Срок службы электролизеров

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 центральный шов раскрыт. Устройство центрального шва вперевязку позволяет усилить подину, но подъем блоков приводит к образованию трещин, возникает как бы два 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, в образовавшиеся трещины 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 подине.

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.

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.

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, так как при этом соединения натрия с углеродом энергично диссоциируют, и 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. Кратковременные охлаждения и перегревы мало влияют на прочность подины, но длительные остановки с последующим разогревом приводят к развитию трещин в футеровке, увеличивают деформацию подины и кожуха и вызывают преждевременный выход ванн из строя.

При электролизе могут возникнуть также и отклонения в работе анода:

- образование пустот и трещин под штырями, в том числе сквозных до подошвы анода;

- прорывы пека и массы в электролит через трещины;

- прилипание анодной массы к анодному кожуху;

- отставание в сгорании отдельных частей анода;

- образование шеек на боковой поверхности анода;

- расслоение и повышенное осыпание анода;

- образование неровностей на подошве анода (конусы) и др.

Образование трещин и пустот под штырями может происходить при их перестановке в процессе их раскручивания или плохой очистке поверхности анода перед загрузкой анодной массы. Сквозные отверстия могут образоваться в результате выпадения "пробок" вторичного анода, что видно только после извлечения штыря. В отверстие устанавливают заранее сформированную пробку высотой 25—30 см из «тощей» анодной массы, полностью заполняют отверстие ПАМ, а штырь устанавливают на это место через 1—2 сут.

Прорывы пека и массы в электролит происходят через неплотности в аноде, при подъеме анодного кожуха, в местах образования шеек. Необходимо установить причину прорывов пека и массы и принять меры к ее устранению.

Прилипание AM к анодному кожуху происходит из-за недостаточного утепления верхней части кожуха.

.

Магнитное поле в электролизере

При протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, которое взаимодействует с током и создает электромагнитные силы, действующие на проводник с током. Именно на этом принципе работают все электрические двигатели, устройства для электромагнитного транспорта жидкого металла и пр.

В алюминиевых электролизёрах протекают огромные токи, приводящие к возникновению мощных электромагнитных сил в электролизёре и вокруг него. В конструктивных частях электролизёра эти силы никак не проявляются, но в жидком алюминии, как проводнике тока, под воздействием электромагнитных сил изменяется форма поверхности металла (а значит, и МПР), и возникает циркуляция расплава, что приводит к замыканию подошвы анода с жидким Al.

1 Распределение тока

Ток по элементам электролизера течет вертикально — вверх и вниз (анод, стояки); горизонтально — вдоль и поперек ванны (анодные и катодные шины, катодные блюмсы), и поэтому магнитная индукция в каждой точке ванны имеет сложную картину. Так как МПР — величина переменная и зависит от состояния подошвы анода, волнений металла, наличия газа, угольных частичек в электролите и других факторов, то фактическая плотность тока в электролите переменна и ею невозможно управлять. Для расчетов приходится принимать ее равной анодной плотности тока.

Направление тока в расплавленном алюминии зависит от формы рабочего пространства (ФРП), наличия осадков, столба металла на подине и других факторов. При стабильном технологическом режиме и нормальной ФРП плотность поперечного горизонтального тока в металле незначительна и не превышает 0,1—0,2 А/см². Но конфигурация настыли переменна, поэтому и величина горизонтальных токов не постоянна. Практически ток через электролит к подине стекает не вертикально, а наклонно, поскольку площадь анода, как правило, всегда больше площади подины, свободной от настылей и осадков. При "горячем" ходе ванны, т.е. в отсутствии бортовых и подовых настылей, величина поперечного тока, направленного к продольным сторонам шахты, возрастает и достигает 1,2—1,3 А/см².

Причины возникновения горизонтальных токов:

1) меньшее электрическое сопротивление расплавленного алюминия чем у блюмсов и катодных шин;

2) изготовление подины ванны из секций разной длины. Их электросопротивление не одинаково, и ток перетекает от длинных секций к коротким. Подовые секции, равные ширине ванны, снижают горизонтальные токи.

Распределение тока по подовому блоку зависит от материала заделки блюмса в паз (углеродистая паста или чугун). Углеродистая паста выравнивает распределение тока, но обладает большим электросопротивлением, что увеличивает расход электроэнергии.

Распределение тока по аноду редко может быть однородным. На СОА резкое перераспределение токов происходит при перестановке штырей и подъеме анодной рамы. Также плотность тока на вторичных анодах, т.е. на подштыревых участках анода, значительно ниже, чем на остальном аноде, за счет его большей пористости.

Распределение тока на обожженных анодах также неравномерно вследствие разницы их температур, разной высоты и качества заделки ниппелей в блок. Однако в целом распределение тока по ванне с ОА (с системой АПГ) равномернее из-за более стабильной ФРП и температуры токопроводящих узлов.

2 Электромагнитные силы в металле

Горизонтальные составляющие напряженности магнитного поля при взаимодействии с вертикальным током образуют электромагнитные силы, направленные к поперечной и продольной осям ванны. Электромагнитные силы возникают во всех алюминиевых электролизерах, их величина пропорциональна квадрату силы тока. При токе более 80 кА влияние этих сил становится значительным, а на ваннах большой мощности эти силы определяют ТЭП.

Поверхность расплавленного алюминия имеет слегка выпуклую форму, и этот перекос является основной причиной циркуляции расплава (металла и электролита). При этом скорости металла определяются электромагнитными силами, а скорости циркуляции электролита - его гидравлическими характеристиками. Поверхность металла находится в состоянии непрерывного волнения, и высота волн может достигать 45 мм при частоте до 40 раз в минуту, т.е. высота волны сравнима с величиной МПР, что приводит к местным коротким замыканиям.

3 Массо - и теплоперенос в электролизерах

Процессы массо- и теплопереноса значительно влияют на технологию и технико-экономические показатели работы электролизеров. Гидродинамические потоки расплава формируются в результате совокупного воздействия:

- электромагнитной (пондеромоторной) силы,

- газогидродинамической силы (образование, рост и движение газовых пузырьков по подошве анода и в пространстве борт — анод),

- свободной конвекции, обусловленной наличием температурных (выделением джоулева тепла) и концентрационных (протекание электродных процессов) градиентов.

Роль гидродинамических процессов резко возрастает с увеличением размеров и мощности электролизеров. От гидродинамики расплава зависят такие важнейшие массообменные процессы, как:

ü растворение и перенос глинозема из зоны загрузки и растворения - в МПР - зону потребления,

ü потери металла,

ü выравнивание концентраций компонентов электролита во всей ванне,

 а также

ü формирование температурного поля расплава и ФРП,

ü теплообмен в электролизёре и передача тепла в окружающую среду.

Современные методы позволяют рассчитывать и измерять направление и величину магнитного поля в любой точке электролизёра. Это позволило разработать меры по снижению вредного влияния электромагнитных сил на расплав: увеличение столба металла в ванне, обеспечение оптимальной ФРП, применение секционированной ошиновки оптимальной конфигурации  на мощных ваннах. Достигнутые успехи стали решающим фактором резкого повышения технико-экономических показателей процесса электролиза в 21 веке. 

Автоматизация процесса электролиза

Повышение эффективности процесса электролиза невозможно без применения автоматизированных технологических комплексов (АТК), которые:

- дают достоверную информацию о протекании процесса,

- позволяют пользоваться мощными математическими вычислениями в целях оперативного управления,

- снижают влияние человеческого фактора.

Автоматизированный технологический комплекс ТРОЛЛЬ предназначен для автоматического управления процессом электролиза алюминия в масштабах электролизного корпуса, серии, цеха и завода. Состав АТК ТРОЛЛЬ:

1) комплекс управляющих технических средств: блоки управления электролизерами, сетевое и компьютерное оборудование;

2) программное обеспечение, включающее:

- ПО управления электролизерами,

- ПО анализа накопленной информации и подготовки отчетов,

- системное программное обеспечение;

3) технологическое оборудование подачи глинозема в электролизер оригинальной конструкции.

АТК ТРОЛЛЬ включает все проверенные технологические и научные новшества, отвечает условиям отечественного производства и выполняет следующие функции.