Обжиг ванн после капитального ремонта

В случае пуска после капитального ремонта одиночного электролизера любого типа (БТ, ВТ, ОА) обжиг подины производится одним из двух способов: подключением в действующую серию с применением регулирующих ток реостатов или с помощью огневого обжига.

 Первый способ наиболее старый и технически хорошо отработан. Поступающий на обжиг электролизёр подключается в серию с помощью многоступенчатого реостата на минимальную силу тока. Если используется старый анод, перешедший от ремонтируемого электролизёра, то необходимо достичь надежного контакта подошвы анода с подиной. С этой целью подошва анода должна быть тщательно очищена от застывшей корки электролита, мешающей прямому контакту анода с подиной.

 Дальнейшей задачей является получение хорошего контакта анодного массива с подиной. Это достигается двумя способами. Первый из них уже рассмотрен в предыдущем разделе и заключается в использовании коксовой подсыпки между анодным массивом и подиной.

 Второй способ носит название обжига на металле. Контакт между анодным массивом и подиной достигается в этом случае заливкой нескольких ковшей жидкого алюминия. При обжиге на металле анодный массив поднимают до образования между подиной и подошвой анода зазора 3-5 см и заливают расплавленный металл. При таком способе обжига удается избежать трудоемкой операции чистки ванны от коксовой подсыпки перед пуском. После завершения подготовки электролизёра к обжигу его подключают в серию. 

Длительность обжига составляет около трех суток. Подъём силы тока производится путем последовательного отключения шунтов - от первого к последнему по специально разработанному графику. Для увеличения греющего напряжения при обжиге электролизёра ВТ и повышения степени разогрева периферийной части подины допускается отключение центральной группы штырей (16-20 штырей). Плавный подъём тока позволяет выдерживать график подъёма температуры на электролизере и избежать быстрого разогрева подины.

Напряжение во время обжига на металле снижается с 3,5–4,0 В при подключении до 1,8-2,0 В перед пуском ванны на электролиз. При обжиге на подсыпке напряжение снижается до 3,0 В. На периферию шахты загружают пусковое сырье: криолит, фтористый натрий, фтористый кальций, каустический магнезит и оборотный электролит, которое помогает сохранить тепло и защитить периферию от окисления.

 Следует отметить проблемные вопросы обжига на металле. Прежде всего, это ударный темп нагрева подины при заливке жидкого металла. Кроме того, возможно проникновение жидкого металла в подину через любые дефекты на её поверхности. Эти затруднения несколько сглаживаются более равномерным воздействием горячего металла по всей площади подины – по центру и периферии.
         Что касается электролизёров ОА, то в технической литературе также имеются ссылки на успешное использование обжига электролизёров большой мощности подключением в действующую серию. Так, например, фирма Pechiney производила пуск электролизёров АР35 мощностью 350 кА с помощью специально разработанных шунтов. Обжиг производился при строгом мониторинге всех параметров процесса. Общая продолжительность обжига 48 часов, после 32 часов после подключения ванны в неё заливался жидкий алюминий. Послепусковой период, включая стабилизацию к.о, составил 1,5 мес.

 Широкое распространение на всех типах электролизёров после капитального ремонта в последние годы получил пламенный обжиг с помощью топливных горелок. Он производится непосредственно в корпусе по месту установки электролизёра.

Последовательность обжига электролизёра этим способом заключается в следующем. Предназначенная к обжигу и пуску ванна полностью монтируется на месте её постоянного размещения. Анод (анодный массив для электролизёров ОА) выставляется на высоту 25-30 см от подины. Периферия ванны укрывается специальными крышками с отверстиями для установки горелок, выхода топочных газов и ввода термопар. По торцам и бортам устанавливают газовые или жидкотопливные горелки автоматизированной топливной системы обжига таким образом, чтобы создать сплошной фронт пламени.

 После завершения подготовки включается топочная система и начинается обжиг подины в порядке, изложенном в предыдущем разделе.

Пуск ванн на электролиз

 

На этом этапе предусматривается вывод ванн в режим электролиза. Пуск ванн включает операции наплавления электролита и металла, формирования междуполюсного пространства анод-катод и начало технологического процесса производства электролитического алюминия.

  В качестве подготовки к пуску к электролизерам доставляют пусковое сырье и необходимый технологический инструмент. Загрузка сырья производится в следующей последовательности: на подину вокруг анодного массива ровным слоем засыпают фтористый кальций, поверх него загружают фтористый натрий. Далее засыпают свежий криолит и кусковой оборотный электролит, либо смесь свежего криолита и фтористого натрия с расчетным криолитовым отношением 2,5-3,0. Допускается добавка до 10% оксида магния. Возможна частичная замена свежего криолита смесью флотационного и регенерированного.

 После загрузки пусковых материалов напротив леток устанавливают желоба для заливки в ванну жидкого пускового материала. Лётки устанавливаются с таким расчётом, чтобы стекающая с них струя попадала под анод, не задевая периферийных швов, т.к. степень термообработки их к концу обжига все ещё ниже, чем в центре подины. При прямом попадании струи расплава возможно механическое разрушение периферийных швов. 

  Непосредственно пуск электролизера начинают с минимальным разрывом после завершения обжига подины, не допуская остывания подины и анодного массива. На практике известно два вида пуска ванн на электролиз – пуск на металле и пуск на электролите. Пуск ванн на металле производится в следующем порядке. Непосредственно после подготовки электролизера к пуску и загрузки в него пускового материала заливают один–два ковша жидкого алюминия. Далее в ванну заливается жидкий электролит и производится пуск её на электролиз.

Заливка металла в шахту предварительно прогретой ванны позволяет усреднить и повысить в среднем на 40-50⁰С температуру подины, завершить коксование периферийных швов и участков с недостаточным прогревом, т.е. завершить обжиг подины. Кроме того, слой алюминия защищает угольную подину от внедрения натрия при пуске на электролиз.

 Отрицательным фактором пуска на металле следует считать опасность проникновения жидкого алюминия в трещины и поры в футеровке, т.к. жидкий алюминий обладает высокой текучестью. По этой причине пуск на металле применяется достаточно редко и технологи отдают предпочтение пуску на электролите.

При пуске ванны на электролите пусковая операция начинается с заливки в шахту от 6 до 20 т (в зависимости от мощности ванны) жидкого электролита. При этом скорость подачи ковшей должна быть достаточно быстрой, чтобы не допустить замерзания электролита в шахте ванны. Одновременно с заливкой электролита поднимают анод и повышают рабочее напряжение по следующему графику: после заливки первого ковша до 4-6 В, второго ковша - 6-8 В, третьего - до 9-10 В, после последующих ковшей напряжение удерживается в тех же пределах, но не выше 15 В. Этот график может уточняться по требованиям технологии.

 К пуску ванны готовят несколько так называемых «ванн-маток», в которых производят наплавку пускового электролита. Дальнейшее наплавление электролита ведут путем переплавки оборотного электролита. После достижения температуры электролита 980-990⁰С, но не ранее, чем через 12 ч после пуска, начинается заливка жидкого металла. Критерием окончания наплавления электролита и металла может служить заполнение шахты расплавом до уровня не ниже 3-5 см от края борта, что предотвращает окисление бортовых плит.

 Если количество заливаемого при пуске электролита недостаточно для нормальной работы электролизера, то анод поднимают до возникновения искусственной вспышки, т.е. повышают напряжение до 25-35 В, которое удерживается вплоть до стабилизации температуры электролита на нужном уровне. Это приводит к дополнительному выделению тепла и расплавлению загруженного пускового материала, в том числе оборотного электролита, смешанного регенерированного и свежего криолита, т.е. электролит искусственно наплавляется.

Пуск на вспышке требует больших энергетических затрат. Кроме того, при вспышке неизбежны большие потери сырья за счет уноса его в виде пыли и парогазовой смеси. Поэтому предпочтительнее заливать в пусковую ванну максимальное количество электролита. При пуске одиночных ванн после капитального ремонта такие возможности всегда имеются.

 Пуск на электролите целесообразней производить при высокой температуре подины. При относительно низких температурах на подине образуются зоны застывшего электролита и подовые настыли, затрудняющие равномерное распределение тока. Это вызывает местные перегревы катодных блоков, сколы и разрушения.

При пуске на электролите в его состав должны входить соли кальция и магния. Катионы этих металлов, концентрируясь у поверхности угольной подины, служат электрохимической защитой от выделения свободного натрия и разрушающего проникновения его в угольную футеровку. Окончательный выбор того или иного способа пуска на электролиз определяется конкретными условиями обжига, наличием пускового сырья, жидкого металла и электролита.

С повышением единичной мощности электролизёров до 300-400 кА возникают серьёзные трудности с наплавкой большого количества пускового электролита. Использование для этих целей «ванн-маток» связано с выводом из нормального технологического состояния группы электролизёров, со снижением их производительности и ухудшением сортности металла. Поэтому весьма актуальна проблема создания специальной печи для наплавления электролита из исходного сырья. Наличие на крупном заводе такой печи обеспечит пуск ванн на электролиз без указанных выше проблем.

Признаки нормального пуска: наличие полной шахты расплава с температурой 970-980⁰С, равномерное распределение тока по штырям (анодам) и активное бурление электролита вокруг анодного массива, отсутствие признаков расслоения или «шелушения» катодных блоков, протеков расплава в катодную футеровку.

 Тем не менее, во время пуска или в ближайшие 5-10 ч нередко имеют место протеки металла в окна для катодных стержней, покраснение бортов катодного кожуха и т.д. Восстановить нормальный режим в таких случаях удается только пропиковкой мест протёков оборотным электролитом с фтористым кальцием или магнезитом. Однако проникший к катодным стержням, под подовые блоки и в цоколь расплав в последующем может проявлять свое разрушающее действие при каждом выходе электролизера на «горячий ход».

 

           

 4.4. Обслуживание ванн в период после пуска

 

Основная задача технолога в период после пуска – вывод электролизера на нормальный технологический режим. Для этого необходимо достигнуть устойчивого температурного состояния ванны, упорядочить электрические параметры, а также сформировать правильную форму рабочего пространства, т.е. форму бортовых настылей и гарнисажей.

Продолжительность пускового периода на современном мощном электролизёре на 300 кА составляет 5-6 суток. Послепусковой период продолжается три месяца и определяется временем интенсивной пропитки угольных блоков натрием и фтористыми соединениями, формированием настылей и гарнисажей, выводом всех технологических параметров на целевые значения.

Так как в период обжига и пуска степень прогрева элементов конструкции ванны ещё недостаточна, то после пуска стабилизация температурного режима завершается. Это обеспечивается поддержанием на ванне повышенного напряжения, а в случае необходимости большей частотой анодных эффектов. В последующем более высокое количество анодных эффектов на пусковом электролизере используется для выравнивания подошвы анодов, снятия угольной пены, а также для корректировки электролита фтористым натрием. Иногда для этого в пусковом корпусе поддерживают повышенную токовую нагрузку.

 Как уже указывалось ранее, на электролизерах большой мощности в результате взаимодействия магнитного поля с горизонтальными составляющими тока в металле возникают силы, вызывающие перекос и циркуляцию металла. Эти силы особенно велики в период после пуска электролизеров, когда отсутствуют гарнисажи и бортовые настыли правильной формы. В то же время рабочая поверхность анодов, особенно самообжигающихся, не сразу принимает форму, параллельную зеркалу металла.

Все это приводит к образованию значительных горизонтальных токов в металле и к МГД-неустойчивости. Чтобы избежать возможного «подмыкания» подошвы анодов на металл, в период после пуска поддерживают повышенное междуполюсное расстояние. Рабочее напряжение на пусковом электролизере снижают постепенно, по особому графику за 3-5 суток, постоянно контролируя ход электролизера и не допуская его «поджатия».

В качестве примера приведём типичный график снижения напряжения на пусковых электролизерах с обожженными анодами:

 

Время, сутки	Напряжение (В) по сменам
	I	II	III	IV
первые	9,0	8,5	8,0	7,0
вторые	6,5	6,0	5,5	5,0
третьи	4,8	4,6	4,6	4,5

 

Снижение рабочего напряжения на пусковом электролизере производится за счет уменьшения междуполюсного расстояния, как путем опускания анода, так и увеличения уровня металла в шахте. В последнем случае ковшами заливается жидкий алюминий или загружается в холодном виде (если требуется охладить ванну). Кроме того, уровень металла возрастает по мере его «выдавливания» в результате роста бортовых настылей.

К операциям после пуска ванн относится корректировка состава электролита. Криолитовое отношение электролита на пусковом электролизере необходимо поддерживать повышенным, порядка 2,6–2,8. Суммарное содержание солей кальция и магния должно быть в пределах 6-8%. Более щелочной электролит обладает свойствами, которые важны в пусковой и послепусковой периоды: он обладает меньшей летучестью и повышенной тугоплавкостью. Важным фактором является избыток NaF в щелочном электролите, который можно считать резервом этой соли в условиях усиленной пропитки натрием угольной футеровки.

 Угольные частицы и пена легче отделяются от более щелочного электролита. При этом подача небольших порций свежего криолита способствует выделению пены. Это позволяет успешнее снижать электрическое сопротивление электролита и выдерживать график уменьшения напряжения на ванне. Уменьшается опасность «зажатия» МПР, что возможно при попытке снизить напряжение на ванне с науглероженным электролитом.

Если применяется щелочной электролит, то в условиях высокой температуры и частых анодных эффектов потери фтора будут существенно ниже, так как содержание наиболее летучей составляющей - фтористого алюминия - ниже, чем в кислом электролите. Кроме того, из щелочных электролитов формируются более тугоплавкие настыли, менее подверженные влиянию температурного режима электролизера.

 Тем не менее, состав электролита после пуска неустойчив и постоянно изменяется в сторону снижения содержания фтористого натрия, т.е. становится более кислым. Это объясняется тем, что новая угольная футеровка предпочтительнее впитывает фтористый натрий, а фтористый алюминий интенсивно улетучивается. Поэтому в период после пуска требуется периодически корректировать состав электролита фтористым натрием. Возможна замена фтористого натрия на соду, которая при взаимодействии с криолитом образует NaF, глинозем и СО₂:

 

2 Na₃AlF₆ + 3 Na₂CО₃ = 12 NaF + Al₂О₃ + 3 СО_2.

 

Корректировку фтористым натрием производят при анодном эффекте, насыпая тонкий слой NaF на открытую поверхность электролита. В исключительных случаях, когда происходит задержка анодного эффекта, фтористый натрий загружают слоем на горячую корку электролита и закрывают сверху слоем глинозема или криолита. Всё это объясняется тем обстоятельством, что соль NaF тугоплавкая и растворяется в электролите при повышенной температуре. Корректировку содой ведут при отсутствии анодного эффекта.

 При необоснованно быстром снижении рабочего напряжения на пусковом электролизере возможен «холодный ход» ванны, что является технологическим нарушением. В этом случае в осадок выпадает щелочная составляющая электролита, а на подине образуются подовые настыли. Электролит становится кислым, в нем хуже растворяется глинозем и часть его также выпадает в осадок. Для вывода электролизера на нормальный режим повышают рабочее напряжение, прогревают электролизер на вспышках и утепляют корку слоем глинозема.

 Контроль уровня электролита и металла производят каждую смену; в течение 10-15 суток электролит ежедневно контролируется на криолитовое отношение и содержание добавок. Загрузку глинозема (БТ, ВТ) и укрытие анодного массива (OA) постепенно увеличивают до нормальной величины, напряжение снижают также до нормального значения. На ванне образуется прочная криолитоглиноземная корка.

На электролизерах с самообжигающимися анодами при каждой обработке оплескивают боковую поверхность анодов расплавленным электролитом для защиты от окисления и предотвращения образования «шеек». К этому времени электролизеры должны быть полностью укомплектованы секциями газосборного колокола и ванна подключена к системе отсоса газа.

 На электролизерах с предварительно обожженными анодами замена анодов начинается через сутки после пуска. При намерзании электролита в пространстве между анодами и затруднении замены анодов допускается их переборка, начиная с крайнего анода. При достижении рабочего напряжения 5,0 В подключают АПГ, после стабилизации температурного режима (примерно на пятые сутки) устанавливаются анодные укрытия.

 В пусковой период ведется пусковая ведомость, в которой фиксируются основные операции при пуске и параметры работы электролизера. Те участки, где создание настылей задерживается, прокладывают оборотным электролитом, что позволяет ускорить образование настылей.

 Загрузка в пусковой период большого количества сырья, значительный расход технологического инструмента и др. приводят к загрязнению алюминия примесями, преимущественно кремнием и железом. Для ускорения вывода ванн на получение металла высших сортов практикуется их «промывка», которая заключается в возможно более полной выливке алюминия, полученного в первые дни работы после пуска, и заливке металла высокого сорта. Эта операция успешно применяется для электролизеров малой и средней мощности. Для мощных электролизеров (255 кА и более) такая операция сопряжена с риском дестабилизации МГД- процессов и применима в ограниченных рамках.

Глава 5