Причины и последствия возникновения магнито-гидродинамической неустойчивости в процессах электролиза при получении алюминия

мощности, чувствительность АРП-11 была выше. Это позволяет в дальнейшем сосредоточиться на оценке акустико-эмиссионных показателей для оценки состояния трансмиссии.

Следующим этапом эксперимента было подтверждение полученного результата, а также необходимость поиска наиболее информативных точек состояния стенда. Для этого на его корпусе было выбрано 40 характерных точек и в них произведены измерения показателя D при режиме работы стенда без дефекта и с искусственно созданным дефектом. На рис.2 представлены гистограммы показателя D, измеренные в характерных точках с искусственным дефектом и без дефекта. Показатель D, измеренный в точке без дефекта и с дефектом, изменяется непропорционально. Следовательно, на корпусе редуктора существуют точки, в которых при зарождении дефекта сигнал показателя D увеличится максимально и дефект будет обнаружен раньше. На рис.2 это точка 6, где коэффициент изменения показателя D имеет максимальное значение, хотя

дефект имеет место в левой части стенда. Большее увеличение сигнала следовало ожидать в точке 7, при этом в точке 8 он минимален.

Для получения более полной картины необходимо исключить возможность резонанса в корпусе стенда. С этой целью имеющийся стенд с замкнутым потоком мощности планируется модернизировать, включив в него частотный преобразователь, который позволит изменять не только частоту вращения ротора двигателя, но и спектры возбуждаемых акустико-эмиссионных частот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Булатов В.П. Проблемы машиноведения: точность, трение и износ, надежность, перспективные технологии / Под ред. В.П.Булатова. СПб: Наука, 2005.

2. К вопросу оценки ресурса элементов трансмиссии горных машин / А.А.Артемьев, В.С.Потапенко, С.Л.Иванов и др. // Горные машины и электротехника. 2007. № 7.

3. Кремчеев Э.А. Оценка потерь потока энергии в зубчатом зацеплении // Записки Горного института. СПб, 2004. Т. 155(1).

МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 669.71

М.А.ГЛУЩЕНКО

аспирант кафедры автоматизации технологических процессов

и производств

ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПРОЦЕССАХ ЭЛЕКТРОЛИЗА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ АЛЮМИНИЯ

Процессы электролитического получения алюминия часто сопровождаются магнито-гидродинамической неустойчивостью. Это явление приводит к ухудшению характеристик процесса и должно быть компенсировано соответствующей системой управления. Представлены выводы обработки материалов по работе подсистемы обнаружения и ликвидации волнения металла и направление развития программ автоматической системы управления технологическими процессами (АСУТП) для решения задачи компенсации магнитогидро-динамических нарушений.

Processes of aluminum electrowinning are frequently accompanied by magnetic and hydro-dynamic instability. This phenomena leads to deterioration of the process characteristics and has to be compensated by a corresponding control system. The paper gives a summary of data processing on operation of a subsystem designed to detect and compensate metal agitation and describes a trend in software for automatic process control systems to compensate magnetic and hydrodynam-ic instability.

Технологический процесс электролитического получения алюминия часто сопровождаются магнитогидродинамической (МГД) неустойчивостью, которая является одной из основных причин электрохимических потерь алюминия в электролизерах. Сильные электрические и магнитные поля, присутствующие в электролизере, вызывают гравитационные волны. При некоторых условиях наблюдается рост амплитуд этих волн, который называют магнитогидроди-намической неустойчивостью (или нестабильностью).

Свободная поверхность жидкого алюминия, находящаяся в равновесии в поле тяжести, плоская. Если под влиянием внешнего воздействия поверхность жидкого алюминия в каком-нибудь месте выводится из ее равновесного положения, то возникают движение, которое распространяется

вдоль всей поверхности в виде волн, и незатухающие колебания поверхности раздела металл-электролит. С технологической точки зрения за предел стабильности электролизера принимается минимальное значение расстояния анод-металл, при котором возникают такие незатухающие колебания.

Основные технологические факторы, влияющие на появление волнения металла, снижение запаса МГД-устойчивости следующие: ухудшение катодного и анодного токораспределения, увеличение рабочего тока серии, снижение уровня металла в электролизной ванне, переохлаждение электролита. С целью интенсификации процесса электролиза необходимо стремиться к снижению межполюсного расстояния и уровня металла, и повышению плотности тока. Такая тенденция уменьшает запас МГД-устойчивости электролизера в нормальном

режиме его эксплуатации и может привести к тому, что оптимальной окажется стабилизация технологического режима точно на грани возникновения волнения металла. Увеличение уровня и амплитуды волнений поверхности металл-электролит в рабочем пространстве электролизера способствует замыканию металла на анод. Это приводит к ухудшению характеристик процесса и должно быть компенсировано соответствующей системой управления.

В результате обработки материалов по работе подсистемы обнаружения и ликвидации волнения металла можно сделать следующие выводы. Из общего числа работающих электролизеров корпуса волнение возникает хотя бы раз за смену в среднем на 20 % работающих электролизерах. По характеру волнения металла эти электролизеры могут быть условно разделены на три группы.

Группа 1. Электролизеры с кратковременным волнением металла, возникающим один раз за смену и устраняемым однократным перемещением анодного массива вверх. К этой группе относятся электролизеры, у которых сужение зоны устойчивости носит кратковременный характер, например, из-за ухудшения катодного токораспределения, обусловленного флуктуациями анодного токораспределения на следующем электролизере, выдаваемых регламентными операциями, анодным эффектом или иными причинами.

Группа 2. Электролизеры, волнение на которых возникает 2-3 раза за смену и ликвидируется несколькими перемещениями анодного массива. К этой группе относятся электролизеры, МГД-неустойчивость которых вызвана холодным ходом ванны, ухудшенным катодным токораспределени-ем, одновременной загрузкой в ванну большого количества глинозема или обвала анодного массива, а также ухудшением анодного токораспределения при установке нового анода, так как требуется некоторое время для вхождения анода в нормальный режим работы.

Ликвидация волнения металла поднятием анода на электролизерах этой группы

происходит не только непосредственно из-за увеличения межполюсного расстояния, но и косвенно путем подогрева ванны. Поскольку тепловые процессы в электролизере инерционны, то подсистема ликвидации волнения металла поддерживает электролизеры второй группы на границе МГД-неустойчивости длительное время - пока не устранится причина, приведшая к сужению зоны МГД-неустойчивости. К этой группе относятся также электролизеры с пониженным уровнем металла после выливки. Постепенно по мере накопления металла в ванне происходит расширение зоны МГД-неустойчивости. Последняя причина увеличивает число ванн с волнением особенно в конце месяца, когда производится сверхнормативная выливка металла.

Группа 3. Электролизеры, волнение на которых длится несколько смен и не может быть ликвидировано, а только ограничивается повышением заданного значения сопротивления. К причинам возникновения такого рода волнения следует отнести неправильное анодное токораспределение из-за проскальзывания, отрыва или установки нового анода ниже горизонта анодного массива. В описанной ситуации волнение металла сопровождается кратковременными подмыканиями на этот выступ. При этом в колебаниях сопротивления наблюдается выраженный отрицательный пик при достаточно слабой положительной полуволне. Распознать такую ситуацию можно по значительному повышению отрицательной амплитуды над положительной, а при ограничении волнения металла целесообразно ориентироваться только на положительную амплитуду колебаний.

В этом случае увеличение межполюсного расстояния, очевидно, нецелесообразно; вместо этого следует выровнять подошву анода. К третьей группе следует отнести также ванны с нарушенной формой рабочего пространства. Для ликвидации волнения на таких электролизерах необходимо вмешательство технологического персонала цеха.

В среднем электролизеры, на которых возникают волнения, распределяются между перечисленными группами следующим об-

разом, %: 1-я группа - 45; 2-я группа - 20; 3-я группа - 35.

Среднее увеличение приведенного напряжения за смену в расчете на один электролизер соответствующей группы составило, мВ: 1-я группа - 60; 2-я группа - 150; 3-я группа - 170.

Среднее увеличение приведенного напряжения за смену в расчете на один работающий электролизер корпуса составило 29 мВ, из них по группам, мВ: 1-я группа - 4; 2-я группа - 4; 3-я группа - 13.

Максимальное текущее превышение приведенного напряжения не более 300 мВ для электролизеров 3-й группы.

Поскольку одной из основных причин электрохимических потерь алюминия в электролизерах является магнитогидроди-намическая неустойчивость, то для повышения выхода по току в первую очередь необходимо снизить уровень и амплитуду МГД-нарушений .

Эта задача решается, прежде всего, за счет внедрения технологии адаптации программ АСУТП к конструктивным и технологическим особенностям электролизеров разного типа. Суть адаптации заключается в том, чтобы с помощью быстродействующих аналитических компьютерных программ определить уровень отрицательных последствий от функционирования управляющих технологическими операциями алгоритмов и управляемости электролизеров. Данные анализа используют для наладки программ АСУТП и повышения уровня управляемости электролизеров.

Дальнейшее развитие этого направления связано с реализацией программами АСУТП логических функций. При этом учитывается, что действующие в электролизных цехах про-

граммы АСУТП представляют собой тай-мерные системы с набором добавленных напряжений, временем их поддержания и порядком снижения. При снижении напряжения по заданному времени не учитывают качество межполюсного зазора и технологическое состояние электролизера. По этой причине с помощью управляющей программы достаточно часто проводится циклическое поджа-тие межполюсного зазора между обработками и анодными эффектами. Таким образом, действующие программы АСУТП в какой-то степени способствуют формированию условий для повышения электрохимических потерь алюминия. Введение программного продукта для АСУТП с целью реализации управляющими алгоритмами логических функций решает эти главные недостатки, кроме того, создает условия для существенного снижения электрохимических потерь алюминия и увеличения выхода по току .

Выводы

1. Основными причинами появления МГД-нарушений являются следующие: ухудшение катодного и анодного токорас-пределения, увеличение рабочего тока серии, снижение уровня металла в электролизной ванне, переохлаждение электролита, нарушение формы рабочего пространства электролизера.

2. Влияние МГД-нарушений может быть компенсировано за счет реализации программами АСУТП логических функций путем аппроксимации колебаний напряжения, использования их для прогнозирования возникновения явлений волнения металла и своевременного их предупреждения.

Научный руководитель д.т.н. проф. Ю.В.Шариков

* Повышение магнитогидродинамической устойчивости алюминиевых электролизеров / А.К.Ногай, В.В.Крюков, В.В.Ефимов и др. // Цветные металлы. 2005. № 11. С.65-67.