Функции сопровождения регламентных операций

1) С опровождение при выливке металла: стабилизирует тепловой баланс электролизера, контролирует правильность действий технологического персонала.

2) Поддергивание анодного кожуха: функция автоматической компенсации изменения положения анодного кожуха при сгорании анода (для электролизеров с верхним токоподводом).

3) Перестановка штырей: автоматическое сопровождение перестановки штырей по двум режимам.

4) Замена ОА: автоматическое сопровождение замены анодов.

5) Сопровождение специальных режимов электролиза для пусковых ванн и для электролизеров на капремонте.

6) Сопровождение обработок: позволяет задавать расписание обработок и корректно сопровождать обработки как по расписанию, так и обработки вне расписания.

7) Перетяжка анодной рамы ОА: автоматическая подача анодной рамы в заданных пределах с контролем состояния электролизера.

8) Устранение перекоса анодной рамы: позволяет как вручную (с пульта), так и автоматически устранять перекос анодной рамы.

Дополнительные функции

1) Защита оборудования электролизера. За счет контроля токов двигателей комплекс позволяет выявлять проблемное оборудование и не допускает выхода из строя оборудования приводов анода на электролизере.

2) Измерение тока серии и напряжения корпусов осуществляет контроллер тока и напряжения серии. Контроль "нуля" серии является частью алгоритмов, реализуемых контроллером тока и напряжения серии.

3) Оптимизация расхода воздуха: координирует работу оборудования АПГ в масштабе корпуса, снижая до минимума непроизводительный расход воздуха, контролирует давление воздуха в магистрали корпуса.

4) Контроль АЭ на соседних ваннах: корректно обрабатывает анодный эффект, если на соседних ваннах возникают возмущения.

5) Контроль наружной температуры: отслеживает понижение температуры, корректирует уставки и т. п. 

Нарушения технологии электролиза алюминия

В процессе эксплуатации в электролизерах возникают различные нарушения технологического режима, которые можно разделить на нарушения: связанные с изменением теплового баланса, вызванные изменением состава электролита или нарушения в анодном узле. Такое разделение достаточно условно, поскольку многие виды нарушений взаимосвязаны, одно нарушение может порождать другое, и не всегда удается установить первопричину. Все нарушения развиваются постепенно и приводят к нежелательным явлениям и даже к серьезным авариям. Основными причинами нарушения нормальной работы электролизеров являются:

- несоблюдение инструкций по их обслуживанию,

- низкое качество сырья,

- перерывы в снабжении электроэнергией и др.

Горячий ход

Обычно горячий ход электролизера – следствие нарушения технологических параметров, когда приход тепла в ванну превышает ее расход, что приводит к повышению температуры электролита. По закону Джоуля–Ленца можно рассчитать приход электрической или тепловой энергии в систему:

Q =I² * R * τ или Q =I * U * τ   

Повышенная или пониженная сила тока редко бывает причиной нарушения теплового режима ванны. Однако при горячем ходе электролизера осуществляют внеочередную проверку точности приборов учета электроэнергии – вольтметров, амперметров и счетчиков энергии. Известно, что   

Uэл = d * ρ * l                                                                                                      (11.1)

где d - плотность тока, А/см²

ρ - удельное электросопротивление, Ом*см

l – междуполюсное расстояние, см

Согласно уравнению (11.1), причинами горячего хода могут быть:

1) Увеличенное МПР, что приводит к повышению греющего напряжения и температуры расплава.

2) Повышенная плотность тока.

3) Заниженное МПР («зажатие» ванны). Возникает в результате замыкания части анода с металлом или через скопившуюся на электролите пену, в результате чего возрастает интенсивность обратных реакций и перегрев ванны.

А также:

4) Интенсивное протекание реакции окисления алюминия, во время которой выделяется большое количество тепла. Причинами этого могут быть заниженное МПР, малый уровень электролита, повышение циркуляции металла в ванне, установка новых анодов ниже или выше уровня остальных и пр.

5) Повышенное криолитовое отношение, тогда плохо отделяется угольная «пена» от электролита, что приводит к повышению сопротивления в МПР и к увеличению выделений энергии в нем.

6) Науглероживание электролита. За счет осыпания анода в электролите всегда присутствует углерод, около 0,1%. Основная часть углерода сгорает или всплывает на поверхность электролита и снимается с пеной. Однако при резком изменении КО и повышении температуры электролита выделение пены снижается, и содержание углерода в электролите возрастает до 1%. Тогда увеличивается его электросопротивление, растет напряжение и температура расплава. Своевременно не ликвидированный горячий ход электролизера с науглероженным электролитом может вызвать начало карбидообразования, или как называют его «образование грибов».

7) При чрезмерно большом слое алюминия затрудняется растворение осадков глинозема на подине, а это вызывает повышение сопротивления угольной подины и увеличение тепловыделений в алюминий.

Чтобы устранить горячий ход ванны, следует правильно определить его причину:

· Если причина в неправильно установленных параметрах, то следует привести их к норме:

- уменьшить МПР можно двумя способами – увеличить уровень металла или опустить анод;

- устранить науглероживание электролита – можно вызвать АЭ, при котором пена отделяется лучше;

- проверить и откорректировать состав электролита, загрузку глинозема;

- привести в порядок уровни металла и электролита и др.

Обычно после проведения этих операций ванна начинает работать нормально.

· Если горячий ход вызван местными перегревами, связанными с неровностями на подошве анода, их надо удалять вручную или поднять анод – в этом месте междуполюсное расстояние меньше среднего, плотность тока больше, и неровность срабатывается вследствие интенсивного расхода анода.

· Для электролизеров ОА местные перегревы могут быть вызваны неправильной установкой анодного блока по высоте: если новый блок поставлен слишком низко, то анодная плотность тока на нем повышается, электролит в этом месте перегревается. Нарушения распределения тока по анодному массиву могут быть вызваны плохими контактами между блоком и ниппелем или между стальной траверсой и алюминиевой штангой.

· Если быстро горячий ход не устраняется, то охлаждают электролит, загружая твердый Al или электролит.

Последствия горячего хода выражаются не только в понижении выхода по току и производительности электролизера, но и в ухудшении качества алюминия примесями, переходящими в него вследствие растворения гарниссажей и настылей, сформированных во время пуска электролизера и имеющих большое количество примесей.

Холодный ход

Редко встречающееся технологическое нарушение. Основная причина - недостаток прихода тепла в электролизер из-за понижения силы тока. Для устранения надо увеличить силу тока, а если это невозможно, то увеличить напряжение, т.е. междуполюсное расстояние. Второй распространенной причиной является высокий уровень металла, т.е. металл нарабатывается, расход тепла увеличивается, а приход остается постоянным. Для стабилизации состояния необходимо слить определенное количество металла.

При холодном ходе увеличиваются настыли, т.е. происходит замерзание электролита. Самое опасное, что металл может всплыть на поверхность. Дело в том, что при охлаждении увеличение плотности алюминия происходит быстрее, чем у криолита и в определенный момент их плотности сравниваются. Алюминий всплывает и происходит замыкание на анод.

Негаснущая» вспышка

Обычно анодный эффект устраняют загрузкой очередной порции глинозема. Однако иногда вспышку не удается устранить в течение нескольких часов, и такой затяжной анодный эффект называют «негаснущей» вспышкой. Они возникают на ваннах с расстроенной технологией, неправильной формой рабочего пространства, малым уровнем электролита, низким КО, высоким содержанием добавок. Природа негаснущих вспышек до конца не ясна, но обычно они возникают при залипании анода глиноземом (вернее, глинозёмистым осадком), что вызывает скачок напряжения на участке анод - электролит. Гасить такую вспышку загрузкой глинозема нельзя, его концентрация в электролите превышает нормальную, и это только ухудшит положение. Для ликвидации «негаснущей» вспышки необходимо устранить контакт анода с осадком добавкой твердого металла и подъемом МПР с постепенным выведением ванны на ясную вспышку.

10.4 Кабридообразование

Образованию карбида алюминия способствуют три причины: повышение температуры, примеси и повышенное КО (или щелочной электролит). Это очень редкое нарушение возникает, как правило, на пусковых электролизерах, особенно при некачественных угольных блоках или прорывах анодной массы в электролит. Процесс образования карбида алюминия идет с выделением большого количества тепла по реакции

4Al + 3C = A₄С₃ + 264,6 кДж/моль

что приводит к сильному разогреву электролита и образованию «коржей» или «грибов» - кашеобразной смеси угольной пены, глинозема и электролита. Характерный признак образования карбида алюминия – беловатый оттенок электролита, он не бурлит, а плывет струей из-под анода и интенсивно испаряется. Напряжение возрастает до 8 В, а корка не образуется. Для ликвидации этого нарушения поднимают анод и, не перемешивая расплав, скребком удаляют загустевший «грибной» электролит и заменяют его свежим из нормально работающей ванны. Если эти меры не помогают, тогда удаляют весь «грибной» электролит, чистят подошву анода и подину и вновь пускают ванну на электролиз.

Нарушения работы анода

В процессе электролиза технологические нарушения случаются не только в ванне, но и в аноде. Значительно больше времени требуется для ликвидации горячего хода ванны при нарушениях в анодном узле:

- нарушение установки штырей и связанное с этим распределение тока по аноду;

- протёки анодной массы при перестановке штырей или при подъеме анодного кожуха;

- образование трещин и пустот под штырями может происходить при их перестановке, в процессе их раскручивания или при плохой очистке поверхности анода перед загрузкой анодной массы. Сквозные отверстия могут образоваться в результате выпадения «пробок» вторичного анода, в этом случае в отверстие устанавливают «пробку» из анодной массы высотой ≈ 30 см, полностью заполняют отверстие ПАМ, а штырь устанавливают на это место через 1—2 сут.

- образование неровностей на подошве анода и конусообразование, т.е. отставание в сгорании отдельных участков подошвы анода из-за неравномерного распределения силы тока по штырям. Конусы удаляют двумя способами. Сбивают ломом, но точечный удар разрушает анод и в нем образуются трещины. Обычно выводят ванну на искусственную вспышку и конус постепенно сгорает, но получается перерасход электроэнергии;

- замыкание анода на металл, настыль или осадок.

- образование «шеек», т.е. выгорание участков боковой поверхности анода при окислении его воздухом;

- прилипание анодной массы к анодному кожуху;

- расслоение и повышенное осыпание анода и др.

Во всех случаях необходимо установить причину нарушения и принять меры к ее устранению.

Аварийные ситуации

Аварийные ситуации, приводящие к остановке ванны:

1. Прорыв расплава через боковую футеровку. Вследствие особенностей циркуляции электролита и металла, гарниссаж в каком-либо месте становится слабым, а перегрев ванны способствует его растворению. Боковой блок разрушается и расплав имеет доступ к кожуху. Кожух раскаляется и можно ждать прорыва металла. Для предотвращения этого бортовую футеровку восстанавливают искусственной настылью, забивая куски электролита.

2. Разрушение подины - основная причина остановки ванны на капитальный ремонт. Металл попадает в трещины блока или межблочного шва, катодный блок разрушается, алюминий доходит до блюмса и начинается его расплавление, в результате блюмс выталкивается сквозь отверстие и ванна уходит на ноль.

Все технологические нарушения очень сильно влияют на себестоимость алюминия и, конечно, экономически очень невыгодны. Поэтому технология электролиза направлена на предупреждение и профилактику технологических нарушений, включая:

1. Контроль состояния подины

2. Строгое соблюдение рабочих операций: загрузка сырья, выливка металла, перестановка штырей и др.

3. Ответственное и добросовестное отношение к работе.

 

Электролизный цех

Современные алюминиевые заводы представляют собой комплекс основных и вспомогательных цехов, каждый из которых выполняет присущие ему функции.

Электролизный цех - самостоятельная хозяйственная единица с полным циклом производства. В состав элект­ролизного цеха, кроме корпусов электролиза, входят приемные склады глинозема, подразделения по обслуживанию электротехнического и механического оборудования, объекты энергетики, газоочистки, различные инженерные сети и коммуникации и литейные отделения.

Серия корпусов электролиза

Электролизный цех состоит из нескольких корпусов, которые всегда располагаются вдоль господствующего направления ветра. Все корпуса стоят параллельно и связаны между собой соединительным коридором в середине их длинной стороны. Этот коридор связывает корпуса с литейным отделением и другими службами. Литейное отделение стараются расположить посередине между корпусами.

Вблизи от одного из торцов корпусов располагаются здания кремниево-преобразовательных подстанций (КПП).

Падение напряжения на электролизере невелико (4,1—4,5 В), поэтому они соединяются последовательно в большие группы (серии), которые подключаются к КПП. Общее количество ванн в серии 80—200 шт., и зависит от напряжения, которое может обеспечить КПП и падения напряжения на каждом электролизере. Серия электролизёров располагается в одном или двух корпусах длиной 450-750 и шириной 27 м. В зависимости от производительности завода количество серий может бьггь различным, от 1 до 12. При большом числе серий возникают сложности в их управлении, поэтому их объединяют в несколько цехов, которые состоят из 3—4 серий.

В отечественной промышленности эксплуатируются одноэтажные и двухэтажные корпуса. Электролизная серия, состоящая из 140— 180 ванн, размещается в двух двухэтажных корпусах, а короткие серии (до 90 ванн, старой одноэтажной постройки) компонуют в одном корпусе. Электролизеры малой, средней и большой мощности (до 180 кА) располагаются в корпусе продольно, т.е. длина ванны совпадает с продольной осью корпуса (продольное расположение), а электролизеры с ОА на силу тока более 180 кА располагаются поперек корпуса в один ряд (поперечное расположение). Расстояние между двухэтажными корпусами не менее 40 м, межкорпусные дворики асфальтированы.

Освещение в корпусах естественное — через окна на боковых стенах и через фонари на крыше, а также искусственное — с помощью подвешенных электрических ламп, которые должны обеспечить освещенность не менее 200 лк.

Для удобства обслуживания электролизеров и соблюдения условий электробезопасности, расстояние между ванной и стеной должно быть не менее 2,5 м, между рядами ванн не менее 7 м. Электролизеры в одном ряду должны быть расположены как можно ближе (≈ 1 м) с целью экономии электроэнергии. По середине корпусов проходит транспортный соединительный коридор, связывающий все корпуса и службы цеха, шириной ≈16 м. Высота корпуса определяется двумя факторами: высотой размещения подкранового рельса и санитарно-гигиеническими требованиями, не менее 12 м. Длина корпуса электролиза зависит от количества расположенных в нем электролизеров и их мощности.

В торцах остаются свободные площадки во всю ширину корпуса и длиной 25-30 м, которые используются для складирования анодов и металлоконструкций во время капитального ремонта ванн, для въезда автотранспорта в зону действия мостовых кранов, а также для железнодорожного транспорта.

Внутрицеховой транспорт является важным звеном, от четкой работы которого зависит эффективность работы обслуживающего персонала. Внутри корпусов для перевозки сырья, материалов, штырей или анодных блоков, для вывозки демонтажного мусора при капитальном ремонте ванн используются комплексные мостовые краны.

В непосредственной близости от цеха электролиза располагается приемный склад сырья, куда железнодорожным транспортом завозятся глинозем и фториды. Герметичные цистерны и вагоны типа «Хопер» приспособлены к быстрой их разгрузке самотеком или с помощью сжатого воздуха низкого давления. Разгруженное сырье пневмотранспортом закачивается в бетонные или металлические башни (силосы), а из них другой системой пневмотранспорта сырье подается в межкорпусные силосные башни. Системы по разгрузке и перекачке сырья хорошо герметизированы, механизированы и автоматизированы, поэтому трудовые затраты на эти операции невелики.

Из силосных башен глинозем завозится в корпус специальными машинами с бункерами, а в цехах, оснащенных мощными ваннами, используется система централизованной раздачи глинозема (ЦРГ) по ваннам с помощью пневмотранспорта низкого давления. Анодную массу или анодные блоки завозят в корпус специальным автотранспортом.

Выливка металла из ванн ведется вакуумными ковшами вместимостью 3-5 т. Мостовым краном закрытый вакуум-ковш подают к ванне, а после наполнения перевозят в середину корпуса к соединительному коридору. Затем с ковша снимают крышку и транспортируют в литейное отделение тракторами либо электропогрузчиками. Для перевозки инструмента, материалов при проведении ремонтных работ используют электрокары.

Механослужба цеха занимается ремонтом и эксплуатацией мостовых кранов, внутрицехового транспорта, ремонтом и реставрацией штырей или токоподводящих штанг анодных блоков, механизмов перемещения анодных рам.

Компрессорное отделение занято выработкой сжатого воздуха, используемого для работы механизмов по обслуживанию ванн (машины для пробивки корки электролита, извлечения, правки и забивки штырей и пр.). Также в отделении есть оборудование, создающее вакуум. Системой труб вакуумные линии находятся в каждом корпусе.

Основной задачей электрослужбы является обслуживание всего многообразного и сложного электрического хозяйства цеха: ошиновки, низковольтных сетей переменного тока, предназначенных для обеспечения работы мостовых кранов, вентиляторов, дымососов, различного оборудования литейного отделения и пр. Один из важнейших участков службы — электрокарное депо с зарядной станцией для подзарядки аккумуляторов, которые используются на электрокарах и электропогрузчиках.

 

Вентиляция и газоотсос

Источники вредностей

На производство 1 т алюминия расходуется более 2,5 т разнообразного сырья, б о льшая часть которого превращается в газообразные соединения, которые негативно влияют на окружающую среду и на здоровье человека. Количество образующихся при электролизе газов достигает 280 тыс. м³/т алюминия. Также в воздухе рабочей зоны витает много пыли глинозема и фторсолей, которая также представляет собой опасность для здоровья работающих.

В зависимости от типа и мощности электролизера на 1 т алюминия выделяется: 8—12 кг фтористого водорода, 9—12 кг твердых фторидов в виде пыли (в пересчете на фтор), 11—12 кг сернистого ангидрида.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны регламентируется следующими предельно допустимыми концентрациями (ПДК): фтористого водорода 0,5 мг/м³, пыли глинозема 6 мг/м³, пыли фтористого алюминия и других фторидов 1 мг/м³, диоксида углерода 20 мг/м³. ПДК, принятые в нашей стране, значительно более жесткие, чем в ряде стран. Так, ПДК по фтористому водороду в США, Франции и ФРГ составляет 2 мг/м³.

И, наконец, от электролизеров в цех поступает значительное количество тепла. Теплонапряженность (количество тепла, поступающего на 1 м³ рабочей зоны в час) для электролизеров средней мощности составляет 400 кДж/(м³*ч), для электролизеров большой мощности 800 кДж/(м³*ч).

Поэтому к важнейшим составным частям электролизера относятся его укрытие и система сбора газов, которые зависят от типа электролизера. Для создания необходимых условий труда корпуса электролиза оборудованы системами газоулавливания и вентиляции.