Работа электролизёра в нормальном технологическом режиме

После завершения пускового периода электролизёры рабо­тают в режиме текущей эксплуатации. К этому моменту достигается тепловое равновесие, т.е. приход и потери тепла при установившем­ся режиме электролиза уравниваются. Заканчивается формирование рабочего пространства, устанавливается нормальное рабочее напря­жение, стабилизируется состав электролита. Приводятся в соответ­ствие с технологической инструкцией уровни металла и электроли­та, междуполюсное расстояние, частота анодных эффектов.

Показателем нормальной работы электролизера может слу­жить ряд определяющих признаков состояния ванны: корка элек­тролита должна быть прочной и равномерной по всей площади, гарнисажи и настыли должны соответствовать оптимальной форме ра­бочего пространства, осадок глинозема может располагаться только по периферии ванны и быть незначительным. Электролит должен быть «холодным», не запененным и равномерно работать по пери­метру анодного массива.

О нормальном ходе электролизера свидетельствует интен­сивное горение анодных газов в горелках или на выходе из корки электролита, оттенок огней должен быть фиолетовым. Угольная пе­на должна хорошо выделяться как на вспышке, так и без вспышки. На электролизерах с предварительно обожженными анодами и на небольших ваннах с боковым подводом тока пена, как правило, не образуется в значительных количествах, полностью сгорает и не снимается. Проба застывшего электролита в изломе имеет белый цвет, без заметных включений угля.

Рабочее напряжение на ванне задаётся технологической ин­струкцией и составляет, как правило, 4,1-4,3 В. Значения рабочего напряжения определяются электрическим сопротивлением по всей цепи электролизёра: ошиновки, подины, электролита, штырей (ВТ и БТ) или анододержателей (ОА) и самих анодов.

Сопротивление в указанных частях ванны в процессе рабо­ты меняется несущественно, за исключением сопротивления элек­тролита в междуполюсном пространстве. Достаточно поднять или опустить анод, чтобы изменить перепад напряжения в МПР. Однако если положение анода стабильно, то и в этом случае рабочее напря­жение будет медленно подниматься за счет сгорания анода, измене­ния состава электролита, постепенного ухудшения смачивания ано­да электролитом между обработками ванны и перед анодным эф­фектом.

Чтобы поддерживать рабочее напряжение в заданных пре­делах, необходимо периодически регулировать положение анода. Это производится с помощью автоматизированной системы управ­ления технологическим процессом АСУТП или в ручном режиме.

Междуполюсное расстояние (МПР). Рабочее и среднее напряжение т.е. расстояние между подошвой анода и поверхностью жидкого металла, выполняющего роль катода. По­скольку в междуполюсном зазоре реализуется большая часть энер­гии электролизера (порядка 75-80%), то значение МПР существенно влияет на все стороны его работы.

Междуполюсное расстояние, при котором достигается мак­симальная производительность ванны, носит название оптимального МПР. При оптимальном МПР достигается наибольший выход по току и низкий расход фтористых солей на тонну алюминия. Для ка­ждого типа и мощности электролизеров подбирается свое оптималь­ное значение МПР, которое может составлять от 4,5 до 6,0 см.

Расход электроэнергии на тонну алюминия пропорционален уменьшению МПР и общему электрическому сопротивлению ванны. Например, при уменьшении междуполюсного расстояния с 5,5 до 5,0 см рабочее напряжение на ванне снизится примерно на 0,15 В, а расход электроэнергии на 1т металла уменьшится на 500 кВт ч. От­рицательное воздействие сближения анода с катодом в этом случае будет компенсироваться снижением греющей мощности в междупо­люсном зазоре и уменьшением за счет этого температуры электро­лита.

Напротив, с увеличением междуполюсного расстояния вы­ше оптимального значительно повышается рабочее напряжение и перегрев электролита. Проведенные измерения показали, что при рабочем напряжении 4,2 В перегрев электролита под центром анода относительно периферии (электролизер ВТ на 160 кА) составляет 6- 8°С, при 4,4 В он равен 9-12°С, а при 4,6 В - 15°С. Выход по току будет соответственно ниже приблизительно на 0,7 и 1,5%. Положи­тельный эффект удаления анода от поверхности расплавленного алюминия в этих примерах теряется из-за существенного роста греющей мощности и увеличения перегрева электролита.

Значительные перекосы, усиленная циркуляция и волнение металла на электролизерах большой мощности, как правило, не по­зволяют уменьшить МПР ниже 5,0-5,5 см. Однако для современных электролизёров ОА с минимальным уровнем МГД-нестабильности (как за счёт технологических, так и конструкционных факторов) це­левым значением МПР является 4,5 см.

В то же время на электролизерах малой и средней мощности междуполюсное расстояние в пределах 4,5-5,0 см можно считать вполне реальным. При снижении междуполюсного зазора ниже кри­тического происходит «зажатие» МПР и выход ванны на «горячий» режим, о чем будет сказано в следующей главе.

Оптимальные значения междуполюсного зазора находятся в прямой зависимости от целого ряда факторов, включая тепловую изоляция катода, силу тока, частоту обработок, число анодных эф­фектов и др. Все процессы, связанные с увеличением приходной части теплового баланса или уменьшением расходной части, долж­ны сопровождаться корректировкой МПР. В противном случае пре­вышение прихода тепла над расходом приведет к разогреву электро­лизера. Если какой-либо тип ванн работает на нижнем допустимом (критическом) пределе МПР, то повышение силы тока в серии должно компенсироваться повышением частоты и качества обработ­ки, снижением числа анодных эффектов и интенсификацией тепло­отдачи от ванны.

Рабочее напря­жение на ванне складывается из перепада напряжения на отдельных её участках. Падение напряжения в электролите происходит за счет его активного омического сопротивления и составляет 1,6-1,8 В, па­дение напряжения в катоде равно 0,30-0,35 В, а перепад напряжения в аноде зависит от его типа и составляет 0,50-0,65 В на самообжи- гающихся анодах и 0,30-0,40 В - на обожженных. Падение напряже­ния в ошиновке зависит от её конструкции и способа подключения измерительного прибора.

Технолог должен стремиться к максимальному снижению всех составляющих рабочего напряжения, что обеспечивает мини­мальный расход энергии на электролиз. Для выполнения этого усло­вия необходимо обратить наибольшее внимание на надлежащее ис­полнение следующих операций.

1. На электролизерах ВТ для уменьшения перепада напря­жения в аноде необходимо обеспечить заданную установку штырей на горизонты, не допуская число отклонений по установке более 3% от общего числа штырей. Очень важен хороший контакт между штырем и угольным анодом, поэтому поверхность штыря должна быть тщательно зачищена от окалины.

Для уменьшения перепада напряжения в самом теле анода необходимо производить своевременную перестановку штырей, не допуская завышения расстояния штырь-анод, которое должно соот­ветствовать требованиям технологической инструкции. Кроме того, необходимо выполнять все требования, направленные на соблюде­ние необходимых условий формирования анодов.

На электролизерах БТ должны быть выполнены аналогичные условия с учётом специфики бокового подвода тока. На электроли­зерах ОА специфика иная, связанная с условиями чугунной заливки ниппелей и состоянием анододержателей. Более подробно техноло­гия ведения анодного хозяйства изложена в главе 7.

2. Для уменьшения перепада напряжения в электролите сле­дует строго выдерживать оптимальное значение МПР, своевременно снимать угольную пену и не допускать науглероживания электроли­та, подбирать состав электролита с максимальной электрической проводимостью, поддерживать уровень электролита в пределах, за­данных технологической инструкцией.

3. Для уменьшения перепада напряжения в подине следует своевременно подтягивать осадки к борту, не допускать образования подовых настылей и «коржей», следить за состоянием контактов блюмс-гибкая шинка и шинка-катодная шина.

Оптимальное значение рабочего напряжения для всех типов электролизеров находится в пределах 4,1-4,3 В. Для расчёта средне­го напряжения на электролизёре необходимо учесть перепады на­пряжения в соединительной ошиновке и за счёт анодных эффектов.

Повышение среднего напряжения за счет анодных эффектов зависит от их длительности и частоты, а также от среднего напряже­ния во время вспышки. Если число анодных эффектов в сутки 2, длительность 3 минуты, рабочее напряжение 4,3 В, напряжение на ванне во время анодного эффекта 30 В, то увеличение среднего на­пряжения за счет вспышек составит на 1 ванну.

U = ²⁽³⁰ ~^4,3) 3 = 0,107В 1440

Уменьшить эту величину можно за счет сокращения дли­тельности и частоты анодных эффектов. Это достигается путем ис­пользования современных систем управления технологическим про­цессом, основанных на предупреждении анодных эффектов в авто­матическом режиме.