Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в проектах новых заводов по производству первичного алюминия сохраняется устойчивая тенденция использования в качестве основного агрегата – электролизера с предварительно обожженными анодами (ОА). Проработка альтернативных способов, отличных от традиционной технологии Эру-Холла, не дает обнадеживающих результатов. Обеспечение ресурсосберегающего производства первичного алюминия на сверхмощных электролизерах (силой тока более 300 кА) во всем многообразии условий ведения технологии является одной из актуальных проблем развития алюминиевой промышленности.
Для повышения экологической безопасности предприятий необходимо решение вопросов, связанных с уменьшением выбросов перфторуглеродов за счет снижения количества анодных эффектов, а также переработки отходов футеровки катодного устройства электролизеров.
Исследования по теории и технологии электролитического получения алюминия представлены в трудах российских и зарубежных ученых: П.П. Федотьева, Ю.В. Баймакова, М.М. Ветюкова, А.А. Костюкова, А.М. Цыплакова, И.П. Гупало, Ю.В. Борисоглебского, Н.А. Калужского, П.В. Полякова, В.М. Сизякова, М.Я. Минциса, В.А. Крюковского, A. Tabereaux, W. Haupin, J. Thonstad, H. Kvande, К. Grjotheim, B.J. Welch, H. Оye, G. Holmes.
Анализ современного состояния изученности проблемы показывает, что недостаточно выполнены системные исследования по оценке значимости основных технико-экономических показателей для высокоамперных электролизеров, поскольку на предприятиях России технологию, которая бы соответствовала мировым стандартам алюминиевой промышленности, начали внедрять только с 2003 года.
На сверхмощных электролизерах с обожженными анодами отечественных конструкций С-255, РА-300, РА-400, ОА-300М, достигнуты показатели выхода по току 93,5-94,0% при расходе электроэнергии 13300-13500 кВтч/т. Аналогичные зарубежные модели электролизеров (АР-35, SY-350, DX-350, NEUI-500) имеют выход по току 95,0% и расход электроэнергии 12200-13000 кВтч/т при более низких значениях расхода сырья и материалов.
Исследование выполнено в рамках отраслевых программ и входит в перечень важнейших инновационных и научно-исследовательских разработок в соответствии со «Стратегией развития металлургической промышленности Российской Федерации в срок до 2015 года», утвержденной приказом Минпромэнерго России от 29 мая 2007 г. № 177. Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры» на 2009-2013 годы по Государственным контрактам № П1187 и № 16.740.11.0507.
Актуальной проблемой алюминиевой промышленности в России и за рубежом является разработка технологии и способов конструирования электролизеров с высокой амперной нагрузкой на основе современных представлений тепло- и массопереноса в криолит-глиноземных расплавах, с применением методов математического моделирования магнитных полей, а также использования электролитов с низким криолитовым отношением (КО), высокоуправляемых систем автоматизированного питания глиноземом (АПГ) для работы электролизеров с максимальными технико-экономическими показателями (ТЭП).
Цель работы. Научное обоснование и разработка технологических и технических решений, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат в производстве алюминия в высокоамперных электролизерах.
Идея работы. Рациональное ресурсосбережение для высокоамперных электролизеров достигается при высоких скоростях растворения глинозема и его смесей в кислых электролитах, высоком уровне контроля технологических параметров, уменьшении влияния магнитного поля на металл и рециклинге катодной футеровки.
Задачи исследования:
– выбор приоритетных направлений ресурсосбережения для высокоамперных алюминиевых электролизеров;
– разработка алгоритмов питания электролизеров глиноземом, фторидами и смесями для снижения их удельного расхода;
– обоснование граничных значений основных технологических параметров для мониторинга процесса при помощи автоматизированной системы питания глиноземом;
– изучение кинетики взаимодействия фторидных соединений и глинозема в межэлектродном пространстве в изменяющихся магнитодинамических условиях;
– разработка рациональной магнитодинамической модели сверхмощного электролизера;
– разработка технических решений для устойчивой эксплуатации катодного устройства мощного электролизера;
– разработка технологии переработки твердых техногенных отходов катодной футеровки.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Снижение потерь металлургического глинозема на 10-15 кг/т Al и повышение скорости его растворения на 15% достигается дискретной подачей глинозема и фторидов в электролит при контроле и управлении технологическим процессом при помощи рабочих органов автоматизированных систем питания сверхмощного электролизера.
2. Физико-химические свойства электролита и состав ионных комплексов стабилизируются при минимальном уровне концентрации глинозема 1,8-2,5% и криолитовом отношении, равном 2,25-2,35, в сочетании с содержанием добавок фторидов кальция и магния 5,5-6,5%, что уменьшает их удельный расход и снижает негативное экологическое воздействие на окружающую среду.
3. Магнитодинамическая стабильность высокоамперных электролизеров достигается уменьшением влияния Bx – продольной горизонтальной и Bz – вертикальной компонент индукции магнитного поля на 5-15 Гс и обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии на 150-200 кВтч/тAl и увеличение выхода по току на 0,7 % при использовании асимметричной серийной ошиновки с эквипотенциальными узлами.
4. Снижение удельного расхода фторидов алюминия и кальция на 10-15% обеспечивается при реализации технических решений по повышению стойкости материалов катодного устройства и пирометаллургической переработке техногенных отходов отработанной футеровки в реверсивных барабанных печах с использованием катализаторов и регулированием подачи кислорода.
Научная новизна работы:
– экспериментально доказано, что при доставке глинозема в электролит на всех участках транспортирования происходит ухудшение его свойств, которое связано с увеличением содержания глиноземной пыли (>15% фракции «-45 мкм») и адсорбированной влаги >1,0%;
– установлены зависимости кинетики растворения глинозема в кислых электролитах в условиях повышенной динамики расплава высокоамперного электролиза 12-18 см/с и определен допустимый минимальный уровень содержания глинозема 1,8-2,5%;
– обоснованы принципы диагностики технологического состояния мощного электролизера и разработаны компьютерные программы для управления процессом по граничным условиям основных параметров (температура электролита 948-955оС, криолитовое отношение 2,25-2,35, уровень металла 18-20 см и электролита 20-22 см) (свидетельства программ для ЭВМ №2011615779 и №2007611221);
– экспериментально доказано, что в условиях высокоамперного электролиза при максимальной скорости электролита 20-24 см/с температура перегрева расплава уменьшается на 5-8 С;
– экспериментально установлены рациональные значения координационных чисел оксифторидных комплексов (Al2OF62- и Al2O2F42-) в прианодном слое при изучении скорости растворения Al2O3 от величины криолитового отношения в различных динамических условиях;
– экспериментально определен состав расплава при послойном исследовании электролита (патент РФ №2010134131) и установлено соответствие концентрационных полей растворенного глинозема профилю горизонтальных магнитных полей по Ву – направляющей для высокоамперного электролизера;
– изучена диффузионная природа лимитирующей стадии образования ионных групп AlF4- , F-, AlF63- на границе «металл-электролит» при переизбытке фторида алюминия AlF3 (12-15%) и повышенном содержании фторида кальция СaF2 (5,5-6,5%);
– определены факторы, лимитирующие влияние магнито-динамических процессов на катодный металл в условиях повышенной амперной нагрузки;
– установлен механизм физико-химических процессов во время эксплуатации катодной футеровки высокоамперного электролизера.
Практическая значимость и реализация работы:
– внедрена система оптимизации автоматизированного питания АПГ фирмы Bosch Rexroth на алюминиевом заводе Cubal (Швеция). Разработан и внедрен алгоритм питания электролизеров глиноземом, смесями фторидов и глиноземом газоочисток;
– разработана технология «без анодных эффектов» на ОАО «Красноярский алюминиевый завод» в 9 и 10 корпусах электролиза, обеспечившая снижение коэффициента анодных эффектов до 0,08 шт./сут., а также уменьшение выбросов перфторуглеродов на 30%;
– реализовано в производстве управление мощными электролизерами с помощью интегрированных систем автоматического питания, осуществляющих мониторинг технологических параметров через изолированный питатель;
– асимметричная ошиновка принята к эксплуатации в корпусах с электролизерами РА-300Б Богучанского алюминиевого завода (Красноярский край);
– разработана и опробована технология пирометаллургической переработки твердых отходов катодной футеровки электролизеров.
Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы для алюминиевого завода мощностью 500 тыс.т Al в год составляет 106 млн. руб. Выход по току составляет 94,5-95,0 %, количество пылевыбросов сокращается на 12-15%, срок службы электролизеров увеличивается на 450-500 дней.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты работы используются в учебном процессе в СПГГУ при чтении дисциплин «Металлургия легких металлов», специального курса «Металлургия алюминия», а также при написании учебных пособий.
Личный вклад автора заключается в научном обобщении результатов исследований и практической эксплуатации электролизеров большой мощности для производства алюминия. Автором сформулированы цели и задачи, определяющие направления развития ресурсосберегающих технологий в производстве первичного алюминия. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, получены положительные результаты опытно-промышленных испытаний, которые отражены в публикациях научных изданий и докладах на международных конгрессах и конференциях.
Методика исследований. В работе использованы современные методы химических и физико-химических анализов: спектральный, рентгенофазовый (РФА), рентгеноспектральный (РСА), дифференциально-термический анализ (ДТА), фракционный, спектрофотометрический, электронной и инфракрасной спектроскопии. Для теоретических обобщений использовались современные методы статистического и математического анализа при помощи компьютерных программ Statisticа, MathCAD, MATLAB.
Изучение гранулометрического состава проведено при помощи лазерного анализатора Horiba LА-950 (Япония). Структурное исследование осуществлялось методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе JSM-6460 LV (JEOL, Япония) с аналитической приставкой INCA (Oxford, Великобритания). Определение элементного и фазового составов образцов расплава проводилось на дифрактометре ДИФРЕЙ-402 (ЗАО «Научные приборы» (г. Санкт-Петербург)) и на автоматизированном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-6000 (Япония), с использованием информационно-поисковой системы рентгенофазовой идентификации материалов в СФУ (г. Красноярск). Содержание растворимых фторидов и цианидов в твердом остатке анализировали через ICS измерения, а отходящие газы с помощью масс-спектрометра Pfieffer Vacuum Termostar GSD301T3 (Германия).
Экспериментальные исследования выполнялись на лабораторном электролизере кафедры Металлургии цветных металлов СПГГУ, а также в опытно-промышленном масштабе на высокоамперных электролизерах ОК РУСАЛ (ОА-300М1, РА-300).
Достоверность полученных результатов, научных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием полученных результатов теории и практики высокоамперного электролиза алюминия. Применение высокотехнологичного аналитического оборудования, современных методов исследования и обработки статических данных с применением стандартных и специальных программных пакетов обеспечило внедрение ресурсосберегающих технологий для проекта «Богучанский алюминиевый завод». Результаты исследований использованы в рекомендациях для технического применения на предприятиях ОК РУСАЛ.
Результаты диссертации в полной мере освещены в 49 печатных работах, из них 1 монография, 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 патентов и 2 свидетельства на компьютерную программу, 7 статей и 18 тезисов докладов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: Международная научно-практическая конференция «Составляющие научно-технического прогресса». 22-23 апреля 2005 г., г. Тамбов; Ежегодная Международная конференция огнеупорщиков и металлургов. 15-16 марта 2007 г., г. Москва; Х МНПК «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии». 20-22 мая 2008 г. СПб.; 58 Berg- und Httenmnnischer Tag. Innovation in Geoscience, Geoengineering and Metallurgy. Technische Universitt Bergakademie Freiberg. Freiberger Forschungshefte. 2010; I Международный научно-технический конгресс «Энергетика в глобальном мире». 12-15 июня 2010 г., г. Красноярск; II и III Международный конгресс «Цветные металлы - 2010». 2-5 сентября. 2010 г., г. Красноярск; Международная научно-практическая конференция «ТЕХГОРМЕТ-21 век». 11-12 ноября 2010 г., Санкт-Петербург; Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» 21-22 апреля 2011 г., г.Иркутск; V Международная научно-практическая конференция «Перспективы применения инновационных технологий» 13-15 октября 2011 г., Таджикистан; Международная научно-практическая конференция «XL НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ». 24-26 ноября 2011 г., СПб.
Работа выполнена в рамках ведущей научной школы СПГГУ профессора В.М. Сизякова «Комплексная переработка сырья цветных, благородных и редких металлов».
Объем и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, 4-х приложений, списка литературы из 259 наименований. Общий объем работы – 327 страниц, в том числе 109 таблиц, 83 рисунка.
