книги из ГПНТБ / Вольфсон, Г. Е. Производство алюминия в электролизерах с обожженными анодами методический материал

После удаления футеровки и остатков алюминия в вйде коржей осматривают кожух, при необходимости его ремонтируют или заменяют. В случае замены старый ко­ жух разрезают и вывозят из цеха.

§ 4. ОШИНОВКА

Ошиновка электролизера с обожженными анодами состоит из двух частей —• анодной и катодной. К анодной ошиновке относятся анодные стояки и основной анодный пакет — анодная рама, выполняющая одновременно, как правило, и грузонесущие функции. Анодная рама пере­ дает ток подключенным к ней анододержателям анодов. Катодная ошиновка состоит из гибких лент— катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины, и катодных шин.

Ошиновка электролизеров небольшой мощности мо­ жет быть односторонней или двусторонней. Для электро­ лизеров на силу тока не менее 100 кА применяется толь­ ко двусторонняя ошиновка.

В современных электролизерах большинство контакт­ ных соединений ошиновки — сварное.

Сечение и сортамент применяемой анодной и катод­ ной ошиновки определяют из расчетов экономически оп­ тимальной плотности тока, которая зависит от стоимости электроэнергии, материалов и монтажа. Плотность тока в шинах современных алюминиевых заводов в зависимо­ сти от вышеуказанных факторов находится в пределах

0,3—0,5 А/мм2.

Применяемые шины могут быть изготовлены как ме­ тодом прессования, так и путем полунепрерывного или непрерывного литья из жидкого алюминия марок АЕ, А6 или А7. Гибкая часть ошиновки изготавливается из алю­ миниевой ленты.

Правильный выбор схемы ошиновки — важный фак­ тор, влияющий на технологический процесс электролизе­ ра и его технико-экономические показатели.

В зоне расплавленного электролита и металла элек­ тролизера, особенно электролизера большой мощности, создаются магнитные поля, изменяющиеся во времени и значительные по своей напряженности. Электромагнит­ ные силы, которые возникают в результате взаимодей­ ствия магнитного поля ошиновки с токами в рас­

52

плавленном алюминии и электролите, приводят к перено­ су «зеркала» алюминия, а также к усилению циркуля­ ции расплава в электролизере. Эти факторы в свою очередь способствуют увеличению потерь металла, рас­ творению боковых гарниссажей и в конечном счете явля­ ются одними из главных причин расстройства технологии электролиза, снижения выхода по току и ухудшения энергетических показателей электролиза.

Магнитное поле в зоне расплавленного алюминия и электролита возникает также под влиянием токов, проте­ кающих по всем конструктивным элементам электроли­ зера. Поэтому величина напряженности магнитного поля зависит также от расположения ферромагнитных масс электролизера.

Многочисленными исследованиями, выполненными как на действующих электролизерах, так и на моделях, показано, что наибольший перекос металла для электро­ лизеров всех конструкций имеет место при односторон­ нем подводе тока к аноду. При двустороннем подводе и отводе тока искривление поверхности металла при про­ чих равных условиях меньше. Поэтому, если для электро­ лизеров на силу тока 40-—70 кА перекос металла при одностороннем подводе и отводе тока вследствие неболь­ ших значений напряженности магнитного поля не ока­ зывает существенного влияния на технико-экономические показатели электролиза, то для электролизеров большей мощности целесообразно применение ошиновки только

сдвусторонним подводом и отводом тока.

Вэлектролизерах большой мощности слой расплав­ ленного алюминия играет роль дополнительной шины, включенной параллельно катодной ошиновке. Вследст­ вие этого направление тока в металле соответствует на­ правлению тока серии, и взаимодействие этого тока с вер­

тикальной составляющей магнитного поля приводит к возникновению электродинамических сил, искажаю­ щих поверхность металла. На величину напряженности магнитного поля оказывает влияние также ошиновка со­ седних рядов электролизеров.

Конструкция ошиновки современных электролизеров большой мощности должна обеспечивать возможность создания наиболее благоприятного магнитного поля, в максимальной степени снижающего искажение поверх­ ности («перекос») расплавленного алюминия. С целью

53

Глава У Обжиг и пу ск э л е к т р о л и з е р о в

Обжиг и пуск вновь смонтированных электролизеров, а также электролизеров после капитального ремонта — важная и сложная операция. От качества обжига и пус­ ка во многом зависит продолжительность работы элект­ ролизера, расход фторсолей и электроэнергии в началь­ ный период его работы, время, которое необходимо для вывода электролизера на нормальный технологический режим. Пуск электролизеров можно разделить на четыре стадии: 1) подготовка к обжигу; 2) обжиг; 3) собст­ венно пуск; 4) работа в послепусковой период.

Подготовка электролизера к обжигу начинается пос­ ле окончания всех строительно-монтажных работ и со­ ставления акта по установленной форме.

Обжиг электролизеров обычно производится на «орешке» или металле. По первому способу обжига про­ грев катодных блоков и всей футеровки электролизера происходит при высокой температуре, что благоприятно сказывается на сроке службы подины. Однако обжиг на «орешке» требует больших трудовых затрат при подго­ товке, в процессе обжига, а особенно — при пуске элект­ ролизера. На металле электролизер обжигается равно­ мерно, но прогрев и обжиг подины проходят при темпе­ ратуре более низкой, чем по первому способу, и поэтому более продолжительны. При заливке жидкого алюминия подина подвергается тепловому удару, что может при­ вести к образованию трещин в катодных блоках и раз­ рушению их при дальнейшей эксплуатации. Однако этот способ обжига получил наибольшее распростране­ ние, так как исключается наиболее трудоемкая опера­ ция — удаление «орешка».

Подготовка электролизера к обжигу на «орешке» заключается в следующем. На очищенную подину элек­ тролизера засыпают ровным слоем (30—50 мм) уголь­ ный «орешек» крупностью 3—5 мм, который приготовля­ ют из отходов подовых блоков или другого угольного материала, обладающего достаточной механической прочностью и химической стойкостью. Обожженные аноды устанавливают в электролизер так, чтобы вся площадь подошвы соприкасалась со слоем угольного

65

«орешка», а штанга анододержателя прилегала к анод­ ной шине. После прикрепления анододержателей к анодным шинам аноды подъемным механизмом прижи­ маются к слою угольного «орешка». Для утепления и герметизации шахту электролизера накрывают тепло­ изолированными железными крышками, которые уста­ навливают одной стороной на аноды, другой — на рабо­ чую площадку электролизера. Перед установкой кры­ шек для электроизоляции на рабочую площадку и ано­ ды насыпают слой криолита или глинозема толщиной 20—40 мм. Все щели между крышками, анодами и не­ плотности между крышками и кожухом электролизера тщательно закрывают листовым асбестом и уплотняют глиноземом или криолитом.

При подготовке электролизера к обжигу на металле аноды устанавливают на подину, анододержатели при­ крепляют к анодным шинам и с помощью подъемного механизма аноды поднимают на 20—25 мм. Шахту элек­ тролизера можно перекрывать крышками так же, как при подготовке к обжигу на «орешке», либо 3—5-милли­ метровыми железными листами, на которые для утеп­ ления насыпать слой криолита, фтористого натрия; либо загружать между анодами и боковой футеровкой шахты электролизера сухой оборотный электролит, криолит, фтористый натрий, а сверху на аноды насыпать слой криолита или глинозема толщиной 50—100 мм. После подготовки заливают жидкий алюминий с расчетом, что­ бы аноды были погружены в него на 20—40 мм.

Обжиг необходим для коксования подовой массы, которой набиваются швы между катодными блоками и промежутки между катодными блоками и стенками шахты, для просушки и прогрева подовых блоков и всей футеровки электролизера. Обжиг считается закончен­ ным, когда подовая масса скоксуется, а температура поверхности подины станет близкой к температуре элек­ тролиза. Обычно обжиг длится 2—3 суток.

После проведения подготовки к обжигу электроли­ зер включают в электрическую цепь. В первый момент из-за повышенного сопротивления холодного анода и необожженной подины напряжение на электролизере устанавливается 5—6 В; по мере разогревания через 1,5—2 ч напряжение снижается до 3,5—4 В. Поэтому при постановке на обжиг новой серии вначале включа­

56

ют в электрическую цепь примерно половину электроли­ зеров, а остальные подключают группами по 10—15 электролизеров через 2—3 ч. Число подключаемых элек­ тролизеров на обжиг в новой серии зависит от возмож­ ностей приготовления электролита для пуска, а также наличия достаточного штата рабочих, так как пуск тре­ бует больших затрат труда и повышенного контроля.

Во время обжига нужно постоянно следить за тем, чтобы шахта электролизера была плотно закрыта. Об­ разующиеся щели следует закрывать листовым асбес­ том или засыпать глиноземом или криолитом. Чем луч­ ше закрыта шахта, тем меньше окисляются кислородом воздуха боковые угольные плиты и аноды.

Наиболее внимательно обслуживающий персонал должен следить за равномерностью распределения тока по анодам, так как при перегрузке возникают местные перегревы катода, что может привести к его растрески­ ванию и быстрому разрушению во время эксплуатации электролизера. Особенно часто неравномерность токо­ вой нагрузки наблюдается при обжиге электролизеров на «орешке». Поэтому через каждые 1,5—2 ч токовую нагрузку проверяют милливольтметром по падению на­ пряжения на участке штанги анододержателя. При рав­ номерной токовой нагрузке анодов разница в падении напряжения не превышает 10—15%.

Слабо нагруженный анод отключают от анодной шины, плотнее прижимают к угольному «орешку» и сно­ ва подключают. Перегруженный анод отключают от анодной шины на 0,5—1,5 ч; одновременно отключенных анодов может быть не более 20%. При нормальном рас­ пределении тока по анодам напряжение на электролизе­ ре во время обжига держится 2—2,5 В, а при неравно­ мерном — поднимается до 3,5—4 В. После регулировки токовой нагрузки напряжение снижается до нормально­ го. При обжиге электролизеров на металле перегружен­ ные аноды отключают на 0,5—1,5 ч; напряжение при этом способе обжига не превышает 1,5—2 В.

После окончания обжига снимают теплоизолирую­ щие крышки и с подины электролизера удаляют «оре­ шек». Эту операцию нужно производить быстро, чтобы не переохладить подину. Удаляют «орешек» так: из элек­ тролизера поочередно вытаскивают все аноды, а «оре­ шек» из-под них вычищают скребками и лопатами.

57

После удаления «орешка» заливают жидкий элект­ ролит, который наплавляют в специальной печи или других электролизерах — «ваннах-матках». В пусковой электролизер электролит из ковшей заливают большой струей. Промежуток времени между заливками из ков­ шей должен быть минимальным. Одновременно с залив­ кой электролита подъемным механизмом поднимают аноды с такой скоростью, чтобы напряжение поддержи­ валось 10—20 В. Затем заливают жидкий алюминий. В пусковом электролизере уровень электролита должен быть 25—30 см, а металла 5—7 см.

Удалять орешек можно шумовками и после пуска электролизера, в этом случае подину не охлаждают, однако с «орешком» теряется много электролита.

Если электролизер обжигался на металле, то после снятия крышек в него заливают электролит и через не­ сколько часов осуществляют замену половины анодов огарками в «шахматном» порядке.

Пуск электролизера упрощается в случае, если шах­ та электролизера не закрывается теплоизоляционными крышками, а заполняется оборотным электролитом, криолитом и фтористым натрием. При этом заливают 2—4 ковша электролита и устанавливают необходимое напряжение. Для осуществления «шахматной» расста­ новки пусковые аноды начинают заменять через 3—4 суток работы.

Технологические параметры электролиза в послепусковом периоде отличаются от нормальных. За время обжига футеровка, подина, цоколь, фундамент, кожух электролизера постепенно прогреваются, но равновесие электролизера устанавливается в течение нескольких месяцев. Особенно велики потери тепла электролизе­ ром в первые дни работы после пуска. Поэтому после окончания пуска на электролизере устанавливают на­ пряжение 7—8 В, которое в течение первых суток сни­ жают постепенно до 5,5—6,5 В. Напряжение на электро­ лизере доводят до нормального постепенно, в течение 7—10 суток после пуска.

На пусковых электролизерах наблюдается много анодных эффектов. По мере установления нормального технологического режима число их постепенно уменьша­ ется. При снижении напряжения на электролизерах в послепусковой период требуется тщательный контроль

58

и внимательное обслуживание. При быстром снижении напряжения из-за недостатка тепла электролизеры на­ чинают идти «холодно», что приводит к образованию подовых настылей, осадков, чрезмерно быстрому обра­ зованию гарниссажей и резкому снижению уровня элек­ тролита, частым анодным эффектам. При медленном снижении напряжения пусковой электролизер начинает работать «горячо». В этом случае непроизводительно расходуется электроэнергия, испаряется электролит, интенсивно разрушаются аноды, электролит науглеро­ живается, не формируется нормальный гарниссаж. Иног­ да из-за малого междуполюсного расстояния и боль­ шого количества угольных частиц в электролите возмож­ но образование «конусов» и карбида алюминия.

Вугольную футеровку пускового электролизера из­ бирательно впитывается фтористый натрий, поэтому криолитовое отношение поддерживают выше нормаль­ ного. В электролизер для этого дают NaF или соду.

Во время послепускового периода на внутренних стенках электролизера образуется гарнисаж из крио­ лито-глиноземного расплава. Для поддержания необхо­ димого уровня электролита в ванну добавляют порош­ ковый криолит или оборотный электролит.

Впервые дни работы электролизера возможно скоп­ ление в электролите большого количества угольных ча­ стиц. Угольную пену снимают во время анодных эффек­ тов или периодически через отверстия в корке электро­ лита. Уровень металла во вновь пущенных электролизе­ рах во избежание переохлаждения подины поднимают постепенно и поддерживают около 1—2 месяцев ниже нормального.

Впусковых электролизерах алюминий загрязнен же­ лезом, кремнием и другими примесями, которые попада­ ют в электролит со свежим криолитом, фтористым нат­ рием. До установления нормального уровня электроли­ та нужно внимательно следить за состоянием анодных огарков, их величиной, так как возможно электрохими­ ческое растворение стальных ниппелей и чугунной за­ ливки.

Послепусковой период считается законченным, когда на электролизере установятся нормальные технологиче­ ские параметры и сформируются хорошие боковые гарниссажи и подовые настыли.

59

Глава VI

Н о р м а л ь н а я р а б о т а э л е к т р о л и з е р о в

§ 1. ПРИЗНАКИ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Производство алюминия требует высокой квалифи­ кации обслуживающего персонала. Несмотря на нали­ чие в корпусах электролиза действующих автоматизи­ рованных систем управления процессом электролиза, важным методом контроля режима работы электроли­ зера является визуальное наблюдение за внешними признаками процесса электролиза и показаниями вольт­ метра. По внешним признакам определяются многие на­ рушения нормального технологического режима, поэто­ му необходимо знать признаки нормальной работы элек­ тролизера приведенные ниже:

1. Цвет огней, выбивающихся из-под анодов в мес­ тах отвода анодных газов нормально работающего элек­ тролизера, сине-голубой, фиолетовый; газы выбиваются интенсивно, с силой. Появление языков желтого пламе­ ни указывает на нарушение нормальной работы электро­ лизера (перегрев электролита, нарушение регулировки анодов, образование на анодах «конусов», работа элект­ ролизера «в бок» и др.).

2.При вскрытии корки у нормально работающего электролизера наблюдается бурление электролита во­ круг анодов. Если же электролит неподвижен или течет без бурления из-под анодов к борту («плывет»), — зна­ чит, электролизер работает ненормально (низкое междуполюсное расстояние, на анодах «конусы» и т. д.). Слишком интенсивное бурление электролита вокруг от­ дельных анодов, как правило, указывает на токовую пе­ регрузку этих анодов (стоят ниже уровня других ано­ дов, под анод попал кусок анодного огарка).

3.В нормально работающем электролизере аноды несильно осыпаются сверху, не выгорают и не осыпают­ ся с боковых поверхностей: стальные ниппели анододержателей не краснеют. Большое разрушение поверх­ ностей анодов и покраснение стальных ниппелей свиде­ тельствуют о токовой перегрузке анода (образовался «конус», замыкание на металл, анод поставлен низко).

60

Анод может сильно выгореть и осыпаться также при плохом укрытии его глиноземом, особенно у поверхно­ сти электролита, и при высокой температуре электроли­ та («горячем ходе»).

4.В нормально работающем электролизере на поди­ не под анодами отсутствует глиноземный осадок. Боль­ шое количество глиноземного осадка приводит к увели­ чению электрического сопротивления подины, ее пере­ греву, а иногда и к более тяжелым технологическим расстройствам. Глиноземный осадок легко обнаружить ломиком или другим инструментом (крючком, шумов­ кой). При замерах уровней электролита и металла, если на подине имеется глиноземный осадок, то он налипает на ломик и хорошо виден.

5.Застывшая на поверхности электролита корка у нормально работающего электролизера должна быть сплошной и достаточно прочной. Если корка слишком мягкая, то загружаемый на борт глинозем провалива­ ется, в электролит попадает лишнее его количество и на подине образуется осадок. Очень толстую прочную кор­ ку трудно пробивать при обработке электролизера. Тон­ кая мягкая корка обычно бывает у электролизеров с пе­ регретым электролитом и с электролитом, имеющим ма­ лое криолитовое отношение (меньше 2,30). Толстая прочная корка образуется, если электролит имеет боль­ шое криолитовое отношение, электролизер работает хо­

лодно или засыпка глинозема на борт производится че­ рез продолжительное время после обработки электроли­ зера.

6. Нормально работающий электролизер имеет хоро­ ший, устойчивый гарнисаж (слой застывшего у бортов электролизера электролита). Гарнисаж предохраняет от разрушения боковую футеровку электролизера, служит дополнительным теплоизолятором, предотвращает раз­ ряд ионов алюминия на боковых угольных плитах (блоках).

На рис. 9 представлена схема нормальной формы гарнисажа: корка электролита переходит в боковой гарнисаж (его минимальная толщина обычно бывает на границе металл — электролит), а затем в мощную подо­ вую настыль. При горячем ходе электролизера гарни­ саж в большей или меньшей степени расплавляется. Схема формы рабочего пространства при горячем ходе

61