Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих конструкций электролизёров с верхним токоподводом и выбор направления модернизации действующего производства 12
1.1. Анализ конструкций основных типов катодных кожухов для производства алюминия 16
1.2. Применение различных футеровочных материалов и влияние их свойств на работу электролизёра в целом 26
1.3. Требования к выбору схемы ошиновки электролизёров с верхним токоподводом 31
1.4. Требования, предъявляемые к конструкциям катодных устройств 33
1.5. Анализ существующей схемы опирання катодных устройств на строительные конструкции двухэтажных корпусов электролиза 35
1.6. Пути модернизации и связанные с ними изменения в конструкции электролизёров с верхним токоподводом 37
Глава 2. Конструктивные особенности опытных электролизёров на силу тока 170кА и 175кА 42
2.1. Моделирование схемы и определение конструкций ошиновки опытных электролизёров 49
2.2. Анодное устройство опытных электролизёров 54
2.3. Система автоматической подачи глинозёма и автоматическая система управления технологическим процессом опытных электролизёров 55
2.4. Катодные кожуха опытных электролизёров 58
2.5. Особенности конструкции футеровки опытных электролизеров и её отличия от футеровки серийных электролизёров 62
2.6. Схема установки катодных устройств и плит перекрытий шинных проёмов опытных электролизёров 68
2.7. Разработка технических средств для обслуживания электролизёров Содерберга с учётом их работы на «сухой» анодной массе 70
Глава 3. Промышленные испытания опытных электролизёров на силу тока 170кА и 175кА и бункера с объёмным дозатором для точной загрузки подштыревой массы 75
3.1. Особенности сборки и монтажа опытных электролизёров 78
3.2. Обжиг и пуск опытных электролизёров 80
3.3. Послепусковой период опытных электролизёров 89
3.4. Энергетический и тепловой балансы опытных электролизёров 95
3.5. Результаты эксплуатации опытных электролизёров на силу тока170кАи175кА 103
3.6. Промышленные испытания бункера с дозатором для точной загрузки подштыревой анодной массы 116
Выводы 118
Литература 121
- Применение различных футеровочных материалов и влияние их свойств на работу электролизёра в целом
- Пути модернизации и связанные с ними изменения в конструкции электролизёров с верхним токоподводом
- Особенности конструкции футеровки опытных электролизеров и её отличия от футеровки серийных электролизёров
- Результаты эксплуатации опытных электролизёров на силу тока170кАи175кА
Введение к работе
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 электролизёров;
второй - 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 материалов;
третий - 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 стояков; на 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 создан дозатор. На данную конструкцию был получен патент Российской Федерации №38765.
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 на 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 на 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, 2000г. и 2006г.), международной конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности (С-Петербург, 2000г.), международной конференции «Алюминиевая промышленность России и мира в XXI веке». (Иркутск. 2000г.), «III, IV и V республиканской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов алюминиевой и электродной промышленности» (Иркутск, 2005г., 2006г. и 2007г.), XI научно-практической конференции «Алюминий Урала - 2006» (Краснотурьинск 2006г.), металлургической секции НТС ОАО «СибВАМИ» (Иркутск, 2007г.), на заседании кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ (Иркутск, 2007г.).
На защиту выносятся:
Особенности конструкции опытных электролизёров, позволяющие достичь выхода по току 90% и более, при работе на повышенной силе тока.
Новая схема опирання 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.
Применение различных футеровочных материалов и влияние их свойств на работу электролизёра в целом
Срок службы катодных устройств, а также технико-экономические показатели всего электролизёра, в значительной степени зависят не только от ведения технологии электролиза и конструкции катодного кожуха, но и от выполнения монтажа футеровки, её конструкции и качества применяемых огнеупорных материалов [25,26 - 31,32, 33].
Катодное устройство алюминиевого электролизёра предназначено для создания условий необходимых для протекания процесса электролиза в криолит-глинозёмном расплаве.
Поскольку процесс электролиза протекает в весьма агрессивной среде при температуре 950—1000С, катодное устройство должно быть устойчиво к воздействию расплавленных фтористых солей, обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, чтобы до минимума сократить потери тепла, быть электропроводным в зоне протекания процесса и иметь надежную изоляцию во избежание утечек тока. Поэтому в настоящее время активно ведётся поиск химически и термостойких материалов непроницаемых для расплава алюминия и фтористых солей [34].
При длительном воздействии высокой температуры и агрессивной среды криолит-глиноземного расплава на материалы футеровки, особенно в пусковой период, в процессе эксплуатации электролизера происходит существенное изменение их физико-механических свойств [35, 36, 37, 38,39].
Электропроводность и теплопроводность подовых и бортовых блоков может изменяться в несколько раз, а прочность снижаться до 50% и более, при этом коэффициент термического линейного расширения может возрастать в 3-5 раз.
Огнеупорные и теплоизоляционные кирпичи, вследствие пропитки компонентами расплава, могут превращаться в монолит с одновременным увеличением плотности и теплопроводности. Изменение теплопроводности кирпичей существенно зависит от их расположения в катодном устройстве. Обычно, для защиты теплоизоляционных слоев от проникания фторсолей, непосредственно под катодными блоками, располагают высокоплотные огнеупорные кирпичи (2-3 ряда), а ниже их укладывают 2-3 теплоизоляционных слоя [40,41]. Теплопроводность шамота и пенодиатомита из центральной части цоколя заметно увеличивается со сроком службы, особенно при высоких температурах. Подовая масса, из-за воздействия высоких температур, из низко электропроводного материала с прочностью близкой нулю становится электропроводным с прочностью близкой подовым блокам, хотя прочность может уменьшаться из-за качества массы. Увеличение электропроводности и теплопроводности материалов, вследствие пропитки составляющими расплава футеровки, приводит к изменению теплового и электрического полей, в результате настыль «заходит» под проекцию анода, что приводит к необходимости увеличения межполюсного расстояния, наблюдается увеличение рабочего напряжения и рост температуры днища, а также расход электроэнергии [42]. Термическое расширение подовых блоков способствует нарушению целостности подины и образованию трещин. Увеличение объёма цоколя при взаимодействии с расплавом и проникновении в материалы цоколя фтористых солей является главной причиной большого подъема подины, разрушения её вдоль оси электролизёра и выхода его из строя [43]. Поэтому необходимо в конструкции футеровки опытных электролизёров предусмотреть наличие компенсирующих слоев, нейтрализующее негативное влияние данного процесса. Уменьшение прочности теплоизоляции является причиной изгиба подины вниз и образования трещин в подовых блоках. Но есть и положительные моменты: - увеличение теплопроводности угольных бортовых блоков способствует увеличению толщины защитного гарнисажа, возможности повышения силы тока или межполюсного расстояния; - уменьшение удельного электрического сопротивления подовых блоков способствует снижению напряжения в подине, снижению тепловыделения и возможности повышения силы тока или межполюсного расстояния; - уменьшение модуля упругости подовых блоков в 2-3 раза способствует сохранению целостности подины, особенно при изгибе, как следствие уменьшению деформаций катодного кожуха [44]. Для защиты и уменьшения вредного влияния агрессивных компонентов расплава на теплоизоляционную часть цоколя футеровки, применяют различные барьерные материалы. Их изучению, применению и поведению при контакте с электролитом посвящено много научных трудов [45-50]. Барьерные материалы располагают непосредственно под катодными блоками, роль этих материалов особенно велика при использовании катодных блоков низкого качества, через которые могут проникать как газообразные, так и жидкие реагенты расплава.
Существующие барьерные материалы, применяемые в футеровке алюминиевых электролизёров, условно можно разделить на три типа.
Первый - формованные материалы (кирпичи и плиты). Они имеют высокую криолитоустойчивость, кладка из них способна компенсировать температурные и механические деформации. Основным же недостатком применения в футеровке электролизеров формованных материалов является наличие швов при кладке, наблюдается тенденция увеличения их размеров.
Поэтому технология с использованием формованных изделий характеризуется высокой энергоемкостью и трудозатратами, необходимостью минимизации межкирпичных швов за счёт дорогостоящей обработки контактных поверхностей и увеличения размеров изделий. Последнее приводит к необходимости применения специальных технологий для укладки тяжеловесных крупногабаритных плит. Всё это увеличивает затраты на футеровочные работы и заставляет искать другие варианты без указанных недостатков.
Второй тип - огнеупорные бетоны различных химических составов. Свойства огнеупорных бетонов изучены достаточно хорошо различными авторами [50, 51, 52]. Они характеризуются низкой газопроницаемостью, из-за их мелкопористой структуры (размеры пор 2-5 мкм), что способствует замедлению процесса проникновения расплавленных солей в нижние слои футеровки.
Часто наполнителем для огнеупорных бетонов выступает А120з. Авторами [50, 51] установлено, что по мере роста содержания в бетоне глинозёма растет и их пропитка составляющими расплава. Поиск оптимального химического состава огнеупорных бетонов приводит к созданию новых бетонов, например керамических, на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий, где в качестве наполнителя применяется карбид кремния. Такой бетон имеет высокую стойкость к фтористым солям, парам натрия и расплавленному алюминию, а также не требует сложного режима термообработки (только просушка при температуре 110-120С) и может поставляться в виде готовых к употреблению суспензий с длительным сроком применения. Существуют две основных технологии применения огнеупорных бетонов.
Первая - в виде отдельных заранее сформованных плит. Такая технология довольно дорога, к тому же она предполагает наличие швов между плит, при этом задача блокирования паровой фазы не решается в полной мере.
Пути модернизации и связанные с ними изменения в конструкции электролизёров с верхним токоподводом
В последнее время наблюдается снижение мировых цен на алюминий и алюминиевую продукцию и одновременное повышение цен на электрическую энергию, поэтому заводы, на которых используется устаревшая технология с низкими технико-экономическими показателями или высокими издержками производства закрываются.
Например компания Kaiser Aluminium Corp., третий по величине производитель алюминия в США с 2002 года проходит процедуру банкротства. Крупнейшие мировые компании-производители алюминия Alcoa и Alcan, большая часть заводов которых расположена в Северной Америке, отмечали снижение прибыли в 2001 и 2002 годах.
В связи с этим появились тенденции объединения и укрупения компаний с целью перераспределения энергетических и сырьевых ресурсов, уменьшения издержек производства и повышения конкуренции с другими компаниями. Примерами такого объединения может служить покупка в 2002 году норвежской компанией Norsk Hydro немецкой компании VAW Aluminium с образованием крупнейшей в Европе компании Hydro Aluminium. В 2003 году покупка компанией Alcan французской Pechiney и недавнее объединение в начале 2007 года двух российских компаний СУАЛ и РУСАЛ.
Кроме этого, значительно возросла конкуренция со стороны развивающихся алюминиевых производств Китая, Индии, Бразилии, ЮАР. Поэтому крупные компании переорганизовывают действующее производство с целью получения максимальной прибыли с минимальными затратами. Всё это способствует поиску новых технологий и оптимальной конструкции электролизёров, позволяющей работать с высокими технико-экономическими и экологическими показателями.
Ведущие производители алюминия во всём мире тратят значительные средства на модернизацию существующих и создание новых конструкций электролизёров. По уточненным данным авторов [5] мировое производство алюминия в зависимости от типа применяемых электролизёров представлено в таблице 1.1.
Из таблицы 1.1. видно, что за рубежом основную долю производственных мощностей составляют заводы с технологией предварительно обожжённых анодов, а в России заводы использующие технологию Содерберга.
Отечественная алюминиевая промышленность за 75-летний период стала одной из основных отраслей народного хозяйства, во многом определяющей уровень промышленного развития страны в целом [1,2].
Проведённый анализ конкурентоспособности [3] технологии производства алюминия использующей электролизёры Содерберга по сравнению с технологией обожжённых анодов показал, что технология Содерберга, при условии модернизации оборудования [68] и установления экономически обоснованных цен на электроэнергию для крупных потребителей алюминиевой промышленности России, может успешно конкурировать с ОА по крайней мере ещё ближайшие 50 лет.
Примером этому может служить предложенная авторами [69] новая конструкция электролизера с боковым токоподводом, хотя считается, что её трудно модернизировать.
Стоит отметить, что проводились работы по интенсификации процесса электролиза на существующих конструкциях электролизёров С-8БМ (проектная сила тока 155кА) на Братском алюминиевом заводе путём повышения силы тока [70, 71]. По данным авторов [72] была увеличена сила тока на 7,5кА, при этом электролизёры работали нестабильно. За период нормальной эксплуатации (около 6 месяцев) был достигнут выход по току 85,3%, при этом срок службы электролизёров был ниже чем у серийных. При интенсификации процесса электролиза путём повышения силы тока на электролизёрах С-8БМ, авторами [73] рекомендована работа на уменьшенном межполюсном расстоянии с внесением изменений в конструкцию катодного кожуха, основанное на дополнительном оребрении и изменении конструкции бортовой футеровки, с целью её разутепления при помощи использования карбидкремниевых блоков толщиной 70мм вместо углеграфитовых толщиной 200мм.
Это ещё раз подчеркивает, что выбор направления исследований данной работы является актуальным. И поиск путей модернизации конструкции электролизёров с верхним токоподводом, отвечающих современным требованиям технологии получения алюминия, очень важен для выбора оптимального направления дальнейшего развития действующего производства.
Рассмотрим основные пути модернизации технологии Содерберга направленные на улучшение технико-экономических показателей и влияние их на конструкцию электролизёров.
Первый путь - изменение технологии анода с переводом его на «сухую анодную массу (технология японской фирмы «Сумитомо»). Технология «сухого» анода, вследствие высокого качества анода, позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса электролиза, повысить плотность тока в аноде, что ведёт к увеличению мощности электролизёра. Кроме того, на «сухом аноде масса равномерно распределена по поверхности и находится в твёрдом состоянии, при этом с поверхности анода практически не выделяются смолистые вещества.
Но при переходе на технологию «сухого» анода, анодной массе, из-за уменьшенного содержания связующего (22,5-23,5% пека) и малой текучести, требуется больше времени для спекания и формирования анода. Учитывая это, необходимо увеличить высоту анодного кожуха и выполнить охлаждающие рёбра так, чтобы они не мешали равномерному распределению загружаемой анодной массы по поверхности анода. По такому пути пошли на Красноярском и Братском алюминиевых заводах. Авторами [74] описано внедрение данной технологии на примере Братского алюминиевого завода.
Особенности конструкции футеровки опытных электролизеров и её отличия от футеровки серийных электролизёров
Плиты КВИ по отношению к стенке кожуха укладывали с небольшим зазором, который заполнялся вспученным перлитом после каждого ряда с подтрамбовкой. На кладку из КВИ плит укладывался экран из стальных листов, разделяющий слои из КВИ от шамотных слоев и препятствующий сквозной пропитке солями электролиза. На экран поочерёдно выкладывали слои кирпичей: шамотного и красного с промазкой огнеупорным раствором. Кладка этих слоев также производилась с перевязкой швов по горизонтали и вертикали. Ширину шва контролировали двухмиллиметровым щупом. В торцах кожуха выкладывалась «бровка», состоящая из рядов шамотного кирпича на шамотном растворе с выходом кирпичей под перевязку с продольной бровкой. В пространство между торцевыми и продольными стенками и «бровкой» закладывался компенсационный пояс из КВИ, гасящий и распределяющий возникающее от натриевого расширения угольной футеровки (бортовых и подовых блоков) давление на стенки ванны. Далее, организовывалась выравнивающая «подушка» из шамотного заполнителя, выполняющая еще и функцию барьерного слоя, который препятствует проникновению фторидов в огнеупорную кладку. Использование в рецептуре жидкого стекла устраняет пыление перед набойкой швов, что способствует улучшению их качества. В футеровке серийных электролизеров «подушка» выполняется из глинозема и служит, в основном, для выравнивания поверхности перед установкой подовых блоков. Но при набойке межблочных швов возникает пыление глинозёмной «подушки», которое в значительной мере ухудшает качество швов. После этого, с помощью жарохимстойкого бетона заполняли зазоры между «бровкой» и подовыми секциями, и заливали пространство над блюмсами. Уплотнение бетонной смеси производилось широкими трамбовками по всему периметру «бровки». Одновременно с бетонированием «бровки» выполнялась заливка манжет этим же бетоном. После затвердевания бетона (не менее чем через 24 часа при температуре +15С), устанавливался компенсационный пояс из плит КВИ вплотную к стенке кожуха, а затем опорные угольные плиты. Укладка плит осуществлялась на бетонное основание. Образующиеся зазоры и пустоты между опорными плитами заполнялись холодно-набивной подовой массой, а зазоры между вставками из КВИ и стенкой кожуха - глинозёмом. Далее производилась установка угольных блоков (бортовых, угловых и подгоночных) на огнеупорном растворе по граням, обращенным к стенкам обечайки ванны. При установке блоков применялись струбцины и клинья для поджатия их к бортам ванны и друг к другу. Пустоты в углах ванны заполнялись шамотным заполнителем. Состав огнеупорного раствора приведён в процентах, от общего весового отношения смеси: выполнялось с помощью керамических плиток размером 150x200x10мм, промазанных между собой слоем подфланцевой пасты следующего состава: Далее производилась набойка межблочных швов холодно-набивной подовой массой. Уплотнение швов производилось пневмотрамбовками. Швы между блоками набивались заподлицо с поверхностью блоков. Периферийные швы набивались с подъёмом к периферии. 2.6. Схема установки катодных устройств и плит перекрытий шинных проёмов опытных электролизёров Исследования авторов, [64,65,75 95] и опыт зарубежных фирм показывают, что внешние силы, приходящие к катодному устройству, существенно влияют на снижение его срока службы. Существующие строительные опоры описанные авторами [96-98] для серийных электролизёров расположены в средней части днища - на расстоянии 1600 мм от продольной оси, а опорой для перекрытий шинных проёмов выступает продольный борт катодного кожуха. Всё это способствует появлению значительных изгибающих моментов, направленных на «раскрытие» подины по центру. Кроме этого, от обслуживающей техники добавляются ещё и динамические моменты того же направления, что ещё больше нагружает конструкцию катодного устройства.
Поэтому, места опирання катодных кожухов опытных электролизёров были вынесены за их периферию, а опора плит перекрытий осуществляется на специальные металлоконструкции (рисунок 2.11.), которые передают возникающие нагрузки непосредственно на строительную часть корпуса электролиза через Г-образные кронштейны, что исключает опирание плит перекрытий шинных проёмов на катодный кожух [99].
Такое выполнение опирання перекрытий шинных проёмов, в отличие от технического решения по прототипу, устраняет возможность передачи вибрации от работы транспортных средств на стенки катодного устройства и, тем самым, способствует сохранению его целостности, что в конечном счёте способствует увеличению срока службы электролизёра.
Результаты эксплуатации опытных электролизёров на силу тока170кАи175кА
Средние значения технико-экономических показателей опытного участка за 2002 год приведены в таблице 3.20.
Основываясь на данных за 2001, 2002 год (таблицы 3.4, 3.20) можно сделать вывод, что криолитовое отношение в течение года было снижено с 2,7 до 2,65. Содержание CaF2 увеличено с 4,5 до 5,1 - 5,6%.
Среднее и уставочное напряжение на электролизёрах ВТ-175 выше, чем на ВТ-170 на 43мВ и 40мВ соответственно. Частично это объясняется тем, что на электролизёрах ВТ-175 на 20мВ больше потери в ошиновке. А также тем, что на ВТ-175 приходится держать более высокую температуру электролита для уменьшения частоты анодных эффектов (за год 967С и 2,56 вспышек в сутки против 962С и 1,83 вспышек в сутки на ВТ-170).
Высокая частота анодных эффектов на ВТ-175 связана со сложностью пробивки корки по стороне и, соответственно, меньшему количеству глинозёма попадающего в расплав при обработке.
Относительно среднекорпусных показателей опытные электролизёры имеют более высокое среднее напряжение (на 100-150мВ), что объяснятся более высокими потерями в ошиновке и большими тепловыми потерями.
Сила тока на электролизёрах ВТ-170 составила 172,12кА (на 2кА больше проектного), на ВТ-175 173,06кА (на 2кА меньше проектного). Таким образом, электролизеры ВТ-175 имеют больший резерв по повышению на них токовой нагрузки, и дальнейшего роста производительности. Ванно/сутки на электролизёрах ВТ-170, ВТ-175 составили 1243кг и 1262кг, что на 23 и 12кг больше проектных и на 106 и 125 кг больше среднекорпусных. Выход по току составил соответственно 89,58 и 90,46%, что выше среднекорпусного показателя, составившего 88,48%», а также выше проектного на 1,08 и 1,96% соответственно. Таким образом, электролизёры ВТ-175 имеют самый высокий выход по току. Расход технологической энергии на электролизёрах ВТ-170, ВТ-175 превышает проектные показатели (15000кВт-ч/т) на 213 и 159кВт-ч/т и соответственно больше среднекорпусных, что связано, как показано выше, с высоким средним напряжением на данных электролизёрах. Выход угольной пены на опытных электролизёрах практически равен среднекорпусному. По итогам работы опытного участка за отчетный период (2002 год) были сделаны следующие выводы: 1. Электролизёры опытного участка работоспособны, имеют технико-экономические показатели близкие с проектными. 2. Электролизёры ВТ-170 имеют преимущество по простоте обслуживания, низкому среднему напряжению. 3. Электролизёры ВТ-175 имеют более высокий выход по току и возможность дальнейшего повышения токовой нагрузки с увеличением производительности. За время работы в период с 2003 по 2004 год [111] постепенно поднималась, одновременно с подъёмом тока серии, сила тока подпитки опытных электролизёров. В среднем за 2004 год сила тока электролизёров ВТ-170 составила 173,81кА (на 3,81кА выше проектного), ВТ-175 - 175,8кА (на 0,8кА выше проектного), при этом ток серии был поднят до 162,ЗЗкА. Известно, что при более низких значениях криолитового отношения улучшается технологические показатели работы электролизёров. 112 За период был скорректирован состав электролита электролизёров опытного участка, снижено криолитовое отношение с 2,65 до 2,51. Увеличено содержание CaF2 с 5,6% до 7,00-7,43%. В результате снизилась температура электролита до 961 С. Изменилось среднее напряжение на электролизёрах ВТ-170 - 4,71В, на ВТ-175 4,66, напряжение уставочное поддерживалось на уровне 4,21В, 4,26В соответственно. Снизилась частота анодных эффектов 1,21 (ВТ-170) и 1,52 (ВТ-175) вспышек в сутки. Среднее напряжение относительно среднекорпусных показателей стало выше на 60-1 ЮмВ (за 2002 год эта разница составляла 100-150мВ). Ванно/сутки на электролизёрах ВТ-170, ВТ-175 составили 1262кг и 1270кг, что на 42 и 20кг больше проектных и на 87 и 95 кг больше среднекорпусных. Выход по току составил соответственно 90,06 и 89,6%, при проектном 88,5%, среднекорпусной показатель составил 89,8%. Расход технологической энергии на электролизёрах ВТ-170, ВТ-175 на 500-560 кВт-ч/т превышает проектный и на 250-310 кВт ч/т больше среднекорпусных, что связано с более высоким средним напряжением на данных электролизёрах. Выход угольной пены на опытных электролизёрах был немного меньше среднекорпусных значений.
Средний удельный расход фтористых солей электролизёров опытного участка меньше чем у серийных, по группе электролизёров ВТ-170 на 7кг/т полученного А1, по группе ВТ-175 на 5кг/т. Это можно объяснить тем, что установленная система автоматической подачи глинозёма способствует более стабильной работе электролизёров опытного участка, поэтому требуется значительно меньше поточных обработок 1-2 раза в сутки, в то время как на серийных количество обработок составляет 8-12 раз в сутки. Известно, что при открытых ваннах с поверхности расплава значительн увеличивается количество выделяющихся вредных веществ в атмосферу, в том числе фтора и его соединений.
В конце марта 2004 года вышла из строя ванна №603 (ВТ-170). Она проработала всего 40 месяцев. По этому факту было проведено обследование металлоконструкций катодного кожуха. Было выявлено, что причиной раннего выхода из строя ванны №603 явилось некачественно выполненные при изготовлении сварные швы катодного кожуха. Также стоит заметить, что в период изготовления металлоконструкций и монтажа опытных электролизёров (особенно электролизёров ВТ-175) были зафиксированы рекордно низкие температуры (до -37-40С), что также негативно повлияло на срок службы опытных электролизёров.
