WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 |

«АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

БОЙКОВ Алексей Викторович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ В



ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук Владимир Юрьевич Бажин Санкт-Петербург – 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ

КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

1.1 Особенности физико-химических процессов электролитического получения алюминия

1.2 Технологический контроль нормальной работы электролизеров с обожженными анодами

1.2.1 Контроль температуры электролита

1.2.2 Контроль состава электролита

1.2.3 Требования к состоянию поверхности расплава во время замены анодов

1.2.4 Проблема образования шлака при выливке металла

1.2.5 Визуальные и ручные методы контроля

1.3 Анализ современных АСУТП электролиза алюминия

1.4 Выводы по Главе 1

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И

ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Выбор и обоснование метода исследования

2.1.1 Характеристики видимого диапазона электромагнитного спектра

2.1.2 Структура автоматической системы на базе ОНК

2.2 Программа экспериментальных исследований

2.2.1 Лабораторная установка для изучения оптического спектра расплава

2.2.2 Методика для определения зависимости оптического спектра расплава от криолитового отношения

2.2.3 Методика для определения зависимости оптического спектра расплава от его химического состава

2.2.4 Методика определения влияния температуры ведения процесса на спектр расплава

2.2.5 Методика определения степени зашлакованности поверхности расплава по яркостным характеристикам спектра

2.3 Обработка экспериментальных данных. Определение статистических зависимостей

2.3.1 Метод наименьших квадратов

2.3.2 Корреляционный анализ

2.3.3 Регрессионный анализ

2.4 Выводы по Главе 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

КРИОЛИТОГЛИНОЗЕМНОГО РАСПЛАВА

3.1 Измерение компонентов спектра электролита

3.2 Изучение влияния криолитового отношения электролита на оптический спектр

3.3 Изменение компонентов спектра расплава от состава электролита.................. 82 

3.4 Изучение влияния температуры процесса на оптический спектр электролита 87 

3.5 Программный модуль для расчета криолитового отношения по данным оптического спектра расплава

3.6 Экономическая эффективность предлагаемого решения

3.7 Выводы по Главе 3

ГЛАВА 4 РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ПРИ

ОПТИЧЕСКОМ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ

4.1 Определение степени зашлакованности поверхности расплава по светлоте... 97 

4.2 Определение степени зашлакованности поверхности расплава по яркости.. 101 

4.3 Определение степени зашлакованности поверхности расплава и металла.... 103 

4.4 Программный модуль для определения степени зашлакованности поверхности расплава

4.5 Экономическая эффективность внедрения расширенного функционирования систем управления

4.5.1 Применение разработанного решения при замене анода............ 108  4.5.2 Применение разработанного решения в литейном производстве

4.6 Выводы по Главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ





СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования В период неустойчивой экономической ситуации многие мировые продуценты алюминия, как в России, так и за рубежом, остановили нерентабельные производства. Серии электролизеров с обожженными анодами средней мощности и электролизеров с верхним и боковым токоподводом были отключены ОК РУСАЛ, законсервированы или демонтированы.

Основное направление современного развития электролитического производства алюминия связано с совершенствованием высокоамперных технологий – получением алюминия на электролизерах с обожженными анодами, работающих при силе тока более 300 кА. Сверхмощные высокоамперные электролизеры с обожженными анодами, работающие на Хакасском алюминиевом заводе и пусковые серии строящегося Богучанского алюминиевого завода для производства первичного алюминия, оснащены многоуровневыми системами автоматизации. Все операции по технологическому обслуживанию практически полностью механизированы. После запуска Хакасского алюминиевого завода (электролизеры РА-300) и 5-й серии электролиза Иркутского алюминиевого завода (ОА-3002М) установлены характерные признаки технологических нарушений, связанных с отклонением химического состава электролита от заданных значений и проблемами оперативного контроля при обслуживании.

Высокоамперный электролизер – сложная многофункциональная динамическая система, требующая тщательного технологического контроля и управления на основе постоянного автоматизированного мониторинга основных параметров с целью повышения основных технико-экономических показателей. В связи с этим недостаточно осуществлять периодические корректировки электролита фтористыми солями, контролировать содержание глинозема «по шумам», регулировать напряжение по уставке. Существующий уровень автоматизированного контроля производства алюминия не обеспечивает своевременную корректировку технологических параметров (температура, криолитовое отношение, состав электролита, уровни металла и электролита) и имеет значительную инерционность из-за большого количества ручных операций.

Существуют временные интервалы технологических операций (замена анодов, выливка металла, загрузка глинозема и фторсолей), во время которых электролизер может находиться в разбалансированном состоянии, что в свою очередь приводит к снижению производительности отдельной ванны и электролизной серии в целом.

Для стабилизации технологического процесса электролиза необходимо оперативно анализировать причины отклонений параметров от заданных значений и своевременно формировать управляющие воздействия при помощи обратных связей по каналу управления АСУТП. Для повышения управляемости процесса необходимо расширение функциональных возможностей АСУТП.

Специфика технологии электролиза обусловлена химической агрессивностью и высокой температурой криолитоглиноземного расплава, следствием чего является недостаточный уровень информации о параметрах процесса из-за дороговизны их контроля стандартными приборами КиП.

Проблемой контроля технологических параметров и совершенствованием алгоритмов управления агрегатов электрометаллургической промышленности занимались отечественные и зарубежные научно-исследовательские и проектные организации, такие как ОАО «Цветметавтоматика», ЗАО «ТоксСофт», ИТЦ РУСАЛ, ОАО «РУСАЛ ВАМИ», ОАО «СибВАМИ», Alcoa (США), Alcan (Канада), SIEMENS (Германия). Значительный вклад в разработки в области управления, автоматизации и контроля технологических параметров алюминиевой промышленности внесли известные ученые и специалисты Калужский Н.А., Борисоглебский Ю.В., Железнов В.А., Троицкий И.А., Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Концур Е.П., Минцис М.Я., Бегунов А.И., Левин М.В., Пискажова Т.В., Потапова Т.Б., Поляков П.В., Березин А.И., Николаев И.В., Манн В.Х., Глушкевич М.А., Зельберг Б.И., Скорняков В.И., Чалых В.И., Черных А.Е., Сизяков В.М., Бажин В.Ю. и др.

Актуальной задачей исследования представляется расширение функций АСУТП за счет непрерывного мониторинга технологических параметров при помощи систем технического зрения, в том числе во время операций обслуживания электролизеров с ОА.

Цель работы Разработка и научное обоснование технических решений, обеспечивающих повышение эффективности управления процессом производства алюминия в электролизерах с обожженными анодами.

Идея работы Поставленная цель достигается использованием методов оптического неразрушающего контроля на основе систем технического зрения и специализированного программного обеспечения для мониторинга технологических параметров и расширения функциональных возможностей автоматической системы управления высокоамперных электролизеров с ОА.

Задачи исследования:

- изучение влияния технологических параметров электролизера на характеристики оптического спектра КГР;

- обоснование применения систем технического зрения для определения параметров криолитоглиноземного расплава (криолитовое отношение, степень зашлакованности поверхности расплава);

- выявление характера зависимости значений составляющих оптического спектра криолитоглиноземного расплава от переизбытка в нем фторида алюминия и разработка алгоритма для расчета величины криолитового отношения;

- разработка критериев оценки степени зашлакованности поверхности расплава при автоматизированном мониторинге технологических операций по обслуживанию электролизера и при транспортировке ковша в литейное отделение;

- разработка инновационных технических решений на основе контроля технологических параметров во время операционного обслуживания электролизеров с ОА (замена анодов, питание электролизера, выливка металла), обеспечивающих повышение технико-экономических показателей;

- реализация программно-аппаратного комплекса для АСУТП на основе результатов, полученных в рамках исследований, и адаптация к условиям действующего электролитического производства алюминия.

Методы исследований

В диссертационной работе использовались современные методы анализа цифровых изображений с применением компьютерной обработки в совокупности с обобщенными практическими и теоретическими знаниями в области производства электролитического алюминия, термодинамики, оптики и других смежных наук.

Обработка и анализ результатов, полученных в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний, проводились стандартными методами статистики с использованием программного пакета LabVIEW компании National Instruments (США).

Научная новизна работы:

- Обосновано применение оптического неразрушающего метода для контроля технологических параметров в электролитическом производстве алюминия.

- Получены функциональные зависимости значений составляющих оптического спектра криолитоглиноземных расплавов от соотношения фторидов натрия и алюминия, а также от концентрации глинозема в электролите.

- Изучены динамические особенности формирования криолитоглиноземной корки на поверхности расплава при дозированной подаче фторированного глинозема с целью корректировки криолитового отношения и поддержания заданной концентрации Al2O3.

- Разработан алгоритм мониторинга поверхности КГР при выполнении основных технологических операций (выливка металла и замена анодов) и при транспортировке ковша в литейное отделение.

Основные защищаемые положения:

1. Регистрация и анализ спектра излучения криолитоглиноземного расплава, изменяющего цвет от темно-бордового (КО=2,0) до светло-жёлтого (КО=3,0), осуществляется при помощи цветных промышленных камер, и позволяет определить точное количество корректирующих добавок фторида алюминия и фторированного глинозема в течение 30-45 секунд.

2. Система сигнализации на основе технического зрения позволяет интенсифицировать очистку поверхности расплава во время технологических операций (выливки металла, замены анодов), что снижает степень зашлакованности до 10-15%, обеспечивая устойчивую работу электролизера и снижение потерь металла и электроэнергии.

Практическая значимость работы:

- Полученные значения спектральных характеристик открытой поверхности расплава позволяют в режиме реального времени определить отклонение криолитового отношения от заданного значения во время технологических операций с точностью до 0,02.

- Разработанный алгоритм корректировки КО позволяет оперативно рассчитать величину добавки фторидов алюминия и фторированного глинозема, компенсирующей неконтролируемые отклонения криолитового отношения.

- Алгоритм мониторинга поверхности КГР во время операции замены анода позволяет увеличить выход по току на 0,3-0,5% за счет увеличения площади контакта анода с расплавом.

- Текущий мониторинг количества шлака на поверхности расплава при выливке металла из электролизера позволяет принять меры по интенсификации удаления криолитоглиноземной корки, что обеспечивает повышение выхода годной продукции на 10-15%.

- Реализованы программные продукты для контроля технологических параметров электролитического производства алюминия (свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014616312 и №2014616178), апробированные в условиях действующего производства.

Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена объемом экспериментальных исследований, применением современных методов статистического анализа, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, проверена в лабораторном и промышленном масштабах.

Результаты, представленные в диссертационной работе, подтверждены в рамках лабораторных и промышленных испытаний и могут быть использованы в качестве дополнительного инструментария в существующих АСУТП на Иркутском, Богучанском и Хакасском и других алюминиевых заводах.

Апробация работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на VIII международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 28-29 ноября 2014 год), международной конференции «Неделя науки СПбПУ» (СанктПетербург, 1-6 декабря 2014).

Личный вклад автора заключается в: постановке целей, формулировке задач и разработке методики исследований; в проведении анализа научнотехнической литературы и патентного поиска; выполнении лабораторных исследований и полупромышленных испытаний; разработке технических решений, адаптированных к условиям действующего электролитического производства алюминия; научном обобщении полученных результатов.

Реализация работы:

Разработанные технические решения по повышению эффективности управления на основе систем технического зрения предложены к использованию на предприятиях ОК РУСАЛ.

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 печатных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 125 страницах. Содержит 50 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 94 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

Первичный алюминий в промышленных масштабах получают путем электролиза криолитоглиноземных расплавов по технологии Эру-Холла уже более ста лет [1]. Современное производство алюминия основано на электролитическом разложении глинозема ( Al2 O 3 ) с выделением на катоде металлического алюминия, а на аноде – газообразных продуктов электролиза – монооксида и диоксида углерода.

Основным высокопроизводительным агрегатом для промышленного производства первичного алюминия в настоящее время являются электролизеры с обожженными анодами (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема алюминиевого электролизера с ОА: 1 – угольная футеровка; 2 – бортовые блоки; 3 – бортовая настыль; 4 – укрывной материал; 5 – крышки и укрытие; 6 – анододержатели; 7 – балка-коллектор анодных газов; 8 – бункер глинозема; 9 – анодная ошиновка; 10 – пробойник АПГ; 11 – обожженный анод; 12 – электролит; 13 – бортовая теплоизоляция; 14 – расплавленный алюминий; 15 – блюмс Технология электролитического производства алюминия на электролизерах с ОА имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогами старой конструкции – электролизерами с самообжигающимися анодами Содерберга (с верхним и боковым токоподподом) [2]:

- возможность увеличения единичной мощности электролизеров на 5-10% от проектной за счет изменения амперной нагрузки;

- высокие ТЭП (Таблица 1), характеризующие работу мощных электролизеров, свидетельствуют об их высокой конкурентоспособности;

- снижение выбросов смолистых веществ, в том числе бензапирена и других вредных компонентов и, как следствие, улучшение экологической ситуации в электролизных корпусах за счет конструктивных особенностей, уменьшающих время работы электролизеров в разгерметизированном состоянии [3, 75, 76];

- применение малоотходных и безотходных технологических схем, предусматривающих рециклинг химических реагентов;

- высокий уровень механизации и автоматизации технологического обслуживания [4];

- повышенный уровень безопасности и снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, достигаемый за счет минимизации человеческого фактора в управлении процессом и использования современных АСУТП. Основные техническо-экономические показатели электролизеров представлены в таблице 1.

Лидерами инновационных технических решений в современном электролизе являются зарубежные производители алюминия, такие как Alcoa (США), Hydro Aluminum (Норвегия), Rio Tinto Alcan (Канада-ФранцияАвстралия). При проектировании новых производств и модернизации действующих предпочтение отдается электролизерам с обожженными анодами мощностью 300-400 кА.

–  –  –

уже работающие Хакасский алюминиевый завод (РА300) и пятая серия электролизеров Иркутского алюминиевого завода (ОА300-2М) показывают самые высокие технико-экономические результаты за последние годы эксплуатации [6, 68].

Работы ведущих ученых и специалистов в области металлургии алюминия, а также повышенный интерес лидеров российского и зарубежного производства, прогнозируют большие перспективы для дальнейшей модернизации электролизеров с ОА.

1.1 ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

В качестве электролита используется искусственный криолит, имеющий формулу смеси двух солей NaF и AlF3 (или Na 3 AlF6 ). Криолит – комплексная соль, которая составляет 80-90% всей массы электролита [7], поэтому изменение состава электролита может кардинально изменить ход физико-химических процессов, протекающих в межполюсном расстоянии, которые могут существенно повлиять на технико-экономические показатели процесса.

Физико-химическая природа электролиза сводится к тому, что расплавленный криолит, диссоциирует на положительно заряженные катионы натрия ( Na ) и отрицательно заряженные комплексные анионы (AlF6 ) 3 [8].

Na 3 AlF6 3( Na ) (AlF6 ) 3 (1) Количественные изменения ионов в расплаве связаны в первую очередь с криолитовым отношением. Катионы натрия ( Na ) преобладают в электролите при высоком КО (щелочной электролит). Современные алюминиевые электролизеры с ОА работают с использованием кислых электролитов со значением КО 2,2При работе на щелочных электролитах (с КО более 2,7) происходит разряд ионов натрия в пограничном слое «металл-электролит», что приводит к снижению выхода по току. Отсюда следует, что контроль значения КО особенно важен для обеспечения стабильности процесса электролиза.

Загрузка...

Рабочая температура плавления электролита находится в пределах 945оС [10]. При данной температуре связи между алюминием и фтором в комплексных ионах ослабевают, и сложный анион (AlF6 )3 распадается на ионы

–  –  –

(AlF6 ) 3 (AlF4 ) 2(F), (2) последовательно диссоциируя, вплоть до монофторида алюминия.

Основным сырьем для электролиза служит оксид алюминия – глинозем Al 2 O 3 – содержанием не более 4-5% массы расплава. Ввод порций глинозема в расплав значительно усложняет структуру электролита, поэтому необходимо обеспечить постоянный контроль содержания Al 2 O 3 в расплавленном криолите Na 3 AlF6. Установлено [2], что понижение концентрации глинозема до 0,5-1,0% приводит к возникновению анодных эффектов и выделению перфторуглеродов:

CF4 и C 2 F6, а при его переизбытке (более 6%) на подине катода под слоем металла образуется жидкий криолитоглиноземный осадок [84], который с течением времени кристаллизуется и изолирует подину нерастворимыми донными осадками. Поддержание нормального рабочего режима осуществляется с помощью АСУТП, которая на основе характерных «шумов» напряжения (флуктуации) и уровней металла и электролита осуществляет подачу глинозема через питатели системы АПГ [11].

Наиболее эффективно электролиз идет при концентрации глинозема 2,5Процесс растворение глинозема ( Al 2 O 3 ) сопровождается образованием в электролите оксифторидных комплексов (AlOF2 ).

Al 2 O 3 (AlF6 ) 3 3(AlOF2 ) (3) На подошве анода происходит сложный процесс, в ходе которого к нему перемещаются отрицательно заряженные анионы (AlOF2 ). Однако в первую очередь на аноде разряжаются ионы кислорода ( O 2 ) из комплексного аниона, так как обладают более отрицательным потенциалом разряда. Одновременно с этим происходит адсорбция атомарного кислорода углеродом, сопровождающаяся образованием промежуточных оксидов по реакции Будуара [85].

2CO C CO 2 (4) Ход этой реакции определяется рядом параметров электролизера, зависящих друг от друга [13], но особенно важно, что при выполнении операции замены анода значительное влияние оказывает количество пены и шлака на поверхности электролита.

Кроме этого, в криолитоглиноземный электролит вводят до 6-10% различных корректирующих добавок ( AlF3, CaF2, MgF2, LiF ) [14]. Они улучшают свойства электролита: снижают температуру плавления и вязкость расплава, увеличивают его электропроводность и поверхностное натяжение на границе «металл-электролит» [15].

Теоретически в процессе электролиза расходуется глинозем, углерод и электроэнергия, необходимая для разложения глинозема и поддержания рабочей температуры. На получение 1 тонны алюминия расходуется примерно 13-15 тыс.

кВт·ч электроэнергии.

Al 2 O 3 1.5C энергия 2Al 1.5CO 2 (5) Упрощенно состав электролита можно рассматривать как совокупность двух видов ионов: катионов натрия ( Na ) и комплексных анионов (AlOF2 ). В процессе электролиза перенос тока в основном осуществляют более электрохимически активные ионы натрия. Но в первую очередь разряжаться на катоде будут ионы алюминия, как имеющие более положительный потенциал выделения по сравнению с другими катионами. Поэтому при катодном разряде основным процессом является восстановление алюминия (Al) 3 из комплексного аниона [16]. Эффективность этой реакции будет определяться переизбытком фторида алюминия, или величиной КО.

2(Al) 3 6e 2Al (6) На высокоамперных электролизерах жидкий слой алюминия (уровень металла – 18-22 см) накапливается на углеграфитовой подине электролизера под слоем электролита высотой 20-22 см. Разделение происходит в связи со значительной разностью плотностей расплава: для электролита – 2,1 г/см 3, для алюминия – 2,3 г/см 3 [17].

Алюминий, образовавшийся в процессе электролиза, частично взаимодействует с компонентами электролита (NaF и AlF3).

3NaF Al AlF3 3Na (7) При этом натрий диффундирует через слой алюминия и проникает в угольную подину ванны, разрушая углеграфитовые и огнеупорные материалы подины [18, 19]. Криолитовое отношение в этом случае снижается.

AlF3, попадая в прианодное пространство, Субфториды алюминия окисляются углекислым газом, что является основной причиной снижения выхода металла по току на 3%. Кроме того увеличивается содержание оксида углерода в анодных газах.

AlF3 2Al 3AlF (8) 3AlF 3CO 2 Al 2 O 3 AlF3 3CO (9) Главным образом, ход протекания физико-химических процессов определяется рядом технологических параметров (температура электролита, уровень расплава, криолитовое отношение, концентрация глинозема, количество анодных эффектов), которые в конечном итоге влияют на эффективность процесса электролитического получения алюминия (выход по току). В любом случае, криолитовое отношение является определяющим фактором процесса, и его постоянный контроль необходим для сохранения устойчивого материального баланса и хода физико-химических процессов. Также необходимо учитывать косвенное влияние других параметров технологического процесса, которые определяются по значениям электрических параметров или внешним признакам, например, состояние рабочей поверхности электролита и наличие на ней угольной пены и криолитоглиноземной корки.

1.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ

Выявление технологических нарушений осуществляется на основе анализа контролируемых и расчетных энергетических и технологических параметров работы электролизеров, определенных для каждого типа электролизеров в технологических инструкциях, которые являются основным документом, регламентирующим сроки и порядок обслуживания электролизера.

Обслуживание электролизеров с ОА, работающих в нормальном технологическом режиме, сводится к выполнению ряда операций в соответствии с ТИ: обработка и питание ванн, снятие угольной пены и расчистка поверхности электролита от корки и шлака, корректировка состава электролита фтористыми солями, обслуживание анодов, выливка алюминия [11]. На стабильно работающей ванне поверхность электролита закрыта коркой застывшего электролита и засыпана смесью глинозема и оборотного криолита. Питание современных высокоамперных электролизеров осуществляется только через системы АПГ, а корректировка криолитового отношения осуществляется через бункера подачи фтористых солей, поддержание уровней электролита и концентрация глинозема могут также обеспечиваться через питание фторированным глиноземом, который поступает с сухих газоочисток или оборотным дробленным электролитом.

Рабочее напряжение контролируется на каждой ванне индивидуально, и выводится на вольтметр, вмонтированный в шкаф управления электролизера для каждой пары электролизеров, и, как правило, составляет 4,1-4,3В. Значения рабочего напряжения определяются электрическим сопротивлением по всей цепи прохождения тока: катодная и анодная ошиновка электролизера, подина, электролит, анодные держатели и сами анодов [20]. Сопротивление в указанных частях ванны в процессе работы имеет стабильные значения, в отличие от сопротивления электролита в МПР. Рабочее напряжение изменяется вследствие сгорания анода, изменения состава электролита, низкого содержания глинозема и постепенного ухудшения смачивания анода. Чтобы поддерживать рабочее напряжение в регламентированных пределах, необходимо периодически регулировать положение анода. Это производится с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом или в ручном режиме [21].

В настоящее время известен способ контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров [22] на основе измерения постоянной U Э и переменной составляющих падения напряжений на электролизере и тока J c серии. По измеренным параметрам вычисляют сопротивления электролизера, причем измерения выполняют одновременно на гармониках, кратных 50 Гц. По результатам измерений определяют величину обратной ЭДС и действующее значение переменной по составляющей тока серии на каждой из гармоник, используемых для измерений. Для чего вычисляют соотношение, связывающее измеренные величины гармоник тока серии, и вызванное ими падение напряжения на каждом электролизере по математической зависимости.

Однако на гармоники напряжения в межэлектродном пространстве большое влияние оказывают различные технологические факторы и отклонения, которые можно идентифицировать только через многоступенчатую фильтрацию сигналов.

Также данный способ показывает низкую сходимость результатов с фактическими значениями технологических параметров из-за высокого уровня помех, связанных с выполнением технологических операций по обслуживанию.

Неточность результатов измерений связана и с тем, что контролируется весь слой электролита, находящийся в межэлектродном пространстве.

Другой способ автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами [23] заключается в использовании закрепленных на анодной шине датчиков, которые производят измерения напряжения на конструктивных элементах электролизера и определяют токи по анодам. Измерения напряжения на электролизере осуществляют в нескольких точках по длине анодной шины. Число точек измерения выбирают больше числа токов, определение которых проводят по анодам.

Необходимо отметить, что недостатком способа является влияние на качество измерения колебаний напряжения, связанных с магнитодинамическим воздействием катодного металла. Для реализации способа требуется большое количество измерительной техники и последующих преобразований, что приводит к значительной погрешности в измерениях.

1.2.1 Контроль температуры электролита

Температура электролита является одним из важнейших технологических параметров, влияющих на производительность ванны и качество алюминиясырца. Поэтому, огромное значение имеет не только абсолютное значение температуры, но и величина перегрева относительно температуры плавления (кристаллизации) электролита.

Для достижения высоких ТЭП электролиза (высокий выход по току, низкие расходные коэффициенты по сырью и электроэнергии и т.д.), перегрев электролита должен поддерживаться в определенном диапазоне. Для современных высокоамперных электролизеров с ОА с точечным питанием перегрев электролита находиться в пределах 5-10С, в то время как для ванн Содерберга с поточной системой обработки эта величина может достигать 20С [86, 87]. Низкие температуры характеризуются плохой растворимостью глинозема и увеличением частоты анодных эффектов, а при чрезмерно высокой температуре растворимость алюминия в электролите значительно повышается, что сопровождается его окислением при взаимодействии с анодными газами.

Электролит любого состава имеет определенную температуру начала кристаллизации. При медленном охлаждении расплавленного электролита достигается точка, при которой начинают образовываться твердые кристаллы – температура ликвидуса. С увеличением концентрации глинозема температура кристаллизации расплава быстро снижается. В зависимости от соотношения NaF и AlF3, то есть от криолитового отношения, можно определить температуру начала кристаллизации электролита.

Для практических целей это соотношение обычно преобразуют в график зависимости температуры начала кристаллизации (ликвидуса) от криолитового отношения [24]. На рисунке 2 представлена линия ликвидуса и кривая реальной температуры электролита. Сравнивая обе кривые, можно рассчитать перегрев электролита.

Рисунок 2 – Линия ликвидуса (нижняя линия) и температура электролита (верхняя линия) Управление работой электролизера по перегреву имеет важное практическое значение, так как этот параметр в значительной степени определяет стабильность настылей и гарнисажей, растворимость глинозема в электролите, тепловой баланс электролизера и т.д.

По результатам анализа электролита на КО, определяется так называемая «расчётная температура ликвидуса». Средняя температура электролита рассчитывается на основе периодических замеров при помощи хромельалюмелевых термопар, которые, как правило, проводятся 1-2 раза в неделю.

Столь низкая частота замеров объясняется тем, что криолитоглиноземный расплав очень агрессивен, химически он взаимодействует со всеми материалами кроме некоторых углеграфитовых и карбидокремниевых изделий, поэтому практически невозможно осуществлять постоянный контроль температуры при помощи стандартных термопар.

По разности показателей расчетной и средней температуры рассчитывается перегрев электролита. При этом оптимальное значение перегрева зависит от типа и мощности электролизера, качества работы системы АПГ.

Поддержание заданной температуры ликвидуса достигается корректировкой состава электролита фтористым алюминием, а температура электролита регулируется с помощью изменения уставки рабочего напряжения на ванне.

Описанный выше способ управления обладает существенным недостатком:

анализы состава электролита производятся через большие промежутки времени (не чаще 1-2 раз в неделю) [25], следовательно, уже через некоторое время электролизер может находиться в разбалансированном по фтору состоянии. То же самое относится и к температуре электролита.

Наиболее рациональным является способ управления перегревом электролита по фактическим измеренным температурам ликвидуса и электролита с использованием специализированных приборов. Измерительное устройство состоит из тигля, термопары (датчика-зонда) и вычислительной системы.

Электролит помещается в тигель и медленно охлаждается. По точке перегиба кривой охлаждения определяется температура ликвидуса, а по разнице с исходной температурой электролита определяется перегрев.

На отечественных предприятиях используется несколько систем измерения перегрева подобной методики [26]:

- Cry-O-Term фирмы Herаeus Electro-Nite (США) с разовым измерительным зондом. Это дорогостоящий прибор, используется преимущественно для настройки системы;

- прибор «ТЭМП» многоразового использования отечественного производства;

- прибор «МИТЭЛИК» (НПО «Маяк»), близкий по точности измерения к прибору Cry-O-Term; среднее количество измерений одним зондом 500-700 раз.

С помощью таких приборов производится прямое измерение температуры ликвидуса и перегрева электролита не реже одного раза в смену. Регулирование перегревом производится на основе, так называемой управляющей матрицы, состоящей из 9 ячеек (авторы T.Rieck, M.Iffert) или 36 ячеек (авторы А.И.Березин, Т.В.Пискажова и др.). Центральная ячейка матрицы считается целевым состоянием электролизера. При этом управление напряжением считается первостепенным, а управление подачей фтористого алюминия вспомогательным воздействием. Правила возвращения электролизера в целевой квадрат основаны на использовании Fuzzy-логики и нейронных сетей.

Расчет добавки к заданному напряжению состоит из двух частей – одна часть отвечает за плановые операции (обработка, замена анода, выливка и др.), вторая часть рассчитывается непосредственно для стабилизации температуры электролита. При принятии управляющего решения часто необходимо использовать дополнительную информацию состоянии электролизера: уровни расплавов, проблемы МГД-нестабильности, проблемы на анодах, а также достоверность произведенных измерений. В работах А.И. Березина, Т.В. Пискажовой отмечено, что время стабилизации температуры электролита на электролизерах типа ОА-300М2 при изменении напряжения на 100 мВ составляет примерно 10 ч, а при изменении напряжения на 200 мВ стабилизация происходит за 16-19 ч.

Другой способ стабилизации температуры ликвидуса основан на регулирование подачи фтористого алюминия в электролит. С помощью дозаторов системы АПФ в электролит вводятся расчетные дозы фторида алюминия, чтобы удерживать линию ликвидуса в заданных границах. Порции фторида на электролизере с ОА обычно составляют: 1 сутки – 45-55% от общей рассчитанной на период между замерами криолитового отношения, 2 сутки – 20-35%, 3 сутки – 10-20%. Время выхода на заданное значение КО рассчитывается с учётом массы подаваемой порции AlF3 и частоты срабатывания дозатора на основе баланса по фтору, содержащегося во фторированном глиноземе газоочистных устройств, поступающем от сухой очистки газов.

При низкой температуре электролита (ниже 950С) и высоком перегреве (температура ликвидуса менее 935С) снижают подачу фтористого алюминия при этом уставка напряжения не изменяется. Подача продолжается до выхода температура ликвидуса на значение 940-945С. При данном способе управление перегревом измерения температуры электролита производятся не чаще одного раза в сутки. В связи с этим необходимо правильно выбрать время измерения или провести корректировку измеренных значений температуры с учётом режима работы электролизёра [27].

Для стабилизации температуры фирма Pechiney (входит в состав Rio Tinto Alcan) разработала для электролизера АР50 мощностью 500 кА устройство для полунепрерывного измерения температуры и уровня электролита [78]. Для этого специальным пробойником периодически пробивается корка электролита, а в образовавшееся отверстие в корке автоматически опускается датчик с термопарой. Полученные измерения усредняются за каждые 8 часов с фильтрацией среднего результата от временных колебаний температуры за счет перестановки анодов, пробивки корки, вспышек и др. Фильтрованное значение температуры и усреднённое значение уровня электролита используются в управляющем алгоритме для корректировки уставки греющего напряжения электролизера в автоматическом режиме. Тем самым производится непрерывный мониторинг температуры электролита и управление не только этим параметром, но и уровнем электролита.

1.2.2 Контроль состава электролита

Наметившаяся в последние годы тенденция интенсификация процесса электролиза за счет повышения силы тока на сериях ставит новые, более высокие требования к составу электролита [28]. Электролизеры с ОА работают на электролите с более низким криолитовым отношением, что обеспечивает поддержание оптимального теплового режима с минимальными потерями металла и более высоким выходом по току (94-95%), снижение температуры плавления электролита (температуры ликвидуса) на 10-20оС, что в свою очередь позволяет вести технологический режим при более низких температурах (948оС) и уменьшить скорость обратного окисления алюминия.

Однако появляется необходимость максимально снизить греющее напряжение в междуполюсном пространстве, как за счет электропроводности электролита, так и за счет уменьшения его газонаполнения.

Основная задача состоит в поддержании стабильного значения КО и состава добавок в заданных пределах, но стоит отметить, что эти параметры в процессе электролиза существенно меняются в результате потери летучих фракций (прежде всего AlF3 ) [76], потери NaF за счет избирательной пропитки угольной футеровки, а также с поступлением примесей (в первую очередь Na2O) с глиноземом и другим сырьем [29].

Практическое внедрение технологии кислых электролитов имеет трудности из-за низкой растворимости глинозема и образования крутопадающей настыли.

Для работы по такой технологии необходимо использовать комплексный подход, что обеспечит стабилизацию технологического и теплового режима.

Основным алгоритмом поддержания состава электролита является корректировка, то есть периодическая компенсация потерь AlF3, NaF, CaF2, MgF2.

Для определения криолитового отношения, по установленному графику 2-3 раза в неделю производят отбор проб электролита из ванн [11].

Непрерывные измерения криолитового отношения в настоящее время не возможны в виду высоких температур и химических свойств КГР. На предприятиях по производству первичного алюминия контроль содержания глинозема в электролите осуществляется по данным кристаллооптического и рентгенофазового анализа отобранных проб электролита [30]. Методика данного способа сводится к ручному отбору проб из электролизной ванны при помощи специальных устройств (пробоотборников) и последующему анализу в производственной лаборатории. Оперативный анализ производится на автоматическом рентгеновском оборудовании, в котором комбинированы дифракционный и флуоресцентный методы анализа. На каждом заводе имеется соответствующая методика выполнения измерений, определяющая совокупность операций и правил, выполнение которых должно обеспечивать получение результатов измерений с гарантированной точностью, а также процедуры оперативного и выборочного контроля погрешности измерений. Результаты анализа проб с каждого электролизера заносятся в общезаводскую базу данных и используются при расчетах добавок фторсолей для корректировки состава электролита. В среднем длительность операций отбора пробы составляет от 30 до 60 минут.

AlF3 Способы корректировки могут быть различными. Загрузка в электролизеры осуществляется путем подсыпки тонким слоем на корку электролита, с которой предварительно удаляется глинозем. Место подсыпки желательно выбрать с продольной стороны электролизера, которая подлежит обработке в ближайшее время. Разовая загрузка фтористого алюминия зависит от мощности электролизера и может составлять от 40 до 100 кг. Загруженный слой фтористого алюминия присыпается глиноземом (метод «слоеного пирога»).

Таким способом удается избежать потерь этой добавки за счет пыления и сублимации, при этом необходимо постоянно контролировать КО.

Согласно расчетам по формуле Будуара объем анодных газов, еще не успевших удалиться из-под анода, составляет 20-30% от объёма межполюсного пространства. Такое количество непроводящего материала вызывает уменьшение эффективного сечения электролита и дополнительное падение напряжение в МПР на 0,10-0,15В, при этом особое внимание стоит уделить контролю открытой поверхности расплава при обработке ванны и замене анода.

Вязкость электролита и условия его циркуляции имеют при этом первостепенное значение. Повышенное содержание добавок CaF2 и особенно MgF2 не только снижает проводимость электролита и растворимость в нем глинозема, но и повышает его вязкость [31, 32]. Расчетный объем электролита обеспечивает нормальный ход работы электролизера, т.е. растворение достаточного количества глинозема и необходимую теплопередачу из междуполюсного пространства к бортам ванны. Анализ энергетического баланса электролизера показывает, что в электролите потребляется порядка 80% всей расходуемой электролизером энергии, из которой 49% расходуется на разложение глинозема, не превращаясь в тепло, а 31% выделяется в виде Джоулева тепла и теряется через анод, криолитоглиноземную корку, бортовые стенки и с анодными газами [17].

Избыточное количество электролита приводит к его замедленной циркуляции в направлении от центра анода к периферии и снижению теплопередачи; при недостаточном количестве электролита существенно возрастает число анодных эффектов, часть глинозема выпадает в осадок на подину. Избыточный электролит сливается из ванны, а недостаток восполняется переплавкой оборота, свежего или вторичного криолита [33].

Алюминиевые заводы, особенно оснащенные современными электролизерами с ОА и работающие на кислых электролитах с низким перегревом, сталкиваются с проблемой искусственной наработки в ваннах излишнего электролита. С одной стороны это объясняется тем, что электролизеры с ОА работают практически без снятия угольной пены и потери электролита невелики. С другой – это результат поступления значительных количеств оксида натрия с сырьевыми материалами и, особенно, с глинозёмом. Поступивший оксид натрия взаимодействует с AlF3, при этом образуется 6 молекул NaF и КО электролита сдвигается в сторону повышения.

3Na 2 O 2AlF3 6 NaF Al 2 O 3 (10) Для восстановления исходного КО, избыточный NaF следует связать добавкой фтористого алюминия:

6 NaF 2AlF3 2(3NaF AlF3 ). (11) Такая реакция справедлива для электролита при КО = 3,0. Если теоретически предположить, что электролит имеет КО = 2,0, то эту же реакцию можно записать следующим образом:

6 NaF 3AlF3 3(2 NaF AlF3 ). (12) Расчет по молекулярному весу показывает, что масса образовавшегося кислого криолита возрастает на 37%. Для заводских значений КО увеличение наработки электролита составит 11%. Образовавшегося количества электролита оказывается достаточным не только для покрытия его производственных потерь, но и приводит к его избытку, который периодически необходимо сливать из ванн [11].

Существует несколько электрохимических способов и устройств для оперативного определения концентрации глинозема в криолитоглиноземном расплаве.

Один из способов контроля состава электролита алюминиевого электролизера основан на измерении его электросопротивления в пространстве между анодом и катодом [34]. Применение этого способа возможно при заранее известном значении объема электролита и алюминия в электролизере, определение которых вызывает большие затруднения.

Разработано устройство-зонд для электрохимического определения концентрации глинозема в криолитоглиноземном расплаве [89]. Элементы зонда углеродный анод и катод (лежат на общей поверхности), изолятор из нитрида бора плотно подогнан без использования углеродсодержащего и огнеупорного цемента. Недостатком этого устройства является низкий уровень изоляции боковой части анода и зонда от проникновения расплава в месте его механического контакта с нитридом бора, что приводит к снижению точности измерений.

В другом способе используется электронный датчик [90], в устройстве которого анод и катод расположены коаксиально относительно друг друга и изолированы нитридом бора. Электронный блок управления и регистрации содержит автономный источник электропитания, управляемый источник напряжения, регистратор силы тока и напряжения. В рабочей части датчика, предназначенной для погружения в расплавленный электролит, анод не защищен изоляцией. Анод выполнен из углерода и имеет удлиненную цилиндрическую форму с отношением длины к диаметру больше, чем 2,0. При проведении измерений концентрации глинозема при помощи управляемого компьютером источника напряжения на анод подаются быстрые циклические развертки напряжения, которые вызывают локальный анодный эффект, фиксируемый при измерении силы тока. Среди недостатков устройства следует отметить, что при анодном эффекте происходит окисление боковой поверхности углеродного анода вследствие ее незащищенности. При этом расстояние между анодом и катодом постоянно изменяется, что приводит к увеличению ошибки измерения. Кроме этого, значительное расстояние между анодными и катодными поверхностями является причиной большой омической составляющей напряжения при прохождении тока через электродную сборку и приводит к погрешности измерений, компенсация которой не предусмотрена.

В работах А.В. Фролова и А.В. Гусева также предлагается использовать специальный датчик для определения концентрации глинозема в криолитоглиноземном расплаве [35]. Датчик предназначен для периодических кратковременных погружений в криолитоглиноземный расплав и измерений силы тока при принудительном линейном изменении напряжения на датчике посредством управляемого источника напряжения. По пику силы тока на вольтамперной кривой (начало анодного эффекта на аноде датчика) определяется концентрация глинозема по калибровочной зависимости. Такой датчик сложен в изготовлении в связи с необходимостью защиты датчика от анодных эффектов, вызывающих локальное разрушение датчика. Этот способ также исключает возможность постоянного контроля концентрации глинозема в электролите.

Измерение электрических и технологических параметров параллельно со стандартным отбором проб электролита стало основой способа контроля работы алюминиевых электролизеров [91], основанного на диагностике ситуации и прогнозе по текущим замерам при помощи переносных устройств и приборов. По полученным данным составляется алгоритм управления КО. В качестве недостатков данного способа контроля отмечена неточность измерения из-за больших помех, обусловленных высокоамплитудными колебаниями серийного напряжения между поверхностью анода и катодным металлом. В то же время контроль при помощи переносных приборов имеет зависимость от временного фактора и не дает объективной оценки текущему состоянию электролизера.

Существует другой способ контроля состава электролита алюминиевого электролизера с использованием щупа [36], который предлагается погружать с электроприводным зондом в расплавленный электролит для регистрации электрического сигнала. Щуп попеременно охлаждают и нагревают. Охлаждение производят до полного отверждения электролита на границе со щупом, снабженным пакетом вставленных в стакан трех или более стержней. Однако применение дополнительного устройства сложной конструкции в совокупности с увеличением затрат на обслуживание измерительных устройств является существенным недостатком данного способа.



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«Колесников Владимир Александрович МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛУРГИИ 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Томск 2015 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов Введение Раздел 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛУРГИИ И ПРОБЛЕМЫ ИХ...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.