2.3.2. Организация основного производства при электролизе цветных металлов

В цветной металлургии широко применяются технологии получения ме­таллов с помощью электролиза. Пропусканием тока через электролит получают Al из глинозема, Тi из титановой губки, Mg, Cd и другие. Электролиз применяют также для рафинирования металлов (Cu, Ni, Zn). Предприятия электролиза относятся к массовому типу.

Организация основного производства при рафинировании меди рассматривается на примере цеха электролиза ОАО "Уралэлектромедь". Процесс ве­дется в ваннах, заполненных электролитом (раствором серной кислоты). При пропускании электрического тока медь анода переходит на катод. Для этого между анодами подвешиваются листы рафинированной медной катодной основы. Ванны сгруппированы в серии. В цехе установлена 91 серия, каждая из которых состоит из 24 ванн, всего в цехе 2184 ванны. Каждая ванна рассчитана на 34 катода и 35 анодов. С учетом того, что часть ванн находится в ремонте и простое, всего задействовано около 60 тыс. анодно-катодных пар. Производственный процесс электролизного производства показан на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Производственный процесс электролиза меди:

– операции; – смежные цехи; – движение предмета труда

Из рисунка видно, что процесс включает четыре стадии: изготовления катодных основ, их правки, электролиза катодной меди и пакетирования катодов. Организационно это три участка. Стадии изготовления и правки катодных основ объединены в участок матричных основ, далее следуют участки рафинирования меди и пакетирования катодов (рис. 2.13).

Б

Г

Выгрузка гото-

вой продукции

Ряд из 16 серий ванн Подача анодов из медеплавильного

Рис.2.13. Схема размещения участков и оборудования цеха электролиза:

А – зона изготовления матриц; Б – зона правки матричных основ; В – участок электролиза; Г – участок пакетирования готовой продукции; – движение предмета труда

Ванны на участке изготовления катодных основ расположены в один ряд из 16 серий, на участке электролиза – в пять рядов, один из них неполный.

Процессу изготовления катодных основ предшествует заполнение ванн электролитом и загрузка их анодами. Сам процесс идет в два этапа. 1-й этап – непосредственно стадия изготовления катодных основ. Она включает четыре операции: 1) загрузки ванны титановыми матрицами; 2) электролиза с наращиванием на титановых матрицах двух тонких слоев рафинированной меди; 3) выгрузки титановых матриц и съема с них листов рафинированной меди; 4) правки медного листа, приклепывания ушек и навешивания на ломик. Операции 1-3 в сумме занимают сутки, причем загрузку и выгрузку матриц производят в дневную смену. Механическая правка выполняется параллельно со следующим циклом изготовления катодных основ в ванне.

После 8-9 суточных циклов изготовления катодных основ анод расходуется наполовину. По условиям технологии считается, что он больше не должен использоваться для изготовления основ. Поэтому на 2-м этапе ванна работает в режиме электролиза катодов.

Процесс получения катодов на участке электролиза включает следующие операции:

1) загрузку анодов и заливку электролита (1 смена);

2) навеску листов катодных основ (3 часа);

3) 1-й этап электролиза (8-9 дней);

4) выгрузку катодов и навеску новой партии катодных основ (название операции "перегрузка", занимает около 3 часов);

5) 2-й этап электролиза (8-10 дней);

6) выгрузку катодов;

7) чистку ванн. Операции 6-7 в сумме занимают смену.

Полный цикл электролиза, в результате которого из одного анода получается два катода, занимает 18-20 дней. Полученные катоды подлежат отмывке. Некачественные листы катодных основ и медный скрап нерастворившихся анодов возвращаются в медеплавильный цех на переплавку. Шлам, получаемый при чистке ванн, содержит драгметаллы. Он передается в химико-металлургический цех для их извлечения. Отработанный сернокислотный электролит направляется для утилизации в цех медного купороса.

Организационные характеристики основных и вспомогательных процессов электролизного цеха приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Наименование процесса	Характеристики процесса
	по использованию орудий труда	по протеканию во времени	по степени автоматизации
Основные процессы Электролиз катодных основ Правка катодных основ Электролиз меди	Аппаратурный Машинно-ручной Аппаратурный	Циклический Циклический Циклический	Неавтоматизированный Неавтоматизированный Неавтоматизированный
Вспомогательные процессы Заливка ванн электролитом Загрузка анодов Чистка ванн Отмывка катодов Пакетирование катодов	Машинный Машинно-ручной Машинно-ручной Машинный Машинно-ручной	- Циклический - Циклический Циклический	Неавтоматизированный Неавтоматизированный Неавтоматизированный Неавтоматизированный Неавтоматизированный

Электролизное производство является технологически специализированным. Прямоточность обеспечивается расстановкой оборудования, как показано на рис. 2.12.

Пропорциональность проверяется расчетом производственной мощности участков. Для участков правки матричных основ и пакетирования она регулируется производительностью установленного механического оборудования.

Пропорциональность участков матричных основ и электролиза означает, что за время, за которое на участке электролиза будет изготовлено Q_э катодов, на участке матричных основ должно быть подготовлено такое же Q_к количество катодных основ. Примем в качестве периода времени для сравнения продолжительность одного цикла электролиза. За это время будет изготовлено катодов:

Q_э = (N – n) K_исп m r s , (2.5)

где N – количество серий в цехе, всего;

n – в том числе занятых на участке катодных основ;

K_исп – коэффициент использования ванн (учитывает находящиеся в ремонте, простое);

m – количество ванн в серии;

r – количество анодно-катодных пар в ванне;

s – количество катодов, получаемых из одного анода за время t_ц.

За это же время должно быть подготовлено катодных основ:

Q_к = n  m r l, (2.6)

где  – коэффициент выхода годных катодных основ;

l – количество катодных основ, получаемых за цикл работы ванны t_ц из одного анода.

Совместное решение формул (2.5) и (2.6) относительно n дают зависимость

n = (2.7)

Применительно к условиям электролизного цеха ОАО "Уралэлектро­медь" N = 91; К_исп = 0,89;  = 0,98; l = 8,5×2. Получается n = 9 серий. При фактическом закреплении за участком катодных основ 16 серий пропорциональность обеспечивается (избыточные серии используются для электролиза меди).

Наиболее сложной является задача обеспечения непрерывности. Обслуживание процесса электролиза включает поддержание температуры и скорости циркуляции электролита, устранение коротких замыканий, регулировку напряжения и другие операции. Здесь возникает та же проблема, которая в менеджменте получила название "предел управляемости" (т.е. сколько максимум непосредственно подчиненных может быть у руководителя). В организации производства можно говорить о пределе контроля и обслуживания, которые в состоянии осуществить рабочий. Практически на одного электролизника в смену приходится свыше 5 тыс. анодно-катодных пар. В результате процесс электролиза протекает далеко не в оптимальном режиме, продолжительность цикла сильно колеблется, причем в большую сторону, аноды срабатываются неравномерно, имеют место большие потери времени, перерасход электроэнергии. Отчетные данные цеха показывают, что из-за несвоевременной перегрузки и чистки ванн регулярно внепланово простаивает до 10 серий.

Решить проблему непрерывности электролизного производства (это относится ко всем предприятиям с данной технологией) чисто организационными мерами, т.е. составлением графиков и т.п., невозможно. Правильное решение – внедрение систем автоматизированного контроля и управления процессом электролиза. Это позволит нормализовать продолжительность работы ванн, обеспечить их работу в стандартизированном режиме, по четкому графику.

Режим работы цеха электролиза – непрерывный. Некоторые операции выполняются в дневную смену (перегрузка катодов, съем и правка катодных основ, чистка ванн). Остальные выполняются круглосуточно. Организация труда бригадная. Оплата – за произведенную продукцию по участкам.

Для оптимизации численности бригады электролизников могут быть использованы методы теории массового обслуживания. Каналы обслуживания – электролизники, в чьи функции входит контроль за состоянием процесса. Воз­никающие нарушения процесса рассматриваются как заявки на обслуживание. Система идентифицируется как многоканальная с неограниченным ожиданием заявок в очереди.

Исходные данные для расчета: интенсивность входного потока заявок (количество сбоев процесса в единицу времени) λ, число обслуживающих ка­налов (рабочих) S, средняя продолжительность обслуживания одним каналом , обратная величина – интенсивность обслуживания µ, приведенная интенсивность обслуживания ρ = .

Практикум. Рассчитать оптимальный состав бригады электролизников при следующих условиях: ежесменно работает бригада из S = 6 человек. Под контролем бригады находится 50 тысяч анодно-катодных пар. Количество сбоев режима – в среднем 160 в смену (λ = 20 сбоев/час). Среднее время устра­нения сбоя = 15 мин (0,25 час), соответственно интенсивность обслуживания μ = 4 сбоя/час. Приведен­ная интенсивность обслуживания ρ = 20/4 = 5. (Значения λ, условные, так как никаких наблюдений данного рода не проводилось. Еще один пример нев­нимания к вопросам организации производства на предприятиях России).

Расчет показателей системы ведется по известным формулам ТМО:

• вероятность отсутствия заявок в системе

Р₀ = , или в явном виде

;

• среднее число занятых каналов (рабочих) = ρ = 5 чел.;

• коэффициент занятости системы d_зан = ρ / S = 5/6 = 0,83;

• абсолютная пропускная способность бригады по устранению нарушений процесса А = μ = 4×5 = 20 сбоев/час;

• среднее число сбоев, ожидающих устранения,

= = = 2,9 сбоя;

• среднее время ожидания устранения сбоя процесса

= = = 0,15 час/сбой.

ТМО позволяет рассмотреть альтернативные варианты организации производства на участке:

• замены бригадной организации труда индивидуальной с тем, чтобы каждый рабочий отвечал за отдельный участок работ;

• увеличения бригады на одного рабочего;

• автоматизации контроля коротких замыканий в ваннах, что позволит сократить время обслуживания.

С точки зрения ТМО вариант замены бригадной организации труда индивидуальной – это переход к шести одноканальным системам с ожида­нием. Тогда поток заявок на одного рабочего λ = 20/6 = 3,3 сбоя/ час, среднее время устранения сбоя не меняется и интенсивность обслуживания прежняя

μ = 4 сбоя/час, ρ = 3,3/4 = 0,83.

При этих исходных данных и одноканальных системах с ожиданием средняя длина очереди = = = 4 сбоя на каждого рабочего вместо 2,9 на всю бригаду ранее. Среднее ожидание в очереди на устранение сбоя = = = 1,2 час/сбой.

Как видно, индивидуальная организация дает существенно худшие результаты, чем бригадная.

При варианте добавления в бригаду одного рабочего вероятность отсутствия заявок в системе:

;

средняя длина очереди на обслуживание: = = 0,99 сбоя.

В результате более оперативного устранения сбоев дополнительный выпуск меди цехом за месяц: М = 0,001×(2,9-0,99) ×24×30 = 1,4 тонны. Здесь первый сомножитель – количество чистого металла, наращиваемого на катод за час, ориентировочно 1кг (0,001т).

Для подсчета экономического эффекта нужно подсчитать доход от выпуска дополнительной продукции Д = М×(Ц-У)×0,76, где Ц – цена тонны металла; У – условно-переменные расходы на производство тонны металла; 0,76 – доля прибыли, остающаяся предприятию после налогообложения. К нему нужно добавить стоимость сэкономленной электроэнергии (как результат уменьшения коротких замыканий) и вычесть дополнительные затраты (зарплату дополнительного рабочего, социальный налог, затраты на охрану труда).

Расчет показателей системы при автоматизации контроля ведется по тем же формулам. В составе исходных данных меняется (уменьшается) среднее время обслуживания , соответственно μ и приведенная интенсивность обслуживания ρ. Поскольку внедрение средств автоматизации требует капитальных вложений, расчет эффективности мероприятия нужно вести методом бизнес-планирования.

Организация основного производства при электролизе алюминия Металлургия алюминия объединяет производство глинозема, угольных электродных материалов, фтористых солей, алюминия. Объединение этих производств на одной площадке не обязательно. Энергоемкое производство алюминия тяготеет к крупным источникам электроэнергии, тогда как глиноземные заводы могут располагаться возле источников сырья.

Основным производственным объектом алюминиевого завода является электролизный цех. Размеры его определяются числом серий и корпусов. На современных алюминиевых заводах установлены серии с числом электролизеров (ванн) от 80 до 150. Серии с напряжением тока до 400 В располагаются по одной в корпусе. Серии с большим напряжением и соответственно с большим числом ванн размещаются в двух корпусах. В отдельном корпусе размещается литейное отделение, предназначенное для рафинирования алюминия и его разливки. (Схема планировки алюминиевого завода приводилась на рис. 1.13).

В электролизерах осуществляется непрерывный процесс получения алюминия из глинозема. Под действием постоянного тока большой силы (до 200-250 кА) электролит (криолитоглиноземная смесь) находится в расплавленном состоянии. Алюминий, имеющий больший удельный вес, накапливается на дне электролизера, выложенного угольным материалом, играющим роль катода. Анод, тоже угольный, опускается сверху и в процессе электролиза расходуется.

Обслуживание процесса электролиза включает следующие основные операции:

• питание электролизеров глиноземом;

• уход за анодами;

• откачку жидкого алюминия.

От режима питания электролизеров глиноземом зависят все основные показатели процесса: суточный выход металла с одной ванны, расход электроэнергии, глинозема, фтористых солей, сортность металла.

Уход за анодами включает регулирование их опускания, наблюдение за состоянием контактов (зачистку и переключение контактов), а также извлечение штырей, перетягивание анодной рамы, наращивание кожуха, загрузку внутрь кожуха анодной массы, забивку штырей.

Частота выливки алюминия из ванн определяется технологическим режимом. Обычно она производится в дневную смену. Ковши с металлом поступают в литейное отделение, где производится очистка алюминия (хлорированием, отстаиванием, переплавкой под флюсом) и разливка.

Производство изделий из алюминия, алюминиевых сплавов, попутной химической продукции осуществляется за пределами цеха электролиза.

Из изложенного видно, что алюминиевое производство относится к массовому типу, по характеру применяемых орудий труда – к аппаратурным (электролиз, рафинирование) и машинным (разливка, уход за катодами). По характеру протекания во времени – это непрерывно-поточное производство. Важнейшее значение для повышения уровня организованности производства имеет автоматизация контроля и управления процессами электролиза.

Организация труда повсеместно бригадная. Бригады организуются по процессам: электролизники, анодчики, хлораторщики и т.д.

Вопросы для самопроверки

1. Технологический поток МПЦ, основные переделы.

2. Обеспечение пропорциональности переделов МПЦ.

3. Организация производства конвертерного и плавильного переделов по графикам на основе принципов непрерывности и стандартизации.

4. Математические методы стабилизации качества металлургического сырья.

5. Технологический поток цеха электрорафинирования меди.

6. Значение автоматизации контроля и управления технологическими процессами в условиях аппаратурного электролизного производства.

7. Организация основных процессов производства алюминия.

8. Применение теории массового обслуживания для оптимизации состава бригады электролизников.