автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние повышения силы тока на энерготехнологические показатели алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом

На правах рукописи

КУЖЕЛЬ ВЯЧЕСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СИЛЫ ТОКА НА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ

Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

Бегунов А.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф. кандидат технических наук, проф.

Баранов А.Н. Савинов В.И.

Ведущая организация: ОАО «СибВАМИ»

Защита диссертации состоится « 10 » марта 2005 г. на заседании диссертационного Совета Д 212.073.02 в Иркутском государственном техническом университете по адресу:

664074, г. Иркутск-74, ул. Лермонтова, д. 83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан «» февраля 2005 года

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, профессор

13.М. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным способом получения алюминия в России и за рубежом является электролитический, который характеризуется значительными энергетическими затратами.

Актуальной задачей в алюминиевой промышленности является увеличение удельных срока службы электролизеров и их производительности и снижение затрат электроэнергии на 1 т металла, что может быть обеспечено при повышении силы тока а также сокращении потерь подводимой энергии.

Рост производительности действующих электролизеров может быть достигнут за счет увеличения катодного выхода по току и повышения силы тока на электролизерах с определенными проектными параметрами.

Из проведенного обзора отечественных и зарубежных литературных источников определены факторы, способствующие повышению выхода по току, многие из которых применяются на алюминиевых заводах. Это, например, снижение КО и поддержание оптимальной температуры электролита, оптимизация ФРП ванны и поддержание оптимального МПР, улучшение токораспределения по катодным стержням и др.

Однако в литературе уделено недостаточно внимания вопросам интенсификации электролизного производства за счет повышения силы тока на электролизерах, особенно это относится к электролизерам на проектную силу тока 156 кА.

моделирования и экспериментов исследование влияния повышения силы тока на энерготехнологические показатели работы электролизеров с верхним

Цель работы. С помощью методов математического

анодным токоподводом ( В.Т).

Основные задачи работы.

- Прогнозирование основных энерготехнологических показателей работы электролизеров методами математического моделирования.

- Экспериментальные промышленные исследования на электролизерах, эксплуатируемых на повышенной силе тока, параметров и показателей в период пуска, послепусковой период и период нормальной эксплуатации; получение соответствующих обобщающих зависимостей.

- Разработка мероприятий по увеличению срока службы электролизеров при их эксплуатации на повышенной силе тока.

Методы исследования. При решении рассматриваемых задач использовали метод математического моделирования теплового состояния алюминиевого электролизера и практические измерения на промышленных электролизерах основных энерготехнологических показателей.

Научная новизна. Решение комплексной задачи определения технологических, тепловых и энергетических показателей работы электролизеров с В.Т., эксплуатируемых на повышенной силе тока, экспериментальным путем и методами математического моделирования.

Основные научные результаты, которые защищаются в работе и получены лично автором:

- экспериментальные зависимости силы тока; рабочего напряжения; КО; температур электролита и наружных поверхностей кожуха; уровней металла и электролита; падений напряжения в подине, аноде и ошиновке электролизеров, работающих на повышенной силе тока в период пуска, послепусковой период и период нормальной эксплуатации;

- безразмерное уравнение для расчета температур поверхностей кожуха в послепусковой период в зависимости от времени, конструктивных и технологически$'ларамегров электролизеров;

, Ъ, ♦ г

- экспериментальные зависимости коэффициентов распределения тока по катодным стержням и анодным штырям;

- зависимости выхода по току, энергетического КПД, удельного

расхода электроэнергии от времени для периода стабильной работы

/

электролизеров;

- уравнение для определения энергетического КПД электролизеров в зависимости от технологических параметров процесса электролиза и конструктивных характеристик ванн;

- методика и результаты математического моделирования энерготехнологических показателей электролизеров;

- технологические и конструктивные мероприятия, направленные на увеличение срока службы электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока.

Практическая ценность. Работа выполнялась в период с 1999 г. по 2003 г. Программа исследований формировалась в соответствии с научным направлением «Внедрить в электролизное производство высокоэффективные электролизеры с В.Т., эксплуатируемые на повышенной силе тока».

Экспериментальные исследования проводились на 12 опытных электролизерах ОАО «БрАЗ».

Получено обобщенное уравнение для определения безразмерной температуры поверхностей кожуха электролизеров в пусковой период.

Определены практические зависимости коэффициента равномерности распределения тока по катодным стержням и анодным штырям.

Установлена зависимость энергетического КПД от технологических и конструктивных параметров электролизеров.

Разработана методика численного решения и получен комплекс энерготехнологических параметров работы электролизеров на повышенной силе тока.

Определены предельные значения величин увеличения силы тока работающих электролизеров.

За период стабильной работы опытных электролизеров достигнута средняя сила тока 165,5 кА, а выход по току - 85,3 %. Производительность каждого электролизера по сравнению с проектной увеличилась на 6 %, т.е. за год работы - на 23 т алюминия-сырца.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических советах ОАО «БрАЗ» и Международной научно-технической конференции «Алюминий Сибири», г. Красноярск, 2000-2002 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, основное содержание отражено в 4 статьях журнала «Цветные металлы».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит 168 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 17 таблиц и 34 страницы приложений.

Во введении обосновывается актуальность и сформулирована цель работы.

В первой главе рассматриваются конструкции электролизеров и технология процесса электролиза, приведен литературный обзор путей улучшения эксплуатационных показателей электролизеров с В.Т..

Вторая глава посвящена прогнозированию основных энерготехнологических показателей. Приведены методика и результаты математического моделирования теплового состояния алюминиевых электролизеров и расчета теоретического энергобаланса. Выполнена оценка предельных значений силы тока на конструкциях опытных электролизеров.

В третьей главе приведены полученные на опытных электролизерах результаты исследований пусковых характеристик, а для послепускового периода и периода нормальной эксплуатации - технологических параметров и показателей теплового состояния. Экспериментальные данные обобщены в

виде соответствующих зависимостей для безразмерной температуры поверхностей кожуха, равномерности токораспределения по катодным стержням и анодным штырям, энергетического КПД.

Четвертая глава посвящена разработке мероприятий по увеличению срока службы электролизеров. Приведены мероприятия по изменению технологических параметров в летний и зимний периоды эксплуатации. Рассмотрено влияние на тепловое состояние, энергетические показатели и ФРП ванн конструктивных изменений в катодном и анодном узлах .

В пятой главе приведены расчеты экспериментальных погрешностей при определении температуры электролита на опытных электролизерах.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы.

В приложениях приведены в виде таблиц результаты измерения технологических, электрических и тепловых параметров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Увеличение производительности алюминиевых электролизеров, как отмечено выше, может быть осуществлено, кроме роста выхода по току, и за счет повышения силы тока.

Для прогнозирования энерготехнологических показателей электролизеров при повышении силы тока наиболее надежными являются методы математического моделирования.

В диссертации решена задача определения теплового состояния электролизера и энерготехнологических показателей, базирующаяся на стационарном уравнении теплопроводности с внутренними источниками теплоты, которое с учетом ортотропии теплопроводности среды имеет вид

д_ дк

дх

д + —

ду

Чэ Ф.У),

Л

ду_

+

Яу(х,у)

= 0,

(1)

где X - теплопроводность, Вт/(м-К); qv = объемная плотность внутренних

В областях металла и электролита задается их эффективная

остальных элементах конструкции электролизера X принимается изотропной и не зависящей от температуры.

Граничные условия задавали: по оси симметрии ск/дх. = 0, на других поверхностях - Ш рода.

На границах между элементами конструкции задавали условия совместимости и равновесия, а на границах областей гарнисаж - электролит и настыль - металл - еще и стационарное условие Стефана = 1кр).

Методика численного решения уравнения (1) основана на прямом методе граничных элементов (МГЭ).

Расчеты выполнялись применительно к 2 группам опытных электролизеров, различающихся уровнями металла (ЬМе) и электролита (1г,л): I — ^Ме - 33 см, Изд = 21 см; II - ИМе = 24 см, Ьзя = 22 см.

источников теплоты, Вт/м3.

теплопроводность в зависимости от направления

Рис. 1. Температурное поле опытных электролизеров I группы.

195;

• катодный кожух по поясам

• верхний/средний/нижний -237/221/63,7;

• блюмсы-115;

• дншце-31,2

- в т.ч. в проекции анода - 44,9;

- на периферии - 8,83

Температуры поверхностей, °С: • анодные штыри - 58,6;

• глиноземная засыпка и колокол -

• анодный кожух по поясам - верхний/средний/нижний -97,4/180/329,1;

• анодная масса - 152;

Методом математического моделирования оценено влияние изменения силы тока на технологические и энергетические показатели электролизеров (рабочее напряжение - Дир, тепловые потери - АО, температуру электролита Д^, толщину гарнисажа - Д5Г , удельный расход электроэнергии - Д№Уд) для различных вариантов:

I - прямое (непосредственное) повышение силы тока;

II - разутепление борта катода;

III - увеличение оребрения катодного кожуха;

IV - снижение МПР.

Таблица 1. Энергетические показатели электролизеров I группы

Статья энергобаланса Значение величины

кВт В

Общий приход энергии /в т.ч. 742,5/703,3 4,49/4,25

джоулевой

Полезный расход

энергии/теплопотери 364/378,5 2,20/2,29

Теплопотери катодным узлом 216,0 1,30

в т.ч. - бортовая часть 167,4 1,01

- блюмсы 16,2 0,10

- днище 32,4 0,19

Теплопотери анодным узлом 162,4 0,99

в т.ч. - глинозем, засыпка, колокол 74,1 0,45

- боковая поверхность анода 62,8 0,38

- поверхн. анода, массы 12,9 0,08

- анодные штыри 12,6 0,08

Энергетический КПД, % 51,8

ФРП ванны:

- толщина гарнисажа, см 11,9

- длина настыли от проекции -4,9

анода, см

Для всех вариантов расчета с повышением силы тока ДИР , ДО, Д^ и ДWyД увеличиваются, а Д5Г - уменьшается.

Наибольшее влияние повышение силы тока оказывает на температуру бортовой футеровки катода (тепловые потери) и толщину гарнисажа (рис. 2).

Д5Г, см

Д1, кА

Рис. 2. Изменение толщины гарнисажа при увеличении силы тока

Проведенный анализ показателей работы электролизеров показал, что при непосредственном увеличении токовой нагрузки без изменения конструкции электролизера и технологических параметров эксплуатации имеет место ряд негативных последствий, связанных с увеличением подводимой мощности. Поэтому при повышении силы тока также необходимо обеспечивать отвод избыточной мощности при сохранении устойчивой работы электролизера и поддержании стабильной ФРП ванны.

Ниже приведены предельные расчетные оценки по повышению силы тока и увеличению производительности электролизеров

Вариант расчета II IV III I

Д1«„,кА >7,5 7,5 7,5 3,75

АР««, кг/сут >53,8 53,8 53,8 26,9

Промышленные измерения пусковых характеристик, технологических и тепловых параметров, энергетических показателей проводили параллельно на 12 опытных электролизерах.

Период после пуска (заливки электролита) до выхода электролизеров на нормальный технологический режим составил 30 сут. Для этого периода и в течение 6 мес. нормальной эксплуатации электролизеров проводили комплексные измерения технологических и электрических параметров.

Эффект от повышения силы тока можно оценить по суточному увеличению наработки металла

АРсУг = (1-1пр)ГПт-24, (2)

где у - электрохимический эквивалент алюминия, равный 0,3354 г/(А-ч); 11ф - проектная сила тока, кА.

С учетом данных табл. 2 для 1 электролизера величина АР^ = 65 кг, а за 1 год - ЛРгод = 23 т, т.е. увеличение наработки металла примерно на 6 %.

Тепловое состояние электролизера оценивается, в том числе, и по температурам поверхностей кожуха - см. рис. 3, на котором можно выделить три характерные области: первую - рост температуры, вторую - практически стабильная ее величина и третью - снижение температуры.

Рост температуры кожуха на днище происходил в течение 1-4 сут (время выхода на максимальную температуру определяется температурой подины в конце обжига), а для боковых стенок - в течение 1-2 сут с начала пуска. Далее для днища после полного прогрева футеровки и теплоизоляции и достижения температуры его поверхности около 100°С наступил стационарный режим, а затем происходило снижение температуры. Последнее было связано с сезонным изменением (уменьшением) температуры окружающего воздуха. Для боковых и торцевых стенок после 1 - 2 сут рост температуры прекращается (образовался защитный слой гарнисажа на внутренних поверхностях), некоторое последующее

уменьшение температуры этих стенок также объясняется уменьшением температуры окружающего воздуха.

Таблица 2. Технологические параметры опытных электролизеров

Параметр После-пусковой период Месяцы нормальной эксплуатации

1 2 3 4 5 6 Среднее значение

Сила тока I, кА 162,1 163 164 165,6 167 166,9 166,6 165,5

Катодный выход по току "Пх, % - 87,4 87,5 88,9 73,0* 93,3 81,8 85,3

КО 2,552,69 2,49 2,49 2,43 2,35 2,35 2,37 2,41

Температура электролита ^ ,°С - 966 972 968 967 968 966 968

Рабочее напряжение ир, В 4,47 4,42 4,38 4,46 4,53 4,48 4,46

Уровень металла 11«, см 35/25 34/24 33/24 33/23 34/28 35/26 34/25

Уровень электролита Ьэл , см - 19/23 20/22 21/22 21/23 20/19 20/21 20/22

Примечания: 1. Уровни металла и электролита: верхние значения - для

электролизеров I группы; нижние - для электролизеров II группы

2. ^Снижение г|т произошло из-за перевода электролизеров II на повышенный уровень металла (отсутствие выливок в течение 6-9 сут.)

*«т,"с б17 бв б»

400 л

350300 • 250200150100 -50

0 i-1 i-1 i i-1 i i i-

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

т, сутки

Рис. 3. Точки измерения и температуры поверхностей кожуха: 1 - днище; 2 - боковые стенки; 3 - торцевые стенки; Б4 - Б27 - номера блюмсов

В результате анализа и обобщения температур поверхностей днища и боковых стенок для периода выхода электролизеров на нормальный технологический режим получена зависимость безразмерной температуры от времени (числа Фурье), конструктивных и технологических параметров (параметр Т) - см. рис. 4.

бет

14 12 10 8 6 4 2 О

0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13

F0T

Рис. 4. Зависимость безразмерной температуры поверхности кожуха 0СТ от безразмерного комплекса F0T

Обобщенная зависимость имеет вид:

=0,016+ 3,68-10_2Р0Т-8,01-10_3(Р0Т)2 + 9,6 • 10-4 (Р0Т)' - 5,72 ■ Ю~5(Р0Т)4 +1,32 • 1(Г6(Р0Т)5,

где ест=1ст^0Х/1кДик; Р0 = ХАх/ ср?1;

^стУ'У^ / Г К

1. т и

^бл) Ч ^с )! ;

Ч эл /

1й - определяющий размер (толщина стенки кожуха), м; А, и Ср -теплопроводность [Вт/(м К)] и объемная теплоемкость [Дж/(м3 К)] материала кожуха; и Дик - соответственно сила тока серии и в подпиточном шинопроводе, кА.

Степень равномерности распределения тока в катодных стержнях (анодных штырях) оценивали коэффициентом

где п - количество катодных стержней (анодных штырей); 1обЩ - общая сила тока, проходящая через электролизер, кА; I, - сила тока, проходящая через отдельные блюмсы (штыри), кА.

Экспериментально определено, что для электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока, равномерность распределения тока по катодным стержням в начале пуска при пламенном способе обжига, так же как и при обжиге джоулевой теплотой, зависит от качества проведения обжига, одним из показателей которого является равномерность температурного поля подины. Также установлено, что при пуске электролизеров после газопламенного обжига стабилизация токораспределения по катодным стержням наступает примерно через 30 сут с начала пуска и определяется окончанием к этому моменту процессов коксования набивных швов подины и пасты, используемой для

(4)

заделки блюмсов, расширения угольных блоков подины и пропитки ее расплавом, и др. (см. рис. 5). к,

133

и

1,24

М1 1,18 1,15 1,12 1,09 1,06 1,03 1

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

т, сутки

Рис. 5. Зависимость изменения коэффициента равномерности распределения тока по катодным стержням во времени

Экспериментальные данные по коэффициентам равномерности распределения тока в анодных штырях для всех опытных электролизеров (К[ш) были аппроксимированы в зависимости от количества ненагруженных и слабонагруженных штырей (пшти , %) следующим уравнением

К1ш = 1,064 + 4,9 • 10"3Пцт„ + 3,26 • Ю-'п^н2 (5)

Погрешность аппроксимации полученных данных не превышала ± 6%. К ненагруженным штырям отнесены те, величина проходящего тока через которые (11Ш1 ) была меньше 0,2 кА, а к слабонагруженным - 1шт = 0,2 - 1,0 кА.

Экспериментально измеренные падения напряжения (АЦ) в токопроводящих элементах опытных ванн представлены на рис. 6.

Ж +

--

с •

л

о • X Ф

ж --

♦ + * л

л X •

•о -♦ ♦ -

X «► V' «а 1 * л* «К-

% -

AU.mB 650-

600

500 450

400 350 300 250 200

Уы • J» ♦ « 1 ■'■'■' AUa ♦

« / » __» El 'г

О / I

'iff 0 П 0 D i D ✓ "г»".-

и™" 1 1 „"Я 'ЙР! in ввг^ ч

А Л f¿ А д Л .1. i 4

\ д

1 ДИш 1— i—.

0 15 30 45 «0 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210

т, сутки

Рис. 6 - Зависимость изменения падения напряжения в аноде (AUa), катоде (AUk) и ошиновке (AUin) во времени

Энергетические показатели (удельный расход электроэнергии - Wya и энергетический КПД - г|э) для опытных электролизеров составили:

Месяцы стабильной работы Wya, тыс.

кВт- ч т Al

Лэ, %

1

Среднее значение

15,37 15,19 14,8 18,48 14,59 16,3 15,79 51,7 52,2 52,6 51,7 50,8 51,5 51,75

На основании обобщения и анализа экспериментальных данных получена зависимость энергетического КПД от технологических и конструктивных параметров опытных электролизеров:

h0'5 \хи Я.6 Xх ?'25 [t„+273l 0,25

273 j

72,4

U,

гр»

(13)

где Ьмпр - межполюсное расстояние,см; Я.^,, А6^ Я^,-

эффективная теплопроводность цоколя, бортовой и торцевой стенок соответственно, Вт/(м-К); ^ - температура электролита, °С; иф - греющее напряжение, В.

Расчетные значения энергетического КПД удовлетворительно согласуются с экспериментом.

Методом математического моделирования определено влияние сезонного изменения температуры окружающего воздуха на технологические и энергетические показатели эксплуатации опытных элеткролизеров. За базовый вариант был принят переходный период эксплуатации (температура воздуха на нулевой отметке ^ = 0°С). В летнем (1„ = 20 - 25°С) и зимнем [1:„ = -(20 - 25)°С] в периодах рассчитаны по 3 варианта:

1 - постоянство МПР и I; 2 - изменение МПР и постоянство I; 3 — постоянство МПР и изменение I.

Для компенсации влияния сезонного изменения температуры окружающей среды, т.е. обеспечения постоянных температур процесса и ФРП необходимо производить сезонное изменение силы тока и рабочего напряжения (МПР) - см. рис. 7.

Проведенные расчеты показали, что для опытных электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока (среднее значение 165,5 кА) при неизменных ^ и ФРП необходимо в летний период снижать подводимую энергию (С>э э) примерно на 11 кВт за счет уменьшения МПР примерно на 2 мм или силы тока на 2,2 кА. В зимний период, наоборот, следует повышать (¡>ээ примерно на 5 кВт за счет увеличения МПР примерно на 5 кВт за счет увеличения МПР примерно на 1 мм или силы тока на 1 кА.

При поддержании постоянства Ь, и изменении МПР производительность электролизера (Р) не изменяется, а изменяется только удельный расход электроэнергии (\Ууд): в летний период уменьшается на 232 кВт-ч/т А1; в зимний увеличивается на 59 кВт ч/т А1.

МПР, I, %

104 102 100 98 96 94 92 90

зимний период летник период

Рис. 7. Гистограмма сезонного изменения МПР и силы тока: Щ - МИР; I I - сила тока.

Для исключения снижения производительности электролизера, как следует из выполненного анализа, необходимо использовать комбинированный подход: в летний период уменьшать МПР (при этом WУд уменьшается на 232 кВт-ч/т А1 и Р не изменяется по сравнению с переходным периодом); в зимний период увеличивать I (^уД увеличивается на 59 кВт-ч/т А1, а Р - на 6,85 кг/сут по сравнению с переходным периодом).

Методом математического моделирования также изучено влияние различных изменений в конструкции электролизеров по сравнению с базовой конструкцией для переходного периода эксплуатации. Рассматривались, например, варианты применения вместо обычных, полу- и графитированных подовых секций, усиление изоляции цоколя, применение карбидкремниевых бортовых блоков, двуханодного массива и др. (всего - 13 вариантов).

При применении, например, графитированных подовых блоков и усиленной теплоизоляции цоколя иф снижается на 10 мВ и \Ууд - на 28 кВт-ч/т А1. При этом изотерма ликвидус (Х1кр) смещается от центра к периферии примерно на 450 мм (рис. 8).

Рис. 8. Положение изотермы ликвидуса электролита при применении графитированных подовых блоков и усиленной теплоизоляции цоколя (базовый вариант Х^р = 696 мм)

Конструкция электролизера с графитированными подовыми блоками, усиленной теплоизоляцией цоколя катода и двойным анодным массивом должна обеспечить снижение ЭД'уд на 50-100 кВт-ч/т А1 за счет увеличения выхода по току. При этом величина Х№р увеличивается на 350 мм.

Два указанных выше варианта конструкции являются наиболее перспективными с точки зрения энергетической эффективности.

ВЫВОДЫ

1. Выбрана математическая модель для расчета и прогнозирования теплового состояния и энерготехнологических параметров работы электролизеров.

Разработана методика численного решения тепловой

задачи, базирующаяся на прямом методе граничных элементов.

Выполнено численное моделирование по прогнозированию теплового состояния и основных энерготехнологических показателей электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока. Результаты численных экспериментов хорошо согласуются с параметрами и показателями опытных электролизеров.

2. Методом математического моделирования выполнена вариантная оценка предельных значений увеличения силы тока на опытных электролизерах (проектная сила тока 156 кА). Наибольший запас по увеличению силы тока по отношению к проектной (А1) имеет вариант с разутеплением борта катодного кожуха - использование карбидкремниевых блоков толщиной 70 мм вместо углеграфитовых бортовых блоков толщиной 200 мм (А1 > 7,5 кА). Повышение Д1 до 7,5 кА может быть обеспечено при снижении МПР и увеличении оребрения катодного кожуха в 1,5 - 1,7 раза. При прямом, т.е. непосредственном повышении силы тока, без каких-либо конструктивных и технологических изменений, предельная величина Д1 составляет 3,75 кА.

3. Для опытных электролизеров с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом к аноду (проектная сила тока 156 кА). эксплуатируемых на повышенной силе тока, в течение послепускового периода (30 сут) и периода нормальной эксплуатации (6 мес.) проведены экспериментальные измерения различных технологических, тепловых и энергетических параметров (силы тока, рабочего напряжения, уровней металла и электролита, падений напряжения в аноде, катоде и ошиновке и др.).

При достигнутых за период стабильной работы средних величинах силы тока 165,5 кА и выходу по току 85,3 "/(»производительность каждого из опытных электролизеров по сравнению с проектной увеличилась в среднем на 6 %, т.е. в сутки на 65 кг алюминия-сырца, а за 1 год работы - примерно на 23 т.

4. Получена безразмерная зависимость температуры кожуха для поверхностей днища и боковых стенок для послепускового периода

эксплуатации электролизеров от времени, конструктивных

характеристик ванны и технологических параметров процесса электролиза.

5. Экспериментальным путем установлено, что равномерность распределения тока по катодным стержням в начале пуска после пламенного обжига зависит от равномерности температурного поля подины в конце обжига, а стабилизация токораспределения по катодным стержням наступает примерно через 30 - 50 сут с начала пуска и определяется окончанием к этому моменту

^ процессов коксования набивных швов подины и пасты, используемой для заделки блюмсов, расширения угольных блоков подины и пропитке ее расплавом.

Получено удобное для практического пользования уравнение для определения коэффициента равномерности распределения тока по анодным штырям в зависимости от количества ненагруженных и слабонагруженных штырей.

6. Экспериментально определено, что падение напряжения в аноде соизмеримо или ниже, чем на типовых ваннах (электролизеры С-8Б), а падение напряжения в катоде несколько выше аналогов, что объясняется повышенной силой тока на опытных электролизерах, увеличенной высотой подовых блоков и применением пасты для заделки блюмсов в подовых секциях.

7. В результате анализа и обобщения экспериментальных данных получена эмпирическая формула, устанавливающая связь энергетического КПД опытных электролизеров с технологическими параметрами процесса электролиза (МПР, греющего напряжения, температуры электролита) и

4 конструктивных характеристик ванны (эффективной теплопроводности

материалов цоколя, бортовых и торцевых стенок).

8. Предложено при проектировании электролизеров, работающих в Сибири, для снижения влияния сезонного изменения температуры окружающего воздуха за базовый режим выбирать переходный период эксплуатации. Постоянство температурного режима в летний и зимний периоды эксплуатации может быть обеспечено при комбинированном регулировании : в

летний период - уменьшением МПР, в зимний - увеличением силы тока

9. Предложены две конструкции электролизеров, имеющие увеличенный срок службы и более высокие энергетические показатели по сравнению с базовой:

• с графитированными подовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода;

• с двойным анодным массивом, графированными подовыми секциями и усиленной теплоизоляцией цоколя катода.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баранцев А.Г., Крюковский В.А., Панов E.H., Кужель B.C. Перспективы увеличения наработки металла за счет повышения силы тока на электролизерах /Цветные металлы. 2001. № 7.

2. Кужель B.C., Крюковский В.А., Панов E.H. Пусковые характеристики алюминиевых электролизеров, работающих на повышенной силе тока /Цветные металлы. 2001. № 6.

3. Кужель B.C., Крюковский В.А., Панов E.H. Электрические параметры электролизеров с ВТ в пусковой и эксплуатационный периоды при работе на повышенной силе тока / Цветные металлы. 2001. № 6.

4. Кужель B.C., Крюковский В.А., Панов E.H. Технологические и энергетические показатели электролизеров с ВТ, эксплуатируемых на повышенной силе тока /Цветные металлы. 2001. № 7.

5. Деревягин В.Н., Кужель B.C., Козьмин Г.Д. О питании глиноземом алюминиевого электролизера через самообжигающийся анод / V Междунар. конф. Алюминий Сибири - 99: Сб. докл. - Красноярск, 2000. С. 118 - 119.

6. Крюковский В.А., Ласенко Э.П., Кужель B.C., Тюменцев В.М., Лубнин Ю.Н., Попов Н.П. Внедрение технологии «сухого» анода на Братском алюминиевом заводе /Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов. Сборник научных трудов. СПб.: ВАМИ, 2000. С. 109-112.

-237. Тюменцев В.М., Кужель B.C., Лазарев В.Д. Опыт внедрения научно-исследовательских разработок в производстве анодной массы на Братском алюминиевом заводе /Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов. Сборник научных трудов. СПб.: ВАМИ, 2000, с. 113-118.

8. Школьников P.M., Шаблаков B.C., Цыкало С.Б., Смоляницкий Б.И., Школьников М.Р., Кужель B.C. Система газоулавливания в производстве алюминия. - СПб.: Изд. МАНЭБ, 1999. - 180 с.

9. Поляков П.В., Архипов Г.В., Кужель B.C., Соколов А.Е. Исследование физико-механических свойств промышленного анода /Технико-экономический вестник БрАЗа / Приложение к газете «Братский металлург», 2001. № 3. С. 33-39.

10. Поляков П.В., Архипов Г.В., Кужель B.C., Соколов А.Е. Влияние реакционной способности на расход анода. В сб.: «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика». КГАЦМиЗ, Красноярск, В. 6, 2000 г. С. 216-218.

11. Крюковский В.А., Кужель B.C., Суховой В.В. Электролизер с самообжигающимся анодом. Патентное изобретение РФ № 2147047.

12. Поляков П.В., Архипов Г.В., Кужель B.C., Соколов А.Е. Прогноз трещинообразования в теле анода Содерберга / Технико-экономический вестник БрАЗа / Приложение к газете «Братский металлург». 2001. № 3. с. 2732.

13. Begunov A.I., Begunov A.A., Gromov B.S., Kuzhel V.S., Kozmin G.D., Kudryavtseva E.V. , Pak R.V. Dynamics of alumina flow throngh a slot feeder.

Aluminium of Siberia-2000. VI Intern. Conference. Krasnoyarsk, 2000, pp 170-174.

Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. ->,0 Уч.-изд.л. Тираж /00 экз. Зак. 6Z

ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул.Лермонтова, 83

Р - 2 3 9 4 РНБ Русский фонд

2005-4 48687

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ

1.1. Конструкции электролизеров. Технология электролиза.

1.2. Показатели электролиза и пути их улучшения.

1.3. Постановка задачи и программа исследований.

ГЛАВА 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА ПРИ ПОВЫШЕНИИ СИЛЫ ТОКА.

2.1. Постановка задачи. Математическая модель.

2.2. Методика численного решения.

2.3. Результаты численных экспериментов по прогнозированию энерготехнологических показателей электролизеров. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными.

2.4. Оценка предельных значений по увеличению силы тока.

2.5. Выводы. ф

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ

ТОКОВОЙ НАГРУЗКЕ.

3.1. Конструктивные особенности исследуемых электролизеров.

3.2. Пусковые характеристики опытных электролизеров.

3.3. Послепусковой период и период нормальной эксплуатации.

3.3.1. Технологические параметры.

3.3.2. Тепловое состояние и энергетические показатели электролизеров.

3.4. Выводы по результатам промышленных исследований опытных электролизеров.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ СРОКА СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПОВЫШЕННОЙ ТОКОВОЙ НАГРУЗКЕ.

4.1. Мероприятия по изменению технологических параметров эксплуатации при сезонном изменении температуры окружающего воздуха.

4.2. Модернизация конструкций электролизеров.

4.3. Выводы.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

Основным способом получения алюминия в России и за рубежом является электролитический, который характеризуется значительными расходами электрической энергии на единицу готовой продукции (алюминия-сырца). Примерно половина подведенной на электролиз энергии теряется в окружающую среду.

Широкое распространение в электролитическом производстве получили электролизеры с самообжигающимися анодами (электролизеры Содерберга), в том числе с верхним токоподводом на силу тока 156 кА.

Уменьшение удельных затрат электроэнергии на 1 т металла может быть обеспечено при повышении срока службы электролизеров и их производительности, а также сокращения потерь подводимой энергии.

Рост производительности действующих электролизеров может быть достигнут за счет сокращения потерь металла (увеличения катодного выхода по току), а также за счет повышения силы тока на электролизерах с определенными проектными параметрами.

В отечественной и зарубежной литературе достаточно внимания уделено анализу факторов, способствующих повышению выхода по току и способам их реализации. Это, 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 др.

Однако в литературе совершенно недостаточно внимания уделено вопросам интенсификации электролизного производства за счет повышения силы тока на электролизерах, особенно это относится к электролизерам на проектную силу тока 156 кА.

Таким образом, представляется целесообразным и необходимым проведение детальных исследований влияния на технологические, тепловые и энергетические показатели работы электролизеров повышения силы тока относительно проектной.

Объектом исследования были выбраны электролизеры с самообжигающимися анодами, верхним токоподводом на силу тока 156 кА.

Диссертационная работа выполнялась на ОАО «Братский алюминиевый завод».

Программа исследований формировалась в соответствии с научным направлением «Внедрить в электролизное производство высокоэффективные электролизеры Содерберга, эксплуатируемые на повышенной силе тока».

Экспериментальные исследования технологических, тепловых и энергетических показателей проводились на 12 электролизерах опытного участка корпуса № 11 ОАО «БрАЗ».

Научная новизна. Решение комплексной задачи определения технологических, тепловых и энергетичсеких показателей работы электролизеров Содерберга экспериментальным путем и методами математического моделирования.

Основные результаты, которые защищаются в работе:

- экспериментальные зависимости силы тока, рабочего напряжения; криолитового отношения; температур электролита и наружных поверхностей кожуха; уровней металла и электролита; падения напряжения в подине, аноде и ошиновке электролизеров, работающих на повышенной силе тока в период пуска, послепусковой период и в период нормальной эксплуатации;

- безразмерное уравнение для расчета температур поверхностей кожуха в послепусковой период в зависимости от времени, конструктивных и технологических параметров электролизеров;

- экспериментальные зависимости коэффициентов распределения тока по катодным стержням во времени, а по анодным штырям - от количества ненагруженных или слабонагруженных штырей;

- зависимости выхода по току, энергетического КПД, удельного расхода электроэнергии от времени для периода стабильной работы электролизеров;

- уравнение для определения энергетического КПД электролизеров в зависимости от технологических параметров процесса электролиза и конструктивных характеристик ванн;

- методика и результаты математического моделирования энерготехнологических показателей электролизеров;

- технологические и конструктивные мероприятия, направленные на увеличение срока службы электролизеров, эксплуатируемых на повышенной силе тока.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ОАО «Братский алюминиевый завод» и научно-технических конференциях Компании «Русский алюминий».

По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных трудов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит . страниц машинописного текста, 36 рисунков, 17 таблиц и .страниц приложений.

4.3 Выводы

1. Проанализированы факторы, влияющие на срок службы алюминиевых электролизеров СА при их эксплуатации на повышенной токовой нагрузке.

2. Предложено для снижения влияния сезонного изменения температуры воздуха при проектировании электролизеров за базовый режим выбирать переходный период эксплуатации. Для поддержания постоянства температурного режима эксплуатации в летний и зимний периоды использовать комбинированное регулирование:

• в летний период уменьшать МПР (удельный расход э/э уменьшается на ~232 кВт-ч/т А1 и производительность не изменяется по сравнению с переходным периодом);

• в зимний период увеличивать силу тока (удельный расход э/э увеличивается на -59 кВт-ч/т А1, а производительность - на - 6,85 кг/сут по сравнению с переходным периодом).

3. Установлено, что применение графитированных подовых секций ведет к значительному смещению изотермы ликвидуса под ними от центра к периферии на -350 - 450 мм (вар. 4, табл. 4.2, вар. 12,13, табл. 4.3). При этом для компенсации увеличения теплопотерь необходимо усиливать теплоизоляцию цоколя катодного узла.

4. Предложены две конструкции электролизеров, имеющие увеличенный срок службы и более высокие энергетические показатели по сравнению с базовой конструкцией:

• с графитированными подовыми блоками и усиленной тепловой изоляцией цоколя катода (вар. 8, табл. 4.2, рис. 4.6 б);

• с двойным анодным массивом, графитированными подовыми секциями и усиленной теплоизоляцией цоколя катода (вар. 12, табл. 4.3, рис. 4.7), имеющая резерв по увеличению выхода по току.

5. Конструкция электролизера с двойным анодом, графитированными подовыми секциями, карбидкремниевыми бортовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода (вар. 13, табл. 4.3, рис. 4.8) имеет значительные резервы по увеличению токовой нагрузки или снижению анодной плотности тока.

Глава 5

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка достоверности результатов эксперимента может быть произведена по величине погрешности их получения и доверительной вероятности, соответствующей этой погрешности.

Погрешности измерения физических величин принято подразделять на систематические, случайные и неопределенные.

Методические вопросы определения погрешности измерений изложены в работах [110-114].

Систематическая ошибка наблюдается в тех случаях, когда среднее значение последовательных отсчетов отклоняется от известного точного значения и продолжает отклоняться независимо от числа отсчетов или замеров.

Если систематические ошибки имеют определенное значение и знак, то могут быть уменьшены или учтены путем внесения соответствующих поправок. Одним из способов их уменьшения является, например, калибровка измерительных приборов или датчиков.

Под случайной ошибкой понимают ошибку, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях.

Показателем случайной ошибки является дисперсия (рассеивание), равная квадрату среднего квадратичного отклонения единичного измерения (наблюдения) от истинного или среднего значения, т.е. где п - число измерений; х - среднеарифметическое значение измеряемой величины, Xj - отдельное значение измеряемой величины.

5.1) п

В случае, когда п —> оо, величина дисперсии определится

5.2) где ц - истинное значение измеряемой величины.

Случайная ошибка отдельного измерения из большого количества измерений будет определяться как корень квадратный из дисперсии Sn , т.е.

Т.к. в реальных условиях имеется конечное число отсчетов или измерений п, то случайная ошибка отдельного измерения будет рассчитываться по исправленной выборочной дисперсии

При малом числе наблюдений (измерений) используют поправочные коэффициенты, полученные на основании распределения Стьюдента, тогда формула (5.4) примет следующий вид где - коэффициент Стьюдента.

Величина £ определится по таблицам в зависимости от числа измерений (п) и доверительной вероятности (Р).

В инженерных опытах значение величины Р может быть принято равным 0,68 или 0,95 и 0,997.

В математической статистике показано, что среднее значение величины х и дисперсия этого среднего значения S ( х ) также являются случайными величинами. При этом ошибка среднего значения величины х обратно пропорциональна корню квадратному из числа отсчетов, по которому получено

5.3)

5.4)

5.5) среднее значение этой величины х. Тогда случайная ошибка среднего результата прямых измерений определится по формуле ед^^тиёы (s.6) л/п \|n(n-l)t^

Неопределенные ошибки - это ошибки, которые включают в себя неисключенные остатки систематических ошибок, а также систематические и случайные ошибки инструментального характера. Они возникают вследствие неидеальной точности приборов, инструментов и датчиков. В этот класс ошибок включают также погрешность считывания результатов со шкалы прибора, погрешность округления констант и табличных данных и т.д.

В общем случае неопределенная (опытно-инструментальная) ошибка среднего измерения величины х определится по формуле

S(xi) = VC+^p+50Kp (5.7) где 8дат, 8пр , 50кр - погрешность датчика, прибора, округления соответственно.

Указанные выше величины определяются из следующих соотношений с ^спр. о KvA ~ А (с. дат ^ J °пр ^ > O0Kp ^Jy^ V*5,0/ где 5спр - справочная погрешность датчика или прибора; К - класс точности прибора в долях единицы; А — размах шкалы прибора; А - цена деления прибора.

Следует отметить, что в паспортных данных датчиков и приборов диапазон погрешности показаний обычно указан для доверительной вероятности Р = 0,997, а учет всех ошибок удобно вести для одной вероятности, например Р = 0,683, поэтому паспортные погрешности датчика и прибора в формуле (5.8) уменьшены в 3 раза.

Полная погрешность прямого измерения величины х, в соответствии с правилами сложения случайных величин, определяется по формуле: а(Ю = л/<Э2(х)+52(х) + 52М, (5.9)

130 где 5 (\|/) - суммарная погрешность поправок.

Тогда окончательно истинное значение измеряемой величины представляется в следующем виде х"= х (1 +1^)±ст(х) для Р = 0,683 или >- (5.10) х* = х (1 + Z^i) ± 2ст(х) для Р = 0,95 , где Tj - поправка на действие систематической ошибки i - го фактора; ± ст(х) , ± 2ст(х) - границы доверительных интервалов.

Ах , где Ах; - систематическая ошибка i-ro фактора, х

В качестве примера выполним расчет полной погрешности измерения температуры электролита на опытных электролизерах в период их нормальной эксплуатации, а также погрешность определения среднемесячной температуры электролита.

В экспериментах по измерению температур датчиками служили хромель-алюмелевые термопары, а вторичным прибором - цифровой потенциометр с показаниями температур в градусах.

Например, для электролизера № 1 в 1 месяце работы средняя температура электролита составляла 963°С (см. табл. В1 Приложения В). Эта величина была получена усреднением следующих измерений температур по дням месяца (см. табл. 5.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ основных показателей электролитического получения алюминия на электролизерах Содерберга, главное внимание при этом уделено повышению производительности ванн.

Установлено, что многие теоретические и практические разработки относятся к повышению выхода по току. Вопросам интенсификации электролизного производства за счет повышения силы тока, например, на электролизерах на проектную силу тока 156 кА, не уделяется должного внимания.

Расчетным путем определено, что по сравнению с проектной силой тока (156 кА) повышение силы тока на каждый 1 кА приводит к увеличению производительности электролизера на 0,66 % (при сохранении того же выхода по току).

2. Выбрана математическая модель для расчета и прогнозирования теплового состояния и энерготехнологических параметров работы электролизеров Содерберга.

Разработана методика численного решения тепловой задачи, базирующаяся на прямом методе граничных элементов. При этом решается двумерное стационарное уравнение теплопроводности с внутренними источниками теплоты, с учетом ортотропии теплопроводности среды.

Выполнено численное моделирование по прогнозированию теплового состояния и основных энерготехнологических показателей электролизеров Содерберга, эксплуатируемых на повышенной силе тока. Результаты численных экспериментов хорошо согласуются с экспериментом на опытных электролизерах.

3. Методом математического моделирования выполнена вариантная оценка предельных значений по увеличению силы тока на опытных электролизерах (проектная сила тока 156 кА). Анализ полученных результатов показал, что наибольший запас по увеличению силы тока по отношению к проектной (AI) имеет вариант с разутеплением борта катодного кожуха, т.е. с использованием карбидкремниевых блоков толщиной 70 мм вместо углеграфитовых бортовых блоков толщиной 200 мм (AI > 7,5 кА). Повышение AI до 7,5 кА может быть обеспечено при снижении МПР и увеличении оребрения катодного кожуха в 1,5 - 1,7 раза. При прямом, т.е. непосредственном повышении силы тока, без каких-либо конструктивных или технологических изменений, предельная величина AI составляет 3,75 кА.

4. Для опытных электролизеров с самообжигающимися анодами и верхним подводом тока к аноду (проектная сила тока 156 кА), эксплуатируемых на повышенной силе тока, в течение послепускового периода (30 сут) и периода нормальной эксплуатации (6 мес.) проведены экспериментальные измерения различных технологических, тепловых и энергетических параметров (силы тока, рабочего напряжения, уровней металла и электролита, температур электролита и наружных поверхностей кожуха, падений напряжения в аноде, катоде и ошиновке, и др.).

Достигнутые основные показатели работы электролизеров за период стабильной работы (6 мес.):

- сила тока I = 165,5 кА;

- криолитовое отношение КО =2,41;

- температура электролита t3 =968°С;

- рабочее напряжение Up = 4,46 В;

- выход по току г|т = 85,3 %;

- удельный расход электроэнергии шуд = 15790 кВт-ч/т А1.

- энергетический КПД г|э = 51,75 %.

Производительность каждого из опытных электролизеров по сравнению с проектной увеличилась в среднем на 6 %, т.е. в сутки на 65 кг алюминия-сырца, а за 1 год работы - на 23 т.

Экспериментально установлена зависимость рабочего напряжения от КО электролита: снижение КО приводит к росту Up, оказывается выгодным с точки зрения наработки металла.

5. На основании обобщения экспериментальных данных по температурам наружных поверхностей кожуха боковых стенок и днища получена безразмерная зависимость температуры кожуха для послепускового периода эксплуатации опытных электролизеров от времени, конструктивных характеристик ванны и технологических параметров процесса электролиза.

Из экспериментов установлено, что стабилизация температуры наружных поверхностей кожуха начинается уже на 1 - 4 сут с начала пуска электролизеров. Также определено, что у опытных электролизеров температура поверхностей днища ниже, чем у типовых ванн С-8Б, а бортовые и торцевые стенки имеют более высокую температуру, чем аналоги.

6. Экспериментальным путем получено, что равномерность распределения тока по катодным стрежням в начале пуска после пламенного обжига зависит от равномерности температурного поля подины в конце обжига, а стабилизация токораспределения по катодным стержням наступает примерно через 30 - 50 сут с начала пуска и определяется окончанием к этому моменту процессов коксования набивных швов подины и пасты, используемой для заделки блюмсов, расширения угольных блоков подины и пропитки ее расплавом.

Получено удобное для практического пользования уравнение для определения коэффициента равномерности распределения тока по анодным штырям в зависимости от количества ненагруженных и слабонагруженных штырей.

7. Определены падения напряжения в аноде (AUa ), катоде (AUK ) и ошиновке (Диш ) опытных электролизеров.

Так, в начальный период пуска величина AUa = 610 мВ, затем с течением времени уменьшалась и при т = 60 сут стабилизировалась, составляя 550 мВ. Колебания AUa для различных электролизеров в послепусковой и эксплуатационный периоды объясняются изменениями высоты конуса спекания, силы тока, средней температуры анода и др. факторов.

AUK для всего послепускового периода и периода нормальной эксплуатации электролизеров оставалось практически постоянным и составляло около 370 мВ.

Превышение AUK у опытных электролизеров по сравнению с типовыми ваннами объясняется повышением силы тока, увеличенной высотой подовых блоков и применением пасты для заделки блюмсов вместо чугунной заливки.

Методом математического моделирования установлено, что при применении блюмсов сечением 150x180 мм вместо 150x150 мм падение напряжения в подине снижается примерно на 50 мВ.

8. В результате анализа и обобщения экспериментальных данных получена эмпирическая формула, устанавливающая связь энергетического КПД опытных электролизеров от технологических параметров процесса электролиза (МПР, греющего напряжения, температуры электролита) и конструктивных характеристик ванны (эффективной теплопроводности материалов цоколя, бортовых и торцевых стенок).

9. Предложено для снижения влияния сезонного изменения температуры окружающего воздуха при проектировании электролизеров за базовый режим выбирать переходный период эксплуатации. Для поддержания постоянства температурного режима в летний и зимний периоды эксплуатации использовать комбинированное регулирование:

• в летний период - уменьшать МПР. При этом удельный расход электроэнергии уменьшается примерно на 230 кВт-ч/т А1, а производительность по сравнению с переходным периодом не изменяется;

• в зимний период - увеличивать силу тока, при этом удельный расход электроэнергии увеличивается примерно на 60 кВт-ч/т А1, а производительность - на 6,85 кг/сут по сравнению с переходным периодом.

Ю.Установлено, что применение графитированных подовых секций ведет к значительному смещению изотермы ликвидуса от центра к периферии (примерно на 350 - 450 мм). При этом для компенсации увеличения теплопотерь необходимо усиливать теплоизоляцию цоколя катодного узла.

11 .Предложены две конструкции электролизеров, имеющие увеличенный срок службы и более высокие энергетические показатели по сравнению с базовой:

• с графитированными подовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода;

• с дойным анодным массивом, графитированными подовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода, имеющая резерв по увеличению выхода по току.

Значительные резервы по увеличению токовой нагрузки или снижению анодной плотности тока имеет конструкция электролизера с двойным анодом, графитированными подовыми секциями, карбидкремниевыми бортовыми блоками и усиленной теплоизоляцией цоколя катода.

1. Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния: Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1987. - 320 с.

2. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия / Под. ред. Ю.В.Баймакова и Я.Е.Конторовича. М.: Металлургия, 1971. — 560 с.

3. 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.

4. Туринский З.М. Динамика технологических нарушений в работе алюминиевых электролизеров //Цветные металлы. 1999. № 10. С. 32-39.

5. Бегунов А.И., Громов Б.С., Пак Р.В. и др. Влияние размеров погруженной в электролит части анода на выход по току алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1995. №12. С. 27-29.

6. Крюковский В.А. Перспективы развития завода, этапы его технической реконструкции // Цветные металлы. 1996. № 6. С. 36-39.

7. Welch B.I. Current efficiencies in Aluminium Smelting / In 18-th Intern. Course on Process Metallurgy of Aluminium, Trondheim, Norway, 1999.

8. Huglen R., Lillebuen В., Mellerud T. In Introduction to aluminium electrolysis. Aluminium Verlag. Dusseldorf, 1993, P. 139- 162.

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

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

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

12. Бегунов A.M., Цымбалов С.Д. Макрокинетика потерь металла в алюминиевых электролизерах. С. — Петербург: Наука. 1994. - 77 с.

13. Михалев Ю.Г. Криолитовое отношение, свойства электролита и показатели электролиза. / Лекция на третьих высших российских алюминиевых курсах (Сб. лекций, Красноярская гос. академия цветных металлов и золота. Красноярск. 2000. 37 с.)

14. Бузунов В.Ю., Баранцев А.Г., Савинов В.И. Новый состав электролита на Красноярском алюминиевом заводе // Алюминий Сибири —99: Сб. научных статей / Красноярский гос. ун-т; Красноярск, 2000. С. 103 109.

15. Бузунов В.Ю., Михалев Ю.Г., Поляков П.В. и др. Движение границы металл — электролит в алюминиевом электролизере, обусловленное действием эффекта Марангони // Цветные металлы. 1993. № 3. С. 29 31.

16. Crjotheim К., Kvande Н., Understanding the Hall Heroult Production of Aluminium. - Dusseldorf: Aluminium - Verlag. 1986. P. 140 - 141.

17. Utigard Т., Toguri J.M. // Light Metals. 1991. P. 273 281.

18. Володченко B.O., Гуревич А.Б., Деркач A.C. и др. Скорость сгорания анода как характеристика состояния алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1977. № 12. С. 22-23.

19. Сорлье М., Ойя Х.А. Катоды в алюминиевом электролизере. 2 издание. / Пер. с англ. П.В. Полякова; Красноярский гос. ун-т. Красноярск, 1997. 460 с.

20. Clelland С.Н., Keniry J.T., Welch B.J. // Light Metals. 1982. P. 299.

21. Фрейберг Я.Ж., Шилова Е.И., Щербинин Э.В. Определение оптимальной формы рабочего пространства ванны алюминиевого электролизера. // Цветные металлы. 1992. № 10. С. 28 31.

22. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Поляков П.В., Щербинин С.А. Исследование теплового и электрического полей алюминиевого электролизера методом вычислительного эксперимента //Цветные металлы. 1987. №1. С. 34-36.

23. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Поляков П.В., Щербинин С.А. Расчет теплового поля алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1987. №8. С. 39-40.

24. Абугов Я.М., Дмитриев А.А., Кулеш М.И. Влияние регулируемой теплоизоляции катода на работу алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1990. № 2. С. 34 37.

25. Cernak L., Kostial I. Dinamic. matematick. model tvordy garnis A zena bosnych stenach electrolyzera pri iyrole nlimika //Hutnicke listy. 1983. №5. S. 336-339.

26. Щербинин C.A., Курашев Ю.А. Исследование физических процессов в алюминиевом электролизере с самообжигающимся анодом на математической модели //Цветные металлы. 1995. № 7. С. 33-35.

27. Бурликов А.В., Грибанов А.В. Стабилизация тока на электролизных сериях //Цветные металлы. 1999. №8. С. 38.

28. Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров. М.: Металлургиздат, 1963. — 320 с.

29. Коробов М.А. Влияние ширины анода алюминиевого электролизера на температурное и электрическое поля // Цветные металлы. 1957. № 2. С. 52-58.

30. Машовец В.П. О тепловом балансе и расчете междуэлектродного расстояния алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1957. №5. С. 63-67.

31. Schmidt Z., Hatting Н.// Ersbergbau und Metall huttenwessen. 1968. Bd. 21. №7. S. 317-321.

32. Цыплаков A.M., Орлов А.Ю., Панкин В.П., Митрофанов P.A. Энергетические балансы алюминиевых электролизеров с обожженными анодами при различной плотности тока // Тр. ВАМИ. JL, 1970. №68. С. 21-28.

33. Yamasahi К., Arai K.-Proc.Sessins 104-th AIME. V 1. № 4.1975. P. 193 214.

34. Борисоглебский Ю.В. Расчет и проектирование алюминиевых электролизеров. — Д.: Ленинградский политехи, институт, 1981. 78 с.

35. Слуцкий И.З., Цыпкин М.Г., Деркач А.С. и др. Энергетический и электрический балансы мощных электролизеров с обожженными анодами // Цветные металлы. 1983. № 2. С. 44.

36. Щербинин С.А., Крюковский В.А., Иванов В.Т. Поляков П.В. Исследование теплового режима алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1986. №5. С. 40-45.

37. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Поляков П.В., Щербинин С.А. Проверка достоверности результатов расчета теплового и электрического полей алюминиевого электролизера//Цветные металлы. 1987. №6. С. 35.

38. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Поляков П.В., Щербинин С.А. Расчет горизонтальных токов в металле алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1987. №7. С. 48 -51.

39. Щербинин С.А. Численное исследование физических процессов в алюминиевом электролизере // Цветные металлы. 1990. № 2. С. 37 40.

40. Щербинин С.А., Крюковский В.А. Применение математического моделирования для расчетов энергетических балансов электролизеров //Изв. вузов. Цветная металлургия. 1991. № 1. С. 91 —96.

41. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Панов Е.Н., Васильченко Г.Н., Даниленко С.В. и др.; Под общ. ред. Громова Б.С. М.: Издательский дом "Руда и металлы". 1998. — 256 с.

42. Дыблин Б.С., Пряхин Г.С., Панов Е.Н. и др. Энергетические балансы электролизеров с обожженными анодами на силу тока 175 кА // Цветные металлы. 1990. № 4. С. 53 54.

43. Деркач А.С., Скворцов А.П., Бауман А.В. и др. Энергетические балансы электролизеров с боковым токоподводом БАЗа // Цветные металлы. 2000. №5. С. 33 -38.

44. Crjotheim К., Welch W.I. Aluminium Smelter Technology. Dusseldorf:

45. Aluminium Verlag. 1980. 146 p.

46. Нечаев Г.П., Цымбалов С.Д. Резервы повышения эффективности работы электролизеров с боковым токоподводом // Цветные металлы. 1999. № 9. С. 64-66.

47. Сысоев А.В., Марков А.В. Внедрение интенсивной технологии в электролизном производстве // Цветные металлы. 2000. № 5. С. 31 33.

48. Декопов Ю.Д., Славин В.В. Методика расчета сечения блюмсов алюминиевых электролизеров // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1982. №5. С. 99-100.

49. Копейкина Н.В., Нечипоренко Ю.Л., Фридман М.А. и др. Оптимизация конфигурации и свойств подовых блоков для алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1999. № 12. С. 63-65.

50. Панов Е.Н., Пингин В.В., Демидович А.В., Карвацкий А .Я. Математическое моделирование теплового состояния алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1996. № 9. С. 70 74.

51. Богатырев В.Р., Старожицкий П.Я., Беспалов В.Т. Многофакторная модель частоты анодных эффектов алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1977. № 1. С. 36 39.

52. Бузунов В.Ю. Напряжение на ванне и анодный эффект / Лекция на третьих высших российских алюминиевых курсах (Сб. лекций, Красноярская гос. академия цветных металлов и золота. Красноярск, 2000. 24 е.).

53. Лакомский В.И., Бастрыга И.М., Фридман М.А. Снижение электросопротивления подины алюминиевого электролизера //Цветные металлы. 1996. № l. С.40-43.

54. Архипов Г.В. Анализ возможных причин высокого падения напряжения в подине алюминиевого электролизера // Алюминий Сибири 99: Сб. науч. статей / Красноярская гос. ун-т, Красноярск, 2000. С. 143 - 146.

55. Morten S., Harald A. Cathodes in Aluminium Electrolysis/ Dusseldorf: Aluminium Verlag, 1989. 294 p.

56. Jolas J.M., Bos J.//Light Metals. 1994. P. 403-411.1. Л'

57. Haupin W. // Light Metals. 1975. V. 1. P. 339 349.

58. Никитин В.Я. Электросопротивление подины алюминиевого электролизера // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1965. № 23 (292). С. 42 44.

59. Парамонов С.А. Модернизация ошиновок действующих алюминиевых электролизеров с продольным расположением в серии // Цветные металлы. 1998. №8. С. 36-39.

60. Евменов В.А., Крюковский В.А., Поляков П.В. и др. Влияние распределения тока в катоде на показатели работы алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1986. № 10. С. 41-43.

61. Лакомский В.И., Фридман М.А., Таран А.Я. Улучшение продольного распределения тока по катодной секции алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1996. № 2. С. 35 38.

62. Баженов А.Е., Венков Г.А., Петров Д.С. Влияние распределения тока на качество обжига электролизеров // Цветные металлы. 1984. № 3. С. 47 49.

63. Потылицын Г.А., Геращенко Н.П., Злобин B.C. Механизм разрушения подины при обжиге электролизера // Цветные металлы. 1983. № 5. С. 42-43.

64. Злобин B.C., Крюковский В.А., Потылицын Г.А. и др. Моделирование обжига подины алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1990. № 11. С. 60-63.

65. Якунин Н.П., Ярошенко В.И., Цыплаков A.M. и др. Об огневом нагреве катода перед пуском алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1980. № 1.С. 61-66.

66. Харченко В.Г. Особенности поведения подины при обжиге и пуске алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1984. № 4. С. 34 38.

67. Потылицын Г.А., Злобин B.C. Влияние прогрева теплоизоляции катода на срок службы электролизеров типа С-8БМ // Цветные металлы. 1992. № 10. С. 31 -34.

68. Потылицын Г.А., Куликов Ю.В. Евменов В.А. Энергетический режим обжига алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом // Цветныеметаллы. 1969. № 2. С. 44 47.

69. Лозовой Ю.Д. О монтажных и подготовительных работах при пуске электролизеров // Цветные металлы. 1981. № 10. С. 62 —63.

70. Заливной В.Н., Геращенко Н.П. Способ обжига алюминиевых электролизеров с формированием нового анода // Цветные металлы. 1985. № 1. С. 39-41.

71. Обжиг и пуск алюминиевых электролизеров / Громов Б.С., Панов Е.Н., Боженко М.Ф. и др.; Под общ. ред. Громова Б.С. М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2001. - 336 с.

72. Харченко В.Г., Дмитриев С.А. Оптимизация режима обжига алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1985. № 1. С. 37 39.

73. Багаев Б.М., Злобин B.C., Тихомиров В.Н. и др. Оптимизация нагрева подины алюминиевого электролизера топочными газами // Цветные металлы. 1997. № 9. С. 66 68.

74. Заливной В.Г. Обжиг и пуск электролизеров // Лекция на вторых высших российских алюминиевых курсах (Сб. лекций, Красноярская гос. академия цветных металлов и золота. Красноярск, 1999. 15 с.)

75. Панов Е.Н., Боженко М.Ф., Васильченко Г.Н., Даниленко С.В. Тепловая эффективность пламенного обжига алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 2000. № 11 12. С. 75 - 79.

76. BenzeH Н., Hvistendahl I. Jensen М., Melas J., Sorlie M. // Light Metals. 1991. P. 741.

77. Рагозин Л.В., Ефимов A.A., Парамонов С.А. и др. Совершенствование газопламенного обжига электролизеров на Иркутском алюминиевом заводе // Алюминий Сибири 99: Сб. научн. статей / Красноярский гос. ун-т; Красноярск, 2000. С. 38 - 42.

78. AritaY.,UrataN. IkeuchiH.// Light Metals. 1978. V.l. P. 59 72.

79. Schmitd-Hatting W., Bianc I.M., Kaenel R.V., Ressard I.C. // Light Metals. 1984. V.l. AIME.P.609-624.

80. Utne P.//Light Metals. 1982. V.3. P.359 371.

81. Orman Z., Kolenda Z., Donizar I. // V Al-Sympozium. Banska Bystrica. 1984.1. F P.185 192.

82. Бояревич B.B., Калис Х.Э., Миллире Р.П. и др. Математическая модель для расчета параметров алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1988. №7. с. 63 -66.

83. Бессонов Е.Ю., Иванов В.Т., Крюковский В.А. и др. Модели магнитного поля алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1989. № 10. С. 53 56.

84. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Щербинин С.А и др. Совместный расчет электрического и магнитного полей алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1989. №3. С. 59-63.

85. Бояревич В.В. Магнитогидродинамические волны границы раздела ираспределение возникающего тепла, обусловленные динамическим взаимодействием токов в алюминиевом электролизере // Магнитная гидродинамика. 1992. №4. С. 47-55.

86. Phundt Н., Vogelsang D., Gerling U. // Light Metals. 1989. V. 1. P.371 -377.

87. Щербинин C.A., Курашев Ю.А. Исследование физических процессов в алюминиевом электролизере с самообжигающимся анодом на математической модели // Цветные металлы. 1995. №7. С. 33 35.

88. Vogelsang D., Droste Ch., Segatz M., Eick I. Retrofit of Soderberg Smelter at Alusaf Bayside Plant // Light Metals. 1996. P.327 333.

89. Артеменко C.A., Панов E.H., Фридман M.A., Демидович А.В. Влияние изменения конструкции алюминиевых электролизеров с боковым токоподводом на их энергетическое состояние // Цветные металлы. 1997. №6. С. 36-39.

90. Пингин В.В., Поляков П.В., Щербинин С.А. Математическое моделирование газогидродинамических процессов в алюминиевом электролизере//Цветные металлы. 1998. №5. С. 104-109.

91. Сысоев А.В., Щербинин С.А., Аминов А.Н., и др. Исследование тепловогои электрического полей методом моделирования // Цветные металлы. 2000. №4. С. 136-141.

92. Деркач А.С., Скворцов А.П., Цибуков И.К. и др. Трехмерная модель расчета МГД-параметров алюминиевого электролизера// Цветные металлы. 2000. №1. С. 30-34.

93. Скворцов А.П. Особенности освоения технологии на электролизерах новых конструкций //Цветные металлы. 1990. №1. С. 35 38.

94. Щербинин С.А., Пингин В.В. Трехмерная модель расчета теплового и электрического поля алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 2000. №9. С. 148- 153.

95. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов/ Пер. с англ. М: Мир, 1987, - 524 с.

96. Бенерджи П., Баттерфильд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках/ Пер. с англ. М: Мир, 1984. - 494 с.

97. Тьюарсон Р. Разреженные матрицы / Пер. с англ. М: Мир, 1977, - 190 с.

98. Brebbia С.А., Nowak A.J. Solving Heat Transfer Problems by the Dual Reciprocity BEM / In book: Boundary Element Methods in Heat Transfer / Ed: L.C. Wrobel, C.A.Brebbia London & New York: CMP Southampton Boston & Elsevier Applied Science, 1992. - 294 p.

99. EickL, Vogelsang D. Dimensioning of Cooling Fins for High-Amperage Reduction Cells // Light Metals. 1999. P.339 345.

100. Потылицын Г.А., Злобин B.C. Моделирование нагрева поверхности подины в начальной стадии пуска алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1993. № 4. С. 22 24.

101. Баженов А.Е., ДынкинМ.Е., ЦыплаковА.М. О некоторых причинах ремонта алюминиевых электролизеров // Цветные металы. 1981.12. С. 67-69.

102. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др., Под ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

103. Вергазова Г.Д., Сиразутдинов Г.А., Минцис М.Я. Катодные секции для алюминиевых электролизеров с вклеенными токоподводами // Цветные металлы. 1992. № 3. С. 32 33.

104. Крюковский В.А., Пряхин Г.С. О совершенствовании баланса алюминиевых электролизеров/УЦветные металлы. 2001. № 3. С. 55-60.

105. Крюковский В.А., Ласенко Э.П., Кужель B.C. и др. Внедрение технологии сухого анода на Братском алюминиевом заводе// Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов. Сб. научн. трудов. СПб.: ВАМИ, 2000. с. 109 - 113.

106. Бегунов А.И. Проблемы модернизации алюминиевых электролизеров. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ 2000 г. - 105 с.

107. М.Ю. Нечаев, Ю.В. Шемет, Б.С. Ефремов и др. Пути повышения производительности существующих корпусов электролиза, оснащенных электролизерами с верхним токоподводом// Технико-экономический весник БрАЗа.- 2000. №1. С. 19-20.

108. А.Е. Исаков, В.М. Сизяков. Разработка стабилизационных режимов получения песочного глинозема при комплексной переработке нефелинов //Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов. -Сб. научн. трудов. СПб.: ВАМИ, 2000. с. 40 48.

109. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1968.-96 с.

110. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. М.: Мир, 1972. -381 с.

111. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.-704 с.

112. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. - 262 с.

113. Сергеев О.А. Метрологические основы теплофизических измерений. Изд-во стандартов, 1972. 154 с.