Металлургия легких и тугоплавких металлов (стр. 12 )

В табл.6 представлены данные экологической оценки технологии.

Таблица 6

Результаты замеров выбросов пыли и смолистых с поверхности анодов электролизеров, работающих с использованием «сухой» анодной массы по сравнению с рядовой технологией

Среднее по двум опытным ваннам №№ 000, 580	Среднее по двум электролизерам-свидетелям №№ 000, 509
пыль, мг/нм3	смола, мг/нм3	пыль, мг/нм3	смола, мг/нм3
1,867	0,924	2,715	1,527

На опытной группе электролизеров достигнуто улучшение экологических показателей: эмиссия смолистых веществ с поверхности анодов снижена на 39,5%. По результатам расчета только за счет снижения содержания связующего в анодной массе на 5% выбросы смолистых веществ через верх анода снижены на 23,5 %. С учетом улучшения состояния поверхности анодов опытных электролизеров общее снижение выбросов смолистых веществ может составить 60-70%.

В процессе проведения испытаний проведена большая научно-исследовательская работа по изучению пластических свойств и гранулометрического состава пастообразного слоя самообжигающегося анода, сформированного из рядовой анодной массы и анодной массы с пониженным содержанием связующего на основе пекового кокса; по изучению закономерностей изменения вязкости верхнего слоя анода от его температуры; по изучению в лабораторных и опытно-промышленных условиях изменения электросопротивления коксо-пековой системы расплавленной анодной массы, сформированной на основе пекового кокса и каменноугольного пека, в зависимости от содержания связующего в диапазоне значений коэффициента текучести анодной массы от 1,07 до 3,0 и от температуры расплавленной коксо-пековой системы; по разработке математической модели формирования конуса спекания и температурного поля на поверхности пастообразного слоя самообжигающегося анода [2].

3.2 Волгоградский алюминиевый завод. С июля 2005 года на группе опытных электролизеров корпуса №5 были начаты испытания технологии «сухого» анода с применением анодной массы на пеке марки «В» и нефтяном коксе и перестановками штырей «сухим» способом с загрузкой в лунки после извлечения штырей подштыревой анодной массы с помощью разработанного специалистами подвесного бункера с дозатором [3].

Расширение технологии в промышленных масштабах было начато в ноябре 2005 г., перевод всех электролизеров завода на данную технологию закончен в 2007 году.

Технологические параметры и технико-экономические показатели работы опытных электролизеров по технологии «сухого» анода за шесть месяцев с ноября 2005 г. по апрель 2006 г. приведены в табл.7.

Таблица 7

Показатели работы группы опытных электролизеров и корпуса № 5

(средние за период с ноября 2005 по апрель 2006 гг.)

Наименование показателей	Среднее по опытной группе	Среднее по корпусу № 5
Рабочее напряжение, В	4,42	4,435
Выход по току, %	90,5	90,375
Удельный расход технологической электроэнергии, кВт×ч/т А1	14736,5	14780,0
Состояние КПК (оценка), балл	3,5	-
Температура КПК, 0С	132,2	144,8
Перепад напряжения в аноде, мВ	485,15	491,1
Выход угольной пены, кг/т А1	21,1	27,0
Скорость сгорания анода, см/сутки	1,42	1,428
Расход анодной массы, кг/т А1	488,5	532,6

Анализ информации, приведенной в таблице 7, свидетельствует, что все основные показатели электролизеров, работающих по технологии «сухого» анода улучшены по сравнению с показателями корпуса № 5.

Среднее содержание вредных веществ, выделяющихся с поверхности анодов приведено в табл.8.

Таблица 8

Среднее содержание смолистых веществ и бенз(а)пирена, выделяющихся с поверхности анодов, мкг/нм3 воздуха

	Корпус № 5	Корпус № 4	Корпус № 3
Смола	Б(а)п	Смола	Б(а)п	Смола	Б(а)п
Среднее по электролизерам, использующим технологию «сухого» анода	687	1,573	1392,5	5,355	573	1,776
Среднее по рядовым электролизерам	2950	13,598	2788	15,850	2466	8,045

В среднем в корпусах №№ 3, 4, 5 электролизного цеха снижены выбросы с поверхности анодов электролизеров, переведенных на технологию «сухого» анода, смолистых веществ (без учета снижения выбросов при перестановках штырей) в 3,5 раза, бенз(а)пирена - в 5,4 раза.

Заключение

В период с 2001 по 2007 г. г. разработаны технологии получения алюминия на электролизерах различной единичной мощности, которые обеспечивают улучшение технико-экономических и экологических показателей действующего производства. Ряд разработок внедрен в производство.

Часть 2. Разработка, испытание и внедрение современной технологии электролизеров с обожженными анодами (ЭОА)

Рост потребления алюминия в мире обуславливает необходимость постоянно наращивать его производство. По оценке аналитиков ежегодный прирост потребления алюминия в мире до 2030 года будет находиться на уровне в среднем 3,6 %, что составляет примерно 1 200 тыс. тонн алюминия от объемов существующего производства. Наращивание производства происходит за счет строительства новых мощностей по производству алюминия и интенсификации его производства на существующих предприятиях.

В настоящее время в России реализованы два проекта – это пятая серия Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ-5), которая оснащена современными электролизерами с обожженными анодами (ЭОА) на силу тока 300 кА, конструкции (ОА-300) и проект ХАЗ (РА‑300). Также находятся на этапе реализации крупные проекты ОК РУСАЛ – строительство завода в районе Богучанской ГЭС (РА-300Б) и Тайшетского алюминиевого завода (РА-400Т).

1.Моделирование энергетических и магнитогидродинамических характеристик электролизера с обожженными анодами на силу тока 300 кА.

Были проведены расчеты магнитогидродинамических (МГД) и энергетических характеристик электролизера на силу тока 300 кА при различной силе тока. Работа по расчетам энергетических характеристик выполнялась совместно со специалистами НИЦ «Ресурсосберегающие технологии» НТУУ «Киевский политехнический институт». Расчеты U,T‑полей и энергобаланса производились в вычислительной системе «ANSYS». Расчеты МГД-характеристик проводились с использованием программного комплекса «Smelter» [1].

1.1 Магнитогидродинамические характеристики. При повышении силы тока возрастает роль магнитогидродинамических явлений в электролизере, что обусловлено ростом электромагнитных сил в металле с последующей его дестабилизацией. В числе прочих факторов рост силы тока, снижение междуполюсного расстояния (МПР), а также уменьшение уровня металла, которые приводят к снижению запаса МГД-стабильности, выражающейся в волнении металла и его поверхности.

Под МГД-нестабильностью понимают технологическое состояние электролизера, при котором колебания поверхности металла становятся сопоставимыми с МПР. Технологический режим электролиза при этом приближается к «пороговым» условиям, когда малейшие возмущения приводят к нарушению нормального хода и снижению технико-экономических показателей процесса.

В табл.1 представлены сравнительные данные расчета МГД-характеристик электролизера при различной силе тока.

На рис.1, 2 представлены данные по значениям Bx и Bz по проекции анодного массива.

Таблица 1

Расчетные значения напряженности магнитного поля

Сила тока, кА	300	330	350
СРЕДНЕЕ ПО МОДУЛЮ ЗНАЧЕНИЕ ИНДУКЦИИ
Bx, мТл	0,57	0,60	0,53
By, мТл	6,71	7,39	7,86
Bz, мТл	1,04	1,05	1,06
|B|, мТл	7,00	7,68	8,12
Статический перекос, см	0,59	0,64	0,54
Средняя скорость циркуляции, см/с	1,37	1,62	1,68

Рис.1. Напряженность поперечной составляющей магнитной индукции вдоль проекции анодного массива при силе тока 300, 330 и 350 кА

Рис.2. Напряженность вертикальной составляющей магнитной индукции вдоль проекции анодного массива при силе тока 300, 330 и 350 кА

Как видно из рис.1, 2 и табл.1, напряженность магнитного поля при увеличении силы тока изменилась лишь по продольной составляющей (Вx влияет на скорости движения расплава в торцах ванны и при использовании карбид-кремниевой бортовой футеровки имеет минимальное воздействие на параметры электролизера). По поперечной (отвечает за скорости расплава вдоль ванны) и вертикальной составляющей (отвечает за перекосы поверхности раздела металл – электролит) магнитное поле изменилось слабо, и в некоторых точках значения напряженности магнитного поля даже понизились. Форма и характер распределений не изменились.

1.2. МГД-стабильность. Если схема ошиновки должным образом не проработана напряжение электролизёра часто колеблется. Эти колебания появляются из-за волнообразных движений поверхности металла под анодом. Такое волнение усиливает обратную реакцию перехода алюминия в глинозём, вследствие чего уменьшается выход по току. Поэтому, должным образом продуманное расположение ошиновки позволит получить магнитное поле, которое не будет вызывать волнение на поверхности металла..

Существует много причин, которые вызывают поверхностное волнение металла. Наиболее доминирующей причиной нестабильности является вертикальное магнитное поле. Вертикальная составляющая магнитного поля побуждает волнение расплава. Несмотря на то, что хорошо продуманное расположение ошиновки уменьшает движение, эти движения могут продолжаться до соприкосновения с поверхностью анода.

Движение происходит в электролизёре в виде разнообразных форм волнения (мод колебаний) [2]. В прямоугольном электролизёре формы волнения определяют двумя целыми числами (i, j). Первое и второе значение в скобках для каждой моды являются действительными и кажущимися частями значения (wr ± i wi). При проведении моделирования были оценены следующие формы волнения: (5,0), (4,1), (3,2), (2,3), (1,4), (0,5), (6,0), (5,1), (4,2), (3,3), (2,4), (1,5), (0,6). Эти формы волнения характерны для электролизёра с 5 стояками.

Мода характеризует конкретный вид движения поверхности металла под действием магнитного поля. Простейшие формы волнения (1,0) и (0,1) характеризуют продольное и поперечное колебание металла в электролизере соответственно. Общее колебание металла вызвано наложением различных колебательных мод с различным вкладом.

Для конкретного волнения, вызванного воздействием вертикального магнитного поля, без демпирующей силы, если волна достигает анода в пределах 400 секунд, тогда такую форму волнения рассматривают, как нестабильную и время, когда она достигает анода, определяют как время подмыкания. Результаты вычисления показали, что только форма волнения (5,0) могла стать нестабильной в рассматриваемой конструкции.

Рис.3, 4 показывают время подмыкания для нестабильной формы волнения (5,0). Следует обратить внимание на то, что рисунки показывают волнение вплоть до 300 секунд.

В табл.2 представлены данные по времени, необходимому для подмыкания металлом анода.

Таблица 2

Время достижения максимальной амплитуды волнения металла для колебательной моды (5, 0) при различных вариантах силы тока

и уровня металла

Вариант №	Сила тока, кА	Уровень металла, см	Время достижения максимального перекоса (замыкания на анод), с
1	305	17,5	446
2	335	17,5	398
3	305	27,5	>> 500
4	335	27,5	>> 500

а) б) Рис.3. Колебания напряжения электролизера в течение времени для моды (5, 0) при уровне металла 17,5 см и силе тока: а) 305кА; б) 335 кА
а) б) Рис.4. Колебания напряжения электролизера в течение времени для моды (5, 0) при уровне металла 27,5 см и силе тока: а) 305 кА; б) 335 кА

Табл.2 и рис.3, 4 показывают то, что при уровне расплава 17,5 см и при силе тока 335 кА, время подмыкания достигает 400 секунд. Все другие случаи являются стабильными.

1.3. Расчеты энергетического состояния электролизеров при силе тока 303 и 330 кА. При выполнении данной работы были проведены расчеты 3-х мерных полей электрического и температурного потенциала, электро - и энергобаланса на температуру окружающей среды электролизера на силу тока 300 кА в режиме эксплуатации.

Расчеты теплового состояния, ФРП и энергобалансов электролизера на силу тока 300 кА при ступенчатом повышении силы тока проводились при неизменном падении напряжения в электролите. Для обеспечения постоянства падения напряжения в электролите с увеличением силы тока соответствующим образом уменьшалось МПР. Таким образом, во всех проведенных расчетах при повышенных значениях силы тока падение напряжения в электролите оставалось неизменным по сравнению с базовым вариантом.