Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния электролитического производства алюминия и управления технологией на основе мониторинга перегрева электролита 8
1.1. Краткая характеристика алюминиевой промышленности России 8
1.2. Особенности технологии электролиза алюминия на ОАО "Братский алюминиевый завод" 10
1.2.1. Опыт использования фторированного глинозема в электролизном производстве 12
1.3. Существующие системы мониторинга перегрева электролита 17
1.3.1. Перегрев электролита, его влияние на тепловой баланс и показатели работы электролизера 17
1.3.2. Влияние химического состава электролита на температуру его плавления 20
1.3.2.1. Влияние концентрации глинозема на температуру плавления электролита 20
1.3.2.2. Влияние фторида алюминия на температуру плавления электролита 23
1.3.2.3. Влияние фторида магния на температуру плавления электролита 25
1.3.2.4. Влияние фторида кальция на температуру плавления электролита 26
1.3.2.5. Влияние фторида лития на температуру плавления криолитовых расплавов 28
1.3.2.6. Эмпирические формулы, описывающие зависимость состава электролита и температуры его плавления 29
1.3.3. Расчетные способы оценки перегрева электролита 30
1.3.4. Экспериментальные методы контроля перегрева электролита
1.3.4.1. Использование стационарных установок 31
1.3.4.2. Переносные измерительные комплексы
1.4. Способы управления процессом электролитического получения алюминия, основанные на мониторинге перегрева электролита 39
1.5. Выводы 42
2. Разработка системы измерения температуры плавления и перегрева электролита 44
2.1. Особенности кристаллизации промышленных криолит-глиноземных расплавов 44
2.2. Разработка конструкции температурного датчика 48
2.3. Разработка системы измерения и обработки данных 51
2.3.1. Определение температуры ликвидуса электролита при низких значениях перегрева 54
2.3.2. Проверка адекватности измерений 56
2.3.3. Проверка воспроизводимости результатов
2.4. Сравнительный анализ систем CRY-0ERM, ТЭМП и СИТЭЛ 60
2.5. Выводы 63
3. Изучение влияния технологических факторов на изменение перегрева электролита во времени 64
3.1. Влияние анодного эффекта на перегрев электролита 64
3.2. Влияние различных способов и циклов питания глинозема на перегрев электролита в алюминиевом электролизере 65
3.3. Вывод формул приведенного значения перегрева электролита для 8-й 12 - кратной поточной обработки 68
3.4. Исследование тепловых колебаний, вызванных поточными обработками 71
3.5. Выводы 73
4. Алгоритм управления алюминиевым электролизером, основанный на мониторинге перегрева электролита 74
4.1. Мониторинг перегрева электролита в корпусе электролиза, работающем на фторированном глиноземе 75
4.2. Разработка алгоритма управления электролизером на основе мониторинга перегрева электролита 77
4.3. Оптимизация технологии в корпусе электролиза на основе использования алгоритма управления алюминиевого электролизера 82
4.4. Особенности формирования рабочего пространства алюминиевого электролизера ВТ, работающего на фторированном глиноземе 84
4.4.1. Теоретические основы математического моделирования формы рабочего пространства алюминиевого электролизера 85
4.4.2. Математическая модель тепловых и электрических полей С.А.Щербинина 88
4.4.3. Использование методов математического моделирования процесса электролиза на ОАО «БрАЗ» 91
4.4.3.1. Влияние технологических параметров на высоту настыли в электролизере 93
4.4.3.2. Влияние технологических параметров на длину настыли электролизера 94
4.4.3.3. Пересчет коэффициентов динамической модели электролизера, работающего на фторированном глиноземе 95
4.4.4. Динамическая модель формы рабочего пространства алюминиевого электролизера, работающего на фторированном глиноземе 96
4.4.4.1. Проверка адекватности полученной модели 97
4.5. Выводы 98
Основные выводы 100
Список литературы
- Существующие системы мониторинга перегрева электролита
- Определение температуры ликвидуса электролита при низких значениях перегрева
- Вывод формул приведенного значения перегрева электролита для 8-й 12 - кратной поточной обработки
- Теоретические основы математического моделирования формы рабочего пространства алюминиевого электролизера
Введение к работе
*
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Отличительная особенность российской алюминиевой промышленности заключается в том, что около 65% производимого металла выпускается в электролизерах с самообжигающимся анодом. По такой технологии работают крупнейшие в мире Братский и Красноярский алюминиевые заводы, входящие в компанию РУСАЛ. В соответствие с принятой стратегией развития компании, направленной на повышение конкурентоспособности и экологичности электролизного производства, модернизация этих заводов предусматривает внедрение следующих основных мероприятий: переход на технологию "сухого" анода, установку на электролизерах систем АПГ точечного типа, применение систем сухой газоочистки, усовершенствование компьютерного управления процессом. Осуществление столь масштабных проектов на практике неизбежно потребует изменения и оптимизации десятков параметров технологического процесса. В полной мере эти тенденции проявились на БрАЗе при освоении сухой очистки отходящих газов электролизного производства, основанной на хемосорбции фтористого водорода глиноземом в реакторах и рукавных фильтрах. Наряду с несомненными достоинствами (снижение вредных выбросов и сокращение расхода фторсолей) в экспериментальных корпусах наблюдалось ухудшение таких показателей электролиза, как выход по току, сортность алюминия, частота анодных эффектов, выход угольной пены. Отмеченные явления напрямую связаны с изменением состава сырьевых материалов и электролита, толщины корки, формы рабочего пространства, которые приводят к нарушениям теплового баланса алюминиевого электролизера.
В этой связи особое значение приобретают работы, направленные на оптимизацию теплового баланса электролизера с учетом специфических требований, предъявляемых к ведению технологии электролиза, основанной на переработке фторированного глинозема.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение эффективности электролитического получения алюминия путем оптимизации теплового баланса электролизеров на основе мониторинга перегрева электролита.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Дифференциально-термические способы измерения температуры перегрева электролита алюминиевых ванн, обработка технологической информации методами описательной и аналитической статистики, математическое моделирование технологических процессов на основе множественного регрессионного анализа, химические и спектральные методы изучения состава исследуемого сырья. Исследования проводились в укрупнен-но-лабораторном, опытно-промышленном и промышленном масштабах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана система мониторинга перегрева электролита (разности между рабочей температурой электролита и температурой его плавления) позволившая создать алгоритм управления алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, работающего на фторированном глиноземе. При этом впервые:
- установлена определяющая роль режимов питания глиноземом алюминиевого электролизера на перегрев электролита, что позволило вывести Формулы
I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ |
. БИБЛИОТЕКА 1
приведенной температуры перегрева электролита (при различной кратности регламентно-поточных обработок электролизеров);
исследовано влияние основных технологических параметров (состава электролита, уровней электролита и металла, температуры окружающей среды, заданного напряжения, силы тока) на перегрев электролита;
выявлена качественная зависимость выхода по току от перегрева электролита;
изучено влияние технологических параметров на форму рабочего пространства электролизера (высоты и длины настыли).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Система для измерения температуры электролита и ликвидуса "СИТЭЛ" внедрена в производство на Братском алюминиевом заводе с целью управления процессом электролиза по мониторингу перегрева электролита.
В условиях экспериментальных корпусов электролиза, работающих на фторированном глиноземе, использование системы "СИТЭЛ" позволило увеличить выход алюминия по току, снизить расход электроэнергии и частоту анодных эффектов.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы "СИТЭЛ" в экспериментальных корпусах ОАО "БрАЗ" составит 68 млн. рублей в год.
- система для измерения температуры электролита и ликвидуса "СИТЭЛ";
результаты мониторинга перегрева электролита в корпусах электролиза, работающих на фторированном глиноземе;
алгоритм управления алюминиевым электролизером на основе "СИТЭЛ".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Металлургия легких металлов: проблемы и перспективы» (г. Москва, 2004 г.), III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой и электродной промышленности (г.Иркутск, 2005 г.), региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» (г.Иркутск, 2005 г.), научно-практической конференции «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (г. Иркутск, 2005 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 5 статей.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (119 наименований). Общий объем работы 158 страниц основного текста, включая 55 рисунков, 11 таблиц и приложений.
Существующие системы мониторинга перегрева электролита
Братский алюминиевый завод был запущен в промышленную эксплуатацию 25 июля 1966 года. Проектная мощность завода составляла 814 тыс. тонн алюминия в год. Завод состоит из 25 корпусов электролиза, 3 литейных отделений, участка анодной массы и участка производства (регенерации) фторсолей. Основным электролизером БрАЗа является С-8Б и его модификации. Проектная сила тока электролизера С-8Б - 155 кА.
Электролизеры БрАЗа производят алюминий по технологии анода Содерберга, поэтому для увеличения технико-экономических показателей (ТЭП) руководством завода, совместно со специалистами ООО "Инженерно-технологический центр" и ООО "Инжиниринговый центр" ведется работа по совершенствованию действующего производства. Задача модернизации БрАЗа состоит не только в улучшении ТЭП, но и в одновременном решении экологических проблем. Существует два основных варианта модернизации: переход на технологию обожженных анодов и переход на технологию «сухого» анода с последующим повышением силы тока. Первый вариант более дорогостоящий, однако позволяет добиться высокого уровня ТЭП и обеспечить радикальное сокращение выбросов [109]. Следует заметить, что в мировой практике не существует опыта перевода столь больших мощностей на технологию обожженного анода, поэтому, даже при наличии технико-экономического обоснования перевода БрАЗа, такой вариант слишком продолжителен по времени внедрения и дорог, а потому маловероятен. Второй вариант отличается меньшей капиталоемкостью, однако обеспечивает значительное улучшение технико-экономических и экологических показателей. За основу модернизации БрАЗа был принят второй вариант [58].
В соответствие с принятой стратегией развития компании РУСАЛ модернизация как Братского, так и Красноярского алюминиевых заводов предусматривает внедрение следующих основных мероприятий:
Осуществление этих мероприятий, начатое в 2000 г., позволило добиться впечатляющих показателей, наиболее яркими из которых являются повышение средней силы тока алюминиевых электролизеров до 163,5 кА и снижение выбросов вредных веществ в окружающую среду на 20%. Динамика основных производственных показателей на ОАО "БрАЗ" представлена в табл. 1.1.
Вместе с тем осуществление на практике столь масштабных программ модернизации электролизного производства потребовало от инженерно-технического персонала значительных усилий по корректировке и последующей оптимизации десятков параметров технологического процесса. В полной мере эти тенденции проявились при освоении сухой очистки отходящих газов электролизного производства.
Одним из основных направлений модернизации производства алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом является переход на сухую очистку отходящих газов, основанную на хемосорбции фтористого водорода глиноземом. Сухая очистка газов глиноземом в реакторах и рукавных фильтрах позволяет улавливать 99 % фтористого водорода и твердых фторидов, 95% смолистых веществ. Существенным преимуществом сухой очистки газов является возможность утилизации уловленных фтористых соединений и глиноземной пыли путем непосредственного возврата их в процесс электролиза без дополнительной переработки. Это позволяет избежать коррозии оборудования, формирования шламовых полей, которые неизбежны при мокрой очистке газов.
На Братском алюминиевом заводе опытный участок сухой очистки отходящих газов был организован в марте 2001 г. на базе корпуса № 8 электролизного цеха № 1. Сначала на питание фторированным глиноземом были переведены 50% электролизеров (№№ 846 - 890), а с апреля 2002 г. весь корпус полностью.
Основным преимуществом использования фторированного глинозема в электролизном производстве оказалось значительное сокращение расхода фтористых солей. К примеру, за 9 месяцев 2002 года расход АШз в корпусе № 8 составил 29,0 кг/т А1. В среднем по цеху (без корпуса № 8) расход фтористого алюминия составил 37,4 кг/т А1. Расход смешанного криолита составил 18,7 кг/т А1 (ЭЦ №1 без корпуса №8 - 21,2 кг/т А1).
К сожалению, наряду с экономией фтористых солей в корпусе № 8 наблюдалось ухудшение основных показателей электролиза (табл. 1.2). С начала эксперимента участок отличается нестабильной технологией, повышенной частотой анодных эффектов, высоким выходом угольной пены и, как следствие, повышенным расходом электроэнергии.
Циклический перезаряд и аккумуляция фосфора в электролите обусловлены тем, что электрохимически восстановленный фосфор, который выводится из электролита только с отходящими газами, конденсируется на корке и угольной пене, подвергаясь вторичному окислению до P2Os. После обрушения корки он вновь попадает в электролит. Так как фосфор удаляется из электролита только с отходящими газами то, пройдя сухую газоочистку, он вновь адсорбируется на глинозёме в виде Р205. Таким образом, идет накопление фосфора в электролите. Вредное влияние повышенного содержания фосфора на выход по току усиливается за счёт улучшения смачиваемости электролитом углерода, тем самым ухудшается отделение угольной пены из электролита, повышается его температура и электросопротивление [57].
Согласно литературным данным, увеличение содержания Р2О5 в глинозёме на 0,001% (весовых) снижает выход по току на 0,6% и повышает среднее напряжение электролизной ванны на 38 мВ. Для корпуса № 8 эти показатели оказались вполне сопоставимы: увеличение содержания Р2О5 на 0,0012% привело к снижению выхода по току на 0,54% и увеличению среднего напряжения на 34 мВ.
Кроме увеличенного содержания примесей во фторированном глинозёме, для него характерно повышенное содержание влаги, фракции -45 мкм (истирание при дополнительной транспортировке), время истечения, уменьшение активной поверхности. На повышенное содержание мелкой фракции указывает более высокое (на 5,7%) содержание а - модификации. Все эти факторы подтверждают факт плохой растворимости фторированного глинозёма в электролите, который формирует на поверхности слой, напоминающий «наст рыхлого снега». Ухудшение растворимости глинозема в электролите неизбежно сопровождается увеличением частоты анодных эффектов на ванне.
Опыт использования фторированного глинозема свидетельствует о том, что на технологию электролиза серьезное влияние оказывает содержание фтора в глиноземе. На первом этапе испытаний насыщение глинозема фтором поддерживалось на уровне 1%. При этом все поточные обработки проводились фторированным глинозёмом, что соответствовало расходу 30 кг/т А1 фтористого алюминия (93,5% основного вещества). Недостающий фтор поступал в электролит при докорректировке. Количество поточных обработок в сутки - 9. В этот период времени наблюдался следующий ряд негативных явлений в обслуживании электролизеров:
Определение температуры ликвидуса электролита при низких значениях перегрева
В этом случае температура ликвидуса лежит на поверхности ликвидуса, примыкающей к криолитовому углу на диаграмме плавкости, и может быть легко определена. При кристаллизации электролита в неравновесных условиях выделяющаяся твердая фаза может содержать несколько компонентов расплава, причем ее состав будет зависеть от скорости охлаждения. В этом случае, достаточно точно оценить влияние каждого компонента на температуру плавления всей системы не представляется возможным.
Процесс кристаллизации образца электролита можно представить как непостоянное выделение тепла фазового перехода: фактическое выделение тепла зависит от количества кристаллизующейся фазы в объеме электролита. Очевидно, что температурой кристаллизации электролита следует считать не температуру начала выпадения первых кристаллов, а температуру при максимальном тепловом эффекте фазового перехода, который характеризует наибольший объем одновременно кристаллизующейся фазы. Условно это можно выразить зависимостью, представленной на рис. 2.1.
Наиболее точная регистрация температуры ликвидуса возможна при явном (пиковом) выделении энергии фазового перехода. В этом случае отво 46 димое тепло полностью возмещается выделяющимся теплом в процессе данного превращения. Несмотря на отвод тепла температура расплава остается постоянной и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок, отвечающий температуре кристаллизации. Величина горизонтального участка кривой определяется рядом факторов. При прочих равных условиях величина площадки будет тем больше, чем больше срытая теплота превращения и чем больше масса охлаждаемого образца. С увеличением скорости охлаждения площадка будет уменьшаться.
В промышленном датчике, состоящем из тигля с помещенной в него термопарой, зоны начала кристаллизации совпадают с границами раздела фаз жидкое - газ (электролит-воздух) и жидкое - твердое (электролит-тигель). С определенными допущениями это представлено на рис. 2.2.
Практическими замерами установлено, что ярко выраженная площадка на кривой охлаждения электролита фиксируется довольно редко. Обычно имеет место небольшой перегиб в области, соответствующей интервалу кристаллизации. В этом случае неоценимую помощь исследователям оказывает дифференцирование температурной кривой по времени. Кривая охлаждения образца электролита и ее производная по времени представлены на рис. 2.3. 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52
Как следует из представленных зависимостей, анализ дифференциально-термической кривой позволяет с достаточной точностью определить температуру ликвидуса электролита. 2.2. Разработка конструкции температурного датчика
Температурный датчик предназначен для проведения массовых замеров, поэтому его конструкция должна обеспечивать быструю промывку с целью удаления застывшего электролита. Промывка производится на том же электролизере, где был осуществлен замер. Для этого датчик опускается обратно в электролит, после достижения рабочей температуры вынимается и последующим резким движением электролит выплескивается из тигля.
На этой стадии проектирования возникли две проблемы. Во-первых, форму самого тигля следовало оптимизировать для лучшего выплескивания, а во-вторых, следовало рассмотреть узел крепления тигля и термопары, т. к. на границе "электролит-воздух" создавались условия для намерзания электролита на датчик, из-за чего приходилось останавливать замеры и механическим путем сбивать намерзший электролит. Были исследованы несколько форм тиглей, представленных на рис.2.4.
Наиболее функциональным оказался крайний правый датчик, который при удовлетворительной промывочной способности обеспечивал высокую адекватность замера, при этом его изготовление не представляет трудностей. Количество сварных соединений в этом датчике минимально, что обеспечивает его высокий срок службы.
С целью уменьшения времени замера был проведен ряд опытов, направленных на оптимизацию объема датчика.
Исследования по оптимизации датчика заключались в использовании при замерах перегрева электролита четырех разных по объему тиглей (9, 10, 11 и 12 мл). Блок индикации снимал с термопары температурно-временную характеристику, посредством обработки которой вычислялась скорость охлаждения образца (отношение изменения температуры ко времени). По результатам опыта была построена диаграмма зависимости скорости охлаждения электролита от объема тигля, представленная на рис. 2.5.
При скорости охлаждения более 1,3 град/сек возникает явление переохлаждения электролита, что заставляет проводить измерения при более низкой скорости охлаждения, т. е. лимитирующей стадией продолжительности замера является та скорость, при которой на результаты замеров не оказывает существенного влияния переохлаждение электролита. Оптимальной скоростью охлаждения электролита для нашего датчика является 1,0-1,1 град/сек., поэтому оптимальный объем тигля составил 10 мл.
Температурно-временная характеристика процесса охлаждения образца электролита имеет перегиб (вырожденную полочку), соответствующая температуре ликвидуса электролита. Для более достоверного фиксирования данного перегиба возникла необходимость в математической обработке результатов измерений. Было предложено использовать дополнительную экстремальную функцию, позволяющую четко определить температуру ликвидус на кривой охлаждения расплава. Исследованиями установлено, что наиболее подходящим является вариант расчета тангенса угла наклона кривой охлаждения в соответствующих точках (отношение отрезков АВ к АС). По этим данным производится построение дополнительной кривой, позволяющей обрабатывать температурно-временную характеристику (рис. 2.6).
Для проведения полномасштабного мониторинга перегрева электролита на Братском алюминиевом заводе был создан специальный измерительный комплекс, позволяющий не только надежно определять перегрев электролита, но и выдавать рекомендации по управлению тепловым балансом электролизера. Этот комплекс, структурная схема которого представлена на рис. 2.7, получил название "Система для измерения температуры электролита и ликвидуса", сокращенно СИТЭЛ.
Вывод формул приведенного значения перегрева электролита для 8-й 12 - кратной поточной обработки
Вместе с тем было установлено, что наиболее существенным фактором, влияющим на перегрев электролита, оказался независимый от технолога параметр - температура окружающей среды. Негативное влияние этого фактора можно компенсировать корректировкой уровня электролита, его химического состава (КО и CaF2) и изменением заданного напряжения.
На основании полученных зависимостей был разработан алгоритм управления электролизером, представленный на рис. 4.7. Оценка изменения перегрева электролита, уровня электролита, КО, CaF2, MgF2, температуры окружающей среды Приведение уровня электролита, КО, CaF2 в соответствие с коридором технологических параметров Пересчет перегрева электролита в соответствии с корректировкой технологических параметров (уровень электролита, КО, CaF2)
Алгоритм управления электролизером 4.3. Оптимизация технологии в корпусе электролиза на основе использования алгоритма управления алюминиевого электролизера
На третьем этапе оптимизации технологии в целях отработки алгоритма управления электролизером на основе мониторинга перегрева электролита в корпусе №8 была выбрана группа опытных ванн и группа ванн-свидетелей. На опытной группе из одиннадцати ванн исследовался отклик электролизеров на технологическое воздействие по разработанному алгоритму. Промышленные испытания нового алгоритма управления электролизером осуществлялись в течение двух недель. Результаты испытаний представлены в Приложении 2.
Анализ полученных результатов приводит к выводу, что экспериментальная группа ванн в период проведения эксперимента характеризовалась более низкой частотой анодных эффектов, более высоким выходом по току и, как следствие, более низким расходом электроэнергии (табл. 4.3).
Влияние температуры перефева электролита на выход по току на элекфолизерах, работающих на фторированном глиноземе На основании проведенных промышленных испытаний, алгоритм управления электролизером, основанный на мониторинге перегрева электролита, был рекомендован к внедрению во всех корпусах электролиза ОАО «БрАЗ». В настоящее время полномасштабное внедрение данного мероприятия сдерживается ввиду отсутствия необходимого количества приборов «СИТЭЛ». Внедрение приборов «СИТЭЛ» в объеме всего завода намечено на первую половину 2006 года, а в 2007 году планируется обеспечить этими приборами остальные заводы компании «Русский алюминий».
Основным показателем процесса электролитического получения алюминия является выход по току. На практике выход алюминия по току в электролизерах с верхним токоподводом очень редко превышает 91%, вследствие протекания в расплаве обратных реакций образования одновалентного фторида алюминия, окисления алюминия анодными газами, а также эмульгирования металла в электролите. Известно, что обратные реакции идут преимущественно на границе «металл - электролит», поэтому площадь поверхности раздела фаз имеет весомое значение для процесса электролитического получения алюминия. Форма рабочего пространства (ФРП) алюминиевого электролизера, определяющая площадь поверхности раздела, характеризуется длиной и высотой образующейся настыли по всему объему шахты электролизера. В электролизной ванне необходим не произвольный гарниссаж-ный слой, а настыль достаточной толщины с профилем близким к вертикальному (так называемая круто падающая настыль). Динамика изменения ФРП характеризует изменение расхода тепла. Очевидно, что при уменьшении высоты и длины настыли тепловые потоки от кожуха увеличиваются и уменьшаются при «зарастании» электролизера. Для оценки движения настыли было создано множество математических моделей алюминиевого электролизера. Особое распространение у российских технологов получила модель С.А.Щербинина, однако производственная практика показала низкую адекватность имеющихся моделей применительно к электролизерам, работающим на фторированном глиноземе.
4.4.1. Теоретические основы математического моделирования формы рабочего пространства алюминиевого электролизера
В настоящее время для анализа влияния различных технологических и конструктивных параметров на процесс электролиза применяются математические модели и компьютерные программы на базе этих моделей. Математические модели позволяют оценить какое из технологических или конструкторских решений повлекло за собой позитивное либо негативное изменение показателей. С их помощью можно прогнозировать любые существенные отклонения параметров при каждом изменении входных данных. Также математические модели находят широкое применение для проектирования новых электролизеров, позволяя спрогнозировать будущие технико-экономические показатели работы проектируемого объекта. На сегодняшний день накоплен богатый опыт использования математических моделей, есть специальные компьютерные программы на основе таких моделей, которые позволяют проводить обучение технологов, моделируя ситуации и отклик электролизера на управляющее воздействие.
Алюминиевый электролизер представляет собой сложный агрегат, в котором происходит взаимовлияние физических и химических процессов, технических решений, последствия которых как правило неочевидны и не могут быть оценены простыми инженерными расчетами. В этой ситуации становится чрезвычайно важным выбор рациональной методики использования существующей математической модели. Для этого важно не только не при 86 уменьшать, но и не преувеличивать возможности программ и самого моделирования как метода расчета технологических процессов. Основными ограничениями являются: - неадекватность модели. Можно лишь стараться приблизиться к ре альному электролизеру путем усложнения модели (если это действительно оправдано); -уровень адаптации модели. Выводы, сделанные для конкретной ванны (группы ванн) редко носят глобальный характер. Как правило, выводы верны лишь только для отдельного предприятия (или даже корпуса); - неправильный выбор выходных параметров. Нередко оценить все выходные параметры чрезвычайно сложно, поэтому останавливаются на анализе группы параметров, причем успешная оптимизация, к примеру, теплового или электрического полей может привести к существенному снижению срока службы электролизера; - уровень достоверности модели не может превышать точности представлений о процессе, т. е. практические результаты в любом случае должны быть ниже теоретических. Даже если эти результаты выдает математическая модель.
Как известно, сложность задачи математического моделирования физических полей в алюминиевых электролизерах определяется прежде всего особенностями взаимовлияния процессов в этих ваннах. Одним из важнейших признаков эффективной работы электролизера является наличие гар-ниссажа и настыли, которые определяют форму рабочего пространства электролизера. От ФРП зависит площадь поверхности раздела фаз на границе «металл - электролит», которая во многом определяет выход алюминия по току. Чем больше площадь зеркала металла, тем интенсивнее протекает взаимодействие расплавленного алюминия с компонентами криолит-глиноземного расплава и анодными газами.
Теоретические основы математического моделирования формы рабочего пространства алюминиевого электролизера
В российской алюминиевой промышленности используется несколько математических (динамических) моделей формы рабочего пространства алюминиевого электролизера. Наибольшее распространение получила трехмерная модель электролизера С. А. Щербинина. Эта модель физических полей электролизера включает в себя выбор области расчета, некоторую систему уравнений для описания имеющихся процессов в достаточном объеме, а также набор граничных условий, который определяет поведение рассматриваемых характеристик на границах областей.
Система уравнений для рассматриваемой математической модели имеет вид: div(?i(T)VT) = a(T)V(p2, (4.1) при I = -X T)VT; J = -o(T)Vq . Теплопроводность ЦТ) и электропроводность о(Т) материалов задаются в виде температурных зависимостей. Направление потоков тепла и электричества определяются соответственно векторами I и J.
Теплопроводность самообжигающегося анода задается в виде функции, учитывающей все фазовые переходы в теле анода: где Та - температура, при которой анодная масса начинает проводить ток аа (Т). Граничные условия на внешних границах области теплового поля отражают наличие конвективного и лучистого теплообмена, причем коэффициенты теплообмена и степень черноты задаются различными на всех участках границы (днище, блюмс, фланцевый лист, глиноземная корка, анодный массив). В область расчетов не вошли анодная и катодная ошиновка, их влияние не отражается на результатах. Модель предполагает, что все характеристики процесса неизменны во времени. Это означает, что на физические поля не сказываются периодические изменения режима (выливка металла, колебания тока), а влияние остальных параметров (загрузка глинозема, анодный эффект) - усредняются по времени.
Для решения поставленной задачи применяется метод конечных разностей, однако получаемая система линейных уравнений решалась более точными методами, что позволило с высокой точностью рассчитать растекание тока и свести невязку энергетического баланса до 1
Полученные на каждом шаге уравнения решаются методом сопряженных градиентов. Для учета процесса образования гарниссажа на каждой ите 91 рации по тепловому полю определяется изотерма кристаллизации. Расчет ведется до полной сходимости по всем рассчитываемым компонентам. Идентификация математической модели предполагает сравнение результатов расчетов с данными измерений на действующих ваннах и уточнение модели. Необходимость этого этапа объясняется прежде всего тем, что в рамках только теплоэнергетической модели не удается учесть все особенности процесса электролиза. Свойства материалов в справочниках приводятся для лабораторных образцов без учета изменения свойств в процессе эксплуатации.
Завершающим этапом математического моделирования является использование моделей и программ для оптимизации технологического режима действующих электролизеров или для проектирования новых конструкций.
Отечественный и зарубежный опыт применения математического моделирования процесса электролиза свидетельствует о том, что перечисленные выше недостатки и ограничения могут быть преодолены при идентификации модели, а программное обеспечение при целенаправленной работе по их совершенствованию могут успешно использоваться для решения поставленных задач.
Как указывалось выше, математическая модель может быть адекватна лишь для группы электролизеров, причем даже для данной группы модель со временем может терять адекватность. Производственная практика показала необходимость пересчета коэффициентов математической модели С. А. Щербинина для электролизера, работающего на фторированном глиноземе. Это объясняется физико-химическими особенностями электролиза алюминия из фторированного глинозема: в первую очередь, повышенным содержанием углерода в электролите. Вероятно, повышенная концентрация углерода и смолистых веществ в электролите, возвращаемых в процесс со фторированным глиноземом, увеличивает приход тепла в электролизер за счет его выделения при окислении дополнительного углерода.
Оценив существующее положение, было решено произвести пересчет коэффициентов динамической модели формы рабочего пространства электролизера С-8Б, работающего на фторированном глиноземе на основе многофакторного статистического анализа. Также для упрощения расчетов модель была сделана двухмерной, что не только упростило механизм пересчета, но и несколько повысило адекватность модели.
При составлении динамических моделей электролизеры следует разделять на молодые (пуск которых в эксплуатацию проводился сравнительно недавно) и вышедшие на нормальный режим работы. Режим работы недавно пущенных ванн отличен из-за формирования настылей, поэтому тепловой баланс, ввиду подъема металла в этот период до технологически необходимого уровня и сравнительно небольшого объема настыли, отличен. Для ограничения влияния молодых ванн в анализе динамики изменения формы рабочего пространства были исключены ванны со сроком службы до трех месяцев. Это позволило снизить негативное влияние срока службы алюминиевого электролизера (свойственные этому периоду высокое напряжение, высокий уровень электролита, низкий уровень металла и пр.) на весь анализ в целом. Также можно отметить низкое влияние силы тока на форму рабочего пространства. Это объясняется небольшим изменением данного параметра в ходе наблюдений.
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")
