Исследование влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия

Таким образом, установлено, что применение метода известкования как метода раздельного выделения осадков гидроксидов и основных солей при осаждении катионов тяжелых металлов, являющихся основными компонентами сточных вод горных предпри-

ятий гидрометаллургического цикла, возможно в сочетании с другими методами разделения, такими как флотация, флокуляция, дополнительная коагуляция.

Библиографический список

1. Горский В.Г. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72, № 1. С. 3-9.

2. Удаление металлов из сточных вод. Нейтрализация и осаждение / Под ред. Кушни Дж. К.; пер. с англ. С.А.Маслова под ред. Г.Е.Заикова. М.: Металлургия, 1987. 176 с.

3. Усманова Т.В., Рихванов Л.П. // Цветные металлы. 2006. №4. С. 29-31.

4. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод: справ. пособие. М.: Строй-издат, 1977. 204 с.

5. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.

6. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М.: Химия, 1993. 376 с.

7. Чарыков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа. Л.: Химия, 1984. 168 с.

УДК 621.879

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

И.А.Сысоев1, В.А.Ершов2, Ю.В.Богданов3, В.В.Кондратьев4

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведены исследования влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия. Целью выполненной работы было определение оптимальных параметров ведения технологии электролиза путем контроля и автоматического поддержания в заданных пределах структуры температур электролита. Результаты работы планируется использовать при разработке и внедрении технологии автоматизированного управления энергетическим режимом электролизеров. Ил. 14. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: электролизер; электролит; температура; напряжение.

INVESTIGATION OF TECHNOLOGICAL FACTORS INFLUENCE ON THE ELECTROLYTE TEMPERATURE CHARACTERISTICS IN ALUMINUM PRODUCTION I.A. Sysoev, V.A. Ershov, Yu.V. Bogdanov, V.V. Kondratiev

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors have studied the effects of technological factors on the temperature characteristics of electrolytes in aluminum production. The aim of the performed work was to determine the optimal parameters of electrolysis technology by monitoring and automated sustaining an electrolyte temperature structure within specified limits. The results of the work will be used in the design and introduction of the automated control technology in the energy regime of electrolyzers. 14 figures. 1 table. 3 sources.

Key words: electrolyzer; electrolyte; temperature; voltage.

При расчете и анализе энергетических балансов электролизеров для производства алюминия особое место уделяется верхнему поясу катодного кожуха -зоне максимальных значений температур. Для оценочных расчетов, применительно к направлению теп-

лового потока от расплава к боковой поверхности кожуха при стационарном состоянии допустимо применение уравнений потока через плоско-параллельную стенку [1]:

01=а1  Б  (Т\м - Т|_);

1Сысоев Иван Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952)758587,e-mail: Iwansys@mail.ru

Sysoev Ivan Alexeevich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 758587, e-mail: Iwansys@mail.ru

2Ершов Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации, e-mail: V.Ershov@mail.ru Ershov Vladimir Alexandrovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Automation, e-mail: V.Ershov@mail.ru

3Богданов Юрий Викторович, кандидат технических наук, докторант.

Bogdanov Yury Viktorovich, Candidate of technical sciences, competitor for a Doctor's degree.

4Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий, e-mail: Imz@mail.ru

Kondratiev Viktor Viktorovich, Candidate of technical sciences, head of the department of Innovative technologies, e-mail: Imz@mail.ru

Q2= S  (Tl - Tk)/(Rsic + Rk + 5г/Аг);

Q3 = a2  S  ( Tk - Tb), где Q1 - тепло, переданное от электролита к границе электролит-гарниссаж; Q2 - тепло, прошедшее через бортовую футеровку; Q3 - тепло, рассеянное на границе раздела воздух/стальной кожух; a! - коэффициент теплоотдачи на границе электролит-гарниссаж, Вт/(м2*К); a2 - эффективный коэффициент внешней теплоотдачи, Вт/(м2*К); TW, TL, TK, Tb - соответственно рабочая температура электролита, плавления электролита (ликвидус), стенки кожуха, окружающей среды, оС; Rsic, Rk, бГ/АГ - тепловое сопротивление бортовой футеровки, кожуха и гарниссажа, (м2*К)/Вт.

Отсюда следует, что в случае длительного периода сохранения постоянства структуры температур -рабочей температуры и температуры ликвидус, толщину гарниссажа можно принять для расчетов неизменной. При этом тепловой поток Q^ направленный от электролита к гарниссажу, равен тепловому потоку Q2, проходящему через бортовую футеровку электролизера, и тепловому потоку Q3, направленному от стенки в окружающую среду, т.е. в стационарном состоянии выполняется равенство

Qi = Q2 = Q3.

Из приведенных выше уравнений видно, что для получения оптимальных параметров температурного режима, наряду с «внешними» факторами электролизера, такими как температура окружающей среды и условия «внешней» теплоотдачи конвекцией и излучением, важная роль принадлежит и «внутренним»: температуре электролита и температуре плавления (ликвидус) электролита, а также величине перегрева электролита. Температурная характеристика каждой ванны индивидуальна и зависит от многих параметров: конструкции электролизера, срока его службы, формы рабочего пространства (ФРП) и т.д. При этом температуру ликвидус определяет химический состав электролита.

Перегрев электролита (TSH - от англ. «superheat» - перегрев) определяется разностью между температурой электролита (TW) и температурой ликвидус (TL) или его кристаллизации:

Tsh= Tw - Tl.

По мнению одних авторов рекомендуемая температура перегрева находится в пределах от 7 до 12°С [1], по другим источникам эта величина составляет 4+10°С [2], или находится в диапазоне 5-10 0С [3].

Известно, что правильно подобранная температура электролита и величина перегрева является одной из важных составляющих стабильности энергетического режима электролиза. Если температура электролита становится слишком высокой, возникают отрицательные последствия: снижается выход по току, уменьшается толщина корки электролита, что приводит к повышению потерь электроэнергии и фтористых солей. И наоборот, если температура электролита опустится ниже заданного предела, то снизится растворимость глинозема [2].

Прежде всего, от величины перегрева зависят такие составляющие стабильного режима работы электролизера, как толщина настыли и скорость растворе-

ния глинозема. Слишком высокий перегрев вызывает расплавление бортовой настыли, вследствие чего материал футеровки боковых стенок способен подвергаться коррозии электролитом. Кроме этого, может произойти изменение химического состава и объема электролита. Недостаточная температура перегрева вызывает увеличение бортовой настыли, снижает растворимость глинозема, что станет причиной образования осадка, повысится удельное электросопротивление электролита, на катоде электролизера образуется настыль, способствующая появлению горизонтальных токов, усложнятся операции по обслуживанию электролизера, например, по замене анодов, вследствие более твердой корки электролита. Также произойдет изменение объема и химического состава электролита.

Из вышесказанного следует, что в случае стабилизации оптимальных целевых значений структуры температур и их в границах заданного уровня отклонения от цели удастся свести к минимуму термическую нагрузку на теплоотдающие элементы катодного кожуха, создать оптимальную ФРП, уменьшить потери фторсолей, улучшить растворимость глинозема и образование глиноземного осадка на подине электролизера, при этом увеличить выход по току и снизить расход электроэнергии.

Целью проведения исследования являлось определение оптимальных параметров ведения технологии электролиза путем контроля и автоматического поддержания в заданных пределах структуры температур электролита. Авторами данной работы была разработана методика для определения влияния технологических факторов: варьирования рабочего напряжения, анодных эффектов, а также операций «вы-ливка металла» и «перестановка анодов» - на характеристики температур (рабочую, ликвидуса и перегрева) электролита. Местом проведения экспериментальных работ был выбран опытный участок «Электролиз-300» Уральского алюминиевого завода.

Для проведения практических измерений структуры температур: электролита, ликвидуса и перегрева на электролизерах ОА-300 - была использована система «Огу-О-ТИегт» фирмы «НегаеиБ Е!е^го-Ше». На рис. 1, 2 представлены термопары (зонды) системы и регистрирующий прибор «МиШ-1_аЬ-2». Датчик «Огу-О-ТИегт» представляет собой зонд из калиброванной Pt-РМ0%Р1п термопары, заключенной в защитный V-образный кварцевый наконечник в керамическом корпусе, окруженном защитной картонной трубкой. Температура ликвидус определяется системой методом дифференциального термического анализа посредством измерения термо-ЭДС.

Для определения степени влияния изменения рабочего напряжения на структуру температур электролита было выбрано четыре электролизера на силу тока 300 кА с наиболее стабильным режимом работы. Изменение рабочего напряжения электролизера проводилось в два этапа - с понижением уставочного (целевого) напряжения через автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП) и его повышением. Шаги изменения уставоч-

ного напряжения выбирались с учетом возможного возникновения волнения металла на ваннах, согласно данным, представленным в таблице.

Шаги изменения уставочного (целевого) напряжения электролизера

Изменение напряжения, мВ Количество опытных электролизёров, шт.

+80 2

+160 2

-60 2

-120 2

Измерения температуры ликвидуса производились в выливном отверстии электролизеров каждые 2 часа в течение 12 часов.

Для оценки степени влияния увеличения уставки рабочего напряжения на 80 мВ на структуру температур были выбраны электролизеры 701 и 704, для увеличения напряжения на 160 мВ - ванны 703 и 705. На рис. 3-4 представлена динамика изменения структуры температур в ходе проведения эксперимента.

По причине негативного влияния вторичных технологических факторов (введение в электролит для увеличения его уровня большой порции криолита), результаты, полученные на электролизере 704, при анализе данных не рассматривались.

Для оценки степени влияния снижения уставки рабочего напряжения на 60 мВ на структуру температур были выбраны электролизеры 702, 705 и 706, для снижения рабочего напряжения на 120 мВ - ванны 701 и 703. На рис. 5-11 представлена динамика изменения структуры температур в ходе проведения эксперимента.

Рис. 1. Термопара «Cry-O-Therm»

1000 Э80

я 870

а.

t ч«о а.

aso

й.

<Ё 5А0 3

930

8 S S 8 8 8 8-2

8 8 8 8 8 8 8

80.0 70,0

40.0 30,0 20.0 10.0

Время

Рис. 3. График изменения структуры температур при увеличении рабочего напряжения на 80 мВ

2 "" Ё" 960 я

р 950

- ...........................................................

СЫ.П1Н Kit

\ ......................—

* Я ."V . --

F.nm Виад 1 Ц||«|ЯМГ4 "ИМ* ДОЮЛШЛ

> * —- ......-..................

90.0 ».О 70,0

зо.о 20.0 10.0

авопчиа опоптй аопчвво огчг1-т-пиосооа»-ггггп

Время

Рис. 4. График изменения структуры температур при увеличении рабочего напряжения на 80 мВ

ею

80.0

70.0 ц

3

sc .o а.

МЛ s £

40Л £ с

Е=

30.0 20.0

ЮЛ

ГЦ! им

Рис. 5. График изменения структуры температур при увеличении рабочего напряжения на 160 мВ

Рис. 2. Регистрирующий прибор «Multi-Lab 2

Ш I Ш|1 Ш I ш п

Время

Рис. 6. График изменения структуры температур при увеличении рабочего напряжения на 160 мВ

wo 980 ЭО.О юоо 80,0 990

HpwiM?

о

9» $40 ..... ....... 50.0 g & 960 CL m 40.0 | | 950 С а 30.0 £ 940 2

9М 920 г^ Ч I*1- ..........' Z* ..........

* 4 " .

А А io.0 900

EESSESSSEESSSE EEs;ssääES3SSE SEE! N f Я 1

Рис. 7. График изменения структуры температур при снижении рабочего напряжения на 60 мВ

+60 нв

ggggggggggggggggggg ! Н ! : ! ! 8 II 8 8 ii S ! ! ! ! ! !

Время

Рис. 8. График изменения структуры температур при снижении рабочего напряжения на 60 мВ

Рис. 9. График изменения структуры температур при снижении рабочего напряжения на 60 мВ

ооееооееоееоебеоооо

ООГГ1-Г1-ННС00001-1-Т-1-1-

Время

Рис. 10. График изменения структуры температур при снижении рабочего напряжения на 120 мВ

Время

Рис. 11. График изменения структуры температур при снижении рабочего напряжения на 120 мВ

IMh.O

нл

Рис. 12. График изменения структуры температур при возникновении анодных эффектов

100.0 15

90,0

13

00,0

и

70.0 J. 11

eo.o 9 а 1

60.0 в fr

s. 1

40,0 а e 7

30.0 с 3 5

?0 0 1

10.0 1 3

0,0

у = 0,0732х ♦

♦ Температлра электролита,"С R2 = 0,9545

Температура перегрева, °С

^ ^ У = 0,0514х

" R2 = 0.965

у/ ^

/ ^

20 40 60 30 100 120 140 160 180 2(

Повышение уставочного напряжения, мВ

Рис. 13. Изменение температуры электролита и температуры перегрева в зависимости от величины увеличения рабочего напряжения

Снижение уставочного напряжения, мВ

Рис. 14. Изменение температуры электролита и температуры перегрева в зависимости от величины снижения рабочего напряжения

Высокая частота анодных эффектов объясняется неотработанной технологией автоматической подачи глинозема. На период замеров загрузка глинозема в бункера АПГ производилась в ручном режиме, на месте велась доработка конструкции штока пробойников, кроме этого, ежедневно подбирался базовый период питания электролизеров АПГ.

Анализ диаграмм показывает, что изменение напряжения влияет на структуру температур электролита. Отклонения величины перегрева обусловлены также влиянием технологических факторов (как например, анодный эффект и режимы питания АПГ), а также динамикой изменения объема настыли.

В результате проведенного анализа были получены линейные зависимости изменения температуры электролита и перегрева от величины изменения рабочего напряжения электролизера (рис. 13, 14).

Анализ полученных уравнений показывает, что:

• при увеличении напряжения на 100 мВ температура электролита повышается на 7,9°С, величина перегрева повышается на 5,14°С согласно определенным закономерностям :

Тэл-та = 0,0792 * Д11;

Тзи = 0,0514*ЛЫ.

• при снижении напряжения на 100 мВ температура электролита (Тэл-та) снижается на 9,2°С, величина перегрева (Тби) снижается на 3,5°С согласно определенным закономерностям:

Тэл-та = 0,0924 * Л11уст;

Тби =0,035*Л11уст.

Полученные уравнения в дальнейшем были использованы для прогноза изменения температуры электролита и величины перегрева при изменении уставочного напряжения. Полученные уравнения имеют высокую степень корреляции, что позволяет руководствоваться значениями изменения структуры температур при управлении технологическим процессом.

Для оценки степени влияния анодных эффектов на структуру температур наиболее убедительно выглядят данные, полученные на электролизере 703 (см. рис. 12). Период времени между анодными эффектами составлял более 12 часов. Из рис. 12 видно, что за 1-2 часа до наступления анодного эффекта, при снижении концентрации глинозема в электролите, наблюдается одновременный рост температуры электролита и в большей степени температуры ликвидус и, как следствие, снижение температуры перегрева электролита. После гашения анодного эффекта и отработки автоматической системой алгоритма режима усиленного питания глиноземом, температура ликвидус резко снизилась за счет увеличения концентрации глинозема в электролите. Температура электролита, достигнув максимума, напротив, снижалась медленнее.

Проведенными измерениями установлено, что при возникновении анодного эффекта температура электролита возвращается к своему исходному значению через 2 часа.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. 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+6°С).

2. Выведены уравнения, описывающие динамику изменения температуры ликвидус и перегрева при изменении величины уставочного напряжения (Л11уст).

3. Определено, что при увеличении напряжения на 100 мВ температура электролита повышается на 7,9°С, величина перегрева повышается на 5,14°С согласно определенным закономерностям:

Тэл_та = 0,0792 * Ли; Тби = 0,0514*Ли.

4. Определено, что при снижении напряжения на 100 мВ температура электролита (Тэл-та) снижается на 9,2°С, величина перегрева (Тзи) снижается на 3,5°С согласно определенным закономерностям:

ТЭл-та = 0,0924 * ЛиУст; Тби =0,035*ЛиУст.

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 уставочно-му 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.

7. 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. Определено, что время между операцией «замена анодов» и проведением измерения перегрева электролита зондом «Сгу-О-ТИегт» 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 поддержания оптимального энергетического режима было принято решение о разработке и внедрении технологии автоматизированного управления энергетическим режимом электролизеров по структуре температур (электролита, ликвидуса и перегреву).

Библиографический список

1. Исследование зависимости между криолитовым отноше- 2. Grjotheim, K. Aluminium electrolysis / K. Grjotheim [and oth-нием и температурой электролита в алюминиевом электро- ers]. - Dusseldorf: Aluminium-Verlag, 1982. - 271 p. лизёре / В. Х. Манн, В. В. Юрков, Т. В. Пискажова // Цветные 3. Utigard, T.A. Why 'Best' Pots Operate Between 955 and металлы. 2000. №4. С. 95-101. 970°C / T.A. Utigard // Light Metals. - 1999. - P. 319-326.