§ 76. Нарушения технологического режима процесса электролиза

Неполадки в работе электролизеров —это отклонения от нормального режима работы ванн, вызываемые различными причинами и приводящие к снижению производительности, росту расхода сырья и электроэнергии, сокращению срока службы электролизеров и в некоторых случаях — к выходу их из строя. При отклонении от нормального режима могут ухудшаться как все технико-экономические показатели работы электролизера, например при его горячем ходе, так и некоторые показатели, например при протеках анодной массы повышается лишь ее расход.

Наиболее часто встречающиеся неполадки в работе электролизеров можно подразделить по их характеру на следующие группы:

горячий ход электролизера, уменьшение междуполюсного расстояния или замыкание на металл анодных блоков электролизеров с предварительно обожженными анодами (в практике это нарушение называется “зажатием” электролизера), работа “в бок”, карбидообразование, трудноустранимый анодный эффект (в практике носит название “затяжной”, или “негаснущей” вспышки), .холодный ход, прорыв расплава из шахты ванны, нарушения работы анода, ограничения или перерывы в снабжении электролизеров электроэнергией.

Электролизеры с нарушенным технологическим режимом отключают от системы автоматического регулирования, выводят из графика поточно-регламентированной обработки или непрерывного питания глиноземом и обслуживают отдельно с учетом характера нарушения.

Горячий ход

Характерными признаками горячего хода является повышенная температура электролита, желтый цвет газов, выделяющихся из-под анода, слабая корка электролита, редко наступающие и “тусклые” анодные эффекты. Когда такие признаки обнаруживаются одновременно на большей части электролизеров, установленных в одной серии, причиной является несоответствие выбранных параметров обслуживания электролизеров силе тока на серии.

В этом случае приход тепла не соответствует его расходу (отводу), а поэтому необходимо снижение силы тока на серии до величины, позволяющей восстановить тепловое равновесие электролизеров. После снижения силы тока следует выяснить и устранить конкретные причины, вызывающие указанное несоответствие.

Наиболее вероятными из них являются пониженная электропроводность электролита и недостаточное количество технологического металла в шахте ванны. Состав электролита корректируют различными добавками; уровень технологического жидкого металла поднимают, задерживая выливку его или наплавляя твердый. Только после устранения выявленных причин силу тока на серии постепенно поднимают до расчетной величины.

Когда характерные признаки горячего хода наблюдаются на некоторых электролизерах, наиболее вероятными причинами могут быть: повышенное напряжение из-за неисправных проводки и вольтметра; уменьшение количества технологического металла, отчего уменьшается теплоотдача и ухудшается выравнивание температуры; повышенное сопротивление электролита из-за отклонений его состава от нормы или из-за науглероживания (в этом случае ломик, извлеченный из расплава, покрыт тонким слоем электролита почти черного цвета); местными перегревами вследствие неравномерного сгорания анода (и образования на его подошве выпуклостей, называемых “конусами”) или отдельных анодных блоков электролизеров с предварительно обожженными анодами.

В каждом случае выявляют истинную причину, вызывающую горячий ход, и принимают меры к ее устранению. Прежде всего контрольным вольтметром определяют истинное напряжение на электролизере. Если напряжение завышено, его снижают, опуская анод, а электролит охлаждают внеплановой обработкой. После этого на электролизере быстро устанавливается тепловое равновесие. После этого устраняют неисправности в проводке и в вольтметре.

Недостаток технологического металла в ванне восполняют, расплавляя твердый алюминий, приготовленный для этих целей. Для расплавления алюминия требуется большое количество тепла, поэтому расплав быстро охлаждается и электролизер выводится на нормальный технологический режим.

Если установлено, что состав электролита не отвечает заданным параметрам, производят его корректировку необходимыми добавками. В случае неуглероживания электролита его охлаждают также расплавлением твердого металла и кускового электролита.

По мере охлаждения электролита и выделения угольной пены ее удаляют через специально для этого оставленные отверстия в корке электролита, не дожидаясь очередной обработки электролизера.

На такой ванне уменьшают до минимума загрузку глинозема, таккак при большом его количестве труднее отделить угольную пену.

Для ускорения вывода таких электролизеров на нормальный режим работы в них частично, а иногда и полностью заменяют электролит.

При местных перегревах наблюдаются посветление электролита и анода в местах перегрева, а также отсутствует выделение газов.

Электролит “плывет” из-под анода, а не “бурлит”.

Причинами местных перегревов, как правило, являются неровности на подошве анода, образующиеся в результате неравномерности его сгорания или протека анодной массы в штырьевое отверстие (для самообжигающихся анодов с верхним токоподводом). Если неровности расположены ближе к краю или к углу анода, их устраняют механическим путем, если под центром анода или в других недоступных местах—анод поднимают на такую высоту, чтобы через неровность пошел большой силы ток и она поскорее “сработалась”. В этом случае интенсивно охлаждают расплав, переплавляя твердый металл и кусковой электролит. Для увеличения теплоотдачи на поверхность электролита такой ванны глинозем не загружают. По мере срабатывания неровностей напряжение на электролизере снижают, опуская анод. При образовании неровности на предварительно обожженном анодном блоке его извлекают из электролизера, неровность устраняют механическим путем, а блок устанавливают на прежнее место.

Если наблюдается отставание в срабатываемости отдельного анодного блока, устанавливают и устраняют причину этого. Чаще всего причина заключается в неравномерности распределения токовой нагрузки из-за нарушения контакта угольный блок - стальной ниппель либо стальной кронштейн - алюминиевая штанга.

В таком случае угольный блок извлекают и на его место устанавливают новый. Если же отставание в сгорании анодного блока происходит из-за неправильной (заниженной) его установки, такой анодный блок поднимают на необходимую высоту.

Одним из наиболее часто встречающихся нарушений, приводящих в конечном итоге к горячему ходу, является уменьшение междуполюсного расстояния (“зажатие”). Это нарушение характеризуется низким напряжением при высокой температуре электролита. Отличительной особенностью “зажатия” является очень слабое выделение газов желтого цвета по периметру анода и отсутствие бурления электролита. Причины этого нарушения: неосторожное уменьшение междуполюсного расстояния при опускании анода или замыкание его на подовые настыли. В первом случае протекает обратная реакция — окисление алюминия газами, выделяющимися на аноде, с образованием глинозема и выделением большого количества тепла, что приводит к перегреву расплава. Во втором случае происходят местные перегревы и нарушается нормальная работа ванны.

Для устранения “зажатия” поднимают анод до тех пор. Пока по его периметру не начнется интенсивное выделение газов, характеризующееся бурлением электролита. Для ускорения вывода ванны на нормальную работу следует охладить расплав, переплавив в нем твердый металл и кусковой электролит. С внедрением системы автоматического регулирования положения анода это нарушение в работе электролизеров встречается реже.

Работа “в бок”

Это технологическое нарушение часто возникает в случае, когда значительная часть электрического тока идет не через металл и подину ванны, а через электролит и обнаженные (без гарниссажа) боковые блоки. Обычно оно наблюдается при наличии больших сплошных осадков на подине электролизера.

Сначала для устранения этого нарушения осадок подтягивают к борту в местах прохождения тока, чтобы образовался гарниссаж. Если же он не образуется, то необходимо искать другие причины работы электролизера “в бок”; чаще всего—это последствия горячего хода, местного перегрева или воздействия электромагнитных сил.

Работа электролизера “в бок” приводит к разрушению боковых блоков из-за окисления их анодными газами и образования на них карбида алюминия, а также к повышению интенсивности циркуляции электролита и перекосу металла в электролизере.

В зависимости от причин, вызвавших расплавление гарниссажа, для нормализации режима работы электролизера снижают напряжение на нем, очищают подину от осадка, устраняют местные перегревы. Во всех случаях у бортов электролизера в места, свободные от гарниссажа, загружают кусковой электролит с добавкой фтористого кальция и глинозема, а расплав охлаждают, переплавляя твердый металл.

Принимать меры по выявлению и устранению причин работы электролизера “в бок” следует срочно; в противном случае электролит, проникнув через щели между боковыми блоками, разрушит металлический кожух, и расплав начнет вытекать из шахты ванны.

Карбидообразование

Наиболее серьезным расстройством технологического режима электролизера является накарбиживание электролита. Это нарушение возникает вследствие горячего хода электролизера и особенно часто наблюдается во время его пуска и в послепусковой период работы. В условиях сильного перегрева происходит повышенное растворение в электролите алюминия, что способствует взаимодействию его с частицами угля, взвешенными в расплаве, приводящему к образованию карбида алюминия. Эта реакция протекает с выделением большого количества тепла, что способствует интенсивному ее протеканию.

Карбид алюминия в смеси с электролитом, глиноземом и углем образует тестообразные наросты (так называемые грибы), замыкающие анод на угольную подину электролизера. Характерными признаками начала карбидообразования является появление у анода участков раскаленного добела расплава, интенсивное испарение “дымление” электролита, отсутствие корки на поверхности расплава. Температура электролита поднимается до 1000—1100°С.

Обычно карбидообразование начинается на участках местного перегрева и очень важно не дать распространиться процессу на весь электролизер. Для этого анод поднимают, увеличивая междуполюсное расстояние. Одновременно из ванны выливают неуглероженный электролит и заливают свежий, затем аккуратно извлекают тестообразные наросты.

Если эти меры оказываются недостаточными и большая часть ванны уже подвергалась карбидообразованию, заменяют весь электролит или (как крайняя мера) электролизер отключают от серии, тщательно очищают подину и анод от осадка и карбидообразований и лишь после этого электролизер снова пускают в эксплуатацию.

Трудноустранимый анодный эффект

До настоящего времени истинные причины и механизм возникновения “затяжных” вспышек до конца не изучены. Практика работы показывает, что возникновение трудноустранимого анодного эффекта обусловлено наличием в электролите нерастворенного глинозема во взвешенном состоянии. Наиболее часто такое явление наблюдается на ваннах с низким уровнем электролита, на подинах которых имеются чрезмерные подовые настыли и большие глиноземистые осадки.

Возникает “затяжная” вспышка, как правило, на холодно работающих ваннах с кислым электролитом после очередной выливки металла и характеризуется тем, что не поддается устранению обычными способами; продолжительность ее может достигать нескольких часов. Во время “затяжного” анодного эффекта многократно увеличивается расход электроэнергии и, следовательно, приход тепла; резко сокращается производительность электролизера. В результате образования большого избытка тепла возможен прорыв расплава из шахты ванны.

Для устранения “затяжного” анодного эффекта тщательно очищают от глинозема корку электролита по всему периметру шахты ванны, затем корку вскрывают и удаляют. Одновременно увеличивают междуполюсное расстояние, поднимая анод. При кислом электролите в него добавляют фтористый натрий или соду для улучшения растворимости глинозема. Часть пересыщенного глиноземом электролита выливают, а для освежения и охлаждения электролита наплавляют свежий криолит равномерно вокруг анода. Практикуется также замена части или всего электролита свежим. Места с сильным движением расплава у борта шахты ванны прокладывают крупными кусками застывшего электролита.

“Затяжная” вспышка может возникнуть и в том случае, если из электролизера вылито слишком много металла, а оставшийся металл не покрывает глиноземистые осадки. Для устранения возникшей по этой причине “затяжной” вспышки заливают в ванну некоторое количество алюминия или наплавляют твердый металл.

Если перечисленными приемами “затяжной” анодный эффект устранить не удастся и на электролизере создастся аварийная ситуация, приходится значительно снижать или даже на несколько минут полностью снимать токовую нагрузку на серии, При медленном подъеме силы тока до установленной величины “затяжная” вспышка обычно не возобновляется. Однако эта операция крайне нежелательна, так как приводит к снижению производительности серии и отрицательно влияет на нормальный ход работы всех других электролизеров.

В исключительных случаях практикуется устранение “затяжной” вспышки опусканием анода до замыкания его с расплавленным металлом. При этом положительных результатов можно достичь только в том случае, если анод не будет касаться глиноземистых осадков и настылей. При постепенном подъеме анода после некоторой выдержки его в замкнутом на металл положении анодный эффект на электролизере не возобновляется.

После ликвидации “затяжной” вспышки постепенно (с учетом хода ванны) восстанавливают нормальный режим обработки, а после установления нормального режима работы электролизера его подину очищают от осадка.

Холодный ход

При условии, когда электролизер отдает больше тепла, чемв нем выделяется, температура расплава понижается. Такое состояние технологического процесса называется холодным ходом. При холодном ходе образуется толстая корка электролита, увеличиваются размеры настыли и гарниссажа, ухудшается растворимость глинозема и, как следствие, образуются осадки на подине, снижается уровень электролита, происходит его закисление из-за избирательного осаждения фтористого натрия. Возможно также всплытие металла на поверхность электролита из-за сближения плотностей металла и электролита; наблюдается частое возникновение анодных эффектов с напряжением свыше 50 В.

Холодный ход электролизера приводит к серьезным расстройствам технологического процесса вплоть до возникновения “затяжных” анодных эффектов и практически необратимых изменений формы рабочего пространства шахты ванны. Причиной холодного хода одновременно всех электролизеров серии или большинства из них является недостаточная сила тока. Как правило, это наблюдается при ограничениях энергоснабжения. Поэтому для восстановления нормального технологического режима в таких случаях необходимо увеличение силы тока. Частые и долгие ограничения энергоснабжения приводят к необратимым нарушениям технологического процесса электролиза и к резкому снижению производительности, а также всех других технико-экономических показателей работы электролизных ванн. Поэтому бесперебойное и равномерное обеспечение электроэнергией является обязательным условием ведения процесса электролиза алюминия.

Причиной холодного хода электролизера служит несоответствие некоторых его технологических параметров установленному для серии технологическому режиму. Наиболее часто холодный ход электролизера вызывается скоплением в нем металла. Для устранения холодного хода на таком электролизере поддерживают повышенное напряжение и постепенно удаляют лишний металл.

Нельзя удалять все излишки металла сразу, так как это может привести к замыканию анода на настыли и возникновению нежелательных нарушений, описанных выше. При всплывании металла на поверхность электролита необходимо залить в него максимально возможное количество горячего электролита и прогреть расплав во время очередной или с помощью искусственно вызванной подъемом анода “вспышке”.

Несмотря на то что состав электролита в электролизерах с холодным ходом значительно отличается от нормального, корректировку электролита не производят. Состав электролита на таких ваннах приводят к нормальному только расплавлением настылей, разогревая расплав, для чего увеличивают загрузку глинозема на корку электролита. Во избежание нежелательных последствий при обработке электролизера загружают только необходимую часть имеющегося на корке глинозема.

При холодном ходе электролизеров с самообжигающимися анодами в довольно редких случаях наблюдается возникновение очень интенсивного движения металла в шахте ванны. Природа этого явления не изучена, но несомненно, что оно связано с перераспределением тока в электролизере и действием на расплав электромагнитных сил. Движение металла иногда достигает такой силы, что выбрасывает часть расплава из шахты ванны. Напряжение на таком электролизере колеблется, а в моменты, когда металл касается анода, электролиз прекращается.

На практике, чтобы прекратить движение металла, в ванну заливают горячий электролит, в места наиболее интенсивного колебания металла дают порошкообразный криолит и соду, увеличивают междуполюсное расстояние. Обычно такое явление возникает только на электролизерах с низким уровнем очень кислого (криолитовое отношение 2,0—2,3) электролита, если на подине много осадка. Приведение такого электролизера к нормальному ходу—процесс длительный и трудоемкий, поэтому необходимо предотвращать возникновение этого явления.

При обработке ванн с кислым электролитом и с низким его уровнем, имеющих много осадка на подине, необходимо в первую очередь добавить электролит. Во время анодного эффекта на таких электролизерах, прежде чем ликвидировать его, наплавляют электролит.

Прорыв расплава из шахты ванны

Этот вид технологического нарушения возникает как следствие горячего хода электролизера при отсутствии достаточных бортовых настылей и гарниссажа. При обнаружении места прорыва расплава стремятся как можно скорее остановить течь. Для этого используют заготовленный ранее кусковой электролит в смеси с глиноземом. Поскольку электролит в шахте ванны перегрет только на 15—30°С против температуры его кристаллизации, поступление относительно холодных материалов в места образования течи позволяет “заморозить” расплав и тем самым приостановить вытекание его из шахты ванны. Если расплав вытекает очень быстро, необходимо опустить анод на металл или подину, чтобы не разорвать электрическую цепь серии. Во время ликвидации прорыва необходимо защитить катодную ошиновку от расплавления, оградив ее стальным листом. После устранения течи заливают недостающее количество металла и электролита в электролизер и приводят его к нормальному режиму работы. Если прорыв произошел через разрушенную во время эксплуатации боковую футеровку, то частичный ремонт футеровки осуществляют, не отключая электролизер. Для этого из электролизера отливают часть расплава, а пространство шахты ванны между бортом и анодом напротив ремонтируемого участка прокладывают кусковым оборотом для создания временной защитной стенки. Над участком ремонта срезают рабочую площадку, застывший электролит и металл удаляют на ширину 300—350 мм от кожуха и расчищают местo для ремонта до разрушенной футеровки. Тщательно расчищенный участок огораживают стальным листом, а отверстие в кожухе, образовавшееся в результате прорыва расплава, закрывают с внутренней стороны листовым асбестом. Подогретую до 150 °С и приготовленную к набивке подовую массу затрамбовывают в несколько засыпок между стальным листом и кожухом катода. После окончания набивки стальной лист убирают и приваривают новую рабочую площадку.

В случае, когда расплав из шихты ванны вытекает быстрее, чем можно опустить анод, отключают серию. Сразу же после создания надежного контакта между анодом и катодной частью электролизера серию подключают снова. Затем производят необходимые ремонтные работы на электролизере и восстанавливают на нем нормальный технологический режим.

Если расплав вытекает в недоступных местах и остановить течь не удается, электролизер отключают на капитальный ремонт.

Нарушения, связанные с работой анода

К числу основных нарушений, связанных с работой анода, относятся: течи пека и жидкой анодной массы у непрерывных самообжигающихся анодов; прорывы пека и жидкой анодной массы в расплав, а также загорание анодной массы у электролизеров с верхним токоподводом; выгорание отдельных участков боковой поверхности анода—так называемое образование шеек на аноде, расслоение анода. У электролизеров с предварительно обожженными анодами—перекос и обрыв анодов.

Течь пека и анодной массы у анодов с боковым токоподводом возникает чаще всего вследствие образования неплотностей и разрывов алюминиевой обечайки, а также неплотностей между штырем и обечайкой. У анодов с верхним токоподводом подобные течи наблюдаются при подъеме анодного кожуха вследствие возникновения неплотностей между внутренней поверхностью кожуха и угольным анодом. Небольшие течи легко устраняются уплотнением мест протека; при образовании значительных протеков из-за разрыва алюминиевой обечайки охлаждают массу до затвердевания и ремонтируют обечайку.

На нормально работающем электролизере, имеющем устойчивую корку электролита, нарушения этого типа не влекут за собой серьезных последствий, так как анодная масса не попадает в электролит. После устранения течи попавшую на корку электролита массу удаляют. Перемешанную с глиноземом часть анодной массы не перерабатывают, а чистую массу возвращают в анод. В том случае, когда часть анодной массы попала в электролит через неплотности в корке или при подъеме анодного кожуха у ванн с верхним токоподводом, ее необходимо удалить. Для этого после устранения течи пробивают корку электролита в месте протека и извлекают куски спекшейся анодной массы.

Наиболее серьезные осложнения в работе электролизера вызывают протеки пека и жидкой анодной массы в расплав через неплотности и трещины анода во время извлечения и перестановки штырей у ванн с верхним токоподводом. Эти нарушения возникают в результате низкого качества подготовки жидкой анодной массы перед извлечением штырей и образования пустот под штырями при неправильной их установке. Последствия этих нарушений очень серьезны: при протеке значительного количества пека и анодной массы в расплав происходит выброс расплава из шахты ванны; кусочки спекшегося пека перемешивают с расплавом, и для их устранения требуется много времени и труда. После протека вывод электролизера на нормальный режим затягивается на несколько суток.

Сразу после ликвидации протека приступают к очистке шахты ванны от кусков спекшейся массы, тщательно очищают и подошву анода от образовавшихся неровностей. Если не удастся удалить все припекшиеся к подошве анода куски массы, на электролизере устанавливают завышенное междуполюсное расстояние для сжигания неровностей. Обработку такой ванны ведут по индивидуальному графику с минимальной загрузкой Аl2O3.

Для предотвращения подобных нарушений при перестановке штырей применяют следующие профилактические меры. При извлечении штыря недопустим быстрый его подъем. Обычно штырь слегка приподнимают на 150—200 мм и делают паузу, во время которой наблюдают за поведением анода. При обнаружении сильного выделения газа из-под анода, что свидетельствует о наличии сквозного отверстия, штырь немедленно возвращают в первоначальное положение, чтобы предотвратить прорыв пека и анодной массы в расплав. В дальнейшем для извлечения такого штыря принимают специальные меры предосторожности: чтобы не допустить попадания жидкой анодной массы в электролит, в отверстие под штырем устанавливают “пробку” из асбеста в виде шара диаметром, равным диаметру штыря. После установки “пробки” отверстие заполняют анодной массой и устанавливают новый холодный штырь с таким расчетом, чтобы его конец был на уровне конуса спекания. Перед следующей перестановкой штыря тщательно проверяют качество анода в месте установки “пробки”.

При извлечении штырей из анодов с верхним токоподводом анодная масса иногда загорается в аноде. Это происходит при извлечении перегретых штырей и повышенной температуре жидкой фазы анода. Загоревшуюся массу гасят увлажненной мелкодробленой анодной массой; в исключительных случаях для гашения применяют воду, однако при этом вода не должна попадать в расплав.

Наиболее часто встречающимся нарушением работы анода является неравномерное сгорание его боковых поверхностей—образование “шеек”. Главная причина этого нарушения—недостаточное внимание обслуживающего персонала при выполнении различных операций обслуживания электролизера. Образованию “шеек” способствует также неравномерный разогрев и низкое качество анода.

Чтобы образовавшаяся небольшая “шейка” не увеличивалась, необходимо защищать боковую поверхность анода, заплескивая на нее расплавленный электролит. Застывая, электролит тонким слоем плотно прилегает к боковой поверхности анода, предотвращая ее окисление. С этой же целью на электролизерах с верхним токоподводом не допускают подсоса воздуха под газосборный колокол, для чего поддерживают хорошее уплотнение его и нормальную работу “горелок”.

При сильном выгорании боковой поверхности анода осуществляют специальные операции наращивания анода. Для анодов с верхним токоподводом эти операции осуществляют в следующем порядке. В районах “шейки” снимают секции газосборного колокола, поверхность её тщательно очищают. На уровне нижней кромки анодного кожуха в горизонтальном положении к поверхности электролита укрепляют стальной лист, который тщательно отгораживают от расплава с помощью застывшего электролита и порошкообразного криолита. Затем заполняют жидкой анодной массой образовавшуюся полость (рис. 128). В течение 2—3 дней масса, заполнившая все пустоты, коксуется и спекается с основным телом анода. Механизм перемещения анодного кожуха на время спекания анодной массы в области “шейки” должен быть отключен. Если вовремя не принять мер по устранению разрастания “шейки”, можно вывести из строя анод, а следовательно, потребуется отключение электролизера для замены анода. Образование больших “шеек” на предварительно обожженных анодах может привести к оплавлению ниппелей и обрыву угольной части анода.

Расслоение, характерное для непрерывных самообжигающихся анодов, происходит при плохом качестве обслуживания анода, когда перед очередной загрузкой анодной массы поверхность анода плохо очищают от пыли. Слой пыли между очередной партией массы и поверхностью анода, потерявшей необходимую жидкотекучесть, препятствует перемешиванию массы, и при спекании такого анода в нем образуется слой, изолированный от основного тела анода и очень слабо связанный с ним механически. Когда

этот слой оказывается ниже концов штырей, он отслаивается. Для устранения последствий расслоения анода приходится затрачивать много усилий на извлечение кусков анода из расплава и на восстановление нормального режима электролиза. Чаще всего расслоение происходит на углах анода, но в любом случае оно приводит к уменьшению рабочего сечения анода и к длительному нарушению нормальной работы электролизера. Нормальный режим на таком электролизере восстанавливается только после сгорания оставшейся части анода, т. е. после восстановления первоначального сечения анода на уровне его подошвы.

Отрыв угольных блоков от несущей штанги у электролизеров с предварительно обожженными анодами происходит из-за разрушения во время эксплуатации контакта между угольной частью анодного блока и несущей штангой. Причинами разрушения этого контакта могут быть оплавление ниппелей при прохождении тока повышенной силы при неравномерном распределении его по всем блокам анодного устройства или при попадании ниппелей в зону действия расплавленного электролита. Обрыв может произойти и от чрезмерного окисления верхней поверхности угольной части блока. Наблюдаются случаи обрыва при нарушении контакта алюминиевая штанга—несущий стальной кронштейн. В любом случае при обрыве заменяют вышедший из строя анодный блок новым.

При неисправных узлах механизма подъема анода части анода будут подниматься неравномерно относительно поверхности металла в шахте ванны. В этом случае междуполюсное расстояние станет неодинаковым по всей подошве анода, что обязательно приведет к возникновению местных перегревов и нарушению нормальной работы электролизера. Такое явление называется перекосом анода. При своевременном обнаружении перекоса анода и устранении причин его возникновения не наблюдаются какие-либо серьезные нарушения работы электролизера. Если же начальный период перекоса упущен, то начинает неравномерно срабатываться нижняя поверхность анода. Для восстановления первоначального положения анода после устранения причины, вызвавшей его перекос, требуются значительное время и дополнительные затраты электроэнергии.

В промышленной практике наблюдаются нарушения во время эксплуатации узлов электроизоляции между анодным и катодным устройством электролизера. В этом случае значительная часть электрического тока проходит через детали механизма подъема, что приводит к разогреву и выводу их из строя. Обычно это наблюдается во время возникновения на ванне анодного эффекта, когда разность потенциалов между анодом и катодом во много раз больше обычной. Нарушение электроизоляции может привести к серьезным последствиям, вплоть до создания аварийной ситуации—падения анодного устройства в шахту ванны (обрыв анода) с вытеснением практически всего расплава.

Во избежание таких нарушений узлы электроизоляции систематически осматривают и их состояние поддерживают в строгом соответствии с инструкцией по эксплуатации. Если во время анодного эффекта обнаружен выход из строя электроизоляции (характерное искрение узлов подъемного механизма или опор металлоконструкции), необходимо немедленно ликвидировать анодный эффект и только после этого восстановить нарушенную электроизоляцию.

При обрыве анода электролизер отключают от серии во избежание разрыва цепи, а затем ликвидируют последствия аварии (восстанавливают все разрушенные узлы конструкции электролизера и готовят его к пуску в эксплуатацию).

Все нарушения нормального режима работы электролизеров, помимо снижения производительности и технико-кономических показателей работы, приводят к сокращению междуремонтного срока эксплуатации, а значит, к снижению производительности всей серии и значительному росту эксплуатационных затрат. Поэтому основной задачей обслуживающего персонала является поддержание в оптимальном режиме работы каждого электролизера, а в случае возникновения того или иного нарушения режима—своевременное принятие мер к устранению этого нарушения и его последствий.

Перерывы и ограничения снабжения элетроэнергией серий электролиза алюминия

Многолетняя мировая практика производства алюминия методом электролиза свидетельствует о том, что прекращение снабжения или ограничение в снабжении серий электролиза электроэнергией всегда приводит к более тяжелым, чем снижение производительности электролизеров, пропорциональное недостающему количеству электроэнергии, последствиям—вплоть до разрушения катодных ycтpoйств и отключения ванн на капитальный ремонт.

При прекращении поступления электрической энергии к электролизеру в первую очередь происходит резкое изменение свойств электролита в условиях охлаждения расплава, так как при нормальных условиях процесса он перегрет относительно температуры плавления всего на несколько десятков градусов. Сначала повышаются его вязкость и плотность, которая еще до перехода электролита в твердое состояние становится выше плотности расплавленного алюминия, что приводит к перемешиванию всех составляющих расплава и всплытию алюминия на его поверхность.

Время, за которое весь электролит погружается под слой алюминия, зависит от температуры окружающего воздуха, мощности и конструкции (с самообжигающимися или предварительно обожженными анодами, с днищем или без него и т. д.) электролизера, а также от его состояния (объем электролита, слои утепляющей засыпки глинозема и т. д.) на момент прекращения поступления электрической энергии. Это время можно рассчитать, используя данные о теплопередаче конструкции электролизера. Практически для электролизеров мощностью 150—160 кА самообжигающимся анодом и верхним токоподводом оно составит 1—3 ч, если не принять специальных мер для утепления электролизера, и не более 4—6 ч, если о прекращении поступления электрической энергии известно заранее и имеется время на проведение профилактических мероприятий (перегрев расплава и наплавление повышенного количества электролита, утепление электролизера криолитом и глиноземом).

Для возобновления процесса электролиза на таком электролизере необходимо разогреть его до температуры, при которой осуществляется процесс, на что потребуется затратить значительное количество электрической энергии. Восстановление технологического процесса на таком электролизере происходит медленно и требует значительных трудовых затрат, связанных с расчисткой подины от осадков.

Анализ многочисленных примеров пуска электролизеров после продолжительного перерыва в снабжении электроэнергией показывает, что одна треть из них выходит из строя из-за прорыва расплава из шахты ванны сразу же после повторного пуска, а срок службы остальных электролизеров не более года.

Повторно пущенные электролизеры выдают алюминий худшего качества—с большим содержанием примесей. Так как каждый электролизер имеет строго индивидуальные особенности, зависящие от многочисленных факторов, практически невозможно предсказать, какой из них и когда выйдет из строя после повторного пуска.

Технико-экономические расчеты, основанные на анализе практических данных эксплуатации электролизеров после вынужденной остановки их и повторного пуска на электролиз, показывают, что при прекращении энергоснабжения на срок, достаточный для капитального ремонта отключенных электролизеров, целесообразно произвести такой ремонт. Единовременные затраты на внеочередной ремонт во много раз меньше, чем на восстановление и поддержание нормальной технологии ванн, пущенных на электролиз повторно.

При ограничении (частичном снижении таковой нагрузки на серии) энергоснабжения электролизеров в зависимости от его величины и продолжительности наблюдаются все разновидности нарушений, присущих холодному ходу ванн. Как уже отмечалось ранее, последствия холодного хода могут быть самыми разнообразными—в плоть до разрушения катодного устройства электролизера. Самые серьезные нарушения возникают при внезапном прекращении или ограничении подачи электроэнергии, так как в этом случае не удается своевременно осуществить необходимые профилактические меры.

При ограничении снабжения электроэнергией в качестве подготовительных мер утепляют электролизеры, дополнительно засыая сырье на их корку вокруг анода, уменьшают количество технологического металла в шахте ванны, повышают уровень электролита. Все эти меры в какой-то степени уменьшают отрицательное влияние ограничения энергоснабжения, но не обеспечивают полной компенсации потерь, с ним связанных. Поэтому для устраненения последствий ограничения энергоснабжения в каждом конкретном случае (в зависимости от характера технологического нарушения) принимают меры, описанные в разделе “Холодный ход”.

Если из-за продолжительного прекращения энергоснабжения принимают решение осуществить капитальный ремонт электролизеров, операции подготовки к отключению выполняют в последовательности, oписанной §71.

Если после полного прекращения энергоснабжения предусматривают повторный пуск ванн на электролиз, то на них проводят подготовительные работы, характер и последовательность которых зависят от конструктивных особенностей отключенных ванн, а также выбранного способа осуществления разогрева и повторного пуска электролизера.

Во всех случаях, когда о предстоящем отключении электролизеров на консервацию известно заблаговременно, снижают в них уровень расплава и увеличивают электропроводность катодного узла, очищая подину от глиноземистых осадков. Высоту слоя металла в этом случае составляют минимально возможной в зависимости от состояния подовых настылей (при отключении они должны быть укрыты металлом под всей площадью анода, в противном случае возникают серьезные трудности при повторном пуске электролизера). Электролит сливают в самый последний момент.

В практике производства алюминия известны следующие методы “замораживания” электролизеров: а) анод “замораживают” в специально оставленном для этого расплаве; б) анод поднимают над расплавом и в таком положении оставляют до последующего пуска. Практика консервации электролизеров показала, что каждый метод имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Основное преимущество “замораживания” анода в расплаве заключается в простоте подключения электролизера на разогрев, так как для этого не требуется никаких специальных подготовительных операций. Серьезный недостаток такого метода—крайне неравномерное распределение тока .по токоподводящим элементам и катодным стержням, отводящим ток, которое приводит к нерегулируемым местным перегревам со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями, вплоть до оплавления катодных стержней и прорыва расплава из шихты ванны. Регулирование разогрева в этом случае практически неосуществимо до расплавления металла по всей шахте ванны, т. е. до тех пор, пока не станет возможным перемещение анода и, следовательно, регулирование распределения тока по подине.

Консервация электролизера с поднятым над застывшим расплавом анодом позволяет применять при последующем разогреве различные способы, но все они связаны с дополнительными затратами труда. Для создания электрической цепи необходимо опустить анод до контакта с застывшим расплавом. Чтобы контакт был надежным, перед подключением ванны тщательно очищают поверхность застывшего расплава и подошву анода от слоя электролита, затем на застывший расплав загружают слои просеянного кокса крупностью 10—15 мм и разравнивают его, учитывая форму подошвы анода. Слой кокса обеспечивает надежный контакт между анодом и застывшим алюминием, создавая наиболее благоприятные условия для разогрева, т.е. для распределения тока по шахте ванны и его регулирования. Недостаток такого способа заключается в необходимости извлечения сразу же после пуска большого количества угольных частиц, оставшихся от кокса после разогрева. В условиях одновременного пуска многих электролизеров этот недостаток может привести к серьезным нарушениям технологического процесса, связанным с науглероживанием электролита вплоть до карбидообразования.

Существуют и другие способы создания достаточно надежного электрического контакта между анодом и застывшим в шахте ванны алюминием. В частности, засыпку кокса можно осуществлять не равномерным слоем под всей площадью анода, а отдельными кучками. В этом случае несколько ухудшается распределение тока и уменьшаются возможности его регулирования, зато значительно сокращаются трудности, связанные с извлечением из электролита оставшихся частиц кокса после пуска электролизера.

Наиболее простой путь создания надежного контакта анод—застывший металл заключается в заливке расплавленного алюминия непосредственно перед подключением. При этом значительно сокращаются трудовые затраты на подготовку к разогреву. Однако этот способ обладает практически всеми недостатками, свойственными способу подключения на разогрев электролизеров с “замороженным” в расплав анодом, но он предпочтительнее, так как позволяет в какой-то степени регулировать распределение тока с самого начала разогрева.

К выбору того или другого способа разогрева следует подходить дифференцированно, с учетом индивидуальных особенностей электролизных ванн. Электролизеры, имеющие непродолжительный срок эксплуатации, с чистыми (без настылей и осадка) подинами предпочтительно консервировать с “замораживанием” анода в металле. Ванны с неравномерными настылями и большим количеством осадка, имеющие как следствие этого высокий перепад напряжения в подине, предпочтительнее разогревать с применением просеянного кокса.

Во всех случаях при временной консервации электролизеров наибольший ущерб им причиняется сокращением межремонтного срока эксплуатации и снижением их производительности после повторного пуска на электролиз. Общеизвестно, что при нормальной эксплуатации катодное устройство имеет в рабочей зоне температуру 950—960°С, температура футеровки значительно изменяется от рабочей зоны к боковым стенкам. При временной консервации в период охлаждения футеровочные материалы сжимаются, а в футеровке образуются трещины, наблюдаются и другие нарушения. При последующем разогреве подины футеровочные материалы расширяются. Поскольку у различных материалов футеровки подины линейные коэффициенты расширения различны, футеровка катодного узла электролизера нарушается. При этом уменьшается продолжительность эксплуатации (срок службы) электролизера, увеличиваются потери напряжения и ухудшается распределение тока в катодном устройстве, а также снижается выход по току, что при прочих равных условиях равносильно снижению производительности.

Степень разрушения футеровки подины электролизера во многом зависит от продолжительности его консервации, так как взаимодействие влаги окружающего воздуха с материалами “замороженного” катодного устройства приводит к дополнительному его разрушению. По данным английской фирмы “Бритиш алюминиум компани”, обладающей большим опытом временной консервации электролизеров из-за почти ежегодного ограничения энергоснабжения, уменьшение выхода но току после повторного пуска зависит от состояния подины электролизера и составляет 1—3%. Эти данные получены фирмой на алюминиевом заводе, оборудованном электролизерами на силу тока 100 кА с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом. Простой расчет показывает, что при эксплуатации в течение одного года после повторного пуска только одной серии, оборудованной такими электролизерами, из-за среднего снижения выхода по току на 2 % будет недодано свыше 1000 т алюминия.

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ СЕРИЙ МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕ!

ТРОЛИЗА