Содержание к диссертации
Введение
1. Опыт эксплуатации электролизеров с ОА и современные подходы к изучению их энергетических состояний 8
1.1. Современное состояние технологии получения алюминия на электролизерах с обожженными анодами 8
1.2 Моделирование энергетического состояния действующих и проектируемых электролизеров 12
1.2.1 Значение исследований энергетического состояния электролизеров 12
1.2.2 Развитие численного моделирования энергетического состояния электролизера 14
1.3 Изучение структуры температур (рабочей, ликвидуса и перегрева) электролита 17
1.3.1 Значение структуры температур при расчете теплового потока от расплава к боковой поверхности кожуха электролизера 17
1.3.2 Обзор промышленного применения приборов для измерения температуры ликвидуса 19
1.3.3 Обзор распространенных уравнений эмпирического определения температуры ликвидус 20
1.4. Обзор способов, применяемых для управления энергетическим режимом электролизера 22
1.4.1. Способы управления энергетическим режимом электролизера 22
1.4.2 Концепция управления программы управления энергетическим режимом «9-ВОХ» 24
1.5 Направление исследований 27
2. Исследование энергетических характеристик электролизера ОА-300 методом численного моделирования 28
2.1 Методика построения численной модели электролизера с ОА 28
2.1.1 Постановка задачи 28
2.1.2. Методика построения численных моделей 31
2.1.3 Построение и параметризация трехмерной математической модели для расчета тепловых и электрических полей электролизера ОА-300 33
2.2 Методика расчета тепловых и электрических полей трехмерной модели электролизера ОА-300 37
2.2.1 Методика расчета электробаланса модели электролизера 37
2.2.2 Методика расчета энергобаланса модели электролизера 40
2.3 Результаты расчетов энергетического состояния электролизера ОА-300 при различной силе тока 44
2.3.1 Результаты расчетов энергетического состояния электролизеров ОА-300 при силе тока 300 и 330кА44
2.3.2 Результаты расчетов энергетического состояния электролизеров ОА на силу тока ЗЗОкА 50
2.4 Результаты расчетов энергетического состояния электролизера ОА-300 при силе тока 350кА 55
2.4.1 Результаты расчетов энергетического состояния электролизеров ОА на силу тока 350кА 55
2.5. Выводы по разделу 2 63
3. Исследование зависимости структуры температур электролизеров ОА-300 от влияния технологических факторов 65
3.1. Разработка методики проведения исследований по изучению структуры температур 65
3.1.1 Методика проведения исследований 65
3.1.2 Описание использованного оборудования для проведения исследований структуры температур 69
3.2. Исследование степени влияния на структуру температур алгоритма управления работой АПГ... 72
3.3. Исследование влияния изменения рабочего напряжения электролизера на структуру температур электролита 75
3.4. Изучение степени влияния анодного эффекта на тепловой режим электролизера 81
3.5 Изучение степени влияния операции «перестановка анодов» на тепловой режим электролизера 82
3.6 Изучение степени влияния операции «выливка металла» на тепловой режим электролизера 84
3.5 Выводы по разделу 3 85
4. Разработка метода управления и оптимизации энергетического режима электролизера ОА-300 87
4.1 Разработка эмпирической формулы расчета температуры ликвидуса 87
4.1.1 Анализ химического состава электролита опытных электролизеров 87
4.1.2 Проверка адекватности определения температуры ликвидуса за период испытаний на ОА-300 91
4.2 Разработка программы управления энергетическим режимом электролизера ОА-300 95
4.3 Влияние программы управления на форму рабочего пространства (ФРП) электролизера 99
4.4 Влияние программы управления на технико-экономические показатели электролизеров ОА-300 102
4.5 Выводы по разделу 4 104
Выводы 106
Список литературы 108
Приложение 1 120
Приложение2 121
- Развитие численного моделирования энергетического состояния электролизера
- Построение и параметризация трехмерной математической модели для расчета тепловых и электрических полей электролизера ОА-300
- Исследование влияния изменения рабочего напряжения электролизера на структуру температур электролита
- Проверка адекватности определения температуры ликвидуса за период испытаний на ОА-300
Введение к работе
В настоящее время в алюминиевой промышленности мира повсеместно используется электролиз криолитоглиноземных расплавов при силе тока на ваннах от 50 до 300 кА и выше. При этом применяются два основных типа электролизеров: с самообжигающимися (верхним или боковым токоподводом) и с обожженными анодами.
Вновь строящиеся корпуса алюминиевых заводов, как в России, так и за рубежом, оснащаются электролизерами большой мощности с предварительно обожженными анодами. Использование систем автоматического питания глиноземом, эффективного укрытия и «сухой» газоочистки, а также системы автоматического управления процессом электролиза, позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с технологией Содерберга:
повышения съема металла с 1м2 производственной площади и, как следствие, снижения удельных капитальных затрат и сроков окупаемости при создании нового алюминиевого производства;
уменьшения затрат электроэнергии;
снижения трудозатрат;
уменьшения удельного расхода углерода;
- снижения выбросов в атмосферу фтористых соединений, ароматических
углеводородов и пыли.
Многими мировыми компаниями принята стратегия строительства новых производственных мощностей с установкой электролизеров с обожженными анодами на силу тока ЗООкА и выше, а также по интенсификации существующего производства путем увеличения силы тока. С повышением плотности тока увеличивается приход тепла от электроэнергии и возникает необходимость создания условий рационального распределения теплопотерь, обеспечивающих снижение удельного расхода электроэнергии, создания оптимальной формы рабочего пространства, снижения температуры конструктивных элементов катодного кожуха и т.д.
5 Таким образом, актуальным является применение современных подходов к
анализу энергетического состояния мощных электролизеров для получения
алюминия с обожженными анодами.
Цель работы.
Изучение энергетического состояния и оптимизация теплового режима мощных электролизеров с обожженными анодами для улучшения их технико-экономических показателей. Методы исследований.
Исследование энергетического состояния электролизеров проведено с применением математического моделирования при параллельном проведении инструментальных измерений на электролизерах опытно-промышленного участка Уральского алюминиевого завода. Обработка результатов испытаний и моделирование, выполнялись с использованием современных программных комплексов инженерного анализа CAD/CAE систем Autodesk Inventor и ANSYS-Multiphysics. Исследования энергетического состояния проведены по методикам, разработанным для электролизеров с обожженными анодами. Измерения структуры температур: электролита, ликвидуса и перегрева проводились системой «Cry-0-Therm» фирмы «Heraeus Electro-Nite» методом дифференциального термического анализа. Измерение температур теплоотдающих поверхностей производились инфрактрасным пирометром «Termopoint 64+» и контактным термометром с измерительным прибором ТК-5.01. Для оценки достоверности полученных результатов использованы методы статистического анализа.
Научная новизна.
Разработан метод построения трехмерной модели электролизера, совмещающий в себе расчет энергетического состояния электролизера с элементами классической методики.
Разработана методика изучения влияния технологических факторов: анодных эффектов, выливки металла, перестановки анодов, режима работы систем автоматического питания глиноземом, на структуру температур (рабочую, ликвидуса и перегрева) электролита.
Выявлены зависимости изменения рабочей температуры и перегрева от величины напряжения на мощных электролизерах с обожженными анодами.
Выведена эмпирическая формула определения температуры ликвидуса на основе данных о химическом составе криолит-глиноземных расплавов.
Разработан алгоритм и создана компьютерная программа управления энергетическим состоянием мощных электролизеров с обожженными анодами.
Практическая ценность работы.
Компьютерное моделирование электролизера наряду с проведением экспериментальных измерений позволили сопоставить результаты расчетов энергетического состояния при базовой силе тока ЗООкА и при увеличении ее на ЗОкА, наметить пути оптимизации энергетического состояния.
Расчеты с использованием трехмерной математической модели электролизера ОА-300 при увеличении силы тока на 50кА позволили провести исследования энергетического состояния при применении технических решений по «разутеплению» анодного устройства и интенсификации теплоотдачи от катодного кожуха.
Соответствие расчетных и экспериментальных данных позволяет применять методику проведения расчетов методом моделирования для электролизеров других типов и конструкций.
Проведены опытно-промышленные испытания программы управления энергетическим состоянием электролизера ОА-300 при силе тока ЗЗОкА. Получены положительные результаты внедрения.
Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы при разработке технико-экономического обоснования строительства V серии Иркутского алюминиевого завода.
Увеличение силы тока электролизеров ОА-300 на 30-50кА позволяет получить ожидаемый экономический эффект: 157-281 млн. руб в год. Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III и IV региональных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности (г. Иркутск, 2005-2006 г.г.), XII международной конференции «Алюминий Сибири-2006» (г. Красноярск), региональной
7 научно-практической конференции «Перспективы развития технологии, экологии
и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (ИрГТУ,
г. Иркутск, 2007г.), металлургической секции НТС ОАО «СибВАМИ» (г. Иркутск,
2007г.), на заседании кафедры металлургии цветных металлов (ИрГТУ, г. Иркутск,
2007г.)
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 123 источников и трех приложений. Работа изложена на 120 страницах, содержит 55 рисунков и 23 таблиц.
На защиту выносятся.
новый метод построения (параметризация) трехмерной модели
электролизера, совмещающий в себе расчет энергетического состояния электролизера с элементами классической методики.
методика изучения влияния технологических факторов на структуру температур (рабочую, ликвидуса и перегрева) электролизера с обожженными анодами;
эмпирическая формула определения температуры ликвидуса на основе данных о химическом составе криолит-глиноземных расплавов; разработанный алгоритм и созданная компьютерная программа управления энергетическим состоянием электролизера на силу тока 300-ЗЗОкА.
Развитие численного моделирования энергетического состояния электролизера
Углубление фундаментальных знаний о процессе электролиза и бурное развитие микропроцессорной техники в последние годы дало толчок производителям алюминия к разработке различных программ, представляющих в той или иной форме модель физических полей (теплового, электрического, магнитного) электролизера. В настоящее время, как проектирование, так и модернизация действующих электролизеров немыслимы без использования компьютерного моделирования. Это объясняется значительно меньшими материальными затратами и существенной экономией времени при проведении расчетов новых конструктивных решений по сравнению с изготовлением дорогостоящих опытных образцов электролизеров и выполнении на них экспериментов.
Развитие математического моделирования физических полей электролизера происходило в двух направлениях - усложнения модели электролизера при использовании более точных численных методов и совершенствования методик их численного решения. Решению задачи распределения тепла в отечественных электролизерах посвящено большое количество работ. В работе [118] описано применение электроинтеграторов УСМ-1 и ЭИ-12 для расчета теплового и электрического полей в поперечном разрезе электролизера. Для оценки влияния конструктивных и технологических параметров на режим работы электролизера, применялось физическое моделирование. С применением графоаналитического построения теплового поля предложен метод расчета теплопередачи через плоскую стенку произвольной формы. По данным [119] с помощью системы уравнений была разработана математическая модель и с помощью ЭЦВМ «Минск-22» исследовано влияние размеров электролизера, конструктивных и технологических параметров на плотность тока, энергетические характеристики и технико-экономические показатели. Методом графоаналитического построения были исследованы тепловые поля катода и определены зависимости тепловых потерь от степени тепловой изоляции днища и боковых стенок. В работе [120] были изучены процессы образования гарниссажа из расплава действующего электролизера, установлена зависимость времени изменения толщины гарниссажа от температуры перегрева электролита, интенсивности охлаждения, геометрических размеров шахты и степени теплоизоляции стенки. Автором работы [121] был изучен температурный градиент в расплаве и исследован характер изменения температурного поля при различного рода нарушениях теплового равновесия - анодный эффект, технологическая обработка, колебания силы тока и рабочего напряжения.
В работе [122] впервые получены данные по теплофизическим свойствам твердой фазы электролита: корки, гарниссажа, настыли и опытным путем установлены значения и динамика изменения коэффициентов теплопроводности футеровочных материалов в температурном интервале их практического использования.
В работе [39] совместно решались тепловая и электрическая задачи для электролизеров с обожженными анодами в продольном и поперечном сечениях. Для определения ФРП использовали стационарные условия на границе расплав-гарниссаж. Для расчета переноса тепла в электролите и металле применяли эффективную теплопроводность. Полная картина тепловых полей электролизеров с ОА представлена в работах [40] и [26]
В работе [43] граница гарниссажа и настыли (ФРП) с расплавом являлась внешней, на которой задавали условия теплообмена с расплавом, поэтому расчет проводился непосредственно в ограниченной области. В работах [89] и [109] ФРП также являлась внешней границей, но в расчете учитывался и катодный блок. В работе [78] проводился расчет температуры и электрического потенциала для всего сечения электролизера. Следует отметить, что практическая ценность расчетов в перечисленных работах [89, 109, 78] невелика, так как они проводились для абстрактных конструкций и технологических режимов. Во всех работах в основу методики решения поставленной задачи положен численный метод конечных разностей (МКР) с различными комбинациями способов решения линеаризованных систем уравнений. Существенными недостатками этого метода является низкая степень универсальности по отношению к геометрии расчетного объекта и сложность построения расчетной сетки в криволинейных областях (ФРП). Пакеты программ основанные на МКР, не могут быть универсальными т.к. при использовании прямоугольных объектов геометрии не учитываются особенности конструкции электролизера.
В работе [84] решалась тепловая задача с использованием эффективной теплопроводности применительно к электролизерам с обожженными анодами. Было исследовано влияние температур солидуса и ликвидуса электролита на ФРП. Приведены зависимости для определения эффективной теплопроводности. В данной работе применялся численный метод конечных элементов (МКЭ), а в работе [26] для решения схожей задачи - метод граничных элементов (МГЭ). Эти методы обладают высокой степенью универсальности по отношению к изменению геометрии расчетных областей, позволяют учитывать многие конструктивные особенности электролизеров и оперативно переходить от одной конструкции к другой в рамках одного и того же пакета программ [27].
В последнее время за рубежом получили широкое распространение «тяжелые» пакеты типа «ANSYS-Multiphysics». Данный пакет позволяет рассчитывать физические поля электролизера с помощью метода конечных элементов. Выдающимися в данном направлении являются работы француза Marc Dupius и его. компании GeniSim. В работе [53] представлены особенности расчета энергетического баланса электролизера. В работах [55], [54] и [57] представлены тепловые и электрические расчеты трехмерных моделей электролизеров на силу тока 300,400 и 500кА, соответственно.
В России сравнительно недавно были разработаны трехмерные модели электролизеров на основе «ANSYS-Multiphysics». Так, например, в работе [42] на основе сравнения с пакетом «COSMOS» описаны результаты расчетов теплового и электрического состояния электролизеров с ОА.
Построение и параметризация трехмерной математической модели для расчета тепловых и электрических полей электролизера ОА-300
Для решения сформулированных задач (2.1)-(2.5) и (2.6)-(2.10) использовалась вычислительная система «ANSYS». При построении численных моделей в вычислительной среде «ANSYS» [59] применялись файлы-заданий или «макросы». Это текстовые файлы, которые специально разрабатываются для конкретной конструкции и типа задачи с использованием языка команд APDL (APDL stands for ANSYS Parametric Design Language) и Fortran-подобного языка программирования, которые включают в себя соответствующие команды, операторы и функции. Файлы-заданий содержат информацию о геометрии модели, свойствах материалов, задание на расчет и т.д.
При разработке файла-задания для создания трехмерной модели электрического поля ХА алюминиевых электролизеров использовалась постановка (2.1)-(2.5), методика расчета электробаланса и токораспределение по элементам катодного и анодного узлов. Геометрические характеристики элементов модели на рис. 1.1. принимались по рабочим чертежам электролизера ОА-300, удельное электрическое сопротивление (УЭС) материалов электролизера бралось из сертификатов производителей материалов и справочников [38], а контактных электрических сопротивлений из [96]. Электропроводность электролита рассчитывалась исходя из его химического состава и температуре процесса с помощью зависимостей, приведенных в [51]. Исходные данные файла-задания для расчета электрического поля включают в себя: геометрические характеристики электролизера, параметры формы рабочего пространства (ФРП), межполюсного расстояния (МПР), уровни металла и электролита; УЭС электропроводных элементов конструкции электролизера и данные по значениям контактных электрических сопротивлений; задание на расчет поля электрического потенциала, электробаланса электролизера, распределения тока и его плотности по элементам конструкции.
Адаптация или настройка численной модели проводится по экспериментальным измеренным данным: рабочему напряжению (Ц,), падению напряжения в подине (АС/П0Д) и анодном массиве (At/an) путем варьирования межполюсного расстояния (МПР), формы рабочего пространства (ФРП) и значениями контактных электрических сопротивлений в пределах их погрешности определения.
При разработке файла-задания для трехмерной модели теплового поля Ул алюминиевого электролизера применялась постановка (2.6)-(2.10) и методика расчета тепловых потерь и энергобаланса на температуру окружающей среды. Теплопроводность материалов электролизера бралась из сертификатов производителей материалов и справочных данных. Исходные данные и задание на расчет теплового поля файла-задания включают в себя: геометрические характеристики электролизера, технологические параметры; данные расчета электробаланса; теплопроводность материалов элементов конструкции электролизера, данные по температуре ликвидуса электролита; задание на расчет стационарного Г-поля электролизера, параметров ФРП и температуры электролита пространства борт-анод, тепловых потерь и энергобаланса на температуру окружающей среды.
Адаптация численной модели проводилась по экспериментальным данным рабочему напряжению, ФРП, МПР, данным по температурам конструктивных элементов), МПР, теплопроводности материалов катодной футеровки с учетом их пропитки расплавами. На базе вышеописанной методики была выполнена разработка макросов параметрической 3-х мерной численной модели для расчета поля электрического потенциала электролизера ОА-300. При разработке численной модели tZ-поля геометрические и технологические параметры эксплуатации выбирались специалистами СибВАМИ как для действующего электролизера. На первом этапе производилась построение конструкции катодного кожуха, футеровки и анодного устройства включая спуски и катодную ошиновку, а также «склеивание» объемов конструкции катода. Результат выполнения данного этапа представлен на рис. 2.2. После этого выполнялось присвоение номеров материалов для элементов конструкции электролизера (группировка объемов). Результат выполнения данного этапа представлен на рис. 2.3(a). Далее производилась выделение и группировка поверхностей для задания граничных условий на поверхностях контакта с окружающей средой и на поверхностях контактных взаимодействий, состоящих из 3 групп: металл - подина; настыль и гарниссаж - периферийный шов и бортовые блоки; обечайка - каркас шпангоутов катодного кожуха. Результат выполнения данного этапа в части контактных взаимодействий представлен на рис. 2.3(6, в). Последним этапом создания модели является построение расчетной сетки численной модели. Результат выполнения данного этапа представлен на рис. 2.3(г); Для параметризации модели с целью оперативного изменения количества токоведущих конструктивных элементов (подовые блоки и анодное устройство) были разработаны следующие варианты численных моделей ОА-300 (рис. 2.4): - четное количество подовых блоков и анодов на стороне электролизера; - нечетное количество подовых блоков и анодов на стороне электролизера; - одинаковая и различная высота анодов (может использоваться для выбора схемы расстановки анодов).
Исследование влияния изменения рабочего напряжения электролизера на структуру температур электролита
Результаты сопоставления расчетных параметров электрических и тепловых полей на основе численной модели электролизера с экспериментальными данными показывают высокую степень соответствия. Практически все расчетные значения падения напряжения и температур лежат либо в пределах, либо близки к погрешности измерения экспериментальных данных.
Предварительные расчеты теплового состояния электролизера ОА-3000 при силе тока ЗЗОкА показали, что при силе тока ЗЗОкА происходит значительное увеличение температур конструктивных элементов катодного кожуха электролизера. Для устранения возможных негативных последствий были проведены мероприятия по увеличению объемов газоотсоса. Целесообразность увеличения теплопотерь анодным устройством обоснована снижением температуры в огнеупорной и теплоизоляционной частях футеровки, смещению изотермы солидус в сторону расплава для препятствия проникновения в футеровку, снизит термическую нагрузку на подовые блоки и уменьшит электросопротивление в блюмсах.
Имеются дополнительные резервы по оптимизации энергетического состояния электролизеров ОА-300 при силе тока 350кА. К ним относятся:
Возможность большего снижения МПР ванны при соответствующем изменении химического состава электролита с целью снижения удельного расхода электроэнергии, оптимизации ФРП и минимизации теплопотерь. Данное мероприятие возможно может ограничиваться усилением вредного воздействия магнитогидродинамических (МГД) явлений, которые увеличивают минимально возможное МПР.
Комплекс мероприятий по интенсификации теплоотвода анодным устройством. При «разутеплении» анодного массива наибольшую эффективность могут иметь технические решения, совмещающие в себе следующие мероприятия: изменение грансостава глиноземной засыпки анодов с целью увеличения эффективной теплопроводности слоя, уменьшение слоя глинозема на анодах, применение большего диаметра ниппелей (180мм) или увеличение их количества до 4-х. Совместное применение таких технических решений с одной стороны обеспечивают значительное увеличение теплоотвода с анодного массива, а с другой стороны - уменьшают электрическую нагрузку на аноды (снижают величину плотности внутреннего источника теплоты в анодах). Следует также отметить, что при повышении силы тока интенсификация теплоотвода анодного массива может практически полностью минимизировать увеличение тепловой нагрузки на бортовую футеровку и, таким образом обеспечить достаточно надежный бортовой гарниссаж.
Применение принудительного охлаждения среднего и верхнего поясов катодного кожуха путем обдува сжатым воздухом положительно сказывается на температуре обечайки кожуха и необходимой толщине гарниссажа. Из предыдущих двух заключений следует, что при повышении токовой нагрузки на электролизере для минимизации последствий воздействия избыточной тепловой нагрузки на ванну целесообразно применение мероприятий по интенсификации теплоотдачи как анодным массивом, так и катодным кожухом.
Моделирование является эффективным инструментом совершенствования конструкции алюминиевого электролизера. Применение численного моделирования электролизера позволяет изучать прямые и косвенные последствия изменения энергетического режима от вариации любого параметра (силы тока, МПР, химического состава электролита) и рассматривать влияние каждого фактора в отдельности. Представленные численные модели электрического и теплового состояния можно применять для предварительного сопоставительного анализа эффективности конструкций катодных футеровок алюминиевых электролизеров ОА-300 при ступенчатом повышении силы тока.
Целью данной работы являлось определение оптимальных параметров ведения технологии электролиза по структуре температур электролита с целью дальнейшего применения данной технологии на электролизерах ОА-300. Автором данной работы совместно со специалистом бельгийской фирмы «Heraeus Electro-Nite» Питером Уайтом (Peter White) была разработана программа проведения серии замеров с целью оценки степени влияния различных технологических факторов. 1) Влияние алгоритма управления работой АПГ: Целью данного эксперимента было отследить по времени влияние режима ввода глинозёма на температуру ванны, температуру ликвидус и перегрев ванны в течение нескольких циклов работы АПГ. Для проведения эксперимента были выбраны два электролизера с минимальным влиянием вторичных факторов (выливка, перестановка анодов, анодные эффекты). Замеры температуры ликвидуса производились в выливном отверстии электролизера каждые 20 минут, в течение 5 часов. 2) Влияние изменения рабочего напряжения на электролизере: , Эксперимент проводился на четырех электролизерах с наиболее стабильным режимом работы. Изменение рабочего напряжения электролизера проводилось в два этапа - с понижением уставочного напряжения через систему АСУТП и его повышением. Шаги изменения уставочного напряжения выбирались с учетом возможного возникновения волнения металла на ваннах, согласно данным, представленным в табл. 3.1.
Проверка адекватности определения температуры ликвидуса за период испытаний на ОА-300
Целью проведения исследования, являлось определение степени влияния выливки металла, на структуру температур электролита, а также время, которое требуется электролизеру для возвращения к стабильному тепловому состоянию. На рис. 3.15 и 3.18 представлены результаты измерений структуры температур при проведении операции «выливка металла».
В ходе проведения замеров было определено, что по прошествии 2-х часов после выполнения операции характерной тенденции изменения температур не наблюдается и электролизер, при отсутствии влияния других факторов, находится в исходном состоянии.
В системе АСУ ТП «Тролль» заложен алгоритм увеличения напряжения при выливке. По результатам эксперимента было рекомендовано данный алгоритм отключить, по причине того, что выливка не оказывает существенного влияния на тепловой баланс электролизера и, в частности, на структуру температур электролита.
Для электролизеров с ОА была разработана методика для проведения исследований влияния технологических факторов на структуру температур (электролита, ликвидуса и перегрева) электролита.
Исследования проводились на ОА-300 по следующим технологическим факторам: влияние алгоритма управления работой АПГ; влияние изменения напряжения; влияние замены анода, влияние выливки металла и влияние анодного эффекта. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Было установлено, что электролизеры имеют достаточный запас тепловой стабильности. При отработанном алгоритме смены уставок АПГ электролизер за период проведения измерений имеет низкие пределы колебаний величины перегрева (обычный уровень - 5+6С); 2. Выведены уравнения описывающие динамику изменения температуры ликвидус и перегрева при изменении величины уставочного напряжения (AUyCT): 3. Определено, что при увеличении напряжения на 100 мВ температура электролита повышается на 7,9С, величина перегрева повышается на 5,14С, согласно определенным закономерностям: Тэл.та = 0,0792 AU; Tsh = 0,0514 AU. 4. Определено, что при снижении напряжения на 100 мВ температура электролита (Тэл.та) снижается на 9,2С, величина перегрева (TSh) снижается на 3,5С, согласно определенным закономерностям: Тэл-та = 0,0924 AUyCT; Tsh =0,035 AUycT. 5. Установлено, что в зависимости от различных технологических факторов, время, которое требуется электролизеру для возвращения температур к первоначальному уровню, может составлять от 2 до 5 часов. Установлено, что замена анодов в большей степени влияет на снижение температуры ликвидус, чем на рабочую температуру, что объясняется компенсацией потерь тепла за счет вольт-добавки к уставочному напряжению. 6. Установлено, что время от начала выполнения операции «выливка металла» до возращения температуры электролита в исходное состояние составляет от 1,5 до 4 часа. При этом изменение температуры электролита незначительно, поэтому увеличение напряжения при выливке не требуется. Ъ Установлено, что при возникновении анодного эффекта температура электролита восстанавливается за 2,5 - 3 часа, температура ликвидус за 0,5 - 1,5 часа в зависимости от исходного перегрева электролита. 8. Было определено, что время между операцией «замена анодов» и проведением измерения перегрева электролита зондом «Cry-0herm», должно составлять не менее 8 часов. Замеры должны проходить не ранее 3 часов после возникновения анодного эффекта, либо операции «выливка металла». С целью дальнейшей интенсификации процесса и поддержании оптимального энергетического режима было принято решение о разработке и внедрении технологии управления энергетическим режимом электролизеров по структуре температур (электролита, ликвидуса и перегреву). На Уральском алюминиевом заводе анализ проб электролита проводится прибором ARL9800 ТАХА. Оперативность и точность такого метода контроля позволила ежедневно, параллельно измерениям температуры ликвидуса зондом «Cry-0herm», отбирать пробы электролита с целью анализа химического состава. Для выведения формулы использовались более 1000 анализов проб электролита, которые отбирались совместно с определением рабочей температуры электролита, температуры ликвидус и перегрева, с помощью зондов «Сгу-Оherm». С целью построения корреляционных зависимостей использовалось изучение влияния криолитового отношения, выражающего величину мольного отношения фторида натрия к фториду алюминия (в зарубежной практике - избыток A1F3 (%)), концентрации MgF2 и CaF2. Дополнительный анализ показал, что концентрация фторида лития, попадающего в электролит с сырьем, величина условно постоянная и составляет в среднем по ваннам 0,59% (табл. 4.1).
