, колесная, с дизельным приводом.
Рис 4.3 Машина для сырья МРС
Машина предназначена для транспортировки и раздачи сырья (глинозёма, фторсолей) на продольные и торцевые стороны ванн электролизёров, в бункеры АПГ на электролизёрах и цеховые закрома сырья около электролизёров. Тип машины - самоходная, колесная, шарнирно-сочлененная. Типы обслуживаемых электролизёров:
а) с верхним токоподводом;
б) с обожжёнными анодами.
Обожжённые аноды в электролизёре устанавливаются по высоте в шахматном порядке. Такая расстановка анодов необходима для распределения равномерной токовой нагрузки в электролизёре и обеспечения более равномерной температуры электролита в различных его участках. Регулировку обожжённых анодов осуществляют на одинаковое междуполюсное расстояние.
Кроме основного оборудования корпуса электролиза оснащены комплектом технологического инструмента, в который входят: скребки, шумовки, кочерги, ломы, черпаки, изложницы, урны, тачки, тележки, молотки отбойные, стропы. Для ремонта вспомогательного оборудования предусматривается ремонтное отделение, располагаемое в отдельном помещении. Здесь будут осуществляться необходимые операции поузлового ремонта электромостовых кранов, обрабатывающей техники и другого оборудования. А так же ремонт различного электрооборудования, самоходных машин и механизмов, отбойных молотков, перфораторов.
Предусматривается участок механической обработки деталей, оснащенный различными металлорежущими станками и другим оборудованием, оснащенный необходимыми стендами.
Таблица 4.1
Перечень оборудования корпуса электролиза алюминия
|
№
|
Наименование
|
Кол-во на корпус
|
Количество на цех
|
|
|
1
|
Электролизёр ОА-315 кА.
|
102
|
408
|
|
|
2
|
Комплексный анодный кран.
|
4
|
16
|
|
|
3
|
Кран мостовой электрический с электроизоляцией г/п 2Ч160/32 т L-25 м
|
1
|
4
|
|
|
4
|
Общекорпусная ошиновка.
|
1
|
4
|
|
|
5
|
Перекрытие шинных проемов.
|
1
|
4
|
|
|
6
|
Машина для перевозки анодов.
|
2
|
8
|
|
|
7
|
Машина для пробивки корки типа МПК-5У
|
2
|
8
|
|
|
8
|
Машина для пробивки корки в торцах типа МПТ-4.
|
2
|
8
|
|
|
9
|
Машина для раздачи глинозёма типа МРГ-4М.
|
2
|
8
|
|
|
10
|
Машина для раздачи фторсолей и глинозёма типа МРС.
|
2
|
8
|
|
|
11
|
Самоходная пылеуборочная машина типа МПУ-2М.
|
2
|
8
|
|
|
12
|
Устройство для временной подвески анодной ошиновки.
|
2
|
8
|
|
|
13
|
Комплект технологического инструмента.
|
1
|
4
|
|
|
Дежурный персонал ремонтных отделений будет проводить планово-профилактический ремонт оборудования непосредственно в электролизных корпусах и мелкий текущий ремонт по ликвидации возникших поломок оборудования.
4.2 Автоматизация производственных процессов
На сегодняшний день состояние дел в отрасли производства алюминия таково, что повышение эффективности технологического процесса немыслимо без применения современных средств автоматизации.
4.2.1 История развития систем автоматизации. Структурные схемы АСУТП разных поколений
Историю развития АСУТП хорошо рассматривать на примере НКАЗа, поскольку на сегодняшний день на заводе эксплуатируются практически все типы АСУТП в той или иной степени модернизированные.
Централизованные системы «КУА», «Алюминий» (рис 4.4.)
Система создана и используется с середины 60 годов до настоящего времени.
Краткое описание работы системы:
Верхний уровень сообщает нижнему уровню о начале регулировки. Нижний уровень организует релейное обегание ванн. Во время обегания ванн происходит подключение ванны к измерителю напряжения нижнего уровня, после расчёта приведённого напряжения (или псевдосопротивления) вырабатывается управляющее воздействие, которое через релейные коробки передается на исполнительные механизмы.
Рис. 4.4 «Структурная схема модернизированной АСУТП «АЛЮМИНИЙ»
Схема построения:
· Верхний уровень - для хранения данных и уставок, связь с заводской сетью;
· Нижний уровень - для организации обегания ванн при регулировании, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных;
· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе на нижний уровень, а о напряжении серии на верхний уровень системы;
· Релейные коробки - для подключения измерительных и управляющих каналов от электролизёров к нижнему уровню (6 РК на корпус);
· Прямой замер напряжения.
Возможности системы и её настройки:
· Регулирование МПР;
· Необходим программист для введения изменений в программу.
Вывод информации:
· Набор стандартных сводок.
Недостатки:
· Редкие регулировки напряжения (1 -1,5 часа);
· Малое время для измерения напряжения (1-5 сек на ванну);
· Отсутствует возможность организовать сложные алгоритмы управления;
· Возможна работа АПГ только в таймерном режиме;
· Низкая информативность отображения данных;
· Низкая эффективность регулирования;
· Низкая надёность системы;
· При потере связи с нижним уровнем ванны не управляются.
· Большое влияние человеческого фактора;
Псевдо распределенная система «Электролиз» (рис 4.5):
Система создана и используется с середины 80 годов до настоящего времени. На НКАЗ установлен прототип Румынского производства (1991 г.)
Краткое описание работы системы:
Нижний уровень производит электронное обегание ванн. Во время обегания ванн производится измерение напряжения, определяется состояние «ключей», расчёт приведённого напряжения (или псевдосопротивления), вырабатывается управляющее воздействие, которое через строго определенный временной интервал передается на исполнительные механизмы. Нижний уровень поддерживает связь с верхним уровнем для передачи текущих данных.
Схема построения:
· Верхний уровень - для хранения данных, НСИ, связь с заводской сетью;
· Нижний уровень - для организации обегания ванн при регулировании, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных (4 - СПОТа, или СМ 6000);
· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе серии на нижний уровень;
· Кабельные трассы для информационных и управляющих каналов от каждого электролизёра до машины нижнего уровня (до 20 жил на одну ванну).
Возможности системы и её настройки:
· Появляются зачатки НСИ;
· Возможна реализация сложных алгоритмов;
· Возможна работа АПГ.
· Необходим программист для внесения изменений в программу;
Вывод информации:
· Набор сводок;
· Вывод информации в графическом виде;
· Список событий.
Недостатки:
· Редкое обегание ванн для измерения напряжения (1сек);
· Малое время для измерения напряжения (1 сек на ванну);
· Большое количество кабельной продукции;
· Низкая надёность системы;
· Высокая стоимость и эксплуатационные расходы;
· При потере связи с нижним уровнем ванны не управляются.
· Распределенная система тип 1 «Электра», «Автек», «СААТ»... и др. (рис 4.6):
· Система создана в средине 90 годов, эксплуатируется до настоящего времени (на НКАЗе не используется).
· Краткое описание работы системы:
Рис. 4.5 «Структурная схема АСУТП «ЭЛЕКТРОЛИЗ»
· Групповой контроллер обменивается потоками данных с микроконтроллерами ванн, в которых содержится информация о напряжении (иногда о приведённом напряжении), о состоянии «ключей» и другая информация. Групповой контроллер вырабатывает управляющее воздействие, которое при обмене данными передается на исполнительные механизмы.
Нижний уровень поддерживает связь с верхним уровнем для передачи текущих данных.
Схема построения:
· Верхний уровень - для хранения данных, НСИ, связь с заводской сетью;
· Нижний уровень (групповой контроллер и микроконтроллеры ванн) - для организации потока данных от микроконтроллеров ванн, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных;
· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе инапряжении серии на нижний уровень;
Рис. 4.6 «Структурная схема распределенной АСУТП тип 1»
Возможности настройки:
· Необходим программист для внесения изменений в программу;
· Развернутое НСИ;
· Возможна работа АПГ.
Вывод информации:
· Набор сводок;
· Вывод информации в графическом виде;
· Список событий.
Недостатки:
· Надёжность системы зависит от надёжности связи с групповымконтроллером;
· Возможности системы ограничены возможностями группового контроллера;
· Микроконтроллер самостоятельно поддерживает только простые алгоритмы управления МНР и таймерное АПГ;
Распределенная система тип 2 «Тролль», (рис 4.7):
Создана в средине 90 годов, используется до настоящего времени.
Краткое описание работы системы:
Блок управления двумя электролизёрами самостоятельно обрабатывает информацию и принимает решение на регулирование по полному перечню алгоритмов. БУ передает хранимую информацию на верхний уровень (База данных).
С верхнего уровня можно перепрограммировать БУ или изменить его настройки. Мониторы, подключенные к верхнему уровню через общезаводскую сеть, отображают информацию в режиме реального времени.
Рис. 4.7 «Структурная схема распределенной АСУТП тип 2»
Схема построения:
· Верхний уровень - для хранения архивных данных, НСИ, связь с заводской сетью;
· Нижний уровень (БУ) - для расчёта управляющих воздействий, хранение текущих данных;
· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе и напряжении серии в БУ и на верхний уровень;
Возможности настройки:
· Нет необходимости в программисте, все изменения в алгоритмы вносятся технологами самостоятельно;
· Развернутое НСИ;
· Возможна работа АПГ с поддержанием концентрации по градиенту напряжения.
Вывод информации:
· Набор и формирование сводок;
· Вывод информации в графическом виде;
· Список событий.
Недостатки:
· Система требует более высокого уровня подготовки технологов.
4.2.2 использование АСУТП на отечественных алюминиевых заводах
На сегодняшний день структура применения различных АСУТП на отечественных заводах выглядит следующим образом (рис. 4.8):
Для получения высоких технико-экономических показателей очень важно применить эффективную автоматизированную систему управления технологическим процессом. В проекте предлагается АСУТП «Тролль-5».
/
Рис. 4.8 Виды АСУТП электролиза на алюминиевых предприятиях
4.2.3 АСУТП «ТРОЛЛЬ-5»
Далее по тексту, вопросы рассматриваются применительно к современнымсистемам АСУТП, в первую очередь АСУТП «ТРОЛЛЬ-5».
Возможности, которые предоставляет АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» компании «ТоксСофт», можно условно разделить на две группы - прямо влияющие на эффективность электролиза и те, которые создают предпосылки, позволяющие улучшить технологию производства.
К первым, несомненно, относятся алгоритмы предупреждения анодных эффектов и ликвидации нестабильных колебаний напряжения в ванне.
Ко вторым относятся эффективность обнаружения сбоев оборудования, максимальная защита технологического оборудования, контроль над соблюдением технологической дисциплины, широкие возможности анализа протекания технологического процесса и эффективные рычаги влияния на него.
Главными достоинствами системы являются:
* Полный контроль и управление процессом подачи энергии в каждый электролизёр;
* Полный контроль и управление технологическим процессом электролиза алюминия в масштабах корпуса, цеха, завода.
Решение перечисленных выше задач невозможно без объединения в одном комплексе трех составляющих: технологического оборудования, комплекса управляющих технических средств, современных мощных алгоритмов обработки информации.
В АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» входят следующие компоненты:
* Комплекс управляющих технических средств «ТРОЛЛЬ-5», включающий в себя блоки управления электролизёрами, сетевое и компьютерное оборудование;
* Программное обеспечение «ТРОЛЛЬ-5», включающее в себя программное обеспечение управления электролизёрами, программное обеспечение анализа накопленной информации и подготовки отчетов, системное программное обеспечение;
4.2.4 Функции АСУТП «ТРОЛЛЬ-5»
АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» предназначена для автоматического управления технологическим процессом электролиза алюминия в масштабах электролизного корпуса, серии, цеха или завода и выполняет следующие функции:
Функции контроля и управления технологическим процессом:
· Измерение и сглаживание напряжения электролизёра - комплекс обеспечивает замер напряжения на каждом электролизёре один раз в 55 миллисекунд. Измеренное напряжение сглаживается и усредняется каждую секунду, 3 секунды и 3 минуты. Также происходит вычисление приведённого напряжения для каждого электролизёра.
· Поддержание межполюсного расстояния (МПР) - на основании вычисленного приведённого напряжения автоматически выдаются сигналы на двигатели перемещения анода для удержания заданного МПР электролизёров.
· Обнаружение и устранение МГД-нестабильности (волнения) -- автоматически определяется наличие волнения в электролизёре путем выделения характерных колебаний напряжения электролизёра. При превышении амплитуды волнения над пороговым значением автоматически повышается напряжение уставки, а после гашения волнения уставка снижается по заданному алгоритму.
· Обнаружение и сопровождение анодных эффектов (АЭ) - комплекс определяет наличие АЭ и выдает соответствующее предупреждение: зажигает лампу на электролизёре, информирует оператора на верхний уровень и выдает голосовое сообщение по громкоговорящей связи в корпус. Во время АЭ система подает необходимое для гашения АЭ количество глинозёма (при помощи АПГ) в электролизёр. Алгоритм корректно определяет повторные анодные эффекты.
· Управление частотой АЭ - комплекс не только поддерживает заданную частоту АЭ для каждого электролизёра, но и позволяет задавать время каждой вспышки. Комплекс предоставляет возможность «заказать» внеплановый анодный эффект.
· Контроль шумов электролизёра - алгоритм анализирует шумы, выдает информацию и пытается минимизировать среднюю амплитуду шумов.
Функции сопровождения регламентных операций:
· Управление при выливке металла - комплекс обеспечивает сопровождение выливки металла, стабилизирует тепловой баланс электролизёра, контролирует правильность действий технологического персонала.
· Подергивание анодного кожуха - функция автоматической компенсации изменения положения анодного кожуха при сгорании анода (для электролизёров с верхним токоподводом).
· Перестановка штырей - производится автоматическое сопровождение перестановки штырей для электролизёров с верхним и боковым подводом тока. Комплекс обеспечивает два режима перестановки штырей.
· Сопровождение режимов электролизёра - комплекс обеспечивает специальные режимы для пусковых электролизёров и для электролизёров на капремонте.
· Сопровождение обработок - в случае, если технологическое оборудование АПГ не установлено или не функционирует, функция сопровождения поточных обработок позволяет задавать расписание обработок и корректно сопровождать как обработки по расписанию, так и обработки вне расписания;
· Перетяжка анодной рамы -- сопровождение регламентной операции для электролизёров с обожжёнными анодами и электролизёров с верхним подводом тока.
· Устранение перекоса анодной рамы - для электролизёров с двумя двигателями привода анода. Позволяет как вручную (с пульта БУ), так и автоматически (при наличии датчика перекоса, например, Компании «ТоксСофт») устранять перекос анодной рамы.
Дополнительные функции:
· Защита оборудования электролизёра - за счёт контроля токов двигателей комплекс позволяет выявлять проблемное оборудование и не допускает выхода из строя оборудования приводов анода на электролизёре.
· Измерение тока серии и напряжения корпусов - осуществляет контроллер тока и напряжения серии.
· Контроль «нуля» серии - является частью алгоритмов, реализуемых контроллером тока и напряжения серии.
· Контроль АЭ на соседних электролизёрах - комплекс корректно обрабатывает известный эффект, когда во время анодного эффекта на одном электролизёре, на соседних также возникают возмущения.
· Контроль гальванически связанных цепей - комплекс «ТРОЛЛЬ-5» обеспечивает полную электрическую изоляцию оборудования группы электролизёров. Алгоритм контроля не позволяет работать двигателям внутри группы одновременно, что позволяет избежать выход из строя оборудования из-за попадания потенциала серии.
· Контроль наружной температуры - при наличии датчика температуры окружающего воздуха (например, Компании «ТоксСофт»), комплекс отслеживает понижение температуры и автоматически переводит двигатели в зимний режим работы, корректирует уставки и т.п.
Структура комплекса технических средств
Структура комплекса технических средств (КТС) приведена на рис. 4.9. Основу аппаратного обеспечения системы составляют блоки управления электролизёрами «ТРОЛЛЬ-5», установленные в корпусе электролиза. Группа БУ соединена между собой по коаксиальному кабелю. Группы подключены по схеме «звезда» к концентратору сети корпуса (КСК), представляющего собой оптоволоконный хаб сети ArcNet. К концентратору подключается также и Контроллер тока и напряжения серии (КТНС), установленный на КПП, который производит замер и раздачу по блокам управления значения тока серии.
Концентраторы сети корпусов подключены по оптоволоконному кабелю к маршрутизатору системы «ТРОЛЛЬ-5». Маршрутизатор устанавливается в помещении пультовой АСУ ТП. Там же установлены серверы системы: сервер реального времени (СРВ) и сервер базы данных (СБД). С одной стороны, серверы получают информацию от маршрутизатора системы. С другой стороны, серверы открывают доступ к данным из заводской сети. Любой компьютер, подключенный к сети предприятия, может иметь доступ как к данным в реальном времени (через СРВ), так и к накопленным данным, сводкам, отчетам (через СБД).
В базовую поставку КТС «ТРОЛЛЬ-5» входят следующие компоненты:
· Технологическая сеть ArcNet - предназначена для организации обмена данными между блоками управления и программно-техническими средствами верхнего уровня; физически представляет собой оптоволоконную сеть ArcNet, которая обеспечивает передачу информации с гарантированным временем доступа и отсутствие коллизий. По сравнению с предыдущими версиями системы не претерпела значительных изменений за исключением того, что в качестве транспортного протокола теперь используется протокол TCP/IP.
Рис. 4.9 - Структура аппаратного обеспечения системы «ТРОЛЛЬ-5»
· Блоки управления «ТРОЛЛЬ-5» - предназначены для управления одним или двумя электролизёрами, выполняют автоматическое технологическое управление, оперативное управление с панели, временное хранение и передачу информации по сети; устанавливаются в непосредственной близости от подключаемых электролизёров.
· Контроллер тока и напряжения серии - предназначен для измерения тока и напряжения серии, передает данные по сети блокам управления нижнего уровня; устанавливается в помещении КПП.
· Сервер реального времени - осуществляет сбор оперативной информации и предоставляет возможности оперативного дистанционного управления. Организует совместную работу всех компонентов системы.
· Сервер базы данных - хранит архивную базу данных, обрабатывает запросы к ней со стороны различных клиентов, формирует сводки и отчеты.
· Сетевое оборудование верхнего уровня -- к сетевому оборудованию верхнего уровня относятся концентраторы сети корпуса и маршрутизаторы (роутерьО. Концентратор сети корпуса объединяет оптоволоконные лучи технологической сети корпуса в единый кабель. Маршрутизатор объединяет технологические сети корпусов в единую технологическую сеть участка, цеха или завода и осуществляет маршрутизацию пакетов данных, циркулирующих из сети верхнего уровня в технологическую и обратно. В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное устройство, так и обычный компьютер с соответствующим программным обеспечением.
· Рабочее место (АРМ) системы -- представляет собой персональный компьютер, подключенный к сети предприятия. На АРМе выполняется программа «клиент системы «ТРОЛЛЬ-5», настроенный для конкретных целей использования (МОНИТОР оператора, АРМ старшего мастера, генератор сводок, АРМ руководителя и т.п.).
Система сигнализации анодных эффектов
Система сигнализации АЭ предназначена для формирования звукового сигнала (сирены) в корпусе электролизного цеха при наступлении анодного эффекта на каком-либо электролизёре. В электролизном корпусе может быть размещено произвольное количество каналов сигнализации.
Концентратор сети корпуса предназначен для объединения оптоволоконных лучей технологической сети от групп БУ в один сегмент, который подключается к маршрутизатору через оптоволоконный кабель.
Маршрутизатор «Спайдер» предназначен для объединения технологической сети ArcNet и сети верхнего уровня Ethernet в единую транспортную магистраль, объединяющую верхний и нижний уровни комплекса технических средств управления.
Маршрутизатор представляет собой четыре промышленных компьютера фирмы Advantech, объединенных в одном шасси. Каждый компьютер, будучи соединен с сетью Ethernet верхнего уровня, с одной стороны, и с технологической сетью ArcNet через соответствующий КСК, с другой стороны, обеспечивает беспрепятственный пропуск только тех сетевых пакетов, которые относятся к «подведомственному» ему участку технологической сети. Так как в качестве сетевого транспортного протокола на всех уровнях используется протокол TCP/IP, маршрутизация сетевых пакетов обеспечивается стандартными средствами операционной системы, установленной на компьютере маршрутизатора.
Маршрутизатор в описанной выше конфигурации допускает подключение 9 корпусов, или электролизного цеха. Использование протокола TCP/IP позволяет легко наращивать сеть при подключении следующих цехов путем простого подключения дополнительных маршрутизаторов.
Компьютеры верхнего уровня
К компьютерам верхнего уровня относятся: сервер реального времени, сервер базы данных и компьютеры различных АРМ.
Серверы системы используются для хранения базы технологических параметров и для организации совместной работы программного обеспечения верхнего и нижнего уровней. Серверы также используются в качестве мостов между сетью верхнего уровня и сетью предприятия. В качестве серверов используются компьютеры на серверной платформе с повышенной надёжностью.
Компьютеры АРМ являются компьютерами в промышленном исполнении.
Подключение дополнительного оборудования
Комплекс технических средств «ТРОЛЛЬ-5» позволяет подключать дополнительное контрольно-измерительное и управляющее оборудование как компании «ТоксСофт», так и сторонних производителей.
Дополнительное оборудование (для контроля и управления процессом электролиза) к системе «ТРОЛЛЬ-5» подключается разными способами:
Подключение к Блоку Управления «ТРОЛЛЬ-5»
К блоку управления «ТРОЛЛЬ-5», через специализированный разъем, по сети RS-485 подключаются различные датчики (возможно подключение исполнительных устройств). В основном это два типа оборудования:
Датчики, постоянно установленные на электролизёрах. Например, датчик перекоса анодной рамы фирмы ТоксСофт. Датчик перекоса позволяет оперативно измерять угол перекоса анодной рамы, и соответственно автоматически выравнивать раму;
Переносные портативные приборы для разовых замеров. К таким приборам относятся разрабатываемые датчики температуры расплава и ликвидуса, а также датчик концентрации. При такой работе, прибор подключается к БУ «ТРОЛЛЬ-5», в нескольких секунд БУ опознает прибор и по мере (и по окончании) работы получает данные из прибора, хранит и передает далее на верхний уровень.
Подключение в технологическую сеть
Оборудование, которое работает на уровне группы электролизёров, корпуса или серии в целом, может быть подключено к технологической сети корпуса. К такому оборудованию относятся, например бригадный контроллер и шкафы работы с радиоприемниками крановых весов.
Структура программного обеспечения
Программное обеспечение АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» логически можно разделить на три основных компонента: программное обеспечение нижнего уровня, программное обеспечение верхнего уровня и сетевое программное обеспечение.
Программное обеспечение нижнего уровня
Программное обеспечение нижнего уровня входит в состав поставки блоков управления «ТРОЛЛЬ-5» и КТНС. Управляющие программы БУ «ТРОЛЛЬ-5» способны работать автономно и независимо от программного обеспечения верхнего уровня. Иными словами можно сказать, что основной интеллект комплекса сосредоточен на нижнем уровне и максимально приближен к основному объекту управления - электролизёру.
Программное обеспечение нижнего уровня создано на языке C++ в инструментальной среде Borland C++ 3.1.
Способ управления электролизёрами для получения алюминия заключается в поддержании температурного режима электролизёра путем регулирования межполюсного расстояния. Способ включает операции: измерение напряжения на электролизёре и тока серии, расчёт текущего значения приведённого напряжения Unp и скорости его изменения во времени dllnp/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и принятие решений о регулировании межполюсного расстояния.
Управление электролизёром осуществляют регулированием межполюсного расстояния перемещением анода вверх/вниз.
Сетевое программное обеспечение
В качестве программного обеспечения маршрутизаторов используется операционная система Windows XP, сконфигурированная соответствующим образом. В качестве альтернативы может быть использована операционная система Linux.
Программное обеспечение верхнего уровня
Программное обеспечение верхнего уровня «ТРОЛЛЬ-5» серьезно отличается от предыдущих версий. Новая концепция построения ПО «ТРОЛЛЬ-5» предполагает наличие в системе одного АРМ оператора независимо от того, сколько корпусов (вплоть до 12-ти) включено в систему. Таким образом, при внедрении АСУ ТП «ТРОЛЛЬ-5» в масштабах цеха, количество компьютеров, выделенных непосредственно под систему, составляет не более трех: АРМ оператора цеха, сервер реального времени и сервер базы данных. Программное обеспечение АРМ оператора цеха построено таким образом, что оператору нет необходимости неотрывно наблюдать за протеканием процесса на экране компьютера. В случае возникновения ситуации, которая требует вмешательства оператора, программа АРМ привлечет его внимание и зафиксирует время реакции.
Как было показано в предыдущих разделах, внедрение АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» позволяет кардинально улучшить различные параметры процесса электролиза.
Кроме прямого снижения затрат за счёт стабилизации технологического процесса, АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» позволяет снизить издержки, обусловленные несоблюдением технологической дисциплины и сбоями оборудования электролизёра. Электрические и программные средства защиты двигателей анодной рамы позволяют исключить проблемы, связанные с выходом из строя одного или обоих двигателей. Программы защиты оборудования и обнаружения нестабильности сводят к минимуму потери от «ухода» электролизёра и подмыкания на анод.
Отличительной особенностью АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» является способность не только обнаруживать сбои оборудования, но и передавать диагностику неисправности оператору на верхний уровень системы. Следует отметить и то, что АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» дает возможность получать подробнейшую информацию о работе одного электролизёра, звена, бригады или корпуса в целом за любой промежуток времени в виде таблиц, отчетов, гистограмм или графиков. Эту информацию можно группировать, анализировать и обрабатывать любым требуемым способом. Открытость системы приводит к тому, что пользователь может сам работать с базой данных технологического процесса, получая нужную ему информацию в нужном виде. Огромный массив данных, сохраняемый системой «ТРОЛЛЬ-5», позволяет администрации завода, технологам, старшим мастерам и бригадирам всегда иметь под рукой необходимую информацию для принятия технологических и административных решений.
Полный контроль за соблюдением персоналом технологической дисциплины, и возможность анализировать работу корпуса на любом уровне трудно выразить в виде цифр, но, несомненно, использование этой стороны системы «ТРОЛЛЬ-5» не может не отразиться на оценке её эффективности.
В целом, оценки показывают, что система автоматизации «ТРОЛЛЬ-5» окупается в течение 12 - 14 месяцев после сдачи в эксплуатацию.
Вывод
По официальным данным Надвоицкого Алюминиевого Завода (Таблица 4.2), внедрение АСУТП «Тролль-5» в объёме 2 корпусов электролиза позволило добиться следующих технико-экономических показателей:
Таблица 4.2
|
№
|
Показатель
|
Значение
|
|
|
Технологические показатели
|
|
|
|
1
|
Увеличение выхода по току, %
|
1.5
|
|
|
2
|
Снижение расхода электроэнергии с учётом снижения частоты АЭ, %
|
2,47
|
|
|
3
|
Увеличение тока серии, кА
|
1,00
|
|
|
Экономические показатели
|
|
|
1
|
Снижение себестоимости, $/т Al
|
26,06
|
|
|
2
|
Увеличение выпуска металла, т
|
1 068
|
|
|
3
|
Годовой экономический эффект, $
|
882 259
|
|
|
4
|
Срок окупаемости, лет
|
1,13
|
|
|
С 2001 года Саянский алюминиевый завод, оснащенный АСУТП «Тролль-5», после решения проблем с работоспособностью АПГ и ЦРГ, переведен на управление ваннами по концентрации глинозёма с использованием алгоритмов «ТоксСофт».
Это позволило:
· повысить силу тока в среднем по заводу на 11,8 кА;
· повысить выход по току на 5,2%;
1. В настоящее время компанией «ТоксСофт» создана АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» высокого мирового уровня, которая позволяет собирать, хранить и обрабатывать большое количество данных, использовать Internet технологии для удаленного управления электролизёрами.
2. Разработано прогрессивное программное обеспечение «ТРОЛЛЬ 2000» с алгоритмами управления, позволяющими эффективно управлять процессом электролиза в реальных российских условиях.
3. АСУТП «ТРОЛЛЬ-5» является открытой системой, не требующей присутствия программистов при настройке системы. Обученный технологический персонал при определенных навыках имеет возможность самостоятельно настраивать параметры АСУТП.
4. Эффективность использования даже современных систем АСУТП и АПГ на прямую зависит от подготовленности и стремления персонала освоить и наиболее полно использовать возможности системы.
5. Разработанная система АПГ на основе дозатора «Концура», позволяет эффективно использовать для производства алюминия глинозёмы любого качества.
6. Повышение эффективности производства может быть достигнуто лишь при комплексном использовании АСУТП и АПГ.
5. Безопасность жизнедеятельности
5.1 Анализ технологического процесса по вредным и опасным факторам
Электролиз алюминия относится к категории вредных и опасных производств (рис.5.1.). В процессе электролиза выделяется большое количество вредностей в виде газов и пыли, токсикологическая характеристика которых представлена в таблице №5.1.
/
Рис. 5.1 Анализ вредных и опасных факторов
* - конвекционное и лучистое тепло;
¦ - брызги расплавленного металла;
Ў - вредные газы;
Ш - поражения электрическим током;
Д - производственная пыль;
? - возможность получения травм.
В корпусе выделяется следующие вредности:
- фтористые соединения в виде пыли и газа;
- окись углерода;
- сернистый ангидрид.
В воздухе рабочей зоны, кроме пыли фтористых солей, находится много пыли глинозёма крупностью порядка 1 мкм, которая также представляет собой опасность для здоровья работающих. От электролизёров в корпус поступает значительное количество тепла.
Таблица 5.1
Токсикологическая характеристика процесса электролиза
|
Наименование веществ
|
Физические свойства
|
ПДК, мг/м3
|
класс токсичности
|
Характерное воздействие на организм человека
|
|
|
уд.вес. г/см3
|
t плав °С
|
t.кип. °С
|
|
|
|
|
|
Глинозём
|
3,9
|
1 030
|
3 300
|
6,0
|
4
|
Вызывает хроническое поражение дыхательных путей, алюмикоз легких
|
|
|
Фтористый водород
|
газ
|
-
|
-
|
0,5
|
1
|
Раздражает слизистую оболочку дыхательных путей и глаз, хроническое отравление и отложение фтора в костях и зубах.
|
|
|
Криолит
|
2,95
|
1 010
|
1 704
|
1,0
|
2
|
Ухудшает состав крови, при попадании во внутрь вызывает тяжелые отравления, хронические заболевания зубов и костей
|
|
|
Фтористый натрий
|
2,79
|
979
|
1 704
|
1,0
|
2
|
Ухудшает состав крови, действует на нервную систему и желудочно-кишечный тракт.
|
|
|
Фтористый алюминий
|
2,88
|
возг
|
1 070
|
1,0
|
2
|
Аналогичен криолиту
|
|
|
Фтористый кальций
|
3,18
|
1 418
|
2 500
|
1,0
|
2
|
Аналогичен фтористому натрию, но менее токсичен
|
|
|
Фтористый магний
|
3,00
|
1 263
|
2 230
|
1,0
|
2
|
Разрушает мышечную ткань, вызывает заболевание костей и зубов
|
|
|
Четырех фтористый кремний
|
газ
|
-
|
-
|
0,5
|
1
|
Раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей, изъязвление слизистой оболочки носа
|
|
|
Угольная пыль
|
-
|
-
|
-
|
6,0
|
4
|
Заболевание дыхательных путей и легких
|
|
|
Сернистый ангидрид
|
-
|
-
|
-
|
10,0
|
5
|
Раздражает слизистую носа, нарушает обменные процессы, вызывает кашель.
|
|
|
Окись углерода
|
-
|
-
|
-
|
20,0
|
5
|
Вызывает удушение, головную боль, головокружение, шум в ушах, тошноту, слабость, судороги
|
|
|
Двуокись углерода
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
Раздражает кожу, слизистые оболочки, вызывает головную боль, шум в ушах, усиленное сердцебиение, головокружение, обмороки
|
|
|
Пыль алюминия
|
2,7
|
658
|
2 500
|
6,0
|
2
|
Раздражает слизистые оболочки, вызывает воспаление кожи, опухоли, появление гнойников, сильно поражает глаза
|
|
|
5.2 Производственная санитария
5.2.1 Вентиляция в корпусах электролиза
Работа электролизников и анодчиков относится к работам средней тяжести - 6 разряда. Для создания оптимальных условий труда для данного разряда работ необходимо создать оптимальные условия микроклимата рабочей зоны (табл.2).
Таблица 5.2
Микроклимат рабочей зоны
|
Время года
|
Условия
|
Температура, °С
|
Влажность, %
|
Скорость движения воздуха, м/с.
|
|
|
Холодное
|
Оптимальные
|
17-19
|
40-60
|
0,2
|
|
|
Допустимые
|
15-21
|
до 75
|
не более 0,4
|
|
|
Теплое
|
Оптимальные
|
20-22
|
40-60
|
0,3
|
|
|
Допустимые
|
16-27
|
до 70
|
0,2-0,5
|
|
|
Улучшение условий труда в рабочей зоне достигается с помощью системы приточной вытяжной вентиляции. Назначение её - многократное разбавление и эвакуация из рабочей зоны различных производственных вредностей. Воздух, нагретый теплом излучаемым электролизёрами, поднимается и удаляется из корпуса через аэрационный фонарь. Свежий воздух через проемы в стенах первого этажа и металлические решетки перекрытия второго этажа попадает в рабочую зону.
Рассчитаем воздухообмен, необходимый для удаления излишка тепла и фтористых соединений из рабочей зоны. Определим для эвакуации перечисленных вредностей необходимые площади проточных проемов (проемы в стенах первого этажа корпуса) и вытяжных проемов аэрационного фонаря.
а) Расчёт воздухообмена для летнего периода времени.
где: L1 - воздухообмен, кг/час;
LР.З. - количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны через укрытия всех электролизёров корпуса, кг/час;
QK - количество тепла, выделяющегося в рабочую зону от конструктивных элементов электролизёров вт;
0,29 - удельная теплоемкость воздуха вт/кг, °С;
TР.З. - температура рабочей зоны, °С;
tn - температура наружного воздуха, °С;
tУK - температура воздуха, удаляемого из корпуса, °С.
Площадь неплотностей укрытия электролизёра на 315 кА (по практическим замерам на ТадАЗе с пересчетом на проект) составляет ? 0,83 м2. Скорость просасывания воздуха через неплотности, при которой нет выбивания газа из укрытия, должна быть 2 м/сек (выводы научной части института ВАМИ).
Тогда подсос воздуха из корпуса через укрытия для одного электролизёра ОА на 315 кА составит:
0,83 · 2 · 3 600 = 5 976 м3/час.
Lp.з = 5 976 · 101,6 · 1,175= 713 415 кг/час,
где: 5 976 - подсос воздуха для одного электролизёра;
101,6 - количество работающих электролизёров в корпусе;
1,175 - удельный вес воздуха при 27°С, кг/м3.
Принимаем среднюю летнюю температуру воздуха 22°С (для района г. Братска), т.е. tn = 22°C, тогда:
°C,
где: 5 - перепад температур (факт САЗа).
где: 0,65 - коэффициент для корпусов электролиза алюминия.
QK = 428 155 ·1,163 · 101,6 = 50 591 137 вт,
где: 428 155 - количество тепла, выделяющегося от конструктивных элементов одного электролизёра (см. тепловой расчёт), ккал/час;
1,163 - переводной коэффициент ккал/час.в.вт;
101,6 - количество работающих электролизёров в корпусе, шт.
или
,
где: 1,147 - удельный вес воздуха при температуре 30°С, кг/м3
Внутренний объём корпуса равен:
V = L · B · H = 833 · 28,5 · 20,55 = 487 867 м3
Тогда кратность воздухообмена:
б) Расчёт воздухообмена для зимнего периода времени.
1)Теплопотери через ограждающие конструкции корпуса определим по формуле [7]:
где: F - площадь ограждающих конструкций, м2;
К - коэффициент теплоотдачи:
- для железобетонных плит = 1,2
- для стекла = 0,65
tBK - температура в рабочей зоне корпуса, принимаем = +15°С (факт БрАЗа),
tH - температура наружного воздуха, принимаем = -23°С;
S - толщина ограждения
- стеновые железобетонные панели = 0,08 м.
- стекло = 0,005 м.
Площадь продольных и торцевых стен корпуса:
FCT = (20,55 - 4 - 2,4) · 833 · 2 + (20,55 · 28,5) · 2 = 24 745 м2,
где: 4 - высота отметки второго этажа, м;
2,4 - высота остекления, м;
20,55 - высота корпуса, м;
833 и 28,5 - длина и ширина корпуса, м.
Площадь перекрытия отметки 4,0 м:
FПЕР = 28,5 · (833 - 30) - 102 · 4,28 · 16,5 = 30 089 м2,
где: 4,28Ч16,5 - габариты катодного кожуха, м.
Площадь остекления:
FОСТ=2,4 · 833 · 2 = 3 998м2
Потеря тепла стенами:
где: гпр, гвыт - удельный вес приходящего, уходящего воздуха, кг/м3
Нпр, Нвыт - потеря давления при прохождении воздуха в приточных и вытяжных поёмах, кг/м2.
епр, евыт - коэффициент местного сопротивления приточного и вытяжного проёмов, соответственно равны 3,2 и 9,4
при tпр = +22оС гпр = 1,19 кг/м3
при tвыт= +30оС гпр = 1,147 кг/м3
Нпр = hпр·(гпр - гвыт)
Нвыт = hвыт·(гпр - гвыт)
где: h = 20,8 м - вертикальное расстояние между серединой приточных и вытяжных проёмов,
Нпр=16 · (1,19 - 1,147) = 0,655 кг/м2
hвыт= 20,8 - 16 = 4,8 м
НВЫТ = 4,8 · (1,19 - 1,147) = 0,206 кг/м2
Площадь приточных и вытяжных проемов в проектируемом корпусе составляют:
FПР = 833 · 3 · 2 = 4 998 м2
FВЫТ = 833 · 4,5 · 2 = 7 497 м2
Таким образом, пропускная способность приточных и вытяжных проемов проектируемого корпуса обеспечит требуемую естественную вентиляцию.
5.2.2 Защита от теплового излучения
Вследствие выделения большого количества тепла при проведении технологического процесса в основных металлургических цехах требуется значительный теплообмен, особенно в летнее время.
Для предотвращения перегрева работающих в горячих цехах организуют естественную и механическую приточную вентиляцию, причем подаваемый механической вентиляцией воздух в ряде случаев охлаждается и увлажняется.
Для предотвращения заболеваний органов зрения необходимо применять очки с синими светофильтрами, которые защищают от инфракрасных и видимых лучей.
Для предупреждения ожогов при контакте с нагретыми и раскаленными поверхностями оборудования и инструмента рабочие снабжаются суконными рукавицами с брезентовыми или кожаными накладками, ботинками или валенками. Опасность получения термических ожогов может возникать при выливке металла. Для защиты от брызг или капель расплавленных продуктов плавки рабочие снабжаются суконными или войлочными брюками и курткой, защитными очками.
5.2.3 Освещение
Один из факторов, влияющих на производительность и безопасность труда, является рациональное освещение производственных помещений и рабочих мест. Освещение применяется естественное и искусственное. Равномерное естественное освещение в корпусе достигается посредством двух рядов оконных проемов, расположенных на высоте с отметкой +8,4 м и 10,8 м по боковым стенам корпуса, и сверху через аэрационный фонарь.
Выполняемые работы в корпусах относятся к работам 6 разряда, т.е. работы, требующие общего наблюдения за ходом технологического процесса. Коэффициент естественного освещения для данного разряда работы составляет 0,3%.
Для 6 разряда работ норма искусственного освещения составляет 75 люкс. В качестве источника света принимаются ртутные лампы высокого давления.
Напряжение в осветительной сети 220 в.
В корпусах используются светильники прямого света, расположенные на высоте 17 метров. Расстояние между светильниками принимается равным шагу колонны, т.е. 6 метров.
Кроме системы общего освещения применяется система аварийного освещения. Она устанавливается с независимым источником питания или автоматически переключается на него в случае аварии.
Система аварийного освещения создает на рабочих местах для продолжения работ освещенность 5% нормы, т.е. 1,5 люкс, что также достаточно и для эвакуации людей.
5.2.4 Водопровод и канализация, отопление
Системы водопровода и канализации здания должны отвечать требования соответствующих строительных норм и правил. Устройство систем водоснабжения, канализации и отопления в помещениях, где используются вещества, способные при взаимодействии с водой вызвать взрывы или пожар, должно исключать возможность попадания влаги на эти опасные вещества. Соединение сетей хозяйственно-питьевого водопровода с сетями водопроводов, подающих воду технического качества, не допускается.
Канализационные сливы технических устройств должны иметь гидравлические затворы и фланцевые соединения.
5.2.5 Бытовые помещения
В бытовых помещениях цеха электролиза криолит-глинозёмных расплавов имеются камеры сушки спецодежды, респираторная, прачечная, мастерская по ремонту обуви и спецодежды, ингаляторий и здравпункт.
Основу бытовых помещений составляют:
a) гардеробные уличной и домашней одежды;
b) гардеробные рабочей одежды;
c) душевые комнаты;
d) умывальные (1 кран на 7 человек);
e) уборные.
В гардеробной рабочей и чистой одежды устанавливаются шкафы. Гардеробная рассчитана на 300 человек. В цехе 8 гардеробных чистой одежды и 8 гардеробных рабочей одежды.
5.3 Чрезвычайные ситуации
5.3.1 Противопожарная профилактика
Электролиз алюминия характеризуется работой с расплавленным металлом при температуре 950 - 970°С, по степени опасности относится к категории «Г».
При данной категории производства по пожарной безопасности, при двухэтажном исполнении корпуса и при площади пола
28,5 Ч 805,5 = 22 957 м2, принимаем первую степень огнестойкости [15]. В соответствии с этим элементы строительных конструкций приняты со следующими пределами огнестойкости: стены из железобетонных панелей 80 мм - RE 30; покрытие из сборных железобетонных плит 200 мм - RE 30; колонны железобетонные 1500Ч500 - R 120.
Для тушения пожаров применение воды категорически запрещено из-за наличия токопроводящих частей. В корпусе имеются стенные огнетушители типа ОУ-5, ОУ-8, а также предусматривается тушение пожара имеющимися в наличии сырьем: криолитом, глинозёмом. Для оповещения пожара внутри бытовых помещений предусмотрен внутренний водовод.
При категории «Г» и первой степени огнестойкости расстояние до выхода не ограничено.
5.3.2 Аварийные ситуации
Наиболее часто встречающейся аварийной ситуацией в электролизных корпусах является прорыв расплава из шахты ванны на отметку ±0,00. Прорыв расплава может привести к разрыву тока серии. Кроме того, если расплав попадает на ошиновку, возможно её расплавление, что приведет к аварийному отключению серии и длительному простою для замены ошиновки.
Чтобы избежать этого, при прорыве расплава опускают анод и забивают место прорыва оборотным электролитом с добавками глинозёма и фтористого кальция. Одновременно, защищают ошиновку от расплава стальными листами. Если таким образом удалось остановить течь расплава, то ремонт футеровки проводят без отключения электролизёра, иначе электролизёр отключают на капитальный ремонт.
5.4 Охрана окружающей среды
По мере ускорения темпов научно-технического прогресса воздействие людей на природу становится все более мощным. И в настоящее время оно уже соизмеримо с действием природных факторов, что приводит к качественному изменению соотношения сил между обществом и природой. На современном этапе человечество поставлено перед фактом возникновения в природе необратимых процессов, новых путей перемещения и превращения энергии и вещества. В природу внедряется все больше и больше новых веществ, чуждых ей, порой сильно токсичных для организмов. Часть из них не включается в естественный круговорот и накапливается в биосфере, что приводит к нежелательным экологическим последствиям.
Загрязняющие вещества, попавшие в природную среду, способны перемещаться порой на значительные расстояния. Закономерность этих процессов изучена еще недостаточно.
Накопление промышленных отходов, обуславливая высокий уровень загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы, способствует повышению заболеваемости людей и животных, ускорению коррозии машин и металлического оборудования, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства, ускоренному и нерациональному использованию природных ресурсов и энергии, ухудшению многих свойств экологических систем, гибели некоторых уникальных природных территориальных комплексов, исчезновению отдельных видов животных и растений.
Если не принять решительных мер, ограничивающих воздействие промышленности на природу, то это воздействие может оказаться критическим не только для природы, но и для самой промышленности, становясь препятствием для её дальнейшего развития.
Газоочистка
В последние годы за рубежом и на отечественных заводах широкое применение находят «сухие» способы очистки газов от вредных веществ. Особенно хорошо этот «сухой» способ зарекомендовал себя на электролизёрах с обожжёнными анодами, от которых не выделяются смолистые вещества.
«Сухие» методы очистки газов основаны на адсорбции фтористого водорода окисью алюминия (глинозёмом), являющийся сырьем для производства алюминия. При этом не требуется регенерации фтора, как в «мокрой» газоочистке, работающей на отечественных алюминиевых заводах, оборудованных электролизёрами с самообжигающимися анодами. При «сухой» газоочистке уловленные фтористые соединения вместе с глинозёмом возвращаются в процесс электролиза. «Сухая» газоочистка обеспечивает высокие стабильные степени очистки газов.
В настоящем проекте для очистки электролизных газов принимается «сухая» газоочистка. «Сухая» схема очистки представляет собой 2-х ступенчатую аппаратно-технологическую схему, включающую:
1 ступень («сухая») - очистка от фтористого водорода и пыли;
2 ступень («мокрая») - очистка от диоксида серы и доулавливание фтористого водорода, пыли, оставшихся в газах после 1 ступени очистки.
Отходящие газы от укрытий электролизёров по внутренним и внешним газоходам поступают в реакторы-адсорберы с фонтанирующим слоем адсорбента-глинозёма. Реактор-адсорберпредставляет собой цилиндрический аппарат с пережимом в центральной части. Газ подается тангенциально под пережимом и выходит в верхней конусной части аппарата. В реакторе над пережимом одновременно подается свежий и рециркулированный глинозём. Количество подаваемого свежего глинозёма составляет 50% от общего количества глинозёма, поступающего на электролизную серию (2 корпуса). Над пережимом, по его горловине проложен коллектор аэрационного воздуха. Подача воздуха на аэрацию производится газодувками. В реакторе происходит процесс химосорбции фтористого водорода оксидом алюминия:
А12О3 + nHF>А12О3 · nHF
После реакторов электролизные газы поступают в рукавные фильтры, где осуществляется разделение твердой и газовой фаз. Рукавные фильтры устанавливаются над реакторами.
Фторированный глинозём осаждается на внешней поверхности рукавов фильтра и периодически сбрасывается с них в бункер, откуда удаляется шнеками. Сбрасывание происходит при помощи импульсов сжатого воздуха, подаваемого компрессорами сверху и снизу внутрь рукава. Сжатый воздух подается осушенным. Для чего в блоке газоочистки предусмотрены установки осушки воздуха. Часть уловленного в фильтрах фтористого глинозёма в количестве, равном количеству поступающего свежего глинозёма, отводится в силос фторированного глинозёма, откуда направляется пневмотранспортом в корпуса электролиза. Остальная часть фторированного глинозёма поступает на рециркуляцию в реакторы.
Газ, обеспыленный и очищенный от газообразных, твердых фторидов, пыли в 1 «сухой» ступени очистки, подается в полые скрубберы для «мокрой» очистки от диоксида серы и доулавливания фторидов, пыли. Полый скоростной скруббер представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну с нижним боковым входом газа, оросителями в рабочей зоне и каплеулавителями в верхней части. Оросители расположены в два ряда. Факелы распыла оросителей нижнего яруса направлены вверх, а верхнего - вниз. Очищаемый газ проходит через скруббер снизу - вверх противотоком орошающему содовому раствору. Раствор подается в скруббера циркуляционными насосами и разбрызгивается с помощью оросителей. Этот содовый раствор готовится в отделении регенерации. При взаимодействии диоксида серы и фтористого водорода с содой в циркуляционном растворе образуются сульфат натрия. При этом происходят реакции:
2NaCO3+SO2+H2O = 2NaHCO3 + Na2SO3
2NaHCO3 + SO2 = Na2SO3 + 2CO2^ + H2O
2Na2SO3+O2 = 2Na2SO4
2NaCO3 + HF = 2NaHCO3 + NaF
NaHCO3 + HF = NaF + H2O + 2CO2^
Часть циркулирующего раствора от скрубберов насосами непрерывно выводится в отделение регенерации, а часть возвращается в скруббера.
Для удаления капельной жидкости, выносимой очищенными газами, в верхней части скруббера предусмотрена батарея каплеулавителей с лопастными завихрителями.
Очищенные газы из скруббера выбрасываются в атмосферу через выбросные свечи диаметром 3 000 мм и высотой 90 м, установленные на скрубберах.
Для каждой серии электролиза, состоящей из двух корпусов, предусматриваются два блока газоочистки. Один блок газоочистки очищает газы от двух полукорпусов. Блоки газоочистки располагаются в межкорпусном дворике. В блок газоочистки устанавливаются четыре модуля «реактор-рукавный фильтр» с дымососами, два скруббера (один рабочий, один резервный) с комплектом насосного хозяйства. В каждом блоке предусмотрена установка осушки сжатого воздуха, используемого для импульсной продувки рукавов фильтров. Все оборудование блока газоочистки располагается в отапливаемом помещении.
На отметке ±0,00 устанавливаются дымососы, компрессора, насосы, на отметке +5,00 м - реакторы, на отметке +24,00 м - рукавные фильтры, на отметке +8,4м - скруббера. Здание блока газоочистки - многоэтажное.
5.5 Техника безопасности
При обслуживании электролизёров работающий персонал в корпусах должен знать причины возможных электропоражений и меры защиты от них. Для этой цели в условиях производства разрабатываются соответствующие правила и инструкции по электробезопасности, обязательные при эксплуатации серий электролизёра. Для обеспечения электробезопасности ведения работ в корпусах в проекте согласно действующим “Правилам безопасности при производстве глинозёма, алюминия, магния, кристаллического кремния и электролитического силумина” ПБ 11-493-02, предусматриваются следующие мероприятия:
· полы первого этажа выполняются из асфальтобетона на битумно-щебеночном основании для электроизоляции от земли;
· полы второго этажа выполняются из асфальтобетона по бетонному основанию, нанесенному на железобетонные перекрытия, оклеенные рулонной изоляцией из гидролизола;
· все железобетонные конструкции первого этажа, перекрытия рабочей отметки +4,00м, стены и колонны второго этажа выполняются с защитным слоем бетона поверх арматуры;
· строительные колонны на высоту 3,5 м от рабочей площадки имеют усиленную изоляцию;
· аэрационные проемы первого этажа закрываются сетчатыми заземленными ограждениями с целью предотвращения произвольного попадания людей в это помещение;
· в торцах корпуса выполняются стенки из неэлектропроводных материалов, отделяющие часть первого этажа, в которой расположены катодные кожухи и катодная ошиновка электролизёров, с целью предотвращения произвольного попадания людей;
· катодный кожух электроизолируется от опорных железобетонных конструкций;
· катодная ошиновка электроизолируется от опорных бетонных столбиков;
· обрамление шинных проемов в полу второго этажа на участках операния стальных плит перекрытия выполняются из сборных брусков, изготовленных из бетона повышенной плотности В-8 (марка 400);
· металлическим плитам перекрытия рабочей площадки придается катодный потенциал соответствующего электролизёра;
· трубопроводы сжатого воздуха и вкуум-сети изолируются от строительных конструкций и имеют электроизоляционные разрывы через каждые 40 м;
· газоходы от электролизёров изолируются от строительных конструкции и перед выходом из корпуса имеют электроизоляционные разрывы; питание электродвигателей на электролизёрах выполняется от силовой сети через разделительные трансформаторы;
· в мостовых и анодных кранах предусматриваются три ступени для защиты от замыкания на «землю»;
· исключается попадание осадочной и другой влаги в рабочую зону корпуса.
При работе в корпусах электролиза каждый работник должен знать и строго выполнять технологические инструкции, инструкции по технике безопасности и по ремонту оборудования.
Все рабочие, вновь поступившие на завод или переведенные с одной работы на другую, должны получить непосредственно на рабочем месте инструктаж по технике безопасности. К самостоятельной работе эти рабочие допускаются после окончания обучения, сдачи экзаменов и получения удостоверения. Все рабочие электролизных цехов не реже двух раз в год должны проходить повторный инструктаж по технике безопасности, безопасным приемам и методам работы. К обслуживанию электролизёров допускаются рабочие, обеспеченные исправной и сухой спецодеждой, спецобувью и индивидуальными защитными средствами.
При всех работах с расплавленным электролитом и металлом необходимо помнить, что брызги электролита и алюминия, попадающие на кожу, вызывают плохо заживающиеся ожоги.
Разбрызгивание электролита и металла происходит при внесении в них непрокаленных предметов. При выливке металла, перелива металла из ковша в ковш и других подобных операциях необходимо точно знать, что в случае возможны взрывы с выбросами расплава.
При заливке металла на подину ванны после капитального ремонта следует прогревать подину и анод до температуры выше 100°С, чтобы избежать выбросов металла. Свежий глинозём и фторсоли нельзя загружать непосредственно в расплавленный электролит поскольку они содержат влагу, загружать их следует только на корку электролита.
Ни при каких операциях нельзя вставать на корку электролита. Все операции по обработке ванн разрешается выполнять при защите лица специальным щитком, а головы - каской или шляпой.
6. Экономика и организация труда
Организация труда и экономическая часть.
В настоящей части записки рассматриваются 2 варианта строительства цеха электролиза:
I вариант (проектный): цех электролиза с 4-я корпусами, оборудованными электролизерами с обожженными анодами на силу тока 315 кА. Мощность цеха по алюминию-сырцу 357,2 тыс. т. в год.
II вариант (базовый): цех электролиза с 8 корпусами, оборудованными электролизерами с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом типа С-8Б на силу тока 158 кА. Мощность цеха по алюминию-сырцу 282,32 тыс. т. в год.
6.1 Организация труда в корпусе электролиза
Основными операциями по обслуживанию электролизёров в корпусе являются:
· ведение технологического процесса электролиза алюминия;
· периодическая пробивка корки электролита, загрузка глинозёма в электролизёры напольными машинами;
· загрузка фтористых солей в бункера АПГ и в электролизёр;
· обслуживание анодного хозяйства;
· выливка металла.
Операции по ведению технологического процесса, по периодической пробивке электролитной корки, загрузке глинозёма и фторсолей в бункера АПГ и электролизёры выполняются электролизниками.
Обслуживание анодного хозяйства (загрузка анодной массы, перестановка штырей, перетяжка анодной рамы обслуживание газосборников с горелками) ведется анодчиками.
Операции по выливке металла из электролизёров осуществляются выливщиками.
На штыревых и мостовом кранах работают машинисты кранов.
Ежесменный обход механического и электрического оборудования, обеспечение его правильной эксплуатации, устранение внезапных мелких неисправностей выполняются дежурными слесарями и электриками.
Для уборки пыли с полов рабочей площадки и площадки +0,00 в корпусе работает уборщик корпуса на пылеуборочной машине.
Основная производственная единица в корпусе электролиза - бригада электролизников. Этой бригадой выполняется весь комплекс обслуживания и контроля за работой электролизёров корпуса. Бригада электролизников обеспечивает выполнение плановых заданий, выпуск металла высокого качества, расход сырья и электроэнергии в установленных нормах.
Во главе бригады стоит бригадир - наиболее опытный и квалифицированный электролизник. Бригада разбита на звенья. Каждым звеном руководит старший электролизник из наиболее квалифицированных рабочих.
Организационное и техническое руководство по обслуживанию электролизёров осуществляется старшим мастером корпуса, указания и распоряжения которого обязательны для мастеров и рабочих. Старший мастер корпуса следит за точным соблюдением всеми сменами технологической инструкции и принимает меры для устранения допущенных нарушений.
Электролитический способ получения алюминия - процесс непрерывный. Электролизёры обслуживаются электролизниками посменно. Работой смены руководит сменный мастер, указания и распоряжения которого обязательны для всех рабочих смены.
Коллектив звена обслуживает электролизёры определенной бригады в течение данной смены. Звено анодчиков входит в состав смены электролизников и непосредственно подчиняется мастеру смены.
Согласно сложившейся практике работы в корпусах БрАЗа, ИркАЗа, КрАЗа принимаем график работы:
6 - часовой рабочий день;
8 - часовая рабочая смена.
Работа ведется в три смены по графику, обеспечивающему ритмичное чередование времени работы и отдыха, регулярное предоставление еженедельных выходных дней, годовую норму рабочего времени (1807,2 час.).
В таблице 6.1. представлен график работы электролизников. При этом графике 1 раз в месяц на работу во вторую смену выходят две бригады.
Тр.д. = 6 час,
Тсм = 8 час,
Тсм.об.= 15 дней,
nсв = 5.
Чередование смен - прямое.
Таблица 6.1
График смен производственных рабочих электролизного цеха
|
Бригады
|
Числа месяца
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
|
|
2
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
|
|
3
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
|
|
4
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
|
|
5
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
|
|
Бригады
|
Числа месяца
|
|
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
21
|
22
|
23
|
24
|
25
|
26
|
27
|
28
|
29
|
30
|
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
|
|
2
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
|
|
3
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
|
|
4
|
О
|
О
|
2
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
|
|
5
|
2
|
2
|
О
|
О
|
3
|
3
|
3
|
О
|
О
|
1
|
1
|
1
|
О
|
О
|
2
|
|
|
Продолжительность смены:
- первая смена - с 23 часов до 7 часов;
- вторая смена - с 7 часов до 15 часов;
- третья смена - с 15 часов до 23 часов.
Число часов отдыха при переходе из смены в смену:
- из первой во вторую: 17 + 48 + 7 = 72 час;
- из второй в третью: 9 + 48 + 15 = 72 час;
- из третьей в первую: 1 + 40 + 23 = 64 час.
Число выходных дней в год по графику составит 146 дней.
12*365/30=146 дней
Количество рабочих часов за год
(365 - 146) Ч 8 = 1 752 час.
Годовой баланс времени 1-го среднесписочного основного рабочего составлен на основании расчётных параметров графика сменности (табл.6.2.). Данные баланса используются в дальнейших расчётах численности, трудоёмкости продукции и фонда заработной платы (ФЗП). Баланс годового фонда рабочего времени выполнен с учётом продолжительности рабочей смены.
Таблица 6.2
Годовой баланс рабочего времени
|
Показатели
|
Непрерывное производство
|
|
|
Число календарных дней, Т
|
365
|
|
|
Число выходных и нерабочих дней согласно графику выходов, дни
|
146
|
|
|
Номинальный фонд рабочего времени, дни, Тк, дни
|
Т - вых.дни = 219
|
|
|
Номинальный фонд рабочего времени, дни, Тн, часы
|
Т? 8 = 1 752
|
|
|
Невыходы на работу по причинам: - очередной, основной и дополнительный отпуск; - болезни; - выполнение государственных и общественных обязанностей;
|
58 3 1
|
|
|
Итого невыходов Т, дни:
|
62
|
|
|
Эффективный фонд рабочего времени, Тэф1,дни
|
Т - Т= 157
|
|
|
Средняя продолжительность рабочей смены, час
|
8
|
|
|
Эффективный фонд рабочего времени Тэф2,час
|
1 256
|
|
|
Коэффициент списочного состава, К
|
Т к:Тэф1=2,3
|
|
|
6.2 Расчёт численности трудящихся и трудоёмкости продукции
Расчет явочной численности производственных рабочих в корпусе электролиза выполняется согласно действующим «Нормативам численности основных рабочих, занятых на предприятиях алюминиевой промышленности» [16], “Нормативам численности вспомогательных рабочих для предприятий цветной металлургии” [17] и «Нормам технологического проектирования алюминиевого производства» [1].
6.2.1 Расчёт численности явочного состава для корпуса с электролизёрами ОА-315
а) Численность явочного состава электролизников в одну смену при трехсменной работе составит:
· для ведения технологического процесса
чэл. = (0,09 + 0,0003 Ч 315) Ч 102 Ч 0,8 = 15,05 чел/смену,
где: 102 - количество электролизёров в корпусе;
315 - сила тока, А;
0,8 - коэффициент с учётом работы АПГ;
0,09 - норматив численности для пробивки корки напольными машинами, чел. /ед.
0,0003 - коэффициент, учитывающий мощность электролизера
При работе АПГ в сутки каждая длинная сторона обрабатывается один раз в 14 суток. Тогда численность электролизников:
Следовательно, общая численность электролизников составит:
15,05 + 0,464 ? 16 чел/смену.
б) Явочная численность анодчиков составит:
· для перестановки анодных блоков, перетяжки анодных рам:
0,035 Ч 102 ? 4 чел в одну смену;
· для обслуживания укрытий электролизёра:
0,033 Ч 102 ? 4 чел в сутки;
в) Явочная численность выливщиков в сутки составит:
0,047 Ч 102 ? 5 чел /сутки.
г) Явочная численность машинистов технологических кранов составит:
(0,017 + 0,006 + 0,007) Ч 102 ? 3 чел /смену.
д) Явочная численность в сутки машинистов мостового крана составит:
0,004 Ч 102 = 0,408 ? 1 чел /сутки.
Аналогично ведется расчёт явочной численности рабочих по варианту с установкой электролизёров типа С-8Б.
Списочная численность рабочих определяется с учётом коэффициента списочного состава (Ксп), который берется по данным предприятия или рассчитывается на основании данных таблицы.
Таблица 6.3
Ведомость численности персонала одного корпуса электролиза с установкой электролизёров ОА-315
|
Наименование профессий, должностей по объектам
|
Продолжитель-ность рабочего дня, часа
|
Категория трудящихся
|
Количество работающих в смену, чел.
|
Всего явочный состав, чел
|
Ксп
|
Чсп, чел.
|
|
|
|
|
I
|
II
|
III
|
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
|
I корпус электролиза
1. Производственные рабочие
|
Электролизник расплавленных солей
|
8
|
Основные рабочие
|
16
|
16
|
16
|
48
|
2,3
|
111
|
|
|
Анодчик по замене анодных блоков и перетяжке анодной рамы
|
8
|
-
|
4
|
4
|
4
|
12
|
2,3
|
28
|
|
|
Анодчик по обслуживанию укрытий
|
8
|
-
|
1
|
2
|
1
|
4
|
2,3
|
10
|
|
|
Выливщик
|
8
|
-
|
2
|
2
|
1
|
5
|
2,3
|
12
|
|
|
Машинист крана
|
8
|
-
|
3
|
4
|
3
|
10
|
2,3
|
23
|
|
|
Итого:
|
|
26
|
28
|
25
|
79
|
|
184
|
|
|
2. Вспомогательные рабочие
|
Дежурный слесарь
|
8
|
Вспомогательные рабочие
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Дежурный электрик
|
8
|
-
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Уборщик корпуса
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Итого:
|
|
2
|
3
|
2
|
7
|
|
15
|
|
|
3. Инженерно-технический персонал
|
Старший мастер
|
8
|
ИТР
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Сменный мастер
|
8
|
-
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Мастер анодного хозяйства
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Механик корпуса
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Итого:
|
|
1
|
4
|
1
|
6
|
|
10
|
|
|
Всего:
|
29
|
35
|
28
|
92
|
|
209
|
|
|
II. Газоочистка (для 2-х корпусов электролиза)
|
Мастер
|
8
|
ИТР
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Оператор по обслуживанию пылеулавливающих установок
|
8
|
Вспомогательные рабочие
|
2
|
2
|
2
|
6
|
2,3
|
14
|
|
|
Итого по газоочистке:
|
2
|
3
|
2
|
7
|
|
15
|
|
|
Таблица 6.4
Ведомость численности персонала одного корпуса электролиза с установкой электролизёров ВТ-158
|
Наименование профессий, должностей по объектам
|
Продолжительность рабочего дня, часа
|
Категория трудящихся
|
Количество работающих в смену, чел
|
Всего явочный состав, чел.
|
Ксп
|
Чсп, чел.
|
|
|
|
|
I
|
II
|
III
|
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
|
I корпус электролиза
1. Производственные рабочие
|
Электролизник расплавленных солей
|
8
|
Основные рабочие
|
16
|
16
|
16
|
48
|
2,3
|
111
|
|
|
Анодчик по загрузке анодной массы и перестановке штырей
|
8
|
-
|
4
|
4
|
4
|
12
|
2,3
|
28
|
|
|
Анодчик по перетяжке анодной рамы, обслуживанию газосборников
|
8
|
-
|
1
|
2
|
2
|
5
|
2,3
|
12
|
|
|
Выливщик
|
8
|
-
|
2
|
2
|
1
|
5
|
2,3
|
12
|
|
|
Машинист крана
|
8
|
-
|
3
|
4
|
3
|
10
|
2,3
|
23
|
|
|
Оператор МНР
|
8
|
-
|
2
|
2
|
2
|
6
|
2,3
|
14
|
|
|
Итого:
|
|
28
|
30
|
28
|
86
|
|
203
|
|
|
2. Вспомогательные рабочие
|
Дежурный слесарь
|
8
|
Вспомогательные рабочие
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Дежурный электрик
|
8
|
-
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Уборщик корпуса
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Итого:
|
|
2
|
3
|
2
|
7
|
|
15
|
|
|
Инженерно-технический персонал
|
Старший мастер
|
8
|
ИТР
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Сменный мастер
|
8
|
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2,3
|
7
|
|
|
Мастер анодного хозяйства
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Механик корпуса
|
8
|
-
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Итого:
|
|
1
|
4
|
1
|
6
|
|
10
|
|
|
Всего:
|
31
|
37
|
31
|
99
|
|
228
|
|
|
II. Газоочистка (для 2-х корпусов электролиза)
|
Мастер
|
8
|
ИТР
|
-
|
1
|
-
|
1
|
|
1
|
|
|
Оператор по обслуживанию пылеулавливающих установок
|
8
|
Вспомогательные рабочие
|
2
|
2
|
2
|
6
|
2,3
|
14
|
|
|
Итого по газоочистке:
|
2
|
3
|
2
|
7
|
|
15
|
|
|
Ниже приводится списочная численность основных рабочих по проектируемым 4-м корпусам электролиза по разрядам и по рассматриваемым вариантам (с использованием данных табл. 6.3, 6.4).
Таблица 6.5
Списочная численность основных рабочих
|
Профессия
|
кол-во
|
всего
|
Вариант с установкой электролизёров ОА -315 (4 корп.)
|
Вариант с установкой электролизёров ВТ-158 (8 корп.)
|
|
|
1. Бригадир электролизников - 6 разряд, чел.
|
6
|
111
|
6 Ч 4 = 24
|
5 Ч 8 = 40
|
|
|
2. Старший электролизник - 6 разряд, чел.
|
48
|
|
48 Ч 4 = 192
|
40 Ч 8 = 320
|
|
|
3. Электролизник - 5 разряд, чел.
|
57
|
|
64 Ч 4 = 228
|
66 Ч 8 = 528
|
|
|
|
|
Итого: 111 Ч 4 = 444
|
Итого: 888
|
|
|
4. Старший анодчик - 6 разряд, чел.
|
4
|
38
|
4 Ч 4 = 16
|
5 Ч 8 = 40
|
|
|
5. Анодчик - 5 разряд, чел.
|
34
|
|
34 Ч 4 = 136
|
35 Ч 8 = 280
|
|
|
|
|
Итого: 152
|
Итого: 320
|
|
|
6. Выливщик - 4 разряд, чел.
|
12
|
12
|
12 Ч 4 = 48
|
96
|
|
|
7. Машинист крана - 5 разряд, чел.
|
24
|
24
|
24 Ч 4 = 96
|
184
|
|
|
8. Оператор МНР - 5 разряд, чел.
|
|
|
-
|
112
|
|
|
ВСЕГО:
|
740
|
1 600
|
|
|
6.2.2 Расчёт трудоёмкости продукции
Цеховая трудоёмкость (Тцех.) складывается из трудоёмкости технологической (Ттехн.), трудоёмкости обслуживания (Тобсл) и трудоёмкости управления (Тупр).
Вариант с установкой электролизёров ОА-315:
где: Чпр - списочная численность производственных рабочих, чел.;
ТЭф. - эффективный фонд рабочего времени одного рабочего, час;
В - годовой выпуск алюминия-сырца, т.
где: чвсп - списочная численность вспомогательных рабочих корпусов и блоков газоочистки, обслуживающих эти корпуса, чел.;
где: чупр - списочная численность специалистов, чел.
Цеховая трудоёмкость составит:
Тцех = 2,60 + 0,32 + 0,15 = 3,07 чел. час/т.
Вариант с установкой электролизёров ВТ-158:
Ттехн.=чел. *час/т;
Тобсл.=чел. *час/т;
Тупр.=чел.* час/т.
Цеховая трудоёмкость составит:
Тцех = 7,12+0,78+0,37=8,27 чел час/т.
6.3 Расчёт годового фонда оплаты труда
6.3.1 Расчёт годового фонда заработной платы основных рабочих
Оплата труда рабочих производится по сдельно-премиальной системе с применением коллективных расценок за производство единицы продукции.
Распределение сдельного заработка между членами бригады производится в соответствии с присвоенными тарифными разрядами и фактически отработанным временем с учётом коэффициента трудового участия.
Коллективная расценка за производство 1 т алюминия определяется по формуле:
где: - суммарный часовой тариф смены, руб.;
- норма выработки цеха, т/час.
Суммарный часовой тариф смены определится по формуле:
где: Тс - часовая тарифная ставка соответствующего разряда;
n - количество рабочих соответствующих разрядов.
Бригадирам, не освобожденным от основной работы, за руководство бригадой производится доплата в размере 15%.
Часовая норма выработки рассчитывается по формуле:
где Всут - объём производимой продукции в сутки, т.
Таблица 6.6
Тарифные ставки по разрядам
|
Профессия
|
Тарифный разряд
|
Тарифная ставка, руб./час
|
|
|
Бригадир электролизников Старший электролизник Электролизник Анодчик Выливщик Машинист крана Оператор МНР
|
6 6 5 5 4 5 5
|
32,00 25,64 22,73 22,73 20,09 22,73 22,73
|
|
|
Далее рассчитывается сдельно-тарифный заработок бригады:
где: В - объём производимой продукции в год, т.
6.3.2 Расчёт годового фонда оплаты труда
По варианту с установкой в корпусах электролизёров ОА-315.
Всего 111 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 38 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 9 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 24 чел. (см. табл. 6.5):
По варианту с установкой в корпусах электролизёров ВТ-158.
Всего 111 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 40 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 12 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 23 чел. (см. табл. 6.5):
Всего 14 чел. (см. табл. 6.5):
ОА-315: Нвыр = 357200 ч 365 ч 24 = 40,8 т/час.
ВТ-158: Нвыр =282320:365:24=32,2 т/час.
С установкой ОА-315:
Ркол. электролизников = 2 718,33 ч 40,8 = 66,6 руб/т;
Ркол. анодчиков = 900,82 ч 40,8 = 22,08 руб/т;
Ркол. выливщиков= 180,81 ч 40,8 = 4,4 руб./т;
Ркол. машинистов крана = 545,52 ч 40,8 = 13,4 руб/т;
Зед. т. электролизников 66,6 · 357 200 = 23 789 520 руб;
Зед.т. анодчиков = 22,08 · 357 200 = 7 886 976 руб;
Зед.т. выливщиков = 4,4 · 357 200 = 1 571 680 руб;
Зед.т. машинистов крана = 13,4 · 357 200 = 4 786 480 руб.
С установкой ВТ-158:
Ркол..электролизников = 2685,78: 32,2=83,41 руб/т;
Ркол. анодчиков= 955,55 : 32,2=29,68 руб/т;
Ркол. вьшивщиков= 241,08 : 32,2=7,49 руб/т;
Ркол. машинистов крана = 522,79 : 32,2=16,24 руб/т;
Ркол. опер. МНР = 9,88 руб/т.
Зед.т. электролизников =83,41 282320=23548311,2 руб;
Зед.т. анодчиков = 29,68 282320=8379257,6 руб;
Зед.т. выливщиков = 7,49 282320=2114576,8 руб;
Зед.т. машинистов крана = 16,24 282320=4584876,8 руб;
Зед.т опер. МНР = 9,88 282320=2789321,6 руб.
В расчёте годового фонда оплаты труда предусматриваем следующие виды доплат:
1) Доплата за работу в ночное время
Устанавливается доплата за работу в ночное время в течение 1 часа - 40% часовой тарифной ставки соответствующего разряда. Сумма доплат рассчитывается по формуле:
Дн.=,
где tH - годовой фонд времени ночных часов 1 рабочего ,ч
ночное время с 22 -6ч , т.е 8 часов в сутки
tH =8*Тэфф.,
tH =8*157=1256ч
n - явочная численность рабочих соответствующих профессий (см. табл. 6.5),чел.;
Тс.ср.вз. - средневзвешенная часовая тарифная ставка, руб.;
Средневзвешенная часовая тарифная ставка рассчитывается по формуле, руб./чел.
Тс.ср.вз.=,
где Тс - суммарный часовой тариф смены, руб.;
nсм - списочная численность рабочих соответствующих профессий, чел.
С установкой ОА-315:
Тс.ср.вз. электролизников = 2 718,33 ч 111 = 24,49 руб.;
Тс.ср.вз. анодчиков = 900,82 ч 38 = 23,71 руб.;
Тс.ср.вз. выливщиков = 180,81 ч 9 = 20,09 руб.;
Тс.ср.вз. машинистов кранов = 545,52 ч 24 = 22,73 руб.
С установкой ВТ-158:
Тс.ср.вз. электролизников = 2685,78 / 111 = 24,2 руб.;
Тс.ср.вз. анодчиков = 955,55 /40 = 23,89 руб.;
Тс.ср.вз. выливщиков = 241,08 / 12 = 20,09 руб.;
Тс.ср.вз. машинистов кранов = 522,79 / 23 = 22,73 руб.;
Тс.ср.вз. опер. МНР = 318,22 / 14 = 22,73 руб.
Следовательно:
для варианта с ОА-315:
Дн. электролизников = = 2375164 руб.;
Дн. анодчиков = = 787221 руб.;
Дн. выливщиков = = 210641 руб.;
Дн. маш. крана = = 476642 руб.
для варианта с ВТ-158:
Дн.электролизников==4694076 руб;
Дн.анодчиков==1669890 руб;
Дн.выливщиков==421282руб;
Дн.машинистов крана==913564 руб.;
Дн.оперМНР = =556083 руб.
2) Доплата за работу в праздничные дни:
Сначала определяется процент доплаты:
где: tПР - количество праздничных дней в году (12 дней);
ТК - календарный фонд времени, дни.
Затем найденный процент доплаты за работу в праздничные дни исчисляем от сдельно - тарифного заработка бригады.
для варианта с ОА-315:
Дпр. электролизников = = 782 675 руб;
Дпр. анодчиков = = 259 482 руб;
Дпр. выливщиков = = 51 708 руб;
Дпр. маш. крана = = 157 475 руб.
для варианта с ВТ-158:
Дпр. электролизников=23548311,2 • 3,29/ 100 = 774739 руб.;
Дпр. анодчиков=8379257,6 • 3,29/ 100 = 275678 руб.;
Дпр. выливщиков=2114576,8 • 3,29/ 100 = 69570 руб.;
Дпр. машинистов крана=4584876,8 • 3,29/ 100 = 150842 руб.;
Дпр.оперМНР = 2789321,6 • 3,29/ 100 = 91769 руб.
3) Премия бригаде:
Устанавливается в размере 60% от сдельно-тарифного фонда заработной платы.
для варианта с ОА-315:
Пр. электролизников == 14 273 712 руб;
Пр. анодчиков == 4 732 186 руб;
Пр. выливщиков == 943 008 руб;
Пр. маш. крана == 2 871 888 руб.
для варианта с ВТ-158:
Пр. электролизников = 23548311,260:100=14128987 руб.;
Пр. анодчиков = 8379257,660:100=5027555 руб.;
Пр.выливщиков = 2114576,860:100=1268746 руб.;
Пр. машинистов крана = 4584876,8 60:100=2750926 руб.;
Пр.оперМНР = 2789321,6 60:100=1673593 руб.
4) Итого основной фонд с районным коэффициентом 40% и северной надбавкой 50% составит:
ОФОТ = (Зср.т.+Дн.+Дпр.+Пр) Ч 1,9.
для варианта с ОА-315:
ОФОТэл-ков= (23 789 520 + 2 375 164 + 782 675 + 14 273 712) · 1,9 = 78 320 035 руб;
ОФОТанодчиков= (7 886 976 + 787 221 + 259 482 + 4 732 186) · 1,9 = 25 965 144 руб.;
ОФОТвыливщиков = (1 571 680 + 210 641 + 51 708 + 943 008) · 1,9 = 5 276 370 руб;
ОФОТ маш. крана = (4 786 480 + 476 642 + 157 475 + 2 871 888) · 1,9 = 15 755 722 руб.
для варианта с ВТ-158:
ОФОТэлектролизников =(23548311,2+4694076 +774739+14128987) 1,9= 81977615 руб.;
ОФОТ анодчиков = (8379257,6+1669890+275678+5027555) 1,9 = 29169523 руб.;
ОФОТ выливщиков = (2114576,8+421282 +69570+1268746) 1,9 = 7360932 руб.;
ОФОТ машинистов крана = (4584876,8 +913564+150842+2750926) 1,9 =15960397 руб.;
ОФОТоперМНР =(2789321,6 +556083 +91769+1673593) 1,9 = 9710457 руб.
5) Дополнительный фонд:
где: Тотп. - количество дней отпуска;
Тгос.об. - количество дней выполнения государственных обязанностей.
для варианта с ОА-315:
Д ф. электролизников = = 21 099 918 руб.;
Д ф. анодчиков == 6 995 176 руб.;
Д ф. выливщиков = = 1 421 488 руб.;
Д ф. маш. крана = = 5 965 559 руб.
для варианта с ВТ-158:
Д ф. электролизников = = 22 085 294 руб.;
Д ф. анодчиков = = 7 858 456 руб.;
Д ф. выливщиков = = 1 983 082 руб.;
Д ф. маш. крана == 4 299 833 руб.;
Д ф. опер. МНР = = 2 616 059 руб.
6) Годовой фонд оплаты труда:
Определяется как сумма основного и дополнительного фондов оплаты труда.
для варианта с ОА-315:
ФОТ год. электролизников = 78 320 035 + 21 099 918 = 99 419 953 руб.;
ФОТ год. анодчиков = 25 965 144 + 6 995 176 = 32 960 320 руб.;
ФОТ год. выливщиков = 5 276 370 + 1 421 488 = 6 697 858 руб.;
ФОТ год. маш. крана = 15 755 722 + 4 244 692 = 20 000 414 руб.
для варианта с ВТ-158:
ФОТ год. электролизников = 81 977 615 + 22 085 294 = 104 062 909 руб.;
ФОТ год. анодчиков = 29 169 523 + 7 858 456 = 37 027 979 руб.;
ФОТ год. выливщиков = 7 360 932 + 1 983 082 = 9 344 014 руб.;
ФОТ год. машинистов крана = 15 960 403 + 4 299 833 = 20 260 230 руб.;
ФОТ год. опер. МНР = 9 710 457 + 2 616 059 = 12 326 516 руб.
Суммарный годовой фонд оплаты труда основных производственных рабочих составляет:
для варианта с ОА-315:
99 419 953 + 32 960 320 + 6 697 858 + 20 000 414 = 159 078 545 руб.
На единицу выпускаемой продукции (1 т. алюминия-сырца):
159 078 545 ч 357200 = 445,35 руб.
для варианта с ВТ-158:
104 062 909 + 37 027 979 + 9 344 014 + 20 260 230 + 12 326 516 = 183
021 648 руб.
На единицу выпускаемой продукции сравниваемого варианта:
183 021 646 ч 282 320 = 648,28 руб.
Расчёт годового фонда заработной платы вспомогательных рабочих:
Оплата труда повременно-премиальная. Премия выплачивается за индивидуальные результаты работы по следующим показателям:
· выполнение и перевыполнение показателей плана цеха;
· соблюдение и сокращение сроков ремонта технологического оборудования;
· повышение производительности труда.
По данным Братского алюминиевого завода среднемесячная зарплата одного среднесписочного вспомогательного рабочего составляет 22 000 руб.
Годовой фонд заработной платы для ОА-315 составит:
22 000 Ч 12 Ч (15 Ч 4корп.+15 Ч 2(газооч.)) = 23 760 000 руб.,
где: 90 - численность вспомогательных рабочих 4 корпусов электролиза и 2 блоков газоочистки.
Годовой фонд заработной платы вспомогательного рабочего для варианта с ВТ-158 - 46464 тыс. руб.
6.3.3 Расчёт годового фонда заработной платы специалистов
Оплата труда ИТР производится согласно штатно-должностным окладам. Кроме того, предусмотрены дополнительные выплаты: за квалификацию, за деловые качества за работу в ночное время, праздничные дни (для сменных мастеров), выслуга лет. Выплачивается текущая премия и премия по итогам года (за перевыполнение плана из фонда прибыли).
По данным БрАЗа, среднемесячная зарплата специалистов составляет 35 000 руб.
для варианта с ОА-315:
35 000 Ч 12 Ч 42 = 17 640 тыс. руб.,
где: 42 - численность специалистов корпусов электролиза и блоков газоочистки.
для варианта с ВТ-158: 48 400 тыс. руб.
6.4 Расчёт себестоимости алюминия-сырца
6.4.1 Расчёт капитальных затрат
Капитальные затраты определены на основе цен узлов электролизёров, сообщенных Братским алюминиевым заводом, и смет СибВАМИ (табл. 6.7).
Таблица 6.7
Капитальные вложения по рассматриваемым вариантам
|
№ п/п
|
Наименование затрат
|
Корпуса цеха электролиза с установкой электролизёров
|
|
|
|
ОА-315 ( 4 корпуса)
|
ВТ-158 (8 корпусов)
|
|
|
1
|
Стоимость корпусов электролиза
|
1240168
|
1404210
|
|
|
2
|
Пневмотранспорт
|
27637,4
|
27637,4
|
|
|
3
|
Газоочистка («сухая» ОА, «мокрая» С-8Б).
|
108345,8
|
108345,8
|
|
|
Итого:
|
1376151,2
|
1540193,2
|
|
|
6.4.1.1 Расчёт сметы затрат на содержание зданий и сооружений
Капитальные вложения КПП и АСУТП учтены в размере цен на электроэнергию. В табл. 6.8 приводятся капитальные вложения и расчёт амортизационных отчислений по цехам электролиза с ОА-315 и с ВТ-158.
Таблица 6.8
Капитальные вложения и сумма амортизационных отчислений
|
Состав капитальных вложений
|
Цех с установкой электролизёров ОА-315
|
Цех с установкой электролизёров ВТ-158
|
|
|
Стоим. тыс. руб
|
Амортизация
|
Стоим. тыс. руб
|
Амортизация
|
|
|
|
Средняя норма, %
|
Сумма тыс. руб
|
|
Средняя норма, %
|
Сумма тыс. руб
|
|
|
Здания и сооружения
|
|
|
1. Корпуса цеха электролиза
|
512401,62
|
1,8
|
9223,2
|
574431,6
|
1,8
|
10339,8
|
|
|
2. Пневмотранспорт
|
17400
|
3,0
|
522
|
19829
|
3,0
|
594,9
|
|
|
3. Газоочистка
|
70200,3
|
2,0
|
1404
|
78009
|
2,0
|
1560,2
|
|
|
Итого по п.1.
|
600001,9
|
|
11149.2
|
672269,6
|
|
12494,9
|
|
|
2. Оборудование
|
|
|
1. Корпуса цеха электролиза
|
741222,6
|
6,3
|
46697
|
829778,4
|
6,3
|
52276,0
|
|
|
2. Пневмотранспорт
|
7761,5
|
6,0
|
465,7
|
7808.4
|
6,0
|
468,5
|
|
|
3. Газоочистка
|
27165,2
|
5,6
|
1521,3
|
30336,8
|
5,6
|
1698.9
|
|
|
Итого по п.2.
|
776149,3
|
|
48684
|
867923,6
|
|
54443,4
|
|
|
Всего по п.1 и п.2.
|
1376151,2
|
|
59833,2
|
1540193,2
|
|
66938,3
|
|
|
В табл. 6.9 - смета затрат на содержание зданий и сооружений.
Таблица 6.9
Смета на содержание зданий и сооружений
|
Статьи затрат
|
Пояснения
|
Цех с установкой электролизёров ОА-315
|
Цех с установкой электролизёров ВТ-158
|
|
|
|
годовая сумма тыс. руб.
|
сумма на 1 т руб.
|
годовая сумма тыс. руб.
|
сумма на 1 т руб.
|
|
|
1. Зарплата специалистов
|
|
17640
|
67,5
|
35280
|
124,96
|
|
|
2. Отчисления на соц. страхование
|
40% ФЗП
|
5997,6
|
22,95
|
11995,2
|
42,49
|
|
|
3. Амортизация зданий и сооружений
|
|
11149,2
|
42,66
|
12494,9
|
44,26
|
|
|
4. Расходы на ремонт зданий и сооружений
|
50% амортизаци
|
7804,4
|
29,87
|
8746,4
|
30,98
|
|
|
5. Расходы на обеспечение
|
5% от ФЗП
|
1058,4
|
4,05
|
2116,8
|
7,5
|
|
|
Итого:
|
|
43649,6
|
167,03
|
70633,3
|
250,19
|
|
|
5. Прочие расходы
|
20% итого
|
8729,92
|
33,41
|
14126,66
|
50,04
|
|
|
Всего:
|
|
52379,52
|
200,44
|
84759,96
|
300,23
|
|
|
6.4.1.2 Расчёт сметы затрат на содержание и эксплуатацию оборудования
6.4.1.3 Расчёт калькуляции себестоимости 1 т. алюминия-сырца
В табл. 6.11 приведена калькуляция себестоимости алюминия-сырца по варианту с установкой электролизёров ОА-315. В табл. 6.12 - калькуляция себестоимости алюминия-сырца по варианту с электролизёрами ВТ-158.
Таблица 6.10
Смета затрат на содержание и эксплуатацию оборудования
|
Статьи затрат
|
Пояснения
|
Цех с установкой электролизёров ОА-315
|
Цех с установкой электролизёров ВТ-158
|
|
|
|
годовая сумма тыс. руб
|
сумма на 1 т руб.
|
годовая сумма тыс. руб
|
сумма на 1 т руб.
|
|
|
1. Амортизация оборудования
|
|
48684
|
186,3
|
54443,4
|
192,84
|
|
|
2. Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования
|
50% от амортизац.
|
24342
|
93,15
|
27221,7
|
96,42
|
|
|
3. Зарплата вспомогательных рабочих
|
|
23232
|
88,9
|
46464
|
164,58
|
|
|
4. Отчисления на соц. нужды
|
34% ФЗП
|
7898,88
|
30,23
|
15797,76
|
55,96
|
|
|
Итого:
|
|
104156,88
|
398,58
|
143926,86
|
509,8
|
|
|
5. Прочие затраты
|
10% от «итого»
|
10415,69
|
39,86
|
14392,69
|
50,98
|
|
|
Всего:
|
|
114572,57
|
438,44
|
158319,55
|
560,78
|
|
|
Таблица 6.11
Калькуляция себестоимости алюминия-сырца по варианту с установкой электролизёров ОА-315 (объём производства 357,2 тыс. т)
|
Статьи затрат
|
Ед. изм.
|
На единицу продукции.
|
На весь выпуск.
|
|
|
|
Цена руб.
|
Расходн. коэфф.
|
Сумма руб.
|
Кол-во
|
Сумма тыс. руб.
|
|
|
1. Сырье и основные материалы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- глинозём
|
т
|
10411
|
1,92
|
19989,12
|
501734,4
|
5223556,84
|
|
|
- фтористый алюминий
|
т
|
27 600
|
0,00936
|
258,34
|
2445,96
|
67509,41
|
|
|
- криолит «свежий»
|
т
|
25 200
|
0,00661
|
166,6
|
1727,33
|
43535,91
|
|
|
-обожжённые аноды
|
т
|
9 600
|
0,41
|
3936
|
107141,2
|
1028555,52
|
|
|
Итого по ст. 1
|
т
|
|
|
24350,06
|
|
6363157,68
|
|
|
2. Энергетические затраты - электроэнергия технологическая
|
тыс. кВт·ч ас
|
890
|
13,093
|
11652,77
|
3421462,76
|
3045101,86
|
|
|
- электроэнергия силовая
|
тыс. кВт·ч ас
|
1140
|
0,04
|
45,6
|
10452,8
|
11916,19
|
|
|
- сжатый воздух
|
тыс. нм3
|
135
|
0,792
|
106,92
|
206965,44
|
27940,33
|
|
|
Итого по ст. 2
|
|
|
|
11805,29
|
|
3084958,38
|
|
|
3. Основная и дополнительная зарплата основных рабочих
|
тыс. руб.
|
|
|
530,05
|
|
138512,67
|
|
|
4. Отчисление на социальные нужды
|
34%
|
|
|
53,18
|
|
13897
|
|
|
5. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
|
|
|
|
438,44
|
|
114572,57
|
|
|
6. Расходы на содержание зданий и сооружений
|
|
|
|
200,44
|
|
52379,52
|
|
|
7. Услуги других цехов (3% от пп. 5 и 6)
|
|
|
|
19,17
|
|
5009,5
|
|
|
8. Фонд на охрану труда (6% от ФЗП)
|
|
|
|
31,08
|
|
8310,76
|
|
|
Итого по пп. 3-8
|
|
|
|
1272,36
|
|
332682,02
|
|
|
Цеховая себестоимость
|
|
|
|
37427,71
|
|
9780798,08
|
|
|
Таблица 6.12
Калькуляция себестоимости алюминия-сырца по варианту с установкой электролизёров ВТ-158 (объём производства 282,32 тыс. т)
|
Статьи затрат
|
Ед. изм.
|
На единицу продукции.
|
На весь выпуск.
|
|
|
|
Цена
|
Расходн. коэфф.
|
Сумма
|
Кол-во
|
Сумма тыс. руб.
|
|
|
1. Сырье и основные материалы - глинозём
|
т
|
10411
|
1,935
|
20145.3
|
495360
|
5687416,9
|
|
|
- фтористый алюминий
|
т
|
27 600
|
0,0313
|
863.9
|
80128
|
221153
|
|
|
- криолит «свежий» (с кап. рем.)
|
т
|
25 200
|
0,0072
|
181,4
|
1843,2
|
46449
|
|
|
- криолит смешанный
|
т
|
5 148,5
|
0,0573
|
295
|
14669
|
75522
|
|
|
-анодная масса
|
т
|
4000
|
0,5563
|
2225,2
|
142413
|
628218,46
|
|
|
Итого по ст. 1
|
т
|
|
|
23710,8
|
|
6694033,06
|
|
|
2. Энергетические затраты - электроэнергия технологическая
|
тыс. кВтч ас
|
890
|
15,427
|
13730
|
4355351
|
3876253,6
|
|
|
- электроэнергия силовая
|
тыс. кВтч ас
|
1140
|
0,23
|
262,2
|
64933,6
|
74024,3
|
|
|
- сжатый воздух
|
тыс. нм3
|
135
|
0,402
|
54,27
|
113492,6
|
15321,5
|
|
|
Итого по ст. 2
|
|
|
|
14046,47
|
|
3965599,4
|
|
|
3. Основная и дополнительная зарплата основных рабочих
|
тыс. руб.
|
|
|
648,28
|
|
183022,41
|
|
|
4. Отчисление на социальные нужды
|
40%
|
|
|
98,45
|
|
27794,4
|
|
|
5. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
|
|
|
|
560,78
|
|
158319,55
|
|
|
6. Расходы на содержание зданий и сооружений
|
|
|
|
300,23
|
|
84759,96
|
|
|
7. Услуги других цехов (3% от пп. 5 и 6)
|
|
|
|
25,83
|
|
7292,33
|
|
|
8. Фонд на охрану труда (6% от ФЗП)
|
|
|
|
38,9
|
|
10982,25
|
|
|
Итого пп. 3-8
|
|
|
|
1672,47
|
|
472170,9
|
|
|
Цеховая себестоимость
|
|
|
|
39429,74
|
|
11131803,36
|
|
|
6.5 Расчёт основных технико-экономических показателей цеха электролиза
Исходные данные для расчёта приведены в табл. 6.13.
Таблица 6.13
Данные для расчёта экономической эффективности
|
№ п/п
|
Наименование показателей
|
Ед. измер.
|
Варианты
|
|
|
|
|
С устан. электролизёров ОА-315
|
С устан. электролизёров ВТ-158
|
|
|
1
|
Себестоимость 1 т. алюминия-сырца
|
руб.
|
37427,71
|
39429,74
|
|
|
2
|
Удельные капитальные вложения
|
руб.
|
1376151,2/357,2= 3852,6
|
1540193,2/282,32 = 5455,49
|
|
|
Годовой экономический эффект:
Эгод = (ЗII - ЗI) . В,
Где ЗII ? удельные капитальные вложения с установкой электролизеров ВТ-158
ЗI? удельные капитальные вложения с установкой электролизеров ОА-315
Эгод = (39429,74- 37427,71) . 357,2= 715125,12 тыс. руб.
Снижение себестоимости 1 т А1-сырца:
% = 5,08%.
Валовая прибыль рассчитывается по формуле:
Пвал = (Ц - С) · В,
где: Ц - цена 1 т. товарного алюминия-сырца на бирже цветных металлов (принимаем цену равной 1979 $ США( по данным http://www.metaltorg.ru/cources/lme_index.php на 23.05.2012, средний валютный курс 1$ ? 31,95 руб.),тыс.руб.;
С - себестоимость производства 1 т алюминия.
для варианта с ОА-315:
Пвал = (1979 · 31,95 - 37 427,71) · 357,2 = 9216238,65 тыс. руб.
для варианта с ВТ-158:
Пвал = (1979 · 31,95 -39429,74) · 282,32 = 6719021,2 тыс. руб.
Чистая прибыль составит:
Пчист = Пвал - Нп - Нu ,
где Нп - налог на прибыль 20% от валовой прибыли, тыс. руб;
Нu - налог на имущество 2% от остаточной стоимости основных фондов, тыс. руб.;
для варианта с ОА-315:
Нп = 0,2 · 9216238,65 = 1843247,73 тыс. руб.;
Нu = 0,02 · 1376151,2 = 27523,02 тыс. руб.
для варианта с ВТ-158:
Нп = 0,2 · 6719021,2 = 1343804,24 тыс. руб.;
Ни = 0,02 · 1540193,2 = 30803,86 тыс. руб.
Чистая прибыль:
для варианта с ОА-315:
Пчист = 9216238,65 - 1843247,73 - 27523,02 = 7345467,9 тыс. руб;
для варианта с ВТ-158:
Пчист = 6719021,2 - 1343804,24 - 30803,86 =5344413,1 тыс. руб;
Чистая прибыль на единицу продукции, тыс.руб./т
ОА-315: 7345467,9 /357,2= 20564,02 руб./т
ВТ-158: 5344413,1/282,32 = 18930,34 руб./т
Увеличение чистой прибыли на единицу продукции:
Фондоотдача, руб./руб.
Фо=Ц • В/ К
ОА-315: Фо ==16,41 руб./руб.;
Фондоёмкость, руб./руб.
Фе=1/Фо
Фе =1/16,41=0,061 руб./руб.
ВТ-158: Фо==11,59 руб./руб.;
Фе=1/11,59=0,086 руб./руб.
Производительность труда, руб./чел.
ПРТР=Tn /Ncn
ОА-250: ПРТР=1979 • 31,95 • 357200/740=30520833 руб./чел.
ВТ-158: ПРТР=1979 • 31,95 • 282320/1600=11156766 руб./чел.
В экономической части проекта были рассчитаны основные технико-экономические показатели. По проектному варианту снижение себестоимости единицы выпускаемой продукции составило 5,08%. Годовая сумма экономии составила 715125,12 тыс. руб. Чистая прибыль составила 7345467,9 тыс. руб., что на 9,86% больше по сравнению с базовым вариантом.
В таблице 6.14 приведены основные технико-экономические показатели цеха.
Таблица 6.14
Основные технико-экономические показатели
|
Наименование показателей.
|
Ед. изм.
|
Цех с установкой электролизёров ОА-315
|
Цех с установкой электролизёров ВТ-158
|
|
|
Годовой выпуск алюминия-сырца
|
т
|
357 200
|
282320
|
|
|
Количество корпусов в цехе
|
шт.
|
4
|
8
|
|
|
Количество электролизёров в корпусе: установлено работает
|
шт. шт.
|
102 101,6
|
90 89,2
|
|
|
Трудоёмкость продукции
|
чел..ч/т
|
3,07
|
8,27
|
|
|
Численность основных рабочих
|
чел.
|
740
|
1600
|
|
|
Цеховая себестоимость 1 т. алюминия-сырца
|
руб.
|
37427,71
|
39429,74
|
|
|
Удельные капитальные вложения
|
руб./т
|
3852,6
|
5455,49
|
|
|
Годовая сумма экономии
|
тыс. руб.
|
715125,12
|
-
|
|
|
Снижение себестоимости 1 т алюминия-сырца
|
%
|
5,08
|
-
|
|
|
Валовая прибыль
|
тыс. руб.
|
9216238,65
|
6719021,2
|
|
|
Чистая прибыль
|
тыс. руб.
|
7345467,9
|
5344413,1
|
|
|
Чистая прибыль на единицу продукции
|
руб./т
|
20564,02
|
18930,34
|
|
|
Фондоотдача
|
руб./руб.
|
16,41
|
11,59
|
|
|
Фондоёмкость
|
руб./руб.
|
0,061
|
0,086
|
|
|
ПРТР
|
руб./чел.
|
30520833
|
11156766
|
|
|
Заключение
В проекте цеха электролиза производительностью 357,2 тыс. тонн алюминия в год с установкой электролизёров с обожжёнными анодами на силу тока 315 кА приведены конструктивный, технологический расчёты, материальный, тепловой балансы, электрический расчёт, баланс фтора.
Суточная производительность проектируемого электролизёра составила 2409 кг алюминия. Среднее напряжение на ванне - 4,028 В. Удельный расход электроэнергии составил 12642 кВт/ч на 1т алюминия-сырца. В специальной части проекта было предложено для увеличения выхода по току и срока службы электролизера, использование добавки солей лития в электролит. Основные преимущества, которые даёт добавление LiF в электролит: понижается температура электролиза, возрастает выход по току, увеличивается электропроводность электролита, снижается расход электроэнергии, снижаются выбросы фтора, увеличивается срок службы электролизера. В денежном выражении годовая дополнительная прибыль от применения солей лития составит 1054,9 млн. руб.
В проекте предложена «сухая» система очистки отходящих от электролизёров газов с эффективностью 99,5%, эффективность улавливания отходящих газов укрытием - 97,55%. Годовой экономический эффект от снижения платы за выбросы фтора составил 1 млн. 353 тыс. 09 руб.
С целью достижения высоких технико-экономических результатов предлагается в проекте современная АСУТП «Тролль-5» с индивидуальными микропроцессорными устройствами американской фирмы «Octagon System».
В экономической части проекта были рассчитаны основные технико-экономические показатели. По проектному варианту снижение себестоимости единицы выпускаемой продукции составило 5,08%. Годовая сумма экономии составила 715125,12 тыс. руб. Чистая прибыль составила 7345467,9 тыс. руб., что на 9,86 % больше по сравнению с базовым вариантом.
Литература
1. «Нормы технологического проектирования алюминиевого производства (серии электролиза, установок газоочисток, цеха регенерации криолита)» ВНТП 25-86.
2. «Производство алюминия» В.Г. Терентьев, P.M. Школьников, И.С. Гринберг, А.Е. Черных, Б.И. Зельберг, В.И. Чалых. - Иркутск: Папирус-АРТ, 1998. -- 350 с.
3. В.В. Криворученко, М.А.Коробов. «Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизёров», г. Москва, издательство по черной и цветной металлургии, 1963 г.
4. «Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия» г, Москва, Издательство «Металлургия», 1971 г., 560 стр.
5. Отчет о научно-исследовательской работе ВАМИ «Освоить технологический процесс электролиза алюминия в промышленных условиях в электролизёрах с обожжёнными анодами на силу тока 175 и 255 кА с автоматизированным управлением основными технологическими процессами». 1985г.
6. «Методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в цехах электролитического производства алюминия, оборудованных электролизёрами с предварительно обожжёнными анодами». 1990 г. г. Ленинград.
7. СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» 1998 г., Москва.
8. «Правила безопасности при производстве глинозёма, алюминия, магния, кристаллического кремния и электротермического силумина» ПБ11-149-97, 1997г.
9. СНиП 21-01-97 «Противопожарные нормы». Стройиздат. 1985 г.
10. СНиП 2.09.02-85 Производственные здания промышленных предприятий» Стройиздат. 1985г.
11. «Внутренние санитарно-технические устройства, Часть 3, Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 1», под редакцией Н.Н Павлова и Ю.И.Шиллера, Москва, Стройиздат, 1992 г.
12. Черных А.Е., Зельберг В.И. «Технологические расчёты в проектировании электролизёров для производства алюминия». Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. - Иркутск: ИрГТУ 1996. - 90с.
13. «Типовая технологическая инструкция по обжигу, пуску и обслуживанию алюминиевых электролизёров с обожжёнными анодами». №1-7-85.
14. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» Стройиздат. 1995г.
15. ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». 1988 г.
16. «Нормативы численности основных рабочих, занятых на предприятиях алюминиевой промышленности». 1984г.
17. «Нормативы численности вспомогательных рабочих для предприятий алюминиевой промышленности». 1982г.
18. В.И. Седых, Н.В. Немчинова. Металлургия цветных металлов. «Методические указания по оформлению дипломных проектов для студентов специальности 1102». - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. - с.
19. Richards N.Y.& Forberg H. The Effectiviness of Lithium Fluoride Modified Bath in Aluminium Production // Light Metal age, Aug. 1995. - P. 52-57.
20. Pederson T. Refinig Efficiency on Hydrogen, Alcaline Metals and Inclusions in the Hydro MetAL Refinig Sustem // Light MetAl, 1991. - P. 1063.
21. Strands P.G. The Hycast RAM System - melt refining of potroom metal, Hydro Aluminium, Aluminium World, 2001, 1 (1). - P. 87-89.
22. Aksel Aarflot, New Melt Technology // Hycast, TMS Light MetAls, 1991. - P. 1133-1139.
23. Павленко Д., Патрахин И., Попов Ю. Методика расчета экономического эффекта от использования литиевого электролита с учетом затрат на очистку алюминия от лития // НТЦ «Легкие металлы», ДСП, 2002.
24. http://www.infogeo.ru/metalls/
25. http://luminiy.narod.ru/
26. http://www.sual.ru/
