Пуск электролизёра и послепусковой период

К пуску ванны готовят несколько так называемых «ванн-маток», в которых заранее наплавляют электролит. Его извлекают вакуум-ковшами и заливают в пусковую ванну.

Непосредственно пуск электролизера начинают с минимальным разрывом после завершения обжига подины, не допуская остывания подины и анодного массива. В нагретую до 850 ºC ванну загружают сухие криолит, фториды кальция и натрия. Количество сырья определяется инструкциями с учётом того, что после пуска идет интенсивная пропитка угольных блоков фторидом натрия.

На практике известно два вида пуска ванн на электролиз – на металле и на электролите.

При пуске ванн на металле, в ванну заливают 10-12 тонн жидкого алюминия. Это позволяет повысить на 50 ºС температуру подины и завершить коксование периферийных швов, т.е. завершить обжиг подины. Слой алюминия защищает угольную подину от внедрения натрия. Далее в ванну заливается жидкий электролит и производится пуск её на электролиз. Отрицательный фактор пуска на металле - опасность проникновения жидкого алюминия в трещины и поры в футеровке, т.к. жидкий алюминий обладает высокой текучестью. По этой причине пуск на металле применяется достаточно редко, и технологи отдают предпочтение пуску на электролите.

При пуске ванны на электролите пуск начинается с заливки в шахту от 6 до 20 т (в зависимости от мощности ванны) жидкого электролита. Одновременно поднимают анод и повышают напряжение до 10-15 В. Через 12 часов при температуре электролита 980-990 ºС начинается заливка жидкого металла. По мере роста уровня электролита увеличивают напряжение на ванне, поднимая анод до возникновения анодного эффекта. В этот период идет расплавление пускового сырья и поднимается температура всех элементов ванны. Через 30—90 мин анодный эффект гасится деревянным шестом и на ванне устанавливается повышенное напряжение 8—9 В. Через 15—20 часов в ванну заливают 7-10 тонн жидкого алюминия.

Окончательный выбор того или иного способа пуска на электролиз определяется конкретными условиями обжига, наличием пускового сырья, жидкого металла и электролита.

Если количество заливаемого электролита недостаточно, то анод поднимают до возникновения искусственной вспышки, т.е. повышают напряжение до 25-35 В. Это приводит к расплавлению загруженного пускового материала, т.е. электролит искусственно наплавляется. Пуск на вспышке требует больших энергетических затрат и неизбежны большие потери сырья за счет уноса его в виде пыли. Поэтому предпочтительнее заливать в пусковую ванну максимальное количество электролита.

Заливкой электролита и металла в шахту ванны завершается операция пуска и начинается послепусковой период. Напряжение снижают с 9 В до 4,5 В, через 5—6 суток температуру снижают с 1000 °С до 960—970 °С. Постоянно очищают электролит от угольной пены и следят за составом электролита и корректируют его в связи с усиленной пропиткой футеровки и образованием настылей.

В послепусковой период на электролизере часто возникают нештатные ситуации — нарушения в работе анода, повреждение бортовой и подовой футеровок, протеки металла в окна для катодных стержней, покраснение бортов катодного кожуха и т.д. На всех заводах действуют технологические инструкции, в которых детально рассмотрены возможные ситуации и предусмотрены меры по устранению возникающих нарушений.

Признаки нормального пуска: наличие полной шахты расплава с температурой до 975 ºС, равномерное распределение тока по штырям (анодам), активное бурление электролита вокруг анодного массива, отсутствие признаков расслоения или «шелушения» катодных блоков и протеков расплава в катодную футеровку.

На 7-е сутки начинают выливку металла из ванны, через 15—20 суток электролизёр выводят на нормальный технологический режим и подключают к АСУТП. Окончательно ванна выходит на нормальную технологию и качественный металл через 60-75 суток для электролизера со старым анодом и 100-110 суток для электролизеров со вновь сформованными анодами. На каждом заводе обжиг и пуск ванн имеют свои особенности, отраженные в технологических инструкциях.

При обжиге и пуске электролизёров применяют различное пусковое сырьё: фтористый кальций, фтористый натрий, фтористый магний, свежий криолит, кусковой и дроблёный оборотный электролит, смесь свежего криолита и фтористого натрия, смесь флотационного и регенерированного криолита. Интенсивное поглощение натрия угольной футеровкой делает необходимым применять электролит с повышенным криолитовым отношением 2,7-2,95. Из этих же материалов формируются настыли и гарниссаж ванны. Поэтому возникающий во время электролиза горячий ход или частые анодные эффекты очень вредны для технологии и качества металла из-за подплавления и растворения настылей, обогащённых фтористым натрием.

Демонтаж электролизера

Демонтаж электролизёра проводится в соответствии с графиком капитального ремонта электролизёров или в случаях аварийной ситуации: прогар или разрыв кожуха, уход ванны на «ноль», очень низкое качество алюминия.

Ванну отключают от электропитания и направляют ток на обводную ошиновку. С анода снимают газосборный колокол. Разваривают все узлы ошиновки, анод мостовым краном вывозят в торец корпуса. Выливают из шахты максимально возможное количество электролита и металла, отсоединяют блюмсы от катодной ошиновки.

Катодное устройство мостовым краном вывозят в торец корпуса и на железнодорожной платформе перевозят в ЦКРЭ. Для ускорения остывания и снижения прочности футеровки в шахту ванны заливают воду. Примерно через сутки, после впитывания и испарения воды, отрезают часть боковой стенки катодного кожуха и извлекают твердый пористый электролит – «пушонку».

Затем футеровку разрушают с помощью специальных машин, бетоноломов и отбойных молотков. По мере разрушения угольной футеровки извлекают блюмсы. Угольную и теплоизоляционную футеровки складируют отдельно, так как они подлежат раздельной переработке.

После полного демонтажа футеровки, осматривают катодный кожух и принимают решение о пригодности или непригодности его к повторной кампании. Очищенный от старой футеровки катодный кожух ремонтируют и вновь футеруют на стационарных стендах с применением различных машин и приспособлений.

При выполнении демонтажных работ обязательны меры безопасности, предусмотренные заводской инструкцией на проведение этого вида работ. Особое внимание обращено на электробезопасность, так как между конструкциями ванны и "землей" напряжение может достигать более 800 В. Ввиду большого выделения пыли и газа при проведении ремонта персонал ремонтников использует средства индивидуальной защиты (СИЗ) — респираторы, "лепестки" и пр.

Срок службы электролизеров

В России работают 11 алюминиевых заводов, на которых установлены алюминиевые электролизеры всех типов: с предварительно обожженными анодами, с самообжигающимися анодами с боковым и верхним токоподводом.

Замена электролизеров БТ и ВТ на электролизеры ОА представляется в данное время важнейшей стратегической задачей алюминиевой промышленности России. Требуется разработка новых технических решений, хотя в этой области достигнуты определенные успехи: разработаны и внедрены системы автоматического управления процессом электролиза, усовершенствована технология самообжигающегося анода, внедряются более прочные металлические катодные кожухи шпангоутного типа, которыми во время капитального ремонта заменяются старые кожухи рамного и контрфорсного типа.

Продолжительность работы электролизера от пуска до отключения на капитальный ремонт называется сроком службы. Срок службы является одним из основных составляющих эффективности работы электролизера. Доказано, что срок службы катода зависит: на 20 % — от дизайна электролизера; на 20 % — от его конструкции; на 10 % — от используемых материалов; на 25 % — от обжига и пуска ванны и на 25 % — от качества обслуживания электролизера.

Срок службы отдельных алюминиевых электролизеров на предприятиях передовых алюминиевых фирм достигает 10 лет и более. Однако на многих предприятиях даже 60 мес. непрерывной эксплуатации считается вполне удовлетворительным результатом. Срок службы электролизеров на российских алюминиевых заводах (1300-1500 суток) заметно ниже, чем на электролизерах ведущих зарубежных фирм (6-7 лет). Обращает на себя внимание разброс значений срока службы даже на однотипных электролизерах. Например, на электролизерах с боковым токоподводом срок службы от 43 до 59 месяцев. На более мощных электролизерах с верхним токоподводом срок службы еще ниже - 42-48 месяцев.

На срок службы электролизеров влияет большое количество различных факторов, от технологических до конъюнктурных.

В наибольшей степени срок службы электролизера определяет устойчивость против разрушения кожуха и футеровки катода. Условия обжига и пуска электролизёров могут либо усилить, либо ослабить эти тенденции. Другие причины, в том числе поломки механического оборудования, разрушение анодов и др., оказывают несравнимо меньшее влияние на срок службы электролизёров.

Катодная футеровка электролизеров подвержена разрушению от воздействия алюминия и электролита, что ведет к снижению эффективности процесса. Подина является наиболее слабым местом электролизера. При длительной эксплуатации она выходит из строя раньше, чем любой другой узел ванны. Картина разрушения подин, наблюдаемая при демонтаже электролизеров, обычно состоит в следующем: катодные блоки в средней части ванны подняты и возникает как бы два раскрытых центральных шва. При подъеме блоков изгибаются стальные катодные стержни; торцы блоков давят на боковую футеровку и вызывают деформацию кожуха, его продольные и торцевые стороны в верхней части выгибаются наружу, форма кожуха в плане приближается к эллипсу. Возникающие напряжения настолько значительны, что могут привести к разрыву кожуха в углах.

При деформации подины в первую очередь разрушаются швы между блоками и образуются трещины в самом блоке, куда проникает алюминий и электролит. Алюминий растворяет стальные катодные стержни, и содержание железа в выливаемом алюминии быстро нарастает, что служит сигналом начала разрушения подины и необходимости отключения ванны на капитальный ремонт. Электролит взаимодействует с кирпичной кладкой, образуя фторсиликаты между подушкой и цоколем ванны, отчего также увеличиваются напряжения в катоде.

Поверхность угольной подины плохо смачивается жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения приходится держать относительно большой столб металла на подине, что, в свою очередь, за счет возникающих в расплаве электромагнитных сил создает волнения металла, что приводит к необходимости держать повышенным междуполюсное расстояние, и, следовательно, большой расход энергии. Смачиваемые катоды должны обладать высокой электрической проводимостью и механической прочностью, малой теплопроводностью, хорошей стойкостью к термическому и химическому воздействию компонентов расплава и образующихся при электролизе газов.

Одна из важнейших причин малого срока службы - неудовлетворительное качество футеровочных изделий. Новые высококачественные футеровочные материалы (подовые и боковые блоки, огнеупорные, барьерные и теплоизоляционные кирпичи), обеспечивающие большую продолжительность кампании электролизеров на зарубежных заводах, известны. Они выпускаются зарубежными фирмами и намного дороже отечественных.

Традиционные методы оценки стойкости новых футеровочных материалов — это длительные испытания опытных электролизеров, продолжающиеся по 3-4 года от пуска до отключения этих электролизеров на капитальный ремонт, которые не позволяют быстро и всесторонне оценить эти новые материалы и принять обоснованные решения по их использованию. Существующие лабораторные методики не всегда позволяют получить надежную информацию в нужном объеме. Поэтому важной задачей является разработка простых и надежных методик, позволяющих ускорить исследования и получение точной информации для разработки более совершенных технических решений.

Сейчас общепринятой считается точка зрения, согласно которой разрушение подин происходит за счет проникновения натрия в угольную футеровку. При совместном выделении алюминия и натрия, которое происходит при катодном процессе, натрий диффундирует через толщу алюминия и поглощается подовыми блоками. При этом происходит разбухание блоков, поскольку атомы натрия проникают в пространство между гексагональными решетками атомов углерода и раздвигают их. Происходит не просто растворение натрия в решетке графита, а взаимодействие с образованием соединений углерода.

Эффект раздвигания межбазисных плоскостей графита зависит от размеров атома щелочного металла: для калия он значительно выше, чем для натрия, поэтому разрушение углеграфитовых материалов в электролитах, содержащих ионы калия, происходит очень быстро, и по этой причине соединения калия в электролите в заметных концентрациях не допускаются. Эта проблема важна для российской алюминиевой промышленности, поскольку часть глинозема производится из нефелинов и алунитов, содержащих много калия.

Процессы, негативно влияющие на эксплуатационную стойкость футеровки катода:

- перемещения алюминия в футеровке подины, проникшего в нее через ее локальные разрушения;

- механизм разрушения подовых и боковых блоков футеровки;

-проникновение калия в углеродную футеровку подины катода;

- ухудшение свойств огнеупорных кирпичей, защищающих теплоизоляционную футеровку подины.

Причины разрушения подин и разработка научно обоснованных мероприятий по увеличению срока службы электролизеров имеют первостепенное значение. Увеличению срока службы подин способствуют:

1) повышение качества подовых блоков, вводя в их состав 20% графита, наиболее стойкого к воздействию Nа;

2) повышение качества монтажа подин, особенно набивки швов, как наиболее слабых элементов подины;

3) равномерный прогрев подины перед пуском до температуры 950°С, при этом действие натрия на подину уменьшается;

4) при пуске электролизёра в электролит добавлять фтористый кальций и хлористый натрий, которые пропитывают подину и уменьшают вредное воздействие на нее металлического натрия;

5) повышение прочности катодного кожуха, особенно его верхнего пояса;

6) обеспечение постоянства суммы уровней алюминия и электролита в процессе электролиза;

7) оптимальная ФРП, чтобы боковые стенки электролизера всегда были закрыты гарниссажем;

8) ровный температурный режим электролиза.

Повышение срока службы подин имеет большое технико-экономическое значение по ряду причин:

- стоимость капитального ремонта составляет около трети общей стоимости электролизера,

- демонтаж, монтаж и пуск ванн связан с затратами труда в тяжелых условиях,

- в послепусковой период металл получается низкого качества.