Повышение эффективности работы алюминиевых электролизеров путем улучшения свойств минеральной части футеровки катода

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В условиях современной рыночной экономики, когда каждый производитель первичного алюминия борется за снижение себестоимости металла, значительную долю в этом показателе эффективности производства занимает статья расходов на капитальный ремонт электролизеров. Это особенно актуально для большинства отечественных алюминиевых заводов, на которых уровень технологии и культуры производства на сегодняшний день отстают от ведущих зарубежных производителей.

Высокие требования, предъявляемые к современным футеровочным материалам, определяют их высокую стоимость и общее увеличение затрат на капитальный ремонт электролизеров. Однако повышение надежности катодного устройства, приводящее к увеличению эффективного срока службы электролизера, в конечном итоге, должно окупить рост затрат на футеровку при капитальном ремонте за счет увеличения межремонтного цикла и улучшения производственных показателей работы электролизера.

Воздействие агрессивных компонентов расплава электролизной ванны на минеральную часть футеровки цоколя является неотъемлемой частью комплекса физико-химических процессов, происходящих при электролитическом разложении глинозема. Пористая структура угольной футеровки не является препятствием для проникновения расплава под подину, и инфильтрация последнего в цоколь происходит в течение всего срока эксплуатации электролизера.

Свойства огнеупорной и теплоизоляционной футеровки оказывают непосредственное влияние на эффективность технологического процесса. Поэтому подбор и комплектация цоколя материалами с требуемыми свойствами играют важную роль в общей концепции повышения долговечности катодного устройства и поддержания стабильного теплового равновесия, влияющего на энергетические показатели работы электролизера.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является выдача рекомендаций, направленных на обеспечение стабильных рабочих характеристик минеральной части катодной футеровки, гарантирующих высокий срок службы электролизера и сохранение в течение длительного периода теплового и энергетического равновесия ванны, способствующих достижению высоких технико-экономических показателей работы электролизера.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для изучения свойств футеровочных материалов использованы методики определения механической прочности на сжатие, водопоглощения, кажущейся плотности, общей, открытой и канальной пористости, кажущейся геометрической плотности, истинной плотности, коэффициента газопроницаемости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температурного линейного расширения, времени распространения ультразвука, коррозионной стойкости материалов.

Для выполнения практических измерений температуры наружной поверхности элементов катодного кожуха применен бесконтактный метод замеров температуры электронно-лучевым прибором «пирометр точечный „Thermopoint 64/64+“».

Визуализация цифровой информации температурных замеров в виде построения изотерм и температурных полей наружных элементов поверхности электролизера осуществлялась разработанной компьютерной программой «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия „Т-поля“».

Контроль температуры на отдельных областях наружной поверхности катодного кожуха осуществлялся тепловизором «AGEMA -570 Flir System».

Расчет тепловых и электрических полей алюминиевого электролизера выполнен с использованием компьютерной программы «Filer» (версия 2.52).

Исследования формы рабочего пространства (ФРП) электролизеров по данным натурных измерений, а также расчет объемного состава незавершенного производства, эффективной рабочей площади катода осуществлены методом компьютерного моделирования при помощи программы «Vega Soft — расчет ФРП» (версия 1.07).

В работе использованы физико-химические методы исследования материалов, такие как: рентгенографический фазовый анализвизуальный полуколичественный атомно-эмиссионный анализрентгеноспектральный, химический и фотоколометрический методы анализа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что:

— на основе проведенных лабораторных исследований материалов минеральной части футеровки цоколя определены основные свойства теплоизоляционных и огнеупорных изделий, оказывающие влияние на коррозионную стойкость футеровки и эффективность работы электролизера;

— проведены исследования различных составов сухих барьерных смесей (СБС), определены основные свойства СБС, в том числе их коррозионная стойкость. Даны рекомендации по применению СБС;

— установлена взаимосвязь основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической стойкостью к воздействию натрия и фторидов, поступающих в цоколь из электролизной ванны;

— установлены корреляционные зависимости различных характеристик шамотных изделий от скорости распространения ультразвука (УЗ);

— на примере кирпичей марки ШБ-1 «Сухоложского огнеупорного завода» установлен интервал средней скорости распространения УЗ для образцов шамотных изделий, обеспечивающий надежность огнеупорной футеровки и эффективность производственных показателей работы электролизеров, в том числе — увеличение срока службыизучена зависимость температурного поля днища катодного кожуха от состояния футеровки цоколя. Разработана компьютерная программа «Т-поля», которая на основе ограниченного набора точек натурных измерений температуры позволяет производить построение профилей температурных полей соответствующих участков теплового агрегата, совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства, повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёраизучено влияние коэффициента неравномерности температурного поля по днищу катодного кожуха в пусковой период на продолжительность образования на ванне стабильного гарнисажа и время выхода электролизера на стационарный режим;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. По результатам исследований проведены промышленные испытания электролизеров с опытными элементами футеровки в цоколе. Разработаны различные варианты компоновки цоколя катодного устройства (заявка на изобретение № 2 004 102 989 «Катодное устройство электролизера для получения алюминия»). На ОАО «СУАЛ — ИркАЗ» внедрена комплектация для отдельных категорий футеровочных материалов по данным ультразвукового контроля (заявка на изобретение № 2 004 134 995 «Способ формирования подины алюминиевого электролизера»). За счет внедрения программы «Т-поля» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 003 611 535) повышена эффективность локального ремонта подин катодных устройств, в 2004 г. средний срок службы электролизеров, отключенных после локального ремонта, составил 10,0 мес., действующих после локального ремонта — 8,2 мес.

Результаты выполненных исследований внедрены в электролизном цехе «СУАЛ-ИркАЗ» со среднегодовым экономическим эффектом, начиная с 2001 г. ~ 4,5 млн руб. (расчет экономической эффективности прилагается).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заводских, региональных и международных научно-технических и научно-практических конференциях:

— на научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 1999 г.;

— на научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития алюминиевой промышленности». Иркутск, 1999 г.;

— на международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 1999 г.;

— на II научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2000 г.;

— на международной конференции «Металлургические технологии и экология». Санкт-Петербург, 2001 г.;

— на III научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2001 г.;

— на VI региональной научно-практической конференции «Алюминий Урала-2001». Краснотурьинск, 2001 г.;

— на II международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 2002 г.;

— на IV научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2003 г.;

— на региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2003 г.;

— на II региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2004 г.;

— на научно-практической конференции «Совершенствование техники и технологии производства алюминия и глинозема». Надвоицы, 2004 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 35 научных трудов, в т. ч. 21 статья, 14 тезисов докладов на конференциях.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа содержит 183 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 51 таблицу. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, двух приложений.

3.4. Выводы.

Оценивая обжиг, пуск и начальный период эксплуатации опытных электролизеров можно отметить, что стабилизация теплового потока в цоколе наступает приблизительно через 10 суток с момента пуска электролизеров. В этот период завершается прогрев основного массива футеровки цоколя, температура на днище катодного кожуха начинает снижаться (рис. 3.4 — 3.6).

Опытные электролизеры на 5−7 суток раньше выходят на стационарный режим, когда завершается образование стабильного гарнисажа и формируется оптимальная форма рабочего пространства (рис. 3.1 — 3.3).

К положительным моментам можно отнести тот факт, что в начальный период эксплуатации опытные электролизеры показали более низкую среднюю и максимальную температуры днища катодного кожуха в сравнении со свидетелями, за аналогичный период наблюдения.

Опытные электролизеры имели и более равномерное распределение температуры по днищу катодного кожуха. Оптимальная средняя температура днища катодных кожухов опытных электролизеров и сравнительные показания термопар в массивах катодов позволяют сказать о правильно рассчитанной толщине барьерных смесей и соответствующем ей теплосопротивлении.

В течение всего периода эксплуатации опытные ванны, нарабатывая металл высших сортов (А7-А85), показывали лучшие технологические показатели по сравнению со свидетелями: повышенную среднесуточную производительностьувеличенный выход по токуменьший удельный расход электроэнергии.

Цоколь катода является неотделимой частью всего теплового агрегата в целом, поэтому все усилия по защите минеральной части футеровки будут тщетны, если не обеспечена надежная монолитность углеродной подины [108, 109]. В этом случае протеки металла и расплава фторсолей в цоколь неизбежны. [110−115]. До известной степени надежным средством защиты от диффузии натрия и фторидов в цокольную часть катода являются физические и химические барьеры. Сухие барьерные смеси и антидиффузионные барьеры в большей степени предназначены для защиты минеральной футеровки катода именно от диффузии компонентов электролизной ванны, а не от обширных протеков. При фактически не ограниченной подпитке, проникающие металл и фториды способны разрушить любой барьер, вопрос только во времени [116 119]. Даже если барьеру удастся на некоторое время остановить интенсивное проникновение расплава в цоколь, образуется «линза» между СБС и подовыми секциями и начинается интенсивное разрушение стальных катодных стержней [120−122].

Полученные положительные результаты по увеличению среднего срока службы действующих электролизеров, способствуют стабильному росту доли ванн, эксплуатируемых свыше 36 мес. Это позволяет прогнозировать дальнейшее повышение среднего срока службы отключенных электролизеров в ближайшем будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ имеющихся в литературе сведений о видах футеровочных материалов для монтажа цокольной части катода алюминиевого электролизера показал, что существует большое количество огнеупоров и теплоизоляторов, успешно применяющихся на различных предприятиях производящих первичный алюминий. Установлено много достаточно разноречивых критериев, определяющих качество минеральной футеровки, однако, поиск идеальных, с точки зрения коррозионной стойкости материалов, активно продолжается. Одним из перспективных направлений является использование сухих барьерных смесей, способных заменить огнеупорную и теплоизоляционную части футеровки цоколя.

Лучшую коррозионную стойкость к проникающим под подину натрию и фторидам показывают огнеупоры на основе минералов муллита (ЗАЬОз^БЮг) и кристобалита БЮг.

Используемые взамен огнеупорных кирпичей сухие барьерные смеси и антидиффузионные барьеры не являются «вечными» и, в условиях неограниченной подпитки проникающих компонентов расплава электролизной ванны, неизбежно разрушаются. Тем не менее, применение барьеров в цоколе катодного устройства позволяет повысить надежность катода и увеличить эффективный срок эксплуатации электролизеров.

2. В лабораторных условиях исследованы несколько видов теплоизоляционных материалов. Наименьшей теплопроводностью, из группы изученных материалов, обладает — волластонит HCS 20 (производства «Ferromin Limited», Китай). Коэффициент его теплопроводности составляет -0,118 Вт/м-К. Наиболее полным комплексом оптимальных рабочих характеристик обладает теплоизолятор на основе вермикулита — КВИ-500 (производства «Техсервисвермикулит», г. Челябинск). Все изученные теплоизоляционные материалы имеют низкую реакционную стойкость к воздействию компонентов расплава электролизной ванны и должны быть надежно защищены в цоколе коррозионно-стойким огнеупорным слоем.

3. В лабораторных условиях исследованы сыпучие материалы, применяемые для выравнивающей подсыпки под подовые секции. Установлено, что использование для этой цели кремнезема в чистом виде (кварцевого песка) приводит к образованию под подовыми блоками большого объема жидкой солевой фазы, увеличению давления на подину и фильтрации расплава в глубь цоколя. Используемая (по проекту типовых чертежей) глиноземная подушка не является препятствием для проникающих компонентов электролизной ванны. Шамотный заполнитель ЗШБ показывает хорошую стойкость к воздействию электролита и в условиях лабораторного эксперимента проявляет себя как физический барьер.

4. Изучено несколько составов сухих барьерных смесей, как промышленно выпускаемых («DBM» Clayburn Xiangyang Refractory Co. Ltd (Китай)), так и собственной разработки на основе отходов газоочистки производства кремния и анодной массы. Установлено, что хорошей коррозионной стойкостью обладает сухая барьерная смесь состоящая из пыли циклонов газоочистки рудно-термических печей ЗАО «Кремний» — СБС-ПЦГ [123]. Исследования гранулированных СБС различных составов, зашихтованных из оксидов алюминия, кремния, магния и кальция, показали, что лучшую коррозионную стойкость к компонентам электролита имеют СБС, по стехиометрии соответствующие анортиту СаО-АЬОз^БЮг и соединению Ca0-Mg0-Al203−2Si02. Эти составы наиболее полно трансформировались из механических смесей оксидов в сложные соединения требуемой композиции и показали, что при ограниченном поступлении расплава в цоколь, способны приостановить разрушение нижних слоев шамотной футеровки.

5. Проведены исследования основных физико-химических свойств образцов шамотных изделий. Установлено что, макроструктура отдельных образцов шамота различна и, при близких величинах пористости, наблюдаются значительные расхождения по величине канальности и распределению пор по размерам, определяющим прочностные свойства материала. Теплопроводность огнеупоров зависит от общей пористости материала. На коррозионную стойкость огнеупоров оказывают влияние газопроницаемость материала, канальная пористость и размер пор. Проникновение основного количества натрия в огнеупоры активно происходит по канальным порам крупного диаметра 50 — 100 мкм. Проникновение основного количества фтора идет по канальным порам диаметра 5−10 мкм.

6. На примере шамотных изделий марки ШБ «Сухоложского огнеупорного завода», определена корреляционная зависимость основных характеристик шамота от параметров ультразвукового контроля. Скорость УЗ коррелируется с термопрочностными и теплофизическими свойствами огнеупора и может быть использована в качестве информативного показателя при выборе огнеупорного материала. Интервал средней скорости УЗ — 3000 -3300 м/с, прозвученных образцов шамота в направлении перпендикулярном оси прессования, позволяет выбрать огнеупорные кирпичи с оптимальными свойствами, обеспечить надежность огнеупорной футеровки и повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера.

7. Тепловой поток, проходящий через цокольную часть катодного устройства, зависит от состояния минеральной части футеровки цоколя. Температура на наружной поверхности днища катодного кожуха является индикатором сохранности исходных теплофизических свойств огнеупоров и теплоизоляции. Для оценки состояния футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера разработана компьютерная программа «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия («Т-поля»), которая позволяет:

— с высокой точностью аппроксимировать ограниченное количество натурных измерений и производить построение температурных полей соответствующих участков теплового агрегата;

— совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства;

— повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёра.

8. На величину возникающих термомеханических напряжений в подине и цоколе оказывает влияние распределение теплового потока, индикатором которого является коэффициент неравномерности температурного поля (КО на днище катодного кожуха. Проведенные опытно-промышленные испытания барьеров в катодах алюминиевых электролизеров показали, что их применение способствует снижению интенсивности пропитки футеровочных материалов, а также стабилизации теплового потока в направлении днища катодного кожуха, уже в первые месяцы эксплуатации. Опытные электролизеры с барьерами в цоколе в начальный период эксплуатации имеют невысокий и стабильный Кь Это способствует скорейшему (на 5−7 суток) выходу электролизеров на стационарный технологический режим, когда завершается образование гарнисажа и формируется оптимальная форма рабочего пространства. В течение всего периода эксплуатации опытные ванны, нарабатывая металл высших сортов (А7-А85), имели лучшие технологические показатели по сравнению со свидетелями:

— повышенную среднесуточную производительность;

— увеличенный выход по току;

— меньший удельный расход электроэнергии.

9. Условная суммарная прибыль от эксплуатации опытных электролизеров в течение 3-х лет наблюдения (2001;2004 гг.) составила ~ 13,5 млн руб. Среднегодовой экономический эффект составил ~ 4,5 млн руб.(см. Приложение Б).