Монтаж и демонтаж электролизеров

Алюминиевый электролизер – это сложный и дорогой агрегат. Продолжительность работы его от пуска до отключения на капитальный ремонт называется сроком службы.

По опубликованным в печати данным, срок службы отдельных алюминиевых электролизеров на предприятиях передовых алюминиевых фирм достигает 10 лет и более. Однако разброс продолжительности срока службы весьма существенный. На многих предприятиях даже 60 мес. непрерывной эксплуатации считается вполне удовлетворительным результатом.

Что же определяет срок службы электролизера в наибольшей степени? Прежде всего, это устойчивость против разрушения футеровки катодной части и катодного кожуха. Условия обжига и пуска электролизёров могут либо усилить, либо ослабить эти тенденции. Другие причины, в том числе поломки механического оборудования, разрушение анодов и др., оказывают несравнимо меньшее влияние на срок службы электролизёров.

Монтаж электролизеров

Монтаж всех типов электролизёров начинается с подготовительных работ: установки фундаментов и опор под катодный кожух. На электролизерах без днища монтаж складывается из следующих последовательных операций: заливки бетонного фундамента, кладки цоколя, установки и выверки катодного кожуха, кладки внутри катодного кожуха, укладки подушки под подовые блоки, установки подовых блоков, кладки бровки. Далее следует установка бортовых блоков, набойка швов подины угольной массой и установка анодного устройства.

Монтаж электролизеров, оснащенных катодными кожухами с днищем, начинается с установки катодного кожуха на стенде в торце корпуса или в цехе капитального ремонта. Перед кладкой футеровки поверхность днища выравнивают слоем сухого песка или шамотного порошка толщиной 20-30 мм.

Кладку нижних рядов теплоизоляционного и огнеупорного кирпича (или соответственно плит) внутри кожуха ведут «насухо», без раствора, с заполнением швов шамотным порошком, кладку верхнего (последнего) ряда – на шамотном растворе. Кирпичи укладывают плотно с шириной шва не более 2 мм. Кладку выполняют не вплотную к кожуху, а с небольшим зазором (температурным швом) от 30 до 80 мм, который заполняют теплоизоляционной крупкой из вермикулита, диатомита или вспученного перлита.

Далее следует операция укладки выравнивающей угольной подушки или слоя сухой барьерной смеси (СБС). Предварительно поверхность кладки очищают от мусора и пыли, а в зимнее время подогревают с помощью форсунок. Холоднонабивную подовую массу загружают на поверхность кладки, ограниченную опалубкой, тщательно разравнивают и уплотняют специальными самоходными катками. Толщина подушки не должна превышать 30-50 мм.

Если для устройства выравнивающей подушки применяется СБС или другой порошковый материал, то он должен быть предварительно просушен и также тщательно уплотнен. Подушка помогает установить подовые секции в ванне строго горизонтально, а при эксплуатации электролизера служит дополнительным барьером проникновению электролита и металла в кирпичную кладку. Подушка СБС служит также и дополнительным температурным барьером, существенно снижая и выравнивая температуру в кирпичном цоколе.

Далее следует операция сборки подовых секций и установки их в электролизере. Для этого катодный блок устанавливается пазом вверх и на нем делается разметка на отдельные ячейки. На дно паза укладываются прокладки под блюмс из термостойкого картона, а по бокам устанавливаются вертикальные керамические перемычки из глины.

Специальным захватом катодный стержень (блюмс) с приваренным спуском помещается в паз блока строго симметрично оси паза. При этом необходимо предусмотреть, чтобы блюмс на 100 мм не доходил до конца паза, а со стороны вылета блюмса оставалась ячейка под бетонное заполнение. Смещение оси блюмса относительно оси паза не должно превышать 5 мм.

Уложенный в паз блюмс должен опираться на все прокладки из картона, а по бокам иметь глиняные перемычки. Вертикальные глиняные перемычки должны быть слегка утрамбованы таким образом, чтобы не было зазора между блюмсом и перемычкой. В результате этих операций катодный блок с размещенным в нём блюмсом оказывается разделенным по длине на изолированные ячейки.

Перед заливкой чугуном угольные блоки и стержни нагревают форсункой до температуры 200-300⁰С. Закрепление блюмса в пазу блока производится путем заливки расплавленного чугуна в пространство между блюмсом и стенками паза поочередно в каждую из раздельных ячеек. Керамические перемычки не удаляются.

Для заливки используется малосернистый чугун с низкой усадочной способностью и высокой электропроводностью. В качестве примера можно привести чугун следующего химического состава, %:

С 2-4; Si 2-3,5; Mn не более 0,9; P 0,5 – 0,8; S не более

0,05; Сr не более 0,3; Сумма C+Si не менее 6.

Чугун выплавляется в индукционной печи небольшой мощности типа ИЧТ-2,5. Заливку ячеек начинают при температуре чугуна не ниже 1250⁰С, а при снижении температуры до 1100⁰С заливку прекращают. Как правило, блоки для одного электролизера выкладывают в ряд и готовят к сборке одновременно.

Заливку производят из разливочного ковша и начинают с первой ячейки первого блока, затем переходят на первую ячейку второго блока и дальше на все установленные на стенде блоки. После охлаждения этих ячеек поочередно заливают вторые ячейки и далее оставшиеся ячейки. Заливка блоков раздельно по ячейкам позволяет избежать большой линейной усадки чугуна по оси блюмса и предотвратить отрыв блюмса от блока.

Крайняя со стороны вылета блюмса ячейка заполняется огнеупорным бетоном. Тем самым токопроводящая часть подины ограничивается её центром (по проекции анодов) и способствует снижению горизонтальных токов.

После заливки чугуном и бетонирования крайних ячеек подовые секции охлаждаются. Далее производится набойка подовой массой участка длиной 100 мм в конце блока - «потая». При такой конструкции собранной секции катодный стержень предохраняется с торца от воздействия агрессивной среды в случае разрушения центрального шва подины.

На двух или более подовых секциях, выбранных из комплекта методом случайного отбора, производится измерение электрического сопротивления по 10 точкам контакта блок-блюмс.

На некоторых предприятиях взамен чугуна применяют специальную электродную массу. Это предотвращает образование трещин в угольных блоках в результате разницы линейных расширений угольного блока и блюмса, что возможно в процессе чугунной заливки. Однако опыт показывает, что в процессе эксплуатации ванны контакт блока с блюмсом ослабевает и возрастает электрическое сопротивление. Поэтому технология монтажа с помощью углеродной массы требует дополнительного усовершенствования.

В электролизер устанавливаются секции, смонтированные из блоков одного производителя и не более чем из двух партий. Блоки не должны иметь сколов и трещин, превышающих допустимые размеры. Смонтированные секции очищают, нумеруют, комплектуют по партиям и направляют на монтаж. Секции устанавливают с перевязкой центрального шва. Свободные концы блюмсов выводят через окна в кожухе ванны и устанавливают по шаблону таким образом, чтобы концы на выходе имели одинаковую длину.

Если применяются монолитные катодные секции, в которых используется один сплошной угольный блок, то установка их связана с определенными неудобствами, так как ширина кожуха не позволяет завести выступающие концы блюмсов в окна. Перед установкой сплошной секции одна боковая стенка кожуха снимается, а после завершения монтажа устанавливается на свое место и соединяется с кожухом сваркой. Из-за стесненных условий монтажа в действующих корпусах и воздействия магнитных полей на сварку установка монолитных секций возможна преимущественно в специализированных цехах капитального ремонта электролизеров.

Зазоры между набивной подушкой и блоками недопустимы и должны быть устранены подсыпкой материала СБС или подливкой смеси пека с угольной пылью. Зазоры в окнах для катодных стержней заделывают огнеупорной смесью на жидком стекле.

Далее следуют операции кладки бровки, установки бортовых блоков и бортовой теплоизоляции.

Кладку бровки ведут из огнеупорного кирпича (шамота) на растворе аналогично кладке верхних рядов цоколя, но с еще большей тщательностью. Ширина бровки должна быть достаточной для установки бортового блока (угольного или карбидокремниевого), а высота составляет порядка 270 мм (4 ряда по 65 мм). В местах прилегания к катодным стержням кирпичи притираются с зазором не более 1 мм. Для ускорения монтажа и улучшения качества бровки её можно изготовить из больших шамотных блоков или жаростойкого бетона. Пространство между бровкой и кожухом заполняют гипсовым (алебастровым) раствором или засыпают теплоизоляционным материалом – вспученным перлитом, вермикулитом или шамотным порошком.

На бровку устанавливают бортовые угольные или карбидокремниевые блоки, соблюдая расстояние между кожухом и блоком порядка 25-50 мм. Блоки устанавливают плотно друг к другу, с зазором между боковыми гранями не более 1 мм. Для расклинивания блоков устанавливают так называемые «замковые» секции вблизи углов. При использовании угольных блоков толщиной 200 мм каждые два соседних блока образуют своими полукруглыми пазами цилиндрические полости, которые с помощью специальных трамбовок забивают подовой массой. Раковины и пустоты в пазах не допускаются.

Если в качестве бортовой футеровки применяют карбидокремниевые плиты (типичные размеры: толщина 100, ширина

500 мм), то крепление их к металлической стенке кожуха и между собой производится с помощью паст на основе SiC (Анапласт –76 и 80).

Набойка швов подины является наиболее ответственной операцией при монтаже электролизера, т.к. большая часть аварийных отключений электролизеров происходит из-за разрушения швов подины. Поэтому во время набойки швов подины присутствует мастер монтажной организации и контролеры ОТК, которые систематически контролируют качество подготовки швов, температуру подины и поступающей для набойки подовой массы, давление воздуха для пневмоинструмента, плотность набойки.

Для набойки межблочных и периферийных швов повсеместно используют так называемую холоднонабивную подовую массу, которая обладает эластическими свойствами и хорошо уплотняется даже при комнатной температуре.

Набойкой швов завершается монтаж ванны электролизера. Далее следуют анодно-монтажные операции. Монтируются механизмы крепления и вертикального перемещения анодного массива, анодная ошиновка. Проверяется электроизоляция анодной части электролизера и газоходов, а также качество монтажа остальных механизмов, конструкций и ошиновки.

Пуск после капитального ремонта электролизёров с самообжигающимися анодами может производиться с формовкой новых анодов или с использованием старых анодов, перешедших от ремонтируемой ванны. При формовке новых анодов имеет место следующая последовательность операций. Смонтированный анодный кожух опускается до уровня подины, и внутри его устанавливаются алюминиевые листы (обечайка). Обечайка охватывает по периметру весь анод и дает возможность при обжиге сохранить прямоугольную форму анода и предотвратить растекание анодной массы при расплавлении.

На электролизёрах ВТ следующей операцией после монтажа обечайки является установка анодных штырей, которые предварительно подготавливают следующим образом. К нижнему концу каждого штыря приваривают стальной стержень с алюминиевым диском (подставкой). Высотой и сечением подставки задают горизонты штырей, обеспечивающие равномерное распределение тока по подине и её равномерный прогрев. После установки всех штырей анодную раму опускают в нижнее положение, производят затяжку контактов. Далее в анод загружают анодную массу в виде мелких брикетов и разравнивают её равномерно по всей поверхности между анодными штырями и по периферии анода на всю высоту анодного кожуха. После формовки анода устанавливают газосборный колокол, чем и заканчивается монтаж электролизера.

При капитальном ремонте электролизёров ВТ, как правило, производится замена или ремонт анодного кожуха. Для этого старый анодный кожух разрезается и снимается с анода. Если состояние этого кожуха позволяет использовать его для последующей компании, то производится его ремонт с восстановлением первоначальной геометрической формы и необходимыми конструктивными изменениями. Если это невозможно, то устанавливается новый кожух.

Перед установкой нового или восстановленного кожуха боковые грани анода подвергаются обрубке с таким расчётом, чтобы анод свободно разместился в новом анодном кожухе.

Когда анод установлен в анодный кожух, зазоры, образовавшиеся между стенкой кожуха и анодом, тщательно уплотняются. Для этого может использоваться алюминиевая стружка, которой набивается нижняя часть зазора. Далее засыпается вторичный криолит, поверх которого подсыпается анодная масса. В процессе обжига подсыпаются дополнительные порции анодной массы и делается всё необходимое для предотвращения её протёков и формирования боковой поверхности анодов.

Для электролизеров с боковым подводом тока процедура формовки анода может производиться с использованием жидкой или мелкобрикетной массы. В первом случае производят загрузку жидкой массы и по мере заполнения кожуха забивают все 4 ряда штырей под заданным углом. Если обжиг производится с мелкобрикетной массой, то два нижних ряда штырей устанавливают до загрузки массы. Штыри устанавливаются с металлическими подставками. Загрузку производят на высоту до 1,0-1,2 м, а дальнейшее наращивание слоя массы производится во время обжига.

На электролизерах с предварительно обожженными анодами процедура монтажных операций сводится к монтажу анодной ошиновки, балки-коллектора с механизмами привода и установке смонтированных анодов.

Демонтаж электролизеров

Футеровка катодного устройства электролизера, а также часть механизмов и металлических узлов при капитальном ремонте подлежат замене. Отключение электролизера на капитальный ремонт производится в следующих случаях:

-при разрушении угольной футеровки подины и проникновении расплава под угольные блоки, при подплавлении катодных стержней и огнеупорных материалов, что приводит к нарушению стабильной работы ванны и попаданию в алюминий примесей железа и кремния;

- при сильной деформации катодного кожуха, приводящей к нарушению целостности футеровки ванны;

- при возникновении факторов аварийного характера (прорыв металла и электролита, длительный перерыв в питании электрическим током), а также по другим причинам, делающим невозможным дальнейшую эксплуатацию электролизеров.

Кроме того, капитальный ремонт электролизеров производится по установленному графику. В таких случаях производится отключение электролизеров с максимальным сроком службы в плановом порядке, что позволяет избежать аварийных работ по экстренному отключению ванн.

Перед отключением на капитальный ремонт персонал цеха стремится слить максимально возможное количество электролита и алюминия, что в последующем облегчит расчистку шахты. Далее анод замыкают на металл и шунтируют ошиновку при минимальном напряжении на ванне, замыкая катодную ошиновку накоротко. Ток направляется мимо отключаемого электролизера. В случаях, когда напряжение на электролизере не удается снизить до 1,5 – 2,0 В, отключение производят при сниженной нагрузке на серии. В аварийных случаях, когда необходимо экстренное отключение, нагрузку на серии снимают полностью.

Сразу же после отключения электролизера анод (или анодный массив на ваннах с обожженными анодами) быстро поднимают, предупреждая застывание его в электролите, что в последующем крайне затруднит операции демонтажа. После подъема анода быстро сливают не застывшие металл и электролит, а оставшаяся часть расплава в течение определенного времени остывает до затвердевания. Анод извлекается из ванны с помощью мостового крана.

Анодные огарки электролизера ОА также извлекаются и отправляются на переработку. Остывший электролит выбивают в виде кусков «оборотного электролита», складируют его как ценный материал для технологических нужд.

После извлечения кускового электролита для ускорения охлаждения катода и облегчения производства демонтажных работ в ванну заливают воду. Вода вступает в химическую реакцию с электролитом, карбидом алюминия, с внедрившимся в угольную футеровку натрием, что приводит к разбуханию и разрушению футеровки.

Верхний слой подины, богатый электролитом, удаляют при демонтаже в виде так называемой «пушёнки» отдельно и в дальнейшем используют при пуске электролизеров для наплавления электролита. Удалив «пушёнку», извлекают из ванны остатки застывшего алюминия. Этот металл содержит большое количество железа, что следует учитывать при переплавке его на нормально работающих электролизёрах. Оставшуюся часть, обогащенную углеродом и примесями, направляют в отвалы, либо используют в других отраслях промышленности как раскислитель.

Дальнейшие операции по демонтажу ванн производятся в следующем порядке: разборка футеровки, удаление блюмсов, разборка и удаление кирпичной кладки цоколя, осмотр кожуха и опор. Если металлический катодный кожух пригоден для повторного использования, то он ремонтируется, если нет - то направляется на утилизацию. Для электролизеров с напольным размещением катода демонтаж заканчивается разборкой фундамента (если его нельзя использовать повторно). Производится также ревизия бетонных конструкций между электролизерами, шинных каналов и средств газоотсоса.

Катодные устройства электролизеров без днища демонтируют на месте, катодные кожухи с днищем транспортируют кранами в торец корпуса на специально оборудованные стенды, где и осуществляют демонтаж и в последующем монтаж футеровки.

На больших алюминиевых заводах имеются специализированные цехи капитального ремонта электролизеров, куда и доставляются для демонтажно-монтажных операций отработанные катодные устройства. Производство таких работ на специализированных участках, а также наличие оборотных катодных кожухов позволяет значительно уменьшить простой электролизеров в капитальном ремонте и повысить качество ремонта.

Глава 4