автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние количественных и качественных характеристик технологического тока на процесс электролиза алюминия

Введение.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОЛИЗА.

1.1 Показатели процесса электролиза алюминия.

1.2 Влияние состава электролита алюминиевых электролизеров на процесс электролиза.

1.3 Влияние нестабильности тока серии на процесс электролиза алюминия, методы стабилизации тока серии.

1.4 Влияние на процесс электролиза токов утечки, методы определения токов утечки на «землю».

1.5 Выводы.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ АЛЮМИНИЯ.

2.1. Влияние токов утечки на процесс электролиза.

2.2. Анализ состояния изоляции относительно «земли» серий электролиза алюминия.

2.3. Теоретическое обоснование метода оценки токов утечки возникающих на сериях электролиза по методу «потенциала».

2.4. Проверка метода «потенциала» на математической модели.

2.5.Узлы электрической изоляции электролизера.

2.6. Контроль за наличием токов утечки на электролизерах с помощью тепловизнонного контроля.

2.7. Мероприятия по снижению токов утечки в корпусах электролиза алюминия.

2.8. Выводы.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ УТЕЧКИ НА СЕРИИ ЭЛЕКТРОЛИЗА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА, ОСНОВАННОГО НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ТОКА СЕРИИ НА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ.

3.1. Обоснование необходимости корректировки рабочих параметров электролизеров с учетом величины токов утечки.

3.2. Методика измерений и расчетов токов утечки на электролизерах.

3.3. Результаты измерений и влияние утечки тока на технологический процесс электролиза.

3.4. Выводы.

4.ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ТОКА ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ АЛЮМИНИЯ.

4.1 Электроснабжение электролизных серий.

4.2 Математическая модель системы электроснабжения первой серии электролиза.

4.3 Проведение натурного эксперимента на КПП «ИркАЗа».

4.4. Выводы.

Во всем мире практически единственным промышленным способом получения алюминия является электролитический, который характеризуется значительными расходами электрической энергии на единицу готовой продукции (алюминия-сырца).

Широкое применение в электролитическом производстве получили электролизеры с самообжигающимися анодами (электролизеры Содерберга).

Уменьшение удельных затрат электроэнергии на 1 тонну металла может быть обеспечено минимизацией непроизводственных потерь, таких как токи утечки, потери электроэнергии на активных участках цепи, а так же улучшением эффективности использования электрической энергии (увеличением коэффициента выхода по току).

В отечественной и зарубежной литературе достаточно внимания уделено анализу факторов, способствующих повышению технологических показателей, и способам их реализации. Таким как, например, снижение криолито-вого отношения и поддержание оптимальной температуры электролита; оптимизация формы рабочего пространства ванны и поддержание оптимального межполюсного расстояния; улучшение токораспределения по катодным стержням, химический состав электролита и др.

Однако в литературе очень слабо отражен вопрос влияния качества подаваемой электроэнергии на технологический процесс электролиза. Так же слабо освещен вопрос определения мест токов утечки и их величины на сериях электролиза.

Таким образом, представляется целесообразным и необходимым проведение работ по разработке нового метода, позволяющего оперативно и эффективно определять места замыкания элементов электрической цепи серии электролиза на «землю» и определения величины токов утечки. Необходим анализ качества электроэнергии, подаваемой на электролиз алюминия.

Объектом исследования были выбраны - серия электролиза с самообжигающимися анодами, верхним токоподводом и кремниевопреобразовательная подстанция с выпрямительными агрегатами, оснащенными дросселями насыщения, осуществляющими питание серии электролиза.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре автоматизации производственных процессов химико-металлургического факультета Иркутского Государственного Технического Университета. Экспериментальная часть проводилась на ОАО «Иркутский алюминиевый завод».

Научная новизна: разработаны два метода определения мест появления токов утечек и создана математическая модель серии электролиза, на которой проверен метод определения токов утечки на серии электролиза - метод потенциала, создана математическая модель схемы электроснабжения серии электролиза, позволяющая оценивать влияние на технологический процесс электролиза различных схем включения силового оборудования на преобразовательных подстанциях.

Основные результаты, которые защищаются в работе:

• Разработан метод определения мест возникновения токов утечки на сериях электролиза;

• Теоретически доказана возможность корректировки процесса электролиза на основании токов утечки;

• Установлена взаимосвязь технологического процесса электролиза с различными схемами включения силового оборудования преобразовательных подстанций.

Результаты диссертационной работы внедряются на производстве. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных трудов. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 89 рисунков и 7 таблиц.

4.4. Выводы.

1. Разработана математическая модель преобразовательной подстанции, питающей серию электролиза, которая позволяет оценить влияние различных схем включения силового электрооборудования на технологический процесс электролиза.

2. Произведена идентификация математической модели преобразовательной подстанции, питающей серию электролиза, которая показала что модель разработана верно и соответствует реальному объекту.

3. Применение асимметричной и несимметричной схемы включения дросселей на выпрямительных агрегатах позволяет улучшить показатели качества электрической энергии, регламентируемые ГОСТом.

4. Применение асимметричной схемы включения дросселей привело к выходу из строя силового оборудования преобразовательной подстанции.

5. Несимметричная схема подключения дросселей насыщения на 1 серии является источником четных гармоник. Наличие в токах агрегатов первой серии четных гармоник приводит к увеличенному значению коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного тока. На первой серии значение данного коэффициента превышает значение этого же коэффициента на других сериях в 4 раза.

6. В результате оценки влияния различных схем включения силового оборудования преобразовательной подстанции на технологический процесс электролиза мы получили: несимметричная схема включения дросселей насыщения оказывает негативное влияние на работу электролизеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

5. В литературе много внимания уделено различным факторам, влияющим на технологический процесс электролиза алюминия, таким как, например, снижение криолитового отношения и поддержание оптимальной температуры электролита; оптимизация формы рабочего пространства ванны и поддержание оптимального межполюсного расстояния; улучшение токораспределения по катодным стержням и химический состав электролита, но очень мало внимания уделено вопросам электроизоляции электролизеров и способам определения токов утечки.

6. Большинство способов измерения, освещенных в литературе, дают возможность определить ток утечки и сопротивление изоляции только в целом по серии, попытки внедрить методы измерения токов утечки и сопротивления изоляции отдельных электролизеров не увенчались успехом, т.к. эти методы трудно технически реализуемы и трудозатратны, что повышает стоимость устройств измерения, увеличивает трудозатраты на их обслуживание и понижает точность измерения.

7. Вопрос повышения сопротивления изоляции электролизеров относительно «земли» очень актуален, т.к. позволяет минимизировать вероятность возникновения и снизить величину токов утечки на «землю» на сериях электролиза. Так же увеличение сопротивления изоляции позволит улучшить такой показатель технологического процесса электролиза как расход электроэнергии на производство одной тонны алюминия.

8. Системы стабилизации тока серии позволяют повысить технико-экономические показатели процесса электролиза, но вопрос влияния различных схем включения силового оборудования систем стабилизации на процесс электролиза требует дополнительных исследований. Показана принципиальная возможность применения метода потенциала для измерения токов утечки, которые могут возникать на сериях электролиза алюминия, приводя к снижению технико-экономических показателей процесса электролиза. Применяя метод потенциала, можно оперативно определять электролизер, на котором возникла утечка тока и принять необходимые мероприятия, чтобы свести влияние утечки на технологический процесс электролиза до минимума.

9. Разработана математическая модель серии электролиза, на которой проверена работа метода потенциала для определения токов утечки.

10. Разработаны мероприятия, позволяющие повысить сопротивление изоляции электролизеров относительно «земли», что позволит минимизировать вероятность возникновения токов утечки и сократить расход электроэнергии на производство одной тонны алюминия.

11. Периодические методы контроля состояния электрооборудования серий электролиза с помощью тепловизора показывают, что на электролизерах периодически возникают токи утечки такой величины, которые могут оказывать влияние на работу электролизера.

12. Предложено теоретическое обоснование нового способа определения токов утечки для электролизеров, который дает информацию, позволяющую скорректировать рабочие параметры электролизера, чтобы минимизировать влияние утечки тока на работу ванны;

13. Разработан датчик тока, позволяющий на практике реализовать данный метод для определения токов утечки на серии электролиза и дающий возможность замерить величину тока утечки;

14. Проведён эксперимент, показывающий практическую пригодность предложенного метода определения токов утечки и определена величина тока утечки в первом корпусе, которая составляет 3,04 кА;

15. Ущерб от данной утечки тока на одном электролизере будет складываться из снижения производительности электролизера как минимум на 20 кг в сутки и увеличения расхода электроэнергии на производство одной тонны алюминия.

16. Корректировка работы электролизера при наличии на нем тока утечки автоматизированной системой управления будет вестись не корректно, т.к. она не учитывает снижение величины текущего тока на величину тока утечки.

17. Разработана математическая модель преобразовательной подстанции, питающей серию электролиза, которая позволяет оценить влияние различных схем включения силового электрооборудования на технологический процесс электролиза.

18. Произведена идентификация математической модели преобразовательной подстанции, питающей серию электролиза, которая показала что модель разработана верно и соответствует реальному объекту.

19. Применение асимметричной и несимметричной схемы включения дросселей на выпрямительных агрегатах позволяет улучшить показатели качества электрической энергии, регламентируемые ГОСТом.

20. Применение асимметричной схемы включения дросселей привело к выходу из строя силового оборудования преобразовательной подстанции.

21. Несимметричная схема подключения дросселей насыщения на 1 серии является источником четных гармоник. Наличие в токах агрегатов первой серии четных гармоник приводит к увеличенному значению коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного тока. На первой серии значение данного коэффициента превышает значение этого же коэффициента на других сериях в 4 раза.

22. В результате оценки влияния различных схем включения силового оборудования преобразовательной подстанции на технологический процесс электролиза мы получили: несимметричная схема включения дросселей насыщения оказывает негативное влияние на работу электролизеров.

1. Беляев А. И. Металлургия легких металлов - М.: Металлургия, 1968. -368с.

2. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. Учебное пособие для техникумов.- М.: Металлургия, 1984.- 400 с.

3. Костюков A.A. Определение выхода по току по составу отходящих газов. // Цветные металлы. 1963. № 3. С. 37 43.

4. Тарси Дж.П., Соренсен Дж. Определение факторов, влияющих на выход по току в алюминиевых электролизерах с использованием кулонометриии и статической обработки экспериментов // Цветные металлы. 1996. № 3. С. 37 42.

5. Tarcy G.P., De Capite D.R. // Light Metals, 1990. February. P. 275-284.

6. Тарси Дж.П., Де Капоте Д.Р. Определение выхода по току в промышленных ваннах с помощью кулонометрического метода анализа. //Цветные металлы. 1995. № 12. С. 29 31.

7. Бегунов А.И., Цымбалов С.Д. Макрокинетика потерь металла в алюминиевых электролизерах. С.- Петербург: Наука. 1994 - 77 с.

8. Абрамов Г.А. и др. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. -М.: Металлургиздат, 1953.-583 с.

9. Гринберг И.С., Громов Б.С., Рагозин JI.B. и др. Справочник металлурга. Производство алюминия и сплавов на его основе.- С-Пб.: МАНЭБ, 2005.-691 с.

10. Ю.Беляев А. И. Электролит алюминиевых ванн М.: Металлургия, 1961. - 199с.

11. П.Карнаухов E.H. Электролит алюминиевых ванн и пути его совершенствования. / Сб. научно-исследовательских работ ИРКАЗ СУАЛ. Шелехов.1999. С. 32-35.

12. Савинов В.И., Куликов Ю.В., Резников И.Л., Тихомиров В.Н. Совершенствование состава электролита на Красноярскомалюминиевом заводе. Технико-экономический вестник КрАЗа.-№12-1999.С. 16-18.

13. З.Карнаухов Е.Н., Мокрецкий В.Н. Изменение состава электролита на Иркутском алюминиевом заводе: опыт, перспективы. / Сб. статей IV научно-практической конференции ИРКАЗ СУАЛ. Шелехов.2003. С. 51-56.

14. Ларин В.В. Опыт работы ВгАЗа по переходу электролизного производства на «кислые» электролиты. / Сб. статей IV научно-практической конференции ИРКАЗ СУАЛ. Шелехов.2003. С. 88-89.

15. Абрамов Г.А., Ветюков М.М., Гупало И.П., Костюков А.А., Ложкин Л.Н. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. — М.: Металлургия, 1953.-583с.

16. Гринберг И.С., Рагозин Л.В., Ефимов А.А. и др. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. С-Пб.: МАНЭБ, 2003.- 299 с.

17. Костюков А.А., Киль И.Г., и др. Справочник металлурга по цветным металлам. М.: Металлургия, 1971. 560 с.

18. Gijoitheim К. and Kvande H. (editors) Understanding the Holl-Heroult Process for Production of Aluminum. Dusseldorf.: Aluminum-Verlag,1986. 164 pp.

19. Терентьев В.Г., Школьников P.M., Гринберг И.С. и др. Производство алюминия. И.: Папирус-APT, 1998. - 350 с.

20. Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. М.: Металлургия, 1987. 320 с.

21. Поляков П.В. Выход по току / Лекция на третьих высших российских алюминиевых курсах (сб. лекций, Красноярская гос. Академия цветных металлов и золота.) Красноярск 2000.-26с.

22. Vogt H., Tonstad G. The analysis of the approach of anode effects at aluminium electrolyses. // Aluminum. 1999. №12.

23. Гарнов В.К., Вишневецкий JI.M., Пак И.С. Мощные полупроводниковые агрегаты в цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1970.-224 с.

24. Семчинов A.M. Ртутно-преобразовательные и полупроводниковые подстанции. -JL:Энергия, 1968.-260 с.

25. Katich V., Krai I., Ossel J.P., Roma J. Modernization of pot lines in the city Shibenka. // Aluminum. 1999. №9.

26. Макаров M.A., Кузнецов И.Г., Бовкун А.Н.Стабилизация энергетического режима серий электролиза. / Сб. научно-исследовательских работ ИРКАЗ СУАЛ. Шелехов.2000. С. 164-171.

27. Северюхин B.JI. Влияние КПП на работу электролизной серии. // Технико-экономический вестник РУСАЛ.№15.2000.С.15-19.

28. Hongmin Zhu and Donald R. Sadoway. Towards elimination of anode effect and PFC emissions via current shunting. // Light Metals. 2001. P. 303-305.

29. A.L.L. Machado., E.D. Arujio and J.B.G. Maraes. Reduction of anode effect frequency and duration at heavy power modulation vss line. // Light Metals. 2001. P. 505-509.

30. Кузнецов И.Г., Бовкун A.H. Кавандин В.Д. Стабилизация тока серии электролиза и повышение качества показателей регулирования. / Сб. научно-исследовательских работ ИРКАЗ СУАЛ. Шелехов.2001. С. 193202.

31. Роднов О.О., Березин А.И. Оценка технологического состояния электролизёра по флуктуациям приведенного напряжения. // Технико-экономический вестник РУСАЛ.№5.2004.С.32-34.

32. Ротинян А.Л., Тихонов К.И., Шошина И.А. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1981.-424 с.

33. Бегунов А.И. Газогидродинамика и потери металла в алюминиевых электролизерах. Иркутск: ИрГТУ, 1992. - 288 с.

34. Журавин Ю.Д., Минцис М.Я., Музыченко И.И. Электроснабжение цехов электролиза алюминия: Учеб. пособие / СибГИУ. -Новокузнецк, 2000. 113 с.

35. Янко Э.А., Лозовой Ю.Д. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. М.: Металлургия, 1976. 160 с.

36. Савин В.Е., Рябов В.И. Замыкания на землю в цепях технологического тока электролизеров алюминия // Промышленная электроника. 1975. №11. С. 25-26.

37. Журавлев В.И., Батин H.A. Измерение токов утечек на ваннах электролиза никеля. // Цветные металлы, 1953, N1. С. 39-41.

38. Журавин Ю.Д., Минцис М.Я. Особенности электрообеспечения алюминиевых электролизеров. М.: Металлургия, 1982. 78 с.

39. Сергеев П.В., Снурников А.П. Электрический контроль в цехах электролиза цинка. // Цветные металлы, 1952, N6.

40. Пушкарев А.Р., Шапирштейн Я.А. Определение места замыкания на землю в промышленных электролитических установках без отключения серии. Химическая промышленность, 1959, N1. С. 87-88.

41. Богословский A.C. Измерения токов утечки на землю в электролитических ваннах. // Цветные металлы, 1956, N4.

42. Сабанеев Н.Ф. О заземлении коммуникаций электролизных установок. //Промышленная энергетика, 1951,N3.

43. Лурье А.И. Электрические измерения в сетях сильного тока. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1948. 384 с.

44. Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и электрические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров. М.: Металлургиздат, 1963. 320 с.

45. Максим В.В. Анализ состояния и пути улучшения электроизоляции электролизных серий ОАО «КрАЗ».// Технико-экономический вестник РУ САЛ .№ 15.2000.С.20-22.

46. Отчет по НИР «Исследование, разработка и внедрение устройств контроля токов утечки в электролизных сериях», Сибэнергоцветмет, Красноярск, 1980г.

47. Швецов Н.Н. Утечки тока при электролитическом рафинировании меди и метод их расчета. Цветные металлы, 1962, N8.

48. Хемминг Р.В. Численные методы. М.: «Наука», 1972.

49. Кадричев В.П., Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск: Металл, 1995. 134 с.

50. Баранов А.Н., Михайлов Б.Н. Защита металлов от коррозии. Иркутск: ИрГТУ, 2004. 157 с.

51. Сальников В.Г., Шевченко В.В. Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлурги. М.: Металлургия, 1986.-320 с.

52. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: «Наука», 1973. 631 с.

53. Гребенников А.И. Метод сплайнов и решение некорректных задач теории приближений. М.: «Московский университет», 1983. 208 с.

54. Типовая инструкция по монтажу и капитальному ремонту алюминиевых электролизеров (ТИ-6-86). ВАМИ, Ленинград, 1986.

55. Типовая инструкция Методы оценки качества ремонта алюминиевых электролизеров (СТТТ 48-5-23-82). Союзцветметремонт, Ленинград-Москва, 1985.

56. Технологическая инструкция по обслуживанию алюминиевыхэлектролизеров с верхним токоподводом (ТИ 36-Э-79). ИркАЗ, Иркутск, 1979.

57. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. -М.: "Металлургия", 1971.

58. Справочник по наладке электроустановок и электроавтоматики. "Наукова Думка "Киев, 1972.

59. Типовой проект серии электролиза алюминиевых заводов. Проектное задание Том 2. Часть технологическая. Чертежи. Гипроалюминий, Ленинград, 1960.

60. Типовой проект электролизеров С-2, С-3. Чертежи. Гипроалюминий, Ленинград, 1960.

61. Типовой проект электролизера С-8Б. Чертежи. Гипроалюминий, Ленинград, 1963.

62. Типовой проект электролизера С-8БМ. Чертежи. Гипроалюминий, Ленинград, 1965.

63. Рабочий проект электролизеров ВТ-170, ВТ-175. Чертежи АО СибВАМИ. Иркутск, 1999.

64. Правила безопасности при производстве глинозема, алюминия, магния, кристаллического кремния и энергетического силумина. ПБ 11-149-97

65. Караманов C.B. Техническая диагностика- основа рационального обслуживания. «Энергетик», 1998 г. №10 стр. 36.

66. Поляков B.C. Из опыта тепловизионной диагностики высоковольтно-го оборудования энергосистем. // «Энергетик», 2000 г. №5 стр. 46.

67. Ж. Госсорг, «Инфракрасная термография», М.: Мир, 1988.399 с.

68. Кожур В.И., Скомская М.А., Храмова H.H. Электрические измерения иэлектроизмерительные приборы. М.: Энергоатомиздат, 1986.

69. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга, т 2, М, Наука, 1973.

70. Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др. Электрические измерения. Л.: Энергия, 1980. - 392 с.

71. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1998.

72. Висящев А.Н. Качество электрической энергии и электромагнитная совместимость в электрических системах. Учебное пособие. Иркутск, 1997. -4.1 и 2.

73. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984. 160 с.

74. Новожилов М.А., Шишкин А.Е. Коммутационные перенапряжения в системе электроснабжения руднотермических печей при производстве кристаллического кремния. // Вестник ИрГТУ №2. 2004 С. 24-30.

75. Атабеков Г.И. Гармонический анализ и операторный метод. М.: Оборонгиз, 1956. 146 с.

76. Макаров A.M. Исследование существующей схемы электроснабжения серий электролиза на ИркАЗе. Сб. научных трудов «Повышениеэффективности действующего производства. IV научно-практической конференция» Шелехов, 2003. С. 108-112.

77. Висящев А.Н., Наумов М.М., Макаров A.M. Снижение уровня высших гармоник за счёт увеличения фазности выпрямительных агрегатов. Сб. научных трудов Всероссийской ежегодной научно- практической конференции Иркутск. 2004. С. 267-274.

78. Наумов М.М., Макаров A.M. Анализ схем подключения дросселей насыщения. Сб. научных трудов II региональной научно- практической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности Иркутск. 2004. С. 161-170.

79. Председатель А. А. Ефимов, директор по производству и техническому обеспечению, кандидат технических наук1. Члены комиссии:

80. Горковенко В. И. начальник электролизного цеха. Щенников Ю. И. - старший электрик электролизного цеха

81. Составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Макарова А, М. используются в основном производстве предприятия в следующем виде:

82. Рекомендации по повышению сопротивления изоляции электролизеров относительно "земли" при ремонте и во время эксплуатации электролизеров.

83. Принят к внедрению метод определения токов утечки на сериях электролиза с помощью дифференциальных датчиков установленных на электролизерах.

84. Использование перечисленных результатов позволило уменьшить количество токов утечки на сериях электролиза и увеличить сопротивление изоляции электролизеров относительно "земли" с 3 до 7 Ом.

85. Экономический эффект от внедрения оценен в размере 1 480 тыс. руб. вгод.

86. Председатель комиссии у—'Лр-^^—Ефимов А. А. Члены комиссии ^ Горковенко В. И.1. Щенников Ю. И.