Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Магнитогидродинамические процессы в электролизeрах для производства алюминия 11
1.1. Теоретические основы магнитной гидродинамики 12
1.2. Особенности МГД-процессов в электролизерах при производстве алюминия 14
1.2.1. Магнитное поле 14
1.2.2. Горизонтальные токи 18
1.2.3. Электромагнитные силы. Циркуляция и перекос металла 19
1.2.4. МГД-стабильность 22
1.3. Обзор существующих способов улучшения МГД–характеристик алюминиевых электролизеров 24
1.3.1. Усовершенствование ошиновки 24
1.3.2. Оптимизация токораспределения 37
1.3.3. Альтернативные способы улучшения МГД-параметров электролизера .
1.4. Выводы 41
ГЛАВА 2. Изучение магнитогидродинамических процессов в электролизерах на основе методов математического моделирования 44
2.1. Общие сведения о моделировании магнитной гидродинамики .
алюминиевых электролизеров 44
2.1.1. Описание и анализ используемых компьютерных программ 45
2.1.2. Решение электрической задачи при моделировании МГД-параметров 46
2.1.3. Расчет магнитного поля электролизеров 47
2.1.4. Расчет статических перекосов металла 49
2.1.5. Расчет циркуляции металла и электролита 50
2.1.6. Решение задач магнитной гидродинамики в комплексной модели 50
2.2. Моделирование МГД-явлений в алюминиевых электролизерах с целью повышения эффективности их эксплуатации 53
2.2.1.Расчет запаса МГД-стабильности электролизера при различном положении анодной рамы с ошиновкой 53
2.2.2. Моделирование магнитного поля продольно расположенного соседнего ряда ванн 57
2.2.3. Моделирование МГД-параметров при различных схемах замены обожженных анодов 62 2.2.3.1. Анализ существующих подходов к выбору оптимальной схемы замены анодов 63
2.2.3.2. Коэффициент неравномерности сгорания анодов как показатель оптимального распределения тока при выборе схемы замены. 65
2.2.3.3. Новый принцип формирования оптимальной схемы замены анодов 67
2.2.3.4. Моделирование и расчет МГД-параметров электролизера, эксплуатируемого при различных схемах перестановки анодов 70
2.2.4. Расчет скоростей движения металла на различных его уровнях 73
2.2.5. Разработка методики построения комплексной модели для расчета магнитной гидродинамики 78
2.2.6. Моделирование МГД-явлений поперечно расположенных электроли зеров с ОА 80
2.3. Выводы 81
ГЛАВА 3. Промышленная реализация результатов моделирования мгд-явлений в алюминиевых электролизерах для повышения эффективности их эксплуатации 83
3.1. Общие сведения о существующих практических методах исследования МГД параметров работы электролизеров 83
3.1.1. Исследование магнитного поля электролизера 83
3.1.2. Исследование скоростей и направлений движений металла 85
3.1.3. Определение топографии металла 90
3.1.4. Измерение запаса МГД-стабильности 90
3.2. Определение оптимального положения анодной рамы на примере электролизера С-8БМЭ 92
3.2.1. Методики выполнения замеров 92
3.2.2. Анализ результатов замеров положения анодной рамы относительно зеркала металла 93
3.2.3. Анализ результатов замеров запаса МГД-стабильности при различном положении анодной рамы 95
3.2.4. Определение оптимального нижнего положения анодной рамы 96
3.3. Модернизация ошиновки на примере электролизера С-8БМ 97
3.3.1. Результаты измерений основных параметров работы электролизеров С-8БМ с модернизированной ошиновкой 101
3.3.2. Замена электролизеров с четырехстоячной на трехстоячную ошиновку на примере электролизеров типа РА-167 106
3.3.3. Испытания конструкции имитационно-подпиточного контура для ванн PA-167 112
3.4. Опытно-промышленные испытания различных схем замены обожженных анодов на электролизере ОА-300М1 115
3.4.1 Характеристика испытываемых схем замены анодов 115
3.4.2. Анализ токораспределения при использовании различных схем перестановки анодов 117
3.4.3. Исследование и оценка избирательной окисляемости ОА на испытываемых схемах их замены 120
3.4.4. Исследование влияния эксплуатации «щелевого» анода на запас МГД-стабильности электролизера 121
3.5. Выводы 125
ГЛАВА 4. Технико-экономические показатели работы электролизеров с внедренными технологическими решениями 128
4.1. Понятие технико-экономического обоснования и критерии оценки эффективности инвестиционных проектов 128
4.2. Анализ технико-экономические показателей и оценка эффективности инвестиционных проектов по результатам внедрения технологических решений 129
Заключение 135
Список литературы 137
- МГД-стабильность
- Решение электрической задачи при моделировании МГД-параметров
- Исследование магнитного поля электролизера
- Анализ технико-экономические показателей и оценка эффективности инвестиционных проектов по результатам внедрения технологических решений
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время Россия занимает второе место в мире по производству первичного алюминия. В условиях мирового снижения цен на алюминий на всех заводах, занимающихся его производством, решение вопроса снижения себестоимости стало не просто актуальным, а определяющим дальнейшую возможность их существования.
Ценообразование стоимости алюминия, получаемого электролизом криолито-глиноземного расплава, напрямую зависит от показателя цены на электроэнергию. Согласно разным литературным источникам расходы на данную статью составляют около 20-40 % от всех затрат на производство металла. Одна из основных причин увеличения энергопотерь в электролизере и, следовательно, снижения выхода по току (т]т) напрямую связана с проходящими в ванне сложными магнитогидродинамиче-скими (МГД) процессами, которые формируются в расплаве в результате взаимодействия электрического и магнитного полей. Магнитная гидродинамика играет решающую роль в формировании циркуляции и перекосов катодного металла, приводящих к потерям алюминия в результате обратной окислительной реакции и его переходу в расплав с образованием оксида, влияет на токораспределение в конструктивных элементах электролитных ванн. Поэтому при разработке новых и усовершенствовании действующих конструкций электролизеров особое внимание уделяется оптимизации их МГД-характеристик.
Цель работы: повышение эффективности работы электролизеров при получении первичного алюминия на основе совершенствования и оптимизации их МГД-параметров.
Задачи работы:
изучить МГД-процессы, протекающие в электролитных ваннах различного типа;
методом математического моделирования разработать и предложить модели МГД-процессов в электролизерах различных типов, а также проверить эффективность работы данных ванн на практике;
оценить влияние анодной ошиновки на магнитное поле в расплаве электролизера С-8БМЭ и определить запас его МГД-стабильности при различном положении анодной рамы;
разработать критерий оценки использования оптимальной с точки зрения токо-распределения в обожженных анодах (ОА) схемы их замены;
установить влияние эксплуатации «щелевых» анодов на МГД-параметры работы электролизеров;
на основе проведенного анализа показателей эксплуатации действующих ванн типа С-8БМ предложить эффективные способы модернизации их ошиновок;
разработать и предложить малозатратную конструкцию ошиновки для электролизеров Содерберга (типа С-2, С-3) при их замене на ванны с предварительно обожженными анодами.
Научная новизна работы
Выявлена закономерность влияния анодной ошиновки на запас МГД-
стабильности ванны типа С-8БМ при различном положении анодной рамы и предло
жена методика определения его оптимального значения.
Разработана методика построения комплексной модели магнитной гид
родинамики процесса электролиза на основе поэтапного расчета магнитного, элек
трического полей и магнитной гидродинамики (во всем объеме металла) алюминие
вого электролизера.
Предложен на основе математического анализа неравномерности сгорания обожженных анодов коэффициент, позволяющий оценить токораспределение в них и рекомендовать оптимальную схему перестановки ОА.
Предложен новый принцип формирования схемы замены ОА, основанный на данных по оптимальному токораспределению в них, способствующему улучшению МГД-характеристик электролизера.
Практическая значимость
Разработаны и предложены для электролизера ОА-300М1(М2) опти
мальные схемы замены ОА, способствующие увеличению запаса МГД-стабильности
электролизера в среднем на 150 мВ (благодаря более равномерному распределению
тока по анодам) при использовании симметричной относительно второго порядка
схемы, и снижению расхода угольного анода в среднем на 5 кг/т алюминия-сырца за
счет исключения большого перепада высот между рядом стоящими анодами, и, как
следствие, открытых торцевых поверхностей ОА (при эксплуатации схемы «каскад
ного» типа).
Разработана и предложена компьютерная программа, позволяющая выполнять экспресс-оценку равномерности сгорания ОА и, соответственно, оптимального распределения нагрузки по балке-коллектору при выборе схемы перестановки анодов.
Подобрано оптимальное значение нижнего положения анодной рамы (с анодной ошиновкой) для электролизеров С-8БМЭ равное 245 см и проведены предварительные испытания ее перетяжки с шагом 58 см для увеличения МГД-стабильности ванн (патент РФ 2517623).
Разработаны и предложены на основе выполненной оценки МГД-
параметров работы электролизеров различных типов (с помощью комплексной моде
ли магнитной гидродинамики):
схема ошиновки электролизера типа С-8БМЭ для возможности его эксплуатации с более низким уровнем металла (hMe), т.е. позволяющая минимизировать значения незавершенного производства (НЗП) металла;
способ модернизации ошиновки ванны типа С-8БМ без отключения токовой нагрузки на электролизере (на ходу), основанный на последовательном отключении и переподключении определенных шин таким образом, чтобы исключить возникновение сильных волнений металла на данной ванне и рядом стоящих электролизерах, а также возможность разрыва тока серии (патент РФ 2505626);
схема ошиновки, позволяющая выполнить замену электролизеров Содер-берга (типа С-2, С-3) непосредственно в корпусах электролиза на ванны с ОА (типа РА-167) (патент РФ 2516415).
Разработана конструкция имитационно-подпиточного контура (ИПК), позволяющего при проведении испытаний опытных электролизеров с продольным расположением в корпусе не располагать обратный (соседний) ряд ванн, а выполнить лишь имитацию его магнитного поля за счет создания вертикальной компоненты магнитного поля в расплаве испытываемых ванн с таким же значением, как и от обратного ряда (заявка № 2014130848 от 24.07.2014, положительное решение о выдаче патента от 18.08.2015 г.).
Установлено влияние эксплуатации «щелевого» анода на МГД-параметры работы электролизера типа ОА-300М1, заключающееся в увеличении запаса МГД-стабильности ванны за счет меньшего времени взятия токовой нагрузи данным анодом в сравнении с обычным.
Реализация результатов работы.
Разработанная схема замены анодов относительно оси второго порядка была внедрена на высокомощных электролизерах типа ОА-300М1(М2) опытного участка (ОУ) «Электролиз 300» Уральского алюминиевого завода (УАЗ) (Свердловская обл., г. Каменск-Уральский) и ОА-300М2 5-ой серии Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ) (Иркутская обл., г. Шелехов).
«Щелевой» анод и схема замены «каскадного» типа были также были испытаны на ОУ УАЗа и внедрены в серийное производство на 5-ой серии ИркАЗа (Иркутская обл., г. Шелехов).
Работа по исследованию различных схем замены анодов нашла промышленное внедрение на высокомощных электролизерах типа ОА-300М1(М2) и ОА-300М2 (опытный участок (ОУ) Уральского и 5-я серия Иркутского) алюминиевых заводов. Также было осуществлено внедрение «щелевого» анода.
По результатам проведенных практических измерений на электролизерах С-8БМ ОАО «РУСАЛ Красноярск» были выявлены закономерности распределения скоростей движения катодного металла на различном его высотном уровне в ванне, что позволило разработать новый тип ошиновки.
На опытной группе ванн корпуса № 10 ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» (Кемеровская обл., г. Новокузнецк) проведена замена электролизеров с ВТ типа С-2, С-3 на ванны с ОА типа РА-167, сопровождающаяся непосредственной модернизацией ошиновки, разработанной автором.
На ОАО «РУСАЛ Красноярск» согласно разработанной автором схеме перевода «на ходу», т.е. без отключения тока серии, выполнен перевод с четырех- на трехсто-ячную ошиновку электролитных ванн типа С-8БМЭ. Также на данном предприятии экспериментально подтверждено влияние положения анодной рамы (с анодной ошиновкой) на запас МГД-стабильности электролизера.
После повышения I на ОУ ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» электролизеров РА-167 для имитации обратного ряда ванн был смонтирован разработанный ИПК, позволивший провести полноценные испытания ванн на повышенной силе тока (172 кА).
Также результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» при подготовке студентов по направлению «Металлургия».
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, организации и проведении исследований каждого этапа работы, выполнении расчетов математических моделей магнитной гидродинамики алюминиевых электролизеров, планировании и проведении промышленных испытаний предлагаемых способов модернизации ошиновок, схем замены ОА, эксплуатации «щелевого» анода; анализе и сопоставлении данных по моделированию с экспериментальными данными на действующем производстве; обработке полученных результатов, формулировке выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
результаты определения влияния положения анодной рамы на запас МГД-стабильности электролизера и выводы относительно выявленных закономерностей;
описание трехстоячной конструкции ошиновки и способ модернизации ошиновки без отключения токовой нагрузки на электролизере (на ходу) для ванн типа С-8БМ;
предложенная конструкция ошиновки, позволяющей выполнить перевод ванн с самообжигающимся анодом на электролизеры с ОА;
описание конструкции и принципа действия ИПК;
формула для расчета коэффициента неравномерности сгорания ОА и оп
тимальная схема их замены;
оптимальная схема замены ОА для снижения образования неровностей сго
рания на аноде («шеек»);
результаты влияния эксплуатации «щелевого» анода на МГД-
характеристики работы электролизера.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам коллективу кафедры металлургии цветных металлов ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», а также работникам ООО «Инженерно-технологический центр РУСАЛ» (ООО «РУСАЛ ИТЦ»), ОАО «Сиб-ВАМИ» за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы.
Методы исследования.
Для моделирования МГД-явлений использовались специализированные компьютерные программы: «Blums v5.07», «Ansys 11.0», «MHD - Valdis», «Smelter», «Star-CD 3.26».
Изучение и расчеты магнитного поля электролизера выполнялись с использованием аналитического метода исследования, основанного на интегрировании уравнений Пуассона (для областей, занятых током) и Лапласа (для областей, не занятых током).
Измерение магнитного поля осуществлялось магнитометром MAL - 3.2, разработанного в ОАО «СибВАМИ» (г. Иркутск, Россия), в основе работы которого лежит метод измерения магнитных полей с помощью датчиков Холла.
Исследование скоростей и направлений движения катодного металла производилось с помощью метода «растворенных стержней», основанного на измерении скорости растворения железных прутков, погруженных в металл, за определенный период времени.
Для измерения периода амплитуды напряжения при определении запаса МГД-стабильности использовался метод компенсационных измерений с помощью многоканального самописца «S-Recoder» фирмы «ADClab» (Россия).
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются совместным использованием современных методов теоретического анализа и экспериментального исследования МГД-явлений в алюминиевых электролизерах; использованием апробированных современных компьютерных программ, средств измерений, а также методов статистической обработки данных; сходимостью результатов моделирования с практическими результатами; совпадением результатов промышленных испытаний с теоретическими исследованиями.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV, V Республ. и VI Всеросс. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности (г. Иркутск, 2006-2008 гг), Северо-западной конференции (г. Волхов, 2007 г.), науч.-практ. конф. «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (г. Иркутск, 2007 г.), XIII Междунар. конф. «Алюминий Сибири - 2007» (г. Красноярск, 2007 г.), IV Междунар. конгресса «Цветные металлы - 2012» (г. Красноярск, 2012 г.), Всеросс. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2013 г.), III Всеросс. науч.-практ. конф. «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (г. Иркутск, 2013 г.), Междунар. конф. «Icsoba» (г. Красноярск,
2013 г.), V Всеросс. науч.-практ. конф. «Перспективы развития технологии переработки углеводородных и минеральных ресурсов» (г. Иркутск, 2015 г.).
Публикации.
По материалам диссертации имеется 33 публикации, в т.ч. 4 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента, публикации в материалах региональных, Всероссийских, Международных конференций.
Структура работы и объем работы.
Диссертация изложена на 150 страницах, включая 76 рисунков и 31 таблицу. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (181 наименование), 11 приложений.
МГД-стабильность
В связи с этим общие и основные требования к структуре магнитного поля в электролизере можно сформулировать следующим образом [29]: - минимизация Вх-компоненты магнитной индукции (для электролизеров с поперечным расположением) и Bу (для электролизеров с продольным расположением) для уменьшения Лоренцовых сил, действующих вдоль длинной стороны электролизера; - симметризация планарных составляющих магнитной индукции относительно By-и Bx-осей электролизера с переменой знака максимально близко к ним; - знакопеременность Bz-компоненты магнитной индукции по сторонам для снижения скорости циркуляции контуров расплава, иными словами, идеальный контур должен быть слегка X-образным, симметричное распределение в металле вдоль проекции анодного массива и точка пересечения должна быть близка к нулю по Гауссу; - минимизация абсолютного значения (модуля) Bz-компоненты магнитной индукции и ее градиента по длинной стороне электролизера для снижения пороговых значений МГД-нестабильности.
Еще одним немаловажным фактором, оказывающим влияние на конфигурацию магнитного поля в электролизере, является наличие ферромагнитных масс. Более детальные сведения по изучению данного вопроса можно получить в литературе [30–39].
Как известно, к ферромагнетикам относят Fe, Co, Ni, Gd и Dy, а также ряд различных сплавов, в состав которых входят данные элементы. Отличительная особенность свойств таких материалов заключается в особой форме взаимодействия магнитных моментов их атомов, где они жестко связаны и параллельны друг другу. В случае, если температура ферромагнетика поднимается выше критического значения (точка Кюри), то данные обменные взаимодействия исчезают, а свойства становятся как у парамегне-тиков [40]. Для железа, из которого на 99 % состоит сталь, точка Кюри составляет 770 С [41]. Авторы [24] отмечают, что повышение температуры стали выше точки Кюри относится к термической причине потери ферромагнитных свойств материала.
Поведение магнитных материалов усложняется их нелинейными свойствами и сложной зависимостью от геометрических условий. В случае помещения ферромагнитных материалов во внешнее магнитное поле их собственное поле становится искаженным, а уравнение результирующего В будет иметь следующий вид [23]: B = fl0-H+fl0-M , (123) м где, м - вектор намагниченности.
Согласно (1.23) в случае, если магнитное поле, создаваемое системой шин электролизера, будет скомпенсированным, то тогда результирующее воздействие (как отрицательное, так и положительное) может оказывать поле самого ферромагнетика.
Другая особенность поведения ферромагнитных материалов в электролизере заключается в так называемом «экранировании». Наиболее известные работы в этом направлении принадлежат R.F. Robl [42-44]. При оценке поведения магнитного поля в бесконечно толстом материале им был использован метод, основанный на двухступенчатых приближениях, т.е. в первом приближении ток рассматривался на поверхности материала, а во втором - внутри его.
Эффект «экранирования» может оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное воздействие на конфигурацию магнитного поля электролизера. На сегодняшний день многие исследователи [45-47], занимающиеся вопросами магнитогидродинамики, проявляют интерес к данному эффекту, поскольку использование экранов является достаточно недорогим и, в определенной степени, результативным способом корректировки характеристик магнитного поля электролизера.
Еще одна особенность распределения магнитного поля в ферромагнетики основана на разнице величин абсолютной магнитной проницаемости среды, через которую походит радиальная линия Н. Автором [24] данный эффект был рассмотрен на примере проводника, помещенного в замкнутый и разомкнутый стальные цилиндры.
Также к особенностям поведения ферромагнитнетиков можно отнести изменение их магнитных свойств в зависимости от срока службы электролизера [45]. Известно, что магнитные свойства стали связаны с содержанием углерода в ней и общим видом фазовой диаграммы «железо-углерод» [48]. В течение всего срока службы электролизера уг 18 лерод непрерывно диффундирует внутрь катодного кожуха; так, при температуре 200-300 С содержание данного элемента увеличивается на 2 % в течение 10 лет (2-3 компании эксплуатации стального кожуха), а при температуре 400-500 С это время сокращается до 2 лет (в среднем около половины срока службы электролизеров) [24].
В определенной степени аналогичная магнитная деградация в стали может быть вызвана азотом, из которого на 78 % состоит воздух, окружающий ванну [49]: 0,5 % содержания азота в стали приводит к таким же изменениям, что и 1 % углерода [50].
Различают три составляющие плотности тока (i, А/см2) в электролизере: продольная (ix), поперечная (iy) и вертикальная (iz) [40]. Их направление совпадает с направлением соответствующего , а величина зависит от неравномерности токораспределения в электролизере. iz определяется I, проходящей от анода к катоду, или, иными словами, анодной плотностью тока [51]. Горизонтальные (планарные) плотности тока в существенной степени влияют на МГД-стабильность электролизера [52, 53], а их распределение зависит от нескольких факторов.
1. Увеличение высоты металла согласно данным [13, 52, 54] приводит к уменьшению величины плотностей планарных компонент тока. По мнению [24] снижение горизонтальных токов может происходить еще и по причине их перераспределения из-за уменьшения способности электролита поднимать осадки. Также авторы [55] (на примере расчетной модели электролизера на силу тока 500 кА) отмечают, что на ванне прогнозируется МГД-нестабильность при снижении уровня металла с 30 см до 20 см.
2. Согласно [56] характер распределения тока в электролизере в первую очередь определяется общим состоянием формы рабочего пространства (ФРП). Автор утверждает, что одним из условий достижения hт более 90 % является то, что электролизер должен работать с соответствующим профилем гарнисажа и формой настыли, а на подине не должно быть осадков.
Однако существует и противоположное мнение. Исследователями статьи [57] была выполнена оценка МГД-параметров работы электролизера с изолированной подиной вследствие попадания укрывного криолито-глиноземного материала (крыши) после некачественной перестановки ОА. Результаты расчета показали, что на общее МГД-состояние электролизера данное технологическое нарушение влияет незначительно.
Решение электрической задачи при моделировании МГД-параметров
Вопросами изучения МГД-явлений, возникающих в криолито-глиноземных расплавах при электролитическом получении алюминия, и их оптимизации для повышения эффективности производства занимались и продолжают работать в этом направлении многие российские и зарубежные исследователи: М.М. Ветюков, М.Я. Минцис, А.И. Бегунов, Н.А. Калужский, В.А. Крюковский, В.В. Альчиков, А.В. Павлов, В.П. Ланкин, С.М. Мещеряков, В.Г. Кравцов, Б.И. Аюшин, В.В. Платонов, П.В. Поляков, Г.А. Сира-зутдинов, В.Ю. Бажин, C. Droste, T. Sele, N. Urata, V. Bojarevics, Р. Davidson, M. Segatz и др. Все теоретические работы, исследовавшие МГД-процессы, можно условно разделить на несколько групп. Первая группа – это работы, не учитывающие влияние границ ванны (например, [119–121] и др.). Вторая группа – работы, учитывающие влияние границ ванны, т.е. конечные размеры электролизера (и по вертикали, и по горизонтали), но исследующие устойчивость в приближении так называемой «мелкой воды» (двумерные модели) в линейном и нелинейном случаях [67, 122, 123] и др.
Третья группа – работы, где приведены численные расчеты движения расплава с использованием трехмерных уравнений. В связи с более высокой трудоемкостью исследований процессов в электролизере в трехмерном пространстве публикации на эту тему немногочисленны; к этой группе можно отнести работы [124–126] и некоторые др.
Практически во всех работах первой и второй групп и в части работ третьей группы для вычисления силы Лоренца используется известная модель магнитной гидродинамики в приближении С.И. Брагинского, в которой электрическое поле потенциально, а магнитное поле считается постоянным во времени [127]. Несомненным достоинством многих работ из второй группы – это возможность выписать аналитические критерии устойчивости. Но практически во всех работах авторы пренебрегается вертикальной составляющей силы Лоренца и электромагнитным демпфированием. Для более точного вычисления силы Лоренца и ее влияния на процесс необходимо решать уравнения в трехмерной постановке, которая позволяет также исследовать и коротковолновые возмущения.
Исследование устойчивости работы электролизера в трехмерной постановке позволяет учесть вклад всех слагаемых силы Лоренца [128], тонкости распределения токов по толщине слоев электролита и Me, неоднородность анодного тока, присутствие настыли и распределение температуры. Однако, как и в случае использования двухмерных уравнений, являющихся следствием уравнений Максвелла, закона Ома и других замыкающих систему предположений, существует проблема построения адекватной модели, описывающей электромагнитное поле в электролизере. При этом важен правильный выбор граничных условий, отражающих поведение магнитного и электрического полей на различных границах. Следует учитывать, что начальные возмущения поверхности Me также могут влиять на устойчивость работы электролизера.
В настоящее время для математического моделирования МГД-характеристик электролизеров используются специализированные программы, указанные в таблице 2.1. Применение того или иного программного продукта связано со спецификой и сложностью решаемых задач. «Smelter» А.В. Калимов (ООО «Полифем», г. С.Петербург, Россия) – адекватность расчета магнитного поля, проверенная результатами натурных измерений; – визуализация модели в онлайн-режиме и, как следствие, простота и комфортность в работе; – оснащен дополнительным модулем, позволяющим строить карты МГД–стабильности «Blums v5.07» «ArcRUSAL» П.Н. ВабишевичА.В. Калимов(ООО «Полифем»,г. С.-Петербург, Россия) – имеет отличие в настройках и более удобный интерфейс в сравнении с «Blums» и «Smelter» «MHD-Valdis» В. Бояревич(Университет Гринвича,Англия) – позволяет рассчитывать скорости циркуляции и перекос поверхности металла; – выполняет Фурье-преобразование и анализирует тип МГД-нестабильности Программы «Blums» и «Smelter», принцип расчета в которых основан на теории «мелкой воды», предназначены для определения электрических и МГД-параметров электролизеров Содерберга, а также ванн с ОА при продольном и поперечном их расположении в корпусе.
Программу «MHD – Valdis» можно считать международным многопользовательским продуктом, принцип расчета в которой также основан на теории «мелкой воды», как и в отечественных разработках (программа предназначена для расчета электрических характеристик, МГД-процессов в алюминиевых электролизерах).
Решение МГД-проблемы, основанной на данной теории, сводится к пошаговому решению следующих отдельных задач.
Заключается в создании и решении задачи растекания тока и расчета сопротивлений в электролизере. Расчет распределения токов представляет собой чрезвычайно громоздкую задачу, включающую расчет электрической цепи, состоящей из элементов ошиновки электролизера, и расчет распределения объемных токов в активной зоне: в катодных секциях, слоях электролита и Me, анодах. Решение общей задачи осложняется тем, что при расчете МГД-процессов необходим многократный пересчет вышеупомянутого распределения; в связи с этим на время выполнения расчета накладываются жесткие ограничения, практически исключающие возможность применения полевых методов расчетов токов. Альтернативным способом решения указанной задачи являются формирование схемы замещения и последующий расчет образующейся электрической цепи.
Для формирования данной схемы было принято следующее основное допущение: потенциал слоя Me в электролизере предполагается постоянным (данное допущение представляется обоснованным, т.к. удельная проводимость жидкого металла на несколько порядков превышает проводимость и углерода катода и электролита, с которыми контактирует металл). Благодаря этому появляется возможность задать фиксированную разность потенциалов между слоями алюминия двух соседних электролизеров.
В целом схема замещения электролизера всех типов может быть представлена в виде двух независимых блоков – анодного и катодного, которые соединены между собой элементами внешней ошиновки (рисунок 2.1). Активным элементом схемы является источник тока J , величина тока которого равна полному току электролизера, а напряжение на его зажимах DU соответствует приложенной к электролизеру разности потенциалов за вычетом значения электрохимического потенциала qAl (=0,3354 г/Ач).
Сопротивления участков схемы Сопротивления участков данной схемы определяются при заданной температуре электропроводностью материала (как правило, это Al), их сечением и длиной. Потери тока при его протекании в анодном узле определяются сопротивлениями отдельных его элементов, к которым относятся: анодная штанга, собственно анодный блок, слой электролита. Потери от протекания тока в катодном узле определяются сопротивлением растекания тока в угольной массе подины и сопротивлением стального блюмса, выходящего в воздух за пределы катодной секции [129]. Расчет распределения токов в подине проводилось на основе численного решения уравнений электромагнитного поля методом конечных элементов (МКЭ). Также определялись сопротивления элементов внешней ошиновки (шин, представляющих собой, как правило, изготовленные из алюминия параллелепипеды). Поскольку температурное состояние элементов схем замещения зависит от протекающего по шинам тока, задача нами решалась методом последовательных приближений.
Исследование магнитного поля электролизера
Расчеты магнитной гидродинамики были выполнены в комплексной модели, включающей в себя поэтапное решение следующих задач [146]: 1. расчет магнитного поля в программе «Blums v5.07» (не на границе, а во всем объеме металла или в сетке узлов (МКЭ)); 2. расчет электрического тока (векторов плотностей токов в этих же узлах) с учетом воздействия теплового режима на эффективность работы электролизера) в программе «Ansys 11.0»; 3. расчет сил Лоренца и магнитогидродинамики в программе «Star-CD 3.26». Магнитное поле электролизеров При расчете магнитного поля необходимо учитывать влияние ферромагнитных масс, полей соседних электролизеров и соседнего ряда. Также при моделировании нами учитывались следующие характеристики: – параметры электролизера (тип, сила тока, уровни металла и электролита и т.д.); – параметры анодного узла (размер анодного массива, число штырей, шаг штырей, количество горизонтов и т.д.); – параметры катодного узла (количество секций, размеры секций, размеры блюмса и т.д.); – физические характеристики материалов конструкции электролизера; – геометрия (длина и толщина) настыли и гарнисажа электролизера; – температура конструктивных элементов электролитной ванны (подовых секций, анодных штырей и т.д.), а также температура воздуха.
Модель магнитного поля, полученная в результате расчета, представлена в виде таблицы в формате «Blums v5.07», затем преобразована в формат «Star-CD 3.26» с помощью программы, написанной на языке Fortran, для расчета компонент магнитной индукции (Bx, By, Bz), которые затем и были использованы при расчете магнитной гидродинамики (рисунок 2.24) [146]. Моделирование электрического тока Как указывалось ранее, создание модели электрического тока заключается в решении задачи растекания тока и расчете сопротивлений в электролизере. Рисунок 2.24 – Пример расчетной модели магнитного поля электролизера с самообжигающимся анодом
Для расчета в наших исследованиях распределения электрического тока нами строилась подробная геометрическая модель на основе заданных физических свойств материалов, температуры и тока, проходящего через электролизер (рисунок 2.25).
После проведения расчета выделялась зона расплава (металл и электролит), для которой с помощью макроса, написанного на языке APDL, строилось электрическое поле, совместимое с форматом «Star-CD 3.26». Моделирование магнитной гидродинамики электролизера
При расчете магнитной гидродинамики (рисунок 2.26) с помощью «Star-CD 3.26» из программы «Ansys 11.0» фиксировались геометрия расплава и распределение электрического тока (см. рисунок 2.25), а из программы «Blums» – расчет магнитного поля (см. рисунок 2.24). В результате дальнейшего совместного решения рассчитывались векторы скорости циркуляции расплава и перекос Ме. К достоинствам комплексной мо 80 дели можно отнести также возможность расчета скоростей и направлений движений ме талла на его разном уровне.
Расчет МГД-параметров были выполнены для электролизеров ОА-300М1 ОУ «Электролиз-300» УАЗа и ОА-300М2 ИркАЗа с целью определения порогового значения МГД-стабильности при различной силе тока. Конструкция ошиновки данных типов ванн не имеет принципиальных отличий.
При моделировании МГД-характеристик электролизеров ОА-300М1 учитывалось влияние ферромагнитных масс, шин межкорпусной ошиновки, кремниево-преобразовательной подстанции (КПК) и ошиновки ванн соседнего корпуса 1Н. ФРП задавалась по результатам расчета теплоэлектрической задачи в программе «Ansys V.11».
Модель электролизера ОА-300М2 отличается от своего предшественника ОА-300М1 геометрией ферромагнитных масс, ФРП и расположением внешних шинопрово-дов. В формировании магнитного поля электролизера ОА-300М2 участвуют рядом стоящие соседние корпуса электролизеров ОА-300 (на силу тока 300 кА) и С-8БМ (на I = 175 кА) (рисунок 2.27).
Результаты моделирования магнитного поля электролизеров типа ОА-300 М1 на различные силы тока приведены в Приложении Е, а их анализ подробно рассмотрен в работе [147].
Первая группа предполагает косвенное определение значения магнитного поля внутри расплава электролизера по результатам определения значений тока окружающих ванну проводников (такой метод исследования следует в большей степени относить к экспресс–методам). Как правило, на ванне измеряют количество тока по проводникам, которые в наибольшей степени определяют магнитное поле в ее расплаве, а затем по достаточно простой формуле B = I . l (где l – расстояние от проводника до точки измерения) находят значение магнитного поля. Недостатком данного метода является отсутствие возможности учесть влияние ферромагнитных масс и магнитного поля от токов, протекающих непосредственно в расплаве электролизера. Также не представляется возможным учесть влияние проводников с меньшим значением тока. Методики, применяемые при измерении тока в проводнике, также условно следует разбить на 2 группы: а – бесконтактная (измеряют магнитное поле, создаваемое идущим по проводнику током); б – контактная (предполагает измерение перепада напряжения на проводнике с известной длиной, площадью сечения, температурой и удельным электрическим сопротивлением).
Анализ технико-экономические показателей и оценка эффективности инвестиционных проектов по результатам внедрения технологических решений
Оценить снижение затрат на производство одной тонны Ме можно по изменения разницы в расходах сырья (угольном аноде, анодной массе, глинозема, фтористом алюминии и т.д.), технологической электроэнергии и стоимости трудозатрат до и после проведения модернизации. При расчете конечных показателей для понимания эффективности того или иного внедренного (или предлагаемого к внедрению) технологического решения на производстве пользуются и такими значениями как суточная производительность ванны (Pcут). Также эффективность любого процесса при сравнении базового и проектного вариантов сравнивается и по годовому выпуску продукции. Энергоэффективность можно оценить по снижению Uср и, соответственно, W [77].
В среднесрочном или же долгосрочном периоде эффективность от проведенных мероприятиях по модернизации окажет влияние на срок службы электролизёров и обслуживающей его техники (степень износа).
В отдельную группу затрат при производстве металла следует выделить незавершенное производство (work in progress, WIP или аббривиатура от русского словосочетания НЗП), о котором также велась речь в главе 3. Согласно [181] WIP – это частично готовая продукция, не прошедшая предусмотренный технологией полный цикл производства, необходимый, чтобы продукцию можно было отправить заказчику, поставить на рынок для продажи, отгрузить на склад готовой продукции. В рассматриваемой ситуации, т.е. при электролитическом производстве алюминия-сырца, НЗП – это складированное сырье и катодный Ме, который никогда полностью не извлекается из ванны и необходим для ее стабильной работы.
Результаты промышленных испытаний предлагаемых технических решений по улучшению МГД-параметров работы электролизеров нами были оценены и проанализированы. Ниже приведены основные ТЭП и дана оценка эффективности инвестиционных проектов по результатам внедрения предлагаемых автором мероприятий.
Определение оптимального положения анодной рамы С-8БМЭ Мероприятия, направленные на поиск оптимального положения анодной рамы, в конечном итоге положительным образом сказались на увеличении запаса МГД-стабильности электролизера, снижению Uср и W (таблица 4.1).
Выпуск Al-сырца т/год 462,56 Переход операции перетяжки анодной рамы с 48 на 58 см позволил увеличить запас МГД-стабильности ванны на 100 мВ. Результатом данных мероприятий стало также снижение величины рабочего напряжения на 100 мВ и, как следствие, уменьшение W на 2,15 % (327,02 кВт.ч/т Al). Создание технологии РА-167 При разработке опытной группы электролизеров РА-167 были использованы предлагаемые автором технологические решения: оптимального типа ошиновки и применение ИПК.
Как уже упоминалось ранее (см. п. 3.3, 3.4), для электролизеров РА-167 была рекомендована трехстоячная ошиновка, позволяющая работать данным ваннам с ТЭП, не уступающим мировым аналогам. Использование ИПК дало возможность для проведения полноценных испытаний типовой ассиметричной ошиновки РА-167 без дополнительного строительства обратного ряда электролизеров.
Из данных таблицы 4.2 видно, что ведение технологии получения алюминия-сырца на ваннах РА-167 по сравнению с С-2, С-3 позволяет при низких эксплуатационных затратах (сниженные расходы сырья) и более экологических показателях (уменьшение длительности АЭ на 0,65 мин при сниженной их частоте, понижении температуры на 7,38 С) добиться снижения W на 940,21 кВт.ч/т, увеличения hт на 3,71 %. Количество НЗП в виде катодного металла на ваннах РА-167 в 2 раза меньше по сравнению с С-2, С-3.
Также необходимо отметить, что создание технологии РА-167 – это перспективный проект перевода электролизеров Содерберга на ванны с ОА. ТЭО и оценка эффективности инвестиционного проекта модернизации четырех корпусов ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» представлены в таблице 4.3.
Согласно данным таблицы 4.3 проект перевода электролизеров С-2, С-3 на ванны РА-167 является достаточно перспективным.
Успешные испытания способа перевода из четырех- в трехстоячную ошиновку на ходу, а также конструкция самой модернизированной ошиновки С-8БМ, при разработке которой были учтены расчеты скоростей движения Ме на различных его уровнях, в перспективе позволяют провести модернизацию действующих десяти корпусов ОАО «РУ-САЛ Красноярск» (таблица 4.4).
По данным таблицы 4.4 видно, что ванны, эксплуатируемые с трехстоячной ошиновкой, имеют низкий W (снижение - 0,76 %, что в денежном выражении на 1 корпус составит 7, 749 млн руб. экономии в год1) и более высокий hт (увеличение - 0,01 %). Данные ТЭП позволяют провести модернизацию данного количества корпусов ОАО «РУ-САЛ Красноярск» при достаточно низком сроке окупаемости проекта.
Оценка внедрения различных схем замены анодов на электролизере типа ОА-300М1 При испытаниях различных схем замены ОА прогнозируемое значения Uср (В) (при принятых Uраб = 4,0 В и DU на общесерийную ошиновку и АЭ) с учетом замеренного запаса МГД-стабильности (см. таблицу 3.13) составят для схем I, II, III: 3,8, 3,85 и 3,9, соответственно. Следовательно, расчетные ожидаемые значения W (кВт.ч/т Al) для оптимальной («симметричной») схемы замены ОА I составит 12052,9, что на 2,6 и 1,3% меньше, чем расчетное значение у ванн, использующих «каскадную» и традиционную «шахматную» схемы, соответственно. Использование «каскадной» схемы замены ОА приводит к снижению их расхода в среднем на 5 кг/т (за счет меньшей окисляемости и образования «шеек»), что, например, для ОАО «РУСАЛ Саяногорск» при годовой производительности 511 тыс. т Al и средней цене 0,5 $/кг составит экономию 80 483 тыс. руб.