Приведённое напряжение

Так как падение напряжения в ошиновке, подине и аноде в процессе работы изменяется незначительно, то автоматически поддерживать рабочее напряжение можно только меняя МПР, то есть сопротивление электролита R_эл.

U_Р = E + ΔU_эл = Е + R_эл/I

R_{эл =} U_эл/ I = (U_Р-Е)/ I

Измерительные приборы, автоматически решающие это уравнение, были созданы и успешно работают до сих пор. Но пользоваться электросопротивлением, измеряемым в мОм, непривычно. Поэтому мы пользуемся значением приведённого напряжения U_пр, которое вычисляют по формуле:

U_пр = (U_Р-Е) · I_н/ I_ф + Е

где I_н – номинальная сила тока

I_ф – фактическая сила тока, зависящая от анодных эффектов.

Приведённое напряжение – это напряжение, которое было бы на электролизёре при токе серии, равным номинальному. Для расчёта используется значение обратной ЭДС – 1,65В.

Существенным недостатком этого способа регулирования является предположение, что значение Е и сопротивление электролита не меняются во времени. На деле на величину этих параметров оказывает влияние множество факторов и, в первую очередь, концентрация глинозёма в электролите. Но использование систем АПГ, позволяющее поддерживать концентрацию глинозёма в пределах 2-3%, решает эту проблему.

Система АСУТП электролиза предназначена для повышения эффективности процесса, снижения вредных экологических воздействий, мониторинга технологического режима и работы оборудования, стабилизации и оптимизации технологического режима, снижения количества и тяжести нарушений, предотвращения аварийных ситуаций и облегчения труда производственного персонала.

АСУТП обеспечивает управление теплотехническим, электрохимическим и МГД-режимами процесса на каждом электролизёре, включая управление составом электролита, автоматическое сопровождение операций по обслуживанию электролизёров, управление механизмами АПГ и ЦРГ.

АСУТП формирует и предоставляет необходимую информацию технологическому персоналу на каждом уровне управления (в графическом, текстовом и табличном виде), обеспечивает её архивирование и длительное хранение, а также возможность воздействия персонала на процесс.

В АСУТП используется современная и надёжная техника и методы управления, проверенные на алюминиевых заводах РФ и за рубежом, включая применение математических моделей для оценки непосредственно не измеряемых параметров и управления ими.

В ЭП управление процессом осуществляется с помощью АСУТП «Тролль» (1-я серия), «Стэлла» (ОПКЭ, 4-я серия), ЭЛЕКТРОЛИЗ 2 (2-я и 3-я серии), ТЭКМО (3-й корпус электролизёры 303-312), «СААТ-2» (5-я серия).

Основные функции АСУТП:

1. Поддержание заданного напряжения

2. Поддержание концентрации глинозёма в электролите

3. Управление подачей фтористого алюминия

4. Обнаружение и устранение МГД-нестабильности

5. Автоматическое сопровождение выливки

6. Автоматическое сопровождение замены анодов

7. Автоматическое сопровождение перетяжки анодной рамы

8. Прогнозирование анодных эффектов

9. Сигнализация происшествий

10. Сбор обработка и архивирование данных.

Система АПГ.

Для обеспечения непрерывности процесса в электролит необходимо непрерывно загружать глинозём. На современных электролизерах этот процесс осуществляется в автоматическом, строго дозированном режиме – системой АПГ (автоматическая подача глинозёма). Транспортировка глинозёма к бункерам АПГ электролизёров осуществляется при помощи системы ЦРГ (централизованная раздача глинозёма), где она предусмотрена. В корпусах, где не установлена система ЦРГ, загрузка бункеров АПГ производится технологическими кранами и напольной техникой. Применение систем АПГ точечного типа:

· исключает его разгерметизацию, что способствует снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;

· стабилизирует тепловой режим;

· обеспечивает концентрацию глинозема в электролите каждого электролизера в пределах 2 – 3,5%;

· обеспечивает заданную частоту анодных эффектов;

· минимизирует количество нерастворенного глинозема (осадка) на электролизерах;

· увеличивает производительность электролизёров;

· значительно снижает трудозатраты по их обслуживанию;

· повышает выход по току.

Конструктивно система АПГ выполнена так, что глинозем порциями из каждого питателя подается в центральный канал. Растворение частиц глинозема в электролите – процесс, связанный с поглощением теплоты. Во – первых, глинозем необходимо нагреть от приблизительно до100˚С (температура в бункере АПГ) до температуры электролита (около 960˚С). И если бы в центральном канале не «перемешивался» электролит, он бы «замерз» после поступления через АПГ уже третьей дозы глинозема. В реальной ситуации электролит в центральном канале постоянно заменяется более «горячим», поступающим из-под анодов. Но этот процесс имеет ограниченную скорость, суммарная масса электролита в электролизере также ограничена. Таким образом, при прочих равных условиях, чем ниже скорость подачи глинозема в электролит, тем меньше вероятность того, что какая-то часть глинозема не растворится и выпадет в осадок.

Система АПГ состоит из следующих узлов:

• бункеры для глинозёма и алюминия фтористого;
• пробойники с пневмоцилиндрами;
• дозаторы с пневмоцилиндрами;
• разводки труб сжатого воздуха, включая пневмораспределители вентили;
• влагоотделяющий фильтр;
• маслораспылитель.

Технические характеристики АПГ.

Для электролизёров РА-300 и РА-400 используется система АПС (автоматическая подача сырья), которая включает в себя АПГ, АПФ и АПДЭ (автоматическую подачу дроблёного электролита) и в комплексе с АСУТП обеспечивает питание ванны глинозёмом, поддержание состава и уровня электролита в автоматическом режиме.

Магнитное поле электролизёра. МГД-нестабильность.

При производстве алюминия используются огромные токи, приводящие к возникновению мощных электромагнитных сил в электролизёре и вокруг него. В жидком алюминии под воздействием электромагнитных сил возникает волнение поверхности металла, деформируется МПР, возникает циркуляция расплава, что приводит к снижению выхода по току.

Ток серии в электролизёре протекает в разных направлениях: вертикально – вверх и вниз (аноды, стояки), горизонтально – вдоль и поперёк (анодные и катодные шины, блюмсы), поэтому поле имеет сложную картину, различную в каждой точке ванны. Направление тока, а значит и направление поля в металле, зависит от ФРП, наличия осадков на подине, уровня металла и других факторов. На нормально работающих ваннах с оптимальной ФРП горизонтальные токи незначительны. При горячем ходе ванны, то есть при отсутствии бортовых настылей и закоржованности подины, усиливается МГД-нестабильность, что приводит к перекосу поверхности расплавленного металла, циркуляции металла и электролита. В некоторых случаях высота волн может достигать 45мм, при частоте до 40 раз в минуту. То есть высота волны сравнима с величиной МПР, что может приводить к коротким замыканиям анода с жидким металлом.

МГД-нестабильность во многом зависит и от конфигурации анодной ошиновки

Также на МГД-нестабильность влияет конфигурация катодной ошиновки. Схема ошиновки для отечественных электролизёров ВТ с двусторонним подводом тока предусматривает следующее распределение тока: на входном торце ток составляет 33 и 40%, а на выходном соответственно 17 и 10% от общего тока серии.

Большое влияние на конфигурацию магнитного поля оказывают стальные элементы электролизёра (катодный кожух, балка-коллектор, рифлёнки ит.п.). Их сопротивление магнитному потоку в тысячи раз меньше. Поэтому где-то они уменьшают магнитное поле, отводя через себя часть магнитного потока, а где-то усиливают, концентрируя поток в определённой точке.

Негативное влияние электромагнитных сил можно снизить рядом технологических приёмов (оптимизация ФРП, увеличение уровня металла и пр.), а также применением ошиновки оптимальной конфигурации.

Обжиг и пуск электролизёров.

Отключение электролизёра в ремонт.

Это процесс вывода из рабочего состояния электролизёра, нуждающегося в замене, при этом нагрузка на остальных электролизёрах не снижается.

Причинами отключения могут послужить:

• разрушение углеродной футеровки катода и проникновение расплава под углеродные блоки, растворение блюмсов и огнеупоров, что приводит к ухудшению работы электролизёра и, прежде всего к ухудшению сортности алюминия из-за роста содержания в нём железа и кремния;
• сильная деформация катодного кожуха, приводящая к разрушению футеровки ванны, креплений кожуха, в результате чего создаётся резкий перекос ванны и нарушается нормальный ход процесса;
• аварийная ситуация (прорыв металла и электролита, длительный перерыв в электропитании и др.)

Плановое отключение проводят при небольшом напряжении и аноде, замкнутом на металл. В случаях, когда напряжение не удаётся снизить до 1,5-1,8В, отключение производят при сниженной на 50% нагрузке на серии. Аварийное отключение проводится при полностью снятой нагрузке.

Перед отключением прекращается заправка бункера AlF₃ (к моменту отключения бункер должен быть пустым), за 5 суток начинается установка огарков по циклу на дожиг (должны достоять до отключения), за 3 суток увеличивается задание на выливку, за 2 суток обрубается электролизёр вкруговую, сгребается неспекшийся укрывной материал с крыши, за сутки до отключения увеличивается напряжение уставки, в зависимости от температуры и КО, за 16 часов прекращается заправка бункеров АПГ (к моменту отключения бункера должны быть пустыми).

Непосредственно перед отключением сливается электролит, одновременно опускается анодный массив и «садится» на металл. Затем электролизёр отключают. Выкручивается анодный массив до крайнего верхнего положения (аноды не должны касаться металла) и выливается максимально возможное количество металла. Снимаются и разбраковываются по высоте огарки.

Если произведено отключение электролизёра с низким сроком службы (менее 2-х лет), то в таких случаях проводится расследование причин и определяются мероприятия для исключения этих причин в дальнейшем.

Обжиг на коксовой крупке.

Цель обжига – используя тепло, выделяющееся при прохождении тока через слой коксовой крупки, подготовить подину катодного устройства к пуску электролизёра. В процессе обжига происходит коксование подовой массы в швах. Определяющими факторами технологии принято считать:

1.Достижение заданной температуры подины, чтобы избежать теплового удара при заливке электролита

2.Скорость повышения температуры подины, чтобы получить качественное спекание межблочных швов

3.Равномерность распределения температуры по площади подины.

После приёмки и обкатки механизмов выставляют анодную раму на 50-60мм выше крайнего нижнего положения, продувают подину слабым напором воздуха. Засыпают на подину сухую коксовую крупку размером от 0,8 до 5мм, слоем 30-50мм. Выравнивание производится с помощью установленных по краям направляющих и поперечной передвижной рейки. Площадь засыпки должна выходить за пределы анодного массива на 80-100мм. Аноды устанавливаются на крупку таким образом, чтобы зазор между штангой и анодной ошиновкой составлял от 2 до 10 мм, в зазор между шиной и штангой вставляют изоляционную прокладку толщиной 2-5мм. Исключается дальнейшее перемещение анодов. Затем крепят гибкие спуски, промежутки между анодами закрывают мулитокремнеземистым картоном и засыпают периферию пусковым сырьём – оборотным электролитом и вторичным криолитом (для С-175М2 – 9 и 8,5 тонн, соответственно). Оборотный электролит должен отвечать следующим требованиям: - крупность не более 100мм; -КО от 2,4 до 2,8; - содержание CaF₂ 4,5-6,5%; -не содержать угольной пены. В районе анода, ближайшего к центру, выкладывается лётка из оборотного электролита, крупностью не более 150мм. Снимают рифлёнки, для постепенного добавления нагрузки устанавливают шунты-реостаты и подключают электролизёр на обжиг. Установку и снятие шунтов-реостатов проводят работники контактного участка при понижении силы тока на серии. Во время обжига ведётся контроль за рабочим напряжением, токораспределением по каждому аноду и температурой подины. Изменение токораспределения на перегруженных анодах производят регулированием затяжки креплений или полным отключением перегруженных анодов. Разрешается отключение анодов (для с-175М2):

· не более 5 шт одновременно

· одновременно не более 2-х рядом стоящих

· одновременно не более 3 на стороне

· на время не более 2-х часов каждый

Все данные по замерам заносятся в журнал токораспределения и в «Историю электролизёра».

Шунты-реостаты отключают через 22-26 часов первый и через 48-52 часа последний, начиная с наиболее нагруженных. Длительность обжига от 68 до 78 часов. Обжиг считается законченным, когда температура подины в центре электролизёра 900±50°С. По окончании обжига удаляются изоляционные пластины между шиной и штангой и протягиваются все замки. Затем снимают гибкие спуски.

Газопламенный обжиг.

Цель обжига с использованием установки «HOTWORK» - равномерный предварительный нагрев катода и анода с целью избежания теплового удара и коксования подовой массы в швах.

После обкатки МПА, анодная рама устанавливается на 50-60мм выше крайнего нижнего положения и продувается подина. Затем на деревянные бруски толщиной 30мм устанавливаются аноды, протягиваются замки и анодный массив поднимается на 28-30см от поверхности подины. Бруски убираются и устанавливаются горелки по диагонали – две для С-175 и С-190, четыре для С-255 и РА-300.

Чтобы не было прямого попадания пламени на катодные блоки, горелки должны быть расположены параллельно к поверхности катода. Под каждой горелкой должен быть уложен муллитокремнезёмистый картон толщиной 3мм, площадью не менее 1м², на котором уложены стальные листы толщиной 2мм и площадью не менее 1м². Периферия шахты и пространство между анодами должно быть укрыто и уплотнено алюминированным теплоизоляционным полотном марки ТКВ-2А. Периферия засыпается доверху вторичным криолитом, в местах установки горелок периферия не засыпается.

Проделываются отверстия в укрытии 150Х150мм для удаления горелочных газов. Затем по схеме устанавливаются термопары – установка через отверстия для удаления газов не допускается. Сверху на укрытие анодов засыпается вторичный криолит слоем 2-4см и зажигаются горелки. В процессе обжига ведётся контроль за температурой, разбег между показаниями термопар не должен превышать 100˚С, данные заносятся в бланк замеров. Обжиг длится 72 часа и считается законченным при достижении температуры 820-850˚С.

Автоматическое отключение установки обжига возможно по следующим причинам: нажатие кнопки аварийного отключения, возгорание в линии топлива после топливных насосов, низкое или высокое давление воздуха или топлива в системе, погасание горелки. Такое отключение может привести к увеличению времени обжига, неравномерности нагрева подины, ухудшению качества обжига. Поэтому в таких ситуациях надо оперативно выяснить и устранить причину отключения.

Пуск и послепусковой период.

Процесс пуска состоит из подготовки электролита в ваннах-матках, заливки электролита после окончания обжига в пусковой электролизёр, проплавления пускового сырья, очистки электролита от пены, снижения напряжения на электролизёре. Основные задачи во время пуска:

• привести электролизёр в нормальное технологическое состояние;
• сделать переход к нормальной технологии таким образом, чтобы была достигнута высокая производительность в долгосрочном плане и был обеспечен длительный срок службы электролизёра;
• исключить избыточные температуры или частичное застывание, которые могли бы разрушить катод;
• заполнить каждую трещину в угольной подине высокотемпературным электролитом.

Периферийные швы являются критической зоной, через которую электролит и металл могут поступать внутрь катода, поэтому очень важно ранее формирование настылей над этими швами, которое служит эффективной герметизацией всех трещин.

Для пуска необходимо наплавить в ваннах-матках электролит. Требования к ваннам-маткам:

• срок службы не менее года;
• отсутствие разрушений подины и протёков расплава в цоколь;
• отсутствие разрушений бортовой футеровки;
• сортность не ниже А7.

Подготовка электролита начинается за 2 суток до пуска. На основании замеров температуры и уровня электролита, проб на КО, определяются номера электролизёров, количество отдаваемого сырья, подъём уставки напряжения, составляется график пуска с указанием номера ковша, номера крана, времени набора и времени заливки, последовательности набора ит.д. Наплавление электролита проводят с подъёмом напряжения, подачу AlF₃ на время подготовки прекращается.

Конечные требования к электролиту с ванн-маток:

• температура электролита не ниже 970ºС;
• КО не ниже 2,4;
• уровень электролита не менее 25см.

В зависимости от типа электролизёра, необходимым количеством считается: для С-175 и С-190 – 18-20т, для С-255 – 24-26т, для РА-300 на опытном участке корпуса №8 – 16т. В первую очередь в пусковой электролизёр должен заливаться электролит с максимальной температурой и КО.

После остановки и разборки системы убирают укрытие, закрывающее периферию, сырьё с него засыпается в шахту, анодный массив опускается в шахту на расстояние 5-8 см от подины.

Не более, чем за 10 минут в месте заливки электролита очищают периферию от сырья, один анод поднимают на высоту 30-40см от подины. Непосредственно перед заливкой электролизёр переводят из режима «капитальный ремонт» в «пусковой».

Первый ковш должен быть залит не позднее, чем через 10 минут после демонтажа установки, остальные с интервалом не более 10 минут. Подошва анодов должна быть погружена по всему периметру в электролит, что свидетельствует о надёжном контакте анод-электролит. Не допускается заливка электролита вместе с металлом. Это может вызвать нестабильное напряжение на ванне, переменчивое распределение тока по анодам и катоду, риск образования трещин и сколов на анодах

После заливки снижают нагрузку на серии до «0» и извлекают шунты, подключая электролизёр в цепь. Эта операция не должна превышать более 5 минут. Подъём тока проводят ступенями:

· для С-175 и С-190 1ступень – 100кА и через 3-4 минуты 2 ступень – базовый ток

· для С-255 1ступень 175-190кА, спустя 3-4 минуты 2 ступень 220кА, ещё через 3-4 минуты 3 ступень – базовый ток.

Различают два вида пуска – с анодным эффектом и без него.

При пуске с анодным эффектом после поднятия полной силы тока на серии, шахту наполняют электролитом (в дальнейшем повышение уровня производится за счёт переплавки вторичного смешанного криолита или оборотного электролита) до уровня ниже верхнего края на 40±5мм. КО должно быть 2,5-2,7. После этого поднимают анодный массив до возникновения вспышки с напряжением 20-30В, которое поддерживают до окончания плавления пускового сырья и прогрева электролита до 980-990˚С. Затем вспышку гасят, устанавливают напряжение 12-13В, снимают пену, боковые поверхности анодов оплёскивают электролитом и утепляют поверхность электролита вторичным смешанным криолитом. Анодный массив должен быть присыпан слоем глинозёма 8-10мм.

Через 6 часов после начала пуска подключается АСУТП на график автоматического снижения напряжения. При заливке металла и выливке электролита электролизёр переводится в ручное управление.

До возникновения первого анодного эффекта электролизёр обрабатывается без загрузки глинозёма. В случае его возникновения на продольную сторону загружается 300-400кг глинозёма и вспышка гасится.

На третьи сутки торцы укрываются глинозёмом. На 5 сутки слой глинозёма на анодном массиве должен составлять 7-8см.

Ежесменно для обеспечения устойчивой работы анода продираются подошвы и снимается пена.

При расслоении подовых блоков всплывающие куски немедленно убирать из электролита.

Замена анодов по графику начинается через сутки после пуска.

Для С-175 через 55 часов после пуска и достижении напряжения 5,0В (для С-190 через 64ч и 4,5В;

для С-255 54ч и 5,0В) электролизёр переводится из «пускового» режима в рабочий «нормальный» и подключается к АПГ. Дальнейшее снижение напряжения производится изменением уставки в соответствии с графиком.

На пятые сутки электролизёр накрывают новыми шторными укрытиями и подключают к системе газоочистки.

Послепусковой период начинается с момента сдачи пускового электролизёра технологическому персоналу корпуса (через 5 суток после пуска) и может продолжаться до трёх месяцев. За это время все параметры электролизёра приводятся к нормальным технологическим значениям.

1. Напряжение. После пуска уменьшается до 4,5В и затем корректируется введением соответствующих уставок.

2. Температура электролита. Чтобы достичь максимального срока службы, очень важно исключить избыточные температуры. Независимо от того, как бы качественно не был сделан катод, длительные или повторяющиеся высокие температуры электролизёра могут его разрушить за очень непродолжительное время.

3. Состав электролита. Значительное количество натрия внедряется в угольную подину во время пуска и в течение первых недель работы электролизёра. Чтобы компенсировать потери натрия, в электролизёр добавляется сода (Na₂CO₃).

4. Уровень металла и электролита. На начальной стадии уровень металла поддерживается несколько меньше и затем выводится до нормального за счёт уменьшения выливки металла, так как в этот период электролизёр работает с более низким выходом по току из-за высокой температуры электролита и высокого КО. Уровень электролита, большой в начальной стадии, затем уменьшается за счёт внедрения в подину и образования настыли, а также засчёт испарения из-за более высокой температуры.

5. Стабильная настыль. Обеспечивает самую лучшую защиту для бортовых блоков против коррозии со стороны электролита и металла. Образуется в начальный период работы.

После пуска в течение года не допускается использование электролизёра в качестве ванны-матки, переплавка «козлов» и другого низкосортного металла.

Обслуживание ванны.

Включает в себя:

· контроль за технологическим процессом (ведётся наблюдение за состоянием крыши, огоньков, количеством пены, уровнями металла и электролита, ФРП, покраснением ниппелей и замков)

· поддержание технологических параметров в заданных пределах (рабочее напряжение, КО, температура электролита ит.п.)

· питание ванны глинозёмом и фторидами

· выливка

· замена анодов

· перетяжка анодной рамы

· герметизация укрытий

· ликвидация анодных эффектов

· выявление и устранение возникающих технологических нарушений

Внешний вид нормально работающего электролизёра:

· аноды засыпаны глинозёмом и не имеют выгораний

· отсутствуют покраснение ниппелей

· огоньки должны быть интенсивными, цвет пламени ближе к фиолетовому

· вспышки ясные, легко гасятся

· ритмичная выливка

· полная герметизация ванны