Влияние повышения силы тока на энерготехнологические показатели алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом

Основным способом получения алюминия в России и за рубежом является электролитический, который характеризуется значительными расходами электрической энергии на единицу готовой продукции (алюминия-сырца). Примерно половина подведенной на электролиз энергии теряется в окружающую среду.

Широкое распространение в электролитическом производстве получили электролизеры с самообжигающимися анодами (электролизеры Содерберга), в том числе с верхним токоподводом на силу тока 156 кА.

Уменьшение удельных затрат электроэнергии на 1 т металла может быть обеспечено при повышении срока службы электролизеров и их производительности, а также сокращения потерь подводимой энергии.

Рост производительности действующих электролизеров может быть достигнут за счет сокращения потерь металла (увеличения катодного выхода по току), а также за счет повышения силы тока на электролизерах с определенными проектными параметрами.

В отечественной и зарубежной литературе достаточно внимания уделено анализу факторов, способствующих повышению выхода по току и способам их реализации. Это, например, снижение криолитового отношения и поддержание оптимальной температуры электролитаоптимизация формы рабочего пространства ванны и поддержание оптимального межполюсного расстоянияулучшение токораспределения по катодным стержням и др.

Однако в литературе совершенно недостаточно внимания уделено вопросам интенсификации электролизного производства за счет повышения силы тока на электролизерах, особенно это относится к электролизерам на проектную силу тока 156 кА.

Таким образом, представляется целесообразным и необходимым проведение детальных исследований влияния на технологические, тепловые и энергетические показатели работы электролизеров повышения силы тока относительно проектной.

Объектом исследования были выбраны электролизеры с самообжигающимися анодами, верхним токоподводом на силу тока 156 кА.

Диссертационная работа выполнялась на ОАО «Братский алюминиевый завод».

Программа исследований формировалась в соответствии с научным направлением «Внедрить в электролизное производство высокоэффективные электролизеры Содерберга, эксплуатируемые на повышенной силе тока».

Экспериментальные исследования технологических, тепловых и энергетических показателей проводились на 12 электролизерах опытного участка корпуса № 11 ОАО «БрАЗ».

Научная новизна. Решение комплексной задачи определения технологических, тепловых и энергетичсеких показателей работы электролизеров Содерберга экспериментальным путем и методами математического моделирования.

Основные результаты, которые защищаются в работе:

— экспериментальные зависимости силы тока, рабочего напряжениякриолитового отношениятемператур электролита и наружных поверхностей кожухауровней металла и электролитападения напряжения в подине, аноде и ошиновке электролизеров, работающих на повышенной силе тока в период пуска, послепусковой период и в период нормальной эксплуатации;

— безразмерное уравнение для расчета температур поверхностей кожуха в послепусковой период в зависимости от времени, конструктивных и технологических параметров электролизеров;

— экспериментальные зависимости коэффициентов распределения тока по катодным стержням во времени, а по анодным штырям — от количества ненагруженных или слабонагруженных штырей;

— зависимости выхода по току, энергетического КПД, удельного расхода электроэнергии от времени для периода стабильной работы электролизеров;

— уравнение для определения энергетического КПД электролизеров в зависимости от технологических параметров процесса электролиза и конструктивных характеристик ванн;

— методика и результаты математического моделирования энерготехнологических показателей электролизеров;

— технологические и конструктивные мероприятия, направленные на увеличение срока службы электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ОАО «Братский алюминиевый завод» и научно-технических конференциях Компании «Русский алюминий».

По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных трудов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит. страниц машинописного текста, 36 рисунков, 17 таблиц и. страниц приложений.

4.3 Выводы.

1. Проанализированы факторы, влияющие на срок службы алюминиевых электролизеров СА при их эксплуатации на повышенной токовой нагрузке.

2. Предложено для снижения влияния сезонного изменения температуры воздуха при проектировании электролизеров за базовый режим выбирать переходный период эксплуатации. Для поддержания постоянства температурного режима эксплуатации в летний и зимний периоды использовать комбинированное регулирование:

• в летний период уменьшать МПР (удельный расход э/э уменьшается на ~232 кВт-ч/т А1 и производительность не изменяется по сравнению с переходным периодом);

• в зимний период увеличивать силу тока (удельный расход э/э увеличивается на -59 кВт-ч/т А1, а производительность — на — 6,85 кг/сут по сравнению с переходным периодом).

3. Установлено, что применение графитированных подовых секций ведет к значительному смещению изотермы ликвидуса под ними от центра к периферии на -350 — 450 мм (вар. 4, табл. 4.2, вар. 12,13, табл. 4.3). При этом для компенсации увеличения теплопотерь необходимо усиливать теплоизоляцию цоколя катодного узла.

4. Предложены две конструкции электролизеров, имеющие увеличенный срок службы и более высокие энергетические показатели по сравнению с базовой конструкцией:

• с графитированными подовыми блоками и усиленной тепловой изоляцией цоколя катода (вар. 8, табл. 4.2, рис. 4.6 б);

• с двойным анодным массивом, графитированными подовыми секциями и усиленной теплоизоляцией цоколя катода (вар. 12, табл. 4.3, рис. 4.7), имеющая резерв по увеличению выхода по току.

5. Конструкция электролизера с двойным анодом, графитированными подовыми секциями, карбидкремниевыми бортовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода (вар. 13, табл. 4.3, рис. 4.8) имеет значительные резервы по увеличению токовой нагрузки или снижению анодной плотности тока.

Глава 5.

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Оценка достоверности результатов эксперимента может быть произведена по величине погрешности их получения и доверительной вероятности, соответствующей этой погрешности.

Погрешности измерения физических величин принято подразделять на систематические, случайные и неопределенные.

Методические вопросы определения погрешности измерений изложены в работах [110−114].

Систематическая ошибка наблюдается в тех случаях, когда среднее значение последовательных отсчетов отклоняется от известного точного значения и продолжает отклоняться независимо от числа отсчетов или замеров.

Если систематические ошибки имеют определенное значение и знак, то могут быть уменьшены или учтены путем внесения соответствующих поправок. Одним из способов их уменьшения является, например, калибровка измерительных приборов или датчиков.

Под случайной ошибкой понимают ошибку, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях.

Показателем случайной ошибки является дисперсия (рассеивание), равная квадрату среднего квадратичного отклонения единичного измерения (наблюдения) от истинного или среднего значения, т. е. где п — число измеренийх — среднеарифметическое значение измеряемой величины, Xj — отдельное значение измеряемой величины.

5.1) п.

В случае, когда п —> оо, величина дисперсии определится.

5.2) где ц — истинное значение измеряемой величины.

Случайная ошибка отдельного измерения из большого количества измерений будет определяться как корень квадратный из дисперсии Sn, т. е.

Т.к. в реальных условиях имеется конечное число отсчетов или измерений п, то случайная ошибка отдельного измерения будет рассчитываться по исправленной выборочной дисперсии.

При малом числе наблюдений (измерений) используют поправочные коэффициенты, полученные на основании распределения Стьюдента, тогда формула (5.4) примет следующий вид где — коэффициент Стьюдента.

Величина? определится по таблицам в зависимости от числа измерений (п) и доверительной вероятности (Р).

В инженерных опытах значение величины Р может быть принято равным 0,68 или 0,95 и 0,997.

В математической статистике показано, что среднее значение величины х и дисперсия этого среднего значения S (х) также являются случайными величинами. При этом ошибка среднего значения величины х обратно пропорциональна корню квадратному из числа отсчетов, по которому получено.

5.3).

5.4).

5.5) среднее значение этой величины х. Тогда случайная ошибка среднего результата прямых измерений определится по формуле ед^^тиёы (s.6) л/п |n (n-l)t^.

Неопределенные ошибки — это ошибки, которые включают в себя неисключенные остатки систематических ошибок, а также систематические и случайные ошибки инструментального характера. Они возникают вследствие неидеальной точности приборов, инструментов и датчиков. В этот класс ошибок включают также погрешность считывания результатов со шкалы прибора, погрешность округления констант и табличных данных и т. д.

В общем случае неопределенная (опытно-инструментальная) ошибка среднего измерения величины х определится по формуле.

S (xi) = VC+^p+50Kp (5.7) где 8дат, 8пр, 50кр — погрешность датчика, прибора, округления соответственно.

Указанные выше величины определяются из следующих соотношений с^спр. о KvA ~ А (с. дат ^ J °пр ^ > O0Kp ^Jy^ V*5,0/ где 5спр — справочная погрешность датчика или прибораК — класс точности прибора в долях единицыА — размах шкалы прибораА — цена деления прибора.

Следует отметить, что в паспортных данных датчиков и приборов диапазон погрешности показаний обычно указан для доверительной вероятности Р = 0,997, а учет всех ошибок удобно вести для одной вероятности, например Р = 0,683, поэтому паспортные погрешности датчика и прибора в формуле (5.8) уменьшены в 3 раза.

Полная погрешность прямого измерения величины х, в соответствии с правилами сложения случайных величин, определяется по формуле: а (Ю = л/<�Э2(х)+52(х) + 52 М, (5.9).

130 где 5 (|/) — суммарная погрешность поправок.

Тогда окончательно истинное значение измеряемой величины представляется в следующем виде х" = х (1 +1^)±ст (х) для Р = 0,683 или >- (5.10) х* = х (1 + Z^i) ± 2ст (х) для Р = 0,95, где Tj — поправка на действие систематической ошибки i — го фактора- ± ст (х), ± 2ст (х) — границы доверительных интервалов.

Ах, где Ах- - систематическая ошибка i-ro фактора, х.

В качестве примера выполним расчет полной погрешности измерения температуры электролита на опытных электролизерах в период их нормальной эксплуатации, а также погрешность определения среднемесячной температуры электролита.

В экспериментах по измерению температур датчиками служили хромель-алюмелевые термопары, а вторичным прибором — цифровой потенциометр с показаниями температур в градусах.

Например, для электролизера № 1 в 1 месяце работы средняя температура электролита составляла 963 °C (см. табл. В1 Приложения В). Эта величина была получена усреднением следующих измерений температур по дням месяца (см. табл. 5.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ основных показателей электролитического получения алюминия на электролизерах Содерберга, главное внимание при этом уделено повышению производительности ванн.

Установлено, что многие теоретические и практические разработки относятся к повышению выхода по току. Вопросам интенсификации электролизного производства за счет повышения силы тока, например, на электролизерах на проектную силу тока 156 кА, не уделяется должного внимания.

Расчетным путем определено, что по сравнению с проектной силой тока (156 кА) повышение силы тока на каждый 1 кА приводит к увеличению производительности электролизера на 0,66% (при сохранении того же выхода по току).

2. Выбрана математическая модель для расчета и прогнозирования теплового состояния и энерготехнологических параметров работы электролизеров Содерберга.

Разработана методика численного решения тепловой задачи, базирующаяся на прямом методе граничных элементов. При этом решается двумерное стационарное уравнение теплопроводности с внутренними источниками теплоты, с учетом ортотропии теплопроводности среды.

Выполнено численное моделирование по прогнозированию теплового состояния и основных энерготехнологических показателей электролизеров Содерберга, эксплуатируемых на повышенной силе тока. Результаты численных экспериментов хорошо согласуются с экспериментом на опытных электролизерах.

3. Методом математического моделирования выполнена вариантная оценка предельных значений по увеличению силы тока на опытных электролизерах (проектная сила тока 156 кА). Анализ полученных результатов показал, что наибольший запас по увеличению силы тока по отношению к проектной (AI) имеет вариант с разутеплением борта катодного кожуха, т. е. с использованием карбидкремниевых блоков толщиной 70 мм вместо углеграфитовых бортовых блоков толщиной 200 мм (AI > 7,5 кА). Повышение AI до 7,5 кА может быть обеспечено при снижении МПР и увеличении оребрения катодного кожуха в 1,5 — 1,7 раза. При прямом, т. е. непосредственном повышении силы тока, без каких-либо конструктивных или технологических изменений, предельная величина AI составляет 3,75 кА.

4. Для опытных электролизеров с самообжигающимися анодами и верхним подводом тока к аноду (проектная сила тока 156 кА), эксплуатируемых на повышенной силе тока, в течение послепускового периода (30 сут) и периода нормальной эксплуатации (6 мес.) проведены экспериментальные измерения различных технологических, тепловых и энергетических параметров (силы тока, рабочего напряжения, уровней металла и электролита, температур электролита и наружных поверхностей кожуха, падений напряжения в аноде, катоде и ошиновке, и др.).

Достигнутые основные показатели работы электролизеров за период стабильной работы (6 мес.):

— сила тока I = 165,5 кА;

— криолитовое отношение КО =2,41;

— температура электролита t3 =968°С;

— рабочее напряжение Up = 4,46 В;

— выход по току г|т = 85,3%;

— удельный расход электроэнергии шуд = 15 790 кВт-ч/т А1.

— энергетический КПД г|э = 51,75%.

Производительность каждого из опытных электролизеров по сравнению с проектной увеличилась в среднем на 6%, т. е. в сутки на 65 кг алюминия-сырца, а за 1 год работы — на 23 т.

Экспериментально установлена зависимость рабочего напряжения от КО электролита: снижение КО приводит к росту Up, оказывается выгодным с точки зрения наработки металла.

5. На основании обобщения экспериментальных данных по температурам наружных поверхностей кожуха боковых стенок и днища получена безразмерная зависимость температуры кожуха для послепускового периода эксплуатации опытных электролизеров от времени, конструктивных характеристик ванны и технологических параметров процесса электролиза.

Из экспериментов установлено, что стабилизация температуры наружных поверхностей кожуха начинается уже на 1 — 4 сут с начала пуска электролизеров. Также определено, что у опытных электролизеров температура поверхностей днища ниже, чем у типовых ванн С-8Б, а бортовые и торцевые стенки имеют более высокую температуру, чем аналоги.

6. Экспериментальным путем получено, что равномерность распределения тока по катодным стрежням в начале пуска после пламенного обжига зависит от равномерности температурного поля подины в конце обжига, а стабилизация токораспределения по катодным стержням наступает примерно через 30 — 50 сут с начала пуска и определяется окончанием к этому моменту процессов коксования набивных швов подины и пасты, используемой для заделки блюмсов, расширения угольных блоков подины и пропитки ее расплавом.

Получено удобное для практического пользования уравнение для определения коэффициента равномерности распределения тока по анодным штырям в зависимости от количества ненагруженных и слабонагруженных штырей.

7. Определены падения напряжения в аноде (AUa), катоде (AUK) и ошиновке (Диш) опытных электролизеров.

Так, в начальный период пуска величина AUa = 610 мВ, затем с течением времени уменьшалась и при т = 60 сут стабилизировалась, составляя 550 мВ. Колебания AUa для различных электролизеров в послепусковой и эксплуатационный периоды объясняются изменениями высоты конуса спекания, силы тока, средней температуры анода и др. факторов.

AUK для всего послепускового периода и периода нормальной эксплуатации электролизеров оставалось практически постоянным и составляло около 370 мВ.

Превышение AUK у опытных электролизеров по сравнению с типовыми ваннами объясняется повышением силы тока, увеличенной высотой подовых блоков и применением пасты для заделки блюмсов вместо чугунной заливки.

Методом математического моделирования установлено, что при применении блюмсов сечением 150×180 мм вместо 150×150 мм падение напряжения в подине снижается примерно на 50 мВ.

8. В результате анализа и обобщения экспериментальных данных получена эмпирическая формула, устанавливающая связь энергетического КПД опытных электролизеров от технологических параметров процесса электролиза (МПР, греющего напряжения, температуры электролита) и конструктивных характеристик ванны (эффективной теплопроводности материалов цоколя, бортовых и торцевых стенок).

9. Предложено для снижения влияния сезонного изменения температуры окружающего воздуха при проектировании электролизеров за базовый режим выбирать переходный период эксплуатации. Для поддержания постоянства температурного режима в летний и зимний периоды эксплуатации использовать комбинированное регулирование:

• в летний период — уменьшать МПР. При этом удельный расход электроэнергии уменьшается примерно на 230 кВт-ч/т А1, а производительность по сравнению с переходным периодом не изменяется;

• в зимний период — увеличивать силу тока, при этом удельный расход электроэнергии увеличивается примерно на 60 кВт-ч/т А1, а производительность — на 6,85 кг/сут по сравнению с переходным периодом.

Ю.Установлено, что применение графитированных подовых секций ведет к значительному смещению изотермы ликвидуса от центра к периферии (примерно на 350 — 450 мм). При этом для компенсации увеличения теплопотерь необходимо усиливать теплоизоляцию цоколя катодного узла.

11 .Предложены две конструкции электролизеров, имеющие увеличенный срок службы и более высокие энергетические показатели по сравнению с базовой:

• с графитированными подовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода;

• с дойным анодным массивом, графитированными подовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода, имеющая резерв по увеличению выхода по току.

Значительные резервы по увеличению токовой нагрузки или снижению анодной плотности тока имеет конструкция электролизера с двойным анодом, графитированными подовыми секциями, карбидкремниевыми бортовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода.