Обжиг, пуск и послепусковой период электролизеров РА-300

    В ваннах с обожженными анодами  этот тип обжига осуществляется путем индивидуальной установки и регулировки каждого анодного блока. Тело сопротивления может быть уложено в виде слоя либо в виде конусов кокса под каждым анодным блоком. Аноды опускают на постель кальцинированного кокса путем ослабления контактов, которые затем снова затягивают перед включением тока. Однако более целесообразно использовать гибкие шины для каждого анода , чтобы позволить под дей-ствием веса анода обеспечить одинаковое контактное давление на коксовую постель в течение всего периода обжига. Распределение тока по всему анодному ансамблю должно быть таким равномерным, как только возможно, и измеряться регулярно на стадии обжига, чтобы контролировать подъем температуры в катоде. Неравномерное распределение тока на этой стадии не только вредно для ма териалов подины, но может привести к повреждению анодов и обгоранию токоподводов.

    Обжиг на токе серии может занять до 24 ч, в зависимости от размера ванны и тока серии. Когда желательная температура достигнута, кокс удаляют, расплавленный электролит заливают в ванну и аноды поднимают для начала электролиза. После нескольких часов электролиза в ванну добавляется расплавленный металл, чтобы быстро довести его уровень до нормальной величины. Из-за абсорбции натрия в подину в ванну необходимо добавлять соду (в течение первых нескольких недель), чтобы поддерживать желаемый состав электролита. Предел насыщения и, таким образом, количество впитываемого натрия зависят от степени графитизации угольных материалов, использованных в подине.

    Выводы  по обжигу на сопротивлении:

• Скорость нагрева под анодами приблизительно вдвое больше, чем в центральном канале.
• Температурные градиенты вдоль рабочей поверхности катода составляют 300 °С/м, тогда как максимальные наблюдаемые градиенты составляли до 1100 °С/м. Вертикальные температурные градиенты не так велики, поскольку теплота не может быть легко "транспортирована" из катода.
• Скорость нагрева, по-видимому, увеличивается при уменьшении размеров анода. Это, вероятно, связано с уменьшенной теплоемкостью меньших анодов и уменьшенной площадью поверхности для осуществления теплопереноса.
• В отдельных зонах температуры могут повышаться до 1500 °С вследствие высоких токовых нагрузок, связанных с некачественной поверхностью анода и изменениями в толщине коксовой постели.

3.1.2 Обжиг на металле

    Обжиг на жидком металле с точки зрения выделения вредностей и трудозатрат является очень удобным методом при пуске ванны. Метод часто использовался для пуска ванн с обожженными и самообжигающимися анодами в прошлом, но постепенно он стал терять популярность из-за ряда недостатков. Процедура является легкой и достаточно несложной, и только легкий дымок выделяется в атмосферу корпуса. Аноды приближают к поверхности катода и в ванну заливают несколько тонн жидкого металла. После подсоединения короткозамкнутой ванны в серию аноды поднимают в положение, где электрическое контактное сопротивление между поверхностью анода и жидким металлом становится достаточно большим, чтобы увеличивать температуру ванны.

    Путем регулировки этого контактного сопротивления (воздушного зазора) скорость нагрева может быть контролируема. Если не считать начального температурного удара и пламени, появляющегося на поверхности подовой массы, когда заливается жидкий металл на холодную подину, этот тип обжига дает одинаковое температурное распределение по катоду.

    После того, как через несколько часов  обжига будет достигнута надлежащая температура, в ванну заливают электролит, анод поднимается выше уровня металла, и начинается электролиз.

    Однако, во время обжига на металле не всегда достигается однородная температура в подине. Чтобы получить достаточное падение напряжения в металле, которое необходимо для нагрева ванны до требуемой температуры, контакт анод-металл должен быть очень точно подогнан. Реальная ситуация такова, что малое число контактных точек обусловливает появление неравномерного распределения тока, и горячие точки появляются в ряде мест катода, тогда как металл может замерзать в других районах. Катодное распределение тока может стать очень неоднородным с возможностью появления разрушений в катоде. Это показано на рис. 3.1, где отображено катодное распределение тока приведено приблизительно через 1 ч после включения тока для катода нагреваемого газовыми горелками (а) и при обжиге на металле (б).

    Рис. 3.1. Катодное распределение тока при различных методах обжига

    Помимо  неравномерного распределения тока возможны и другие серьезные недостатки. Жидкий алюминий имеет малую вязкость и температуру плавления, равную 660 "С, и может, таким образом, внедряться в глубь подины перед затвердеванием. Как большие, так и малые трещины быстро заполняются расплавленным металлом благодаря гидростатическо¬му давлению его верхних слоев. Не является необычным, что струйки расплавленного металла протекают через швы между кирпичами изоляции и затвердевают непосредственно на стальном кожухе. Металл может реагировать с изоляцией и разрушать ее или создавать тепловой шунт, который будет изгибать изотерму внутрь подины.

3.1.3 Термонагрев

3.1.3.1 Основные сведения

      Обжиг ванн пламенным способом  предусматривает лучшее распределение температур в катоде и обеспечивает хорошую управляемость по сравнению с обжигом на сопротивлении. Опыт проведения обжига пламенным способом четырехгорелочной автоматической топливной системой обжига фирмы Hotwork, приобретенной ОАО «РУСАЛ Саяногорск» в 2003 году, на различных конструкциях электролизеров показал неплохие результаты разогрева ванн перед пуском, поэтому считается более перспективным для нагрева подины электролизеров типа РА-300. Выбор топливной системы обжига фирмы Hotwork обусловлен лучшими показателями обжига (равномерность нагрева), автоматизацией процесса (достижение заданного графика подъема температуры даже при низкой скорости подъема) и управляемостью в сравнении с электрическим. Помимо этого появляется возможность сократить время обжига электролизера до 62–64 часов.

    Использование при обжиге электролизеров пламенным  способом укрытий из огнеупорных  теплоизоляционных материалов отечественного производства и пускового сырья в сравнении с укрытиями многоразового использования типа «сэндвич» дает ряд преимуществ. Первое преимищество – электролизер после обжига перед пуском практически не охлаждается. Второе – сокращается время между отключением горелок и заливкой первого ковша электролита. Третье – исключено привлечение кранового времени для демонтажа укрытий.

    Для разработки технологии в 2006 году было проведено три экспериментальных  обжига электролизеров (два электролизера  типа С-255 четвертой серии, один электролизер РА-300 опытного участка корпуса № 8 ОАО «РУСАЛ Саяногорск»), на которых был отработан и подобран оптимальный режим обжига, разработано временное техническое руководство процессом обжига электролизеров типа РА-300 с использованием топливной системы обжига Hotwork.

3.1.3.2. Топливная система обжига Hotwork

    Топливная система обжига электролизера изготовлена и поставлена фирмой Hotwork Combustion Technology (Великобритания), которая работает на дизельном топливе или керосине. В состав топливной системы обжига электролизера входят следующие элементы:

• контрольно-управляющее устройство, смонтированное на транспортной тележке, включающее регулятор температуры, панель электрического управления PLC Siemens и HMI, топливный насосный узел, топливные фильтры, клапанные механизмы для топлива и сжатого воздуха (включающие регуляторы, датчики давления и т. д.) ;
• пять топливных горелок с опорными кронштейнами, работающих на дизельном топливе;
• четыре кабеля для подачи электроэнергии, двадцать один шланг для подачи воздуха и топлива, семь термопар;
• бак дизельного топлива емкостью 3 000 л.

    Технические характеристики топливной системы  обжига Hotwork представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.1.

Технические характеристики топливной системы обжига Hotwork

3.1.3.3. Подготовка электролизера к обжигу

    Перед обжигом анодный массив поднимается на необходимое расстояние от поверхности подины до подошвы анодов, в местах установки горелок аноды поднимаются дополнительно относительно основного массива. На поверхность подины в местах установки горелок по направлению факела укладывается огнеупорный материал. Анодный массив и пространство «борт анод» электролизера укрывается огнеупорным материалом и пусковым сырьем. На подину электролизера устанавливаются горелки топливной системы обжига Hotwork и термопары контроля и управления обжигом. На рис. 3.2 представлена схема расположения горелок при обжиге подины электролизера РА300.

3.1.3.4. Обжиг подины электролизера

    Включение горелок осуществляется в соответствии с инструкцией по эксплуатации топливной системы обжига Hotwork. Обжиг подины электролизера производится в течение 62–64 часов. После розжига всех горелок вводится график обжига в программу исполнения контрольно-управляющего устройства Hotwork, программа управления обжигом включается в автоматический режим.

    При возникновении неисправности топливной  системы обжига Hotwork в процессе обжига, программа выполнения обжига переходит  в режим «удержание» и время  обжига автоматически продляется. При возникновении подобной ситуации на каком-либо секторе программы управления обжигом допускается корректировка температуры и времени на последующих секторах программы без превышения скорости подъема температуры. Программа обжига предусматривает и ручное управление с соблюдением графика подъема температуры.

    По  технологии обжига с применением  топливной системы обжига Hotwork, разработанной  специалистами Инженерно-технологического центра и Сервисного центра, производится обжиг электролизеров РА-300 на Хакасском алюминиевом заводе.

    Недостатками  данного метода являются:

• долгое время обжига;
• сложность управления процессом;
• продолжительный пусковой анодный эффект, которого невозможно избежать.

3.1.4 Сравнительная характеристика методов обжига

    В настоящее время только 3 метода обжига представляют общий практический интерес и распространены в алюминиевой  промышленности: обжиг на коксе, на расплавленном металле и пламенный обжиг. Причины, по которым одному из методов отдается предпочтение, являются традиции, убеждения, а также исследования.

    Метод использования коксовой постели  с шунтом, надлежащим образом выполненный, вероятно, является преимущественным для обжига ванн с обожженными анодами и (в некоторой степени) также для ванн Содерберга. Главным основанием для этой популярности метода является легкий контроль при использовании шунтов. Кроме того, электрическая энергия уже имеется в распоряжении и относительно дешева в корпусах в качестве источника тепловой энергии. Применение этого метода требует,однако, тщательной подготовки, за которой должна следовать не менее тщательно выполненная процедура обжига. Проблема метода заключается в том, что контроль за распределением тока часто недостаточен и, следовательно, происхожит неравномерное распределением температуры по катоду. Иногда появляются трещины в подине или в экстремальных случаях даже проиходит расплавление блюмсов и их отгорание.

    Равномерное распределение температуры и  контролируемая скорость нагрева, которые достижимы при правильно выполненном пламенном обжиге, являются главными преимуществами данного метода. Поскольку электроэнергию не применяют, то не существует проблемы распределения тока. Так как при этом методе используются большие количества газа или горючие жидкости вблизи работающих ванн, внимание должно быть уделено проблемам безопасности. Возможно разрушение поверхности, связанное с выгоранием на воздухе, но оно может быть почти подавлено за счет тщательного контроля соотношения воздух-топливо в горелках или за счет использования стальных пластин и слоя криолита как защиты катодных подовых блоков и периферийных швов. По сравнению с обжигом на коксе пуск часто кажется более трудным для контроля после добавления электролита, и в этом случае часто имеет место более продолжительный анодный эффект.