Разработка электролизёров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом на силу тока 170-175 кА

Актуальность работы.

Рассматривая совершенствование конструкции алюминиевых электролизёров за весь период развития алюминиевой промышленности, можно сделать основной вывод, что доминирующим на всех его этапах является рост единичной мощности агрегата при одновременном сокращении трудовых затрат на его обслуживание, снижении расхода электроэнергии, улучшении условий труда и уменьшении вредных промышленных выбросов в окружающую среду.

Учитывая, что сложившаяся структура отечественного производства алюминия ориентирована на длительную эксплуатацию технологии на базе электролизёров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (ВТ), задачи совершенствования этой технологии остаются актуальными по настоящий день.

Существующие конструкции электролизёров с верхним токоподводом характеризуются более низкими техническими показателями выхода металла по току, большим расходом электроэнергии и худшими экологическими характеристиками процесса по сравнению с современными сериями электролизёров с обожженными анодами. Однако, они обеспечивают получение металла с более низкой себестоимостью производства.

Вопрос улучшения технико-экономических и экологических характеристик существующих корпусов электролиза, оснащённых электролизёрами с ВТ, может решаться несколькими способами: первый — коренная реконструкция действующего производства путем замены существующих электролизёров с ВТ на электролизёры с обожжёнными анодами при одновременном увеличении единичной мощности агрегатов как за счет повышения плотности тока, так и за счёт увеличения габаритов электролизёроввторой — улучшением технико-экономических показателей действующих электролизёров за счёт перехода на технологию «сухого» анода, совершенствованием состава и переводом электролизёров на работу с «кислыми» электролитами с одновременным внедрением систем АПГ, ЦРГ и АСУТП с усовершенствованными программами, а также увеличения срока службы катодных устройств за счёт использования в конструкции футеровки новых теплоизоляционных материаловтретий — увеличением мощности электролизёров, устанавливаемых в существующих строительных «гнёздах» за счёт изменения конструкции ошиновки с улучшенными МГД-характеристиками, увеличении геометрии анодов и катодов в сочетании с применением новых направлений в электролизе.

Первый путь весьма дорогостоящий, требующий кардинального изменения строительной части корпусов электролиза, и связанной с этим остановки действующего производства.

Кроме этого, возникают дополнительные затраты на организацию нового производства обожжённых анодов либо их приобретения, а также проведения ряда мероприятий таких, как изменения складских помещений, обучения обслуживающего персонала, закупки специализированной обслуживающей техники и другие.

Срок окупаемости такого перевооружения действующего производства довольно велик, хотя примером может служить установка электролизёров с обожжёнными анодами на опытном участке в одноэтажном корпусе № 4 в количестве 13 ванн на Иркутском алюминиевом заводе.

Второй вариант экономически выгоден на определенном этапе и связан с долгим периодом отладки технологии. Кроме того, он не может преодолеть недостатки существующих конструкций электролизёров, такие, как влияние на МГД-характеристики существующей ошиновки, невозможности расположить точки питания АПГ в оптимальном месте и многое другое.

Вариант изменения конструкции электролизёра, а также геометрии анода и катода с изменением конструкции катодной ошиновки в сочетании со вторым способом даст наибольший технико-экономический эффект.

Цель работы.

Заключается в создании электролизёров на силу тока 170−175кА, позволяющих работать на более экологичной технологии «сухого» анода, с высокими технико-экономическими и экологическими показателями по сравнению с электролизёрами двухэтажных серий типа С-8Б, С-8БМ на силу тока 155−160кА для последующей модернизации действующего производства.

Задачи работы.

При разработке и внесении новых конструктивных решений в конструкцию опытных электролизёров применить современные способы компьютерного моделирования, направленные на получение высоких технико-экономических и экологических показателей их работы.

Испытать созданные электролизёры в условиях действующего производства.

Разработать и испытать технические средства для обслуживания электролизёров с учётом их работы на «сухой» анодной массе.

Определить оптимальные режимы технологии электролиза алюминия, обеспечивающие достижение по основным технико-экономическим и экологическим показателям уровня передовых зарубежных и отечественных предприятий.

Методы исследований.

При разработке ошиновки, основных узлов конструкции опытных электролизёров применялась программа «Smelter» для моделирования и расчёта электрических схем ошиновок и МГД-характеристик с помощью метода конечных элементов. При помощи программ трёхмерного и двухмерного моделирования Inventor, AutoCAD были построены модели узлов опытных электролизёров и определена их конструкция.

На основе существующих методик измерялись падение напряжения в сварных соединениях ошиновки, распределение тока по стоякам и блюмсам.

С использованием тепловизора фирмы «AGEMA» и контактных термопар измерялась температура поверхностей катодных кожухов и стояков.

Для оценки энергетического состояния электролизёров при помощи тепловизора фирмы «AGEMA» и контактных термопар измерялась температура поверхностей катодных кожухов и стояковна основании полученных данных рассчитывался энергетический баланс и тепловые потери опытных электролизёров.

Проводились исследования и сравнения с расчётными данными магнитогидродинамических характеристик опытных электролизёров. Полученные энерготехнологические показатели сравнивались с показателями действующих электролизёров типа С-8Б и С-8БМ.

Научная новизна.

Установлено положительное влияние на МГД-характеристики вынесение стояков ошиновки на продольную сторону и объединение выходных стояков при этом создается суммарное магнитное поле компенсирующее влияние второго ряда электролизёров. Впервые на основании рассчитанных схем ошиновок были созданы новые электролизёры с повышенной мощностью ВТ-170 и ВТ-175, которые устанавливались в существующие строительные гнёзда.

Предложена принципиально новая схема установки катодного кожуха и плит перекрытий шинных проёмов, исключающая передачу динамических нагрузок на электролизную ванну, что способствует увеличению срока службы катодного устройства.

Впервые создан способ дозирования сыпучих материалов, позволяющий обеспечить точную дозу подачи подштыревой анодной массы, на основании его создай дозатор. На данную конструкцию был получен патент Российской Федерации № 38 765.

Практическая значимость.

Рассчитаны и построены модели опытных электролизёров. Изготовленные конструкции установлены на организованном на Иркутском алюминиевом заводе опытном участке в корпусе № 6.

При монтаже опытных электролизёров применена новая схема установки катодного кожуха и плит перекрытий шинных проёмов, на её основе разработано опорное устройство, исключающее передачу динамических нагрузок на электролизную ванну.

Проведены опытно-промышленные испытания двух групп электролизёров с верхним токоподводом на силу тока 170кА и 175кА.

Опытные электролизёры работали на повышенной, по сравнению с серийными, силе тока, анодная плотность тока сохранена на уровне серийных электролизёров С-8БМ.

Разработаны новые анодные кожуха, позволяющие оборудовать электролизёр системой АПГ, а также работать на «сухой» анодной массе.

В результате проведённых испытаний оба типа конструкций электролизёров были признаны работоспособными, имеют более высокие, по сравнению с С-8Б и С-8БМ технико-экономические показатели работы. Так сила тока электролизёров ВТ-170 составила 177,17кА, что на 7,17кА выше проектных значений, а ВТ-175 — 178,62кА. Выход по току составил 90,16 и 89,9% соответственно, при проектном 88,5%. В среднем по опытным электролизёрам удельный расход фтористых солей на 5−7кг на тонну выпущенного алюминия меньше среднекорпусных значений. Средний срок службы электролизёров ВТ-170 составил 48 месяцев, а у ВТ-175 — 53,5 месяцев. Это один из лучших показателей среди отечественных электролизёров Содерберга.

После проведения капитального ремонта все электролизёры запущены па вторую кампанию и в настоящее время стабильно работают и выдают сортовой металл марки А8.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения электролизёров ВТ-175 в объёме шести двухэтажных корпусов Иркутского алюминиевого завода составит 590 млн руб. в год.

Учитывая положительные результаты опытно-промышленных испытаний, для модернизации двухэтажных корпусов электролиза, использующих технологию Содерберга, были рекомендованы электролизёры типа ВТ-170, ВТ-175 с увеличением их мощности от 180 и 190кА соответственно и выше.

Разработана конструкция объёмного дозатора для сыпучих материалов. Конструкция дозатора была испытана на Волгоградском алюминиевом заводе. По результатам промышленных испытаний сделан вывод, что дозатор позволяет обеспечить быструю загрузку и точную дозу подачи подштыревой анодной массы при работе электролизёров па технологии «сухого» анода.

На конструкцию получены положительные отзывы и при небольшой доработке такими бункерами были оснащены электролизные корпуса Волгоградского алюминиевого завода работающие на «сухой» анодной массе.

Апробация работы.

Диссертационная работа выполнена в рамках региональных и отраслевых программ развития алюминиевой промышленности.

Некоторые положения диссертации и полученные результаты проведённых опытно-промышленных испытаний были вынесены на конкурс премии губернатора Иркутской области по науке и технике в составе занявшей первое место работы «Цикл научно-исследовательских и прикладных работ по металлургии алюминия и кремния» в 2006 году.

Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях «Алюминий Сибири» (Красноярск, 2000 г. и 2006 г.), международной конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности (С-Петербург, 2000 г.), международной конференции «Алюминиевая промышленность России и мира в XXI веке». (Иркутск. 2000 г.), «III, IV и V республиканской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов алюминиевой и электродной промышленности» (Иркутск, 2005 г., 2006 г. и 2007 г.), XI научно-практической конференции «Алюминий Урала — 2006» (Краснотурьинск 2006 г.), металлургической секции НТС ОАО «СибВАМИ» (Иркутск, 2007 г.), на заседании кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ (Иркутск, 2007 г.).

На защиту выносятся:

Особенности конструкции опытных электролизёров, позволяющие достичь выхода по току 90% и более, при работе на повышенной силе тока.

Новая схема опирания плит перекрытий шинных проёмов, при которой устраняется передача нагрузок и вибрации от работы транспортных средств на стенки электролизной ванны, положительно влияющая на увеличение срока службы катодных устройств опытных электролизёров.

Устройство дозатора для сыпучих материалов, позволяющее осуществлять быструю загрузку и точную дозу подачи подштыревой анодной массы, обеспечивающее нормальное ведение технологии анода, работающего на «сухой» анодной массе.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 статей, 13 тезисов докладов и получен 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора.

Автор данной работы является ответственным исполнителем на всех этапах создания опытных электролизёров от постановки задачи, разработки конструкции, ведения авторского надзора за изготовлением и монтажом до внедрения и проведения промышленных испытаний.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы из 114 наименований. Общий объём диссертации — 133 страницы, рисунков -41, таблиц-24.

118 Выводы.

1. Сложившаяся структура отечественного производства алюминия ориентирована на длительную эксплуатацию технологии электролиза на базе электролизёров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, поэтому задачи совершенствования данной технологии остаются актуальными. На основе анализа технических решений и уровня достигнутых технико-экономических показателей существующих электролизёров сделан вывод о возможности их модернизации путём изменения конструкции. Показано, что самыми надёжными конструкциями катодных кожухов являются шпангоутная и контрфорсная. Для опытных электролизёров выбрана конструкция катодных кожухов контрфорсного типа.

2. Созданы модели и выполнены расчёты различных схем ошиновок, предложены их оптимальные конструкции. На их основе разработаны конструкции опытных электролизёров с самообжигающимся анодом на силу тока 170−175 кА, с расчётом установки их в существующие строительные гнёзда и работе на «сухой» анодной массе. Основные отличия опытных электролизёров от серийных заключаются в геометрических размерах, новой конструкции анодных и катодных устройств, схемой установки плит перекрытий и катодной ошиновкой.

3. При монтаже опытных электролизёров применена новая схема установки катодного кожуха и плит перекрытий шинных проёмов, на основе её было разработано специальное опорное устройство в виде Г-образных кронштейнов исключающее передачу динамических нагрузок на электролизную ванну.

4. Проведены опытно-промышленные испытания двух групп электролизёров с верхним токоподводом на силу тока 170кА и 175кА. Установлена динамика роста температуры подины и прогрева её цокольной части. Послепусковой период показал работоспособность и достаточно устойчивый рабочий режим опытных электролизёров. Изучена динамика снижения рабочего напряжения, проведены замеры высот конусов спекания и уровня жидкой анодной массы, показано, что сформированные аноды опытных электролизёров соответствуют требованиям технологической инструкции. Проведены замеры распределения тока по стоякам ошиновки, показано, что по группе электролизёров ВТ-170 максимальные отклонения значений от проектных составили 5,9%, по группе электролизёров ВТ-175 — 2%. Исследовано падение напряжения в контактных узлах на опытных электролизёрах. Выявлено, что суммарные потери в ошиновке составили 0,302 В и находятся на уровне значений серийных электролизёров. Определено токовое распределение по блюмсам, коэффициент токового распределения составляет 1,011−1,029. Проведён анализ тепловых потерь опытных электролизёров. Установлено, что суммарные тепловые потери от них эквивалентны тепловым потерям серийных С-8БМ.

5. Изучены характеристики магнитных полей и перекосы металла опытных электролизёров. Выявлено, что по сравнению с серийными, электролизёры ВТ-170 имеют аналогичные перекосы по продольной и поперечной составляющим, а ВТ-175 имеют улучшенные показатели по вертикальной и поперечной составляющим магнитного поля. Установлено положительное влияние на МГД-характеристики вынесение стояков ошиновки на продольную сторону и объединение выходных стояков, при этом создается суммарное магнитное поле, компенсирующее влияние второго ряда электролизёров.

6. Разработан и испытан на Волгоградском алюминиевом заводе ряд • технических средств для обеспечения работы электролизёров на «сухой» анодной массе, в том числе бункер с объёмным дозатором для точной, дозированной загрузки подштыревой массы. По результатам промышленных испытаний сделан вывод, что конструкция дозатора надежна и характеризуется безотказной работой. После промышленных испытаний на Волгоградском алюминиевом заводе конструкция объёмного дозатора была защищена патентом РФ.

7. Проведены опытно-промышленные испытания двух групп электролизёров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом на силу тока 170кА и 175кА. Получены более высокие, по сравнению с серийными электролизёрами типа С-8БМ, технико-экономические показатели производства алюминия. Так сила тока электролизёров ВТ-170 составила 177,17кА, что на 7,17кА выше проектных значений, а ВТ-175 — 178,62кА. Выход по току составил 90,16 и 89,9% соответственно, при проектном 88,5%. Выход угольной пены на опытных электролизёрах был немного меньше среднекорпусных значений. Средний удельный расход фтористых солей электролизёров опытного участка оказался меньше, чем у серийных, по группе электролизёров ВТ-170 на 7кг/т полученного А1, а по группе ВТ-175 на 5кг/т. Средний срок службы электролизёров ВТ-170 составил 48 месяцев, а у ВТ-175 — 53,5 месяцев.

8. Опытные электролизёры могут быть использованы для модернизации действующих двухэтажных корпусов электролиза с перспективой увеличения их мощности до 180−190кА и выше.