НАРУШЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО ХОДА ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА И ПУТИ ИХ уСТРАНЕНИЯ

Нарушения нормального технологического режима электролизеров приводят к снижению технико-экономических показателей электролиза и увеличению трудовых затрат на их обслуживание. К основным нарушениям в работе ванн следует отнести: горячий ход, холодный ход, «зажатие» междуполюсного расстояния, МГД-нестабильность, работу ванн в «борт», науглероживание электролита и образование карбидов, прорыв металла и электролита, нарушение нормальной работы анода.

Горячий ход

В большинстве случаев причиной горячего хода является нарушение теплового равновесия электролизеров, а именно - возрастание прихода тепла. Это может быть вызвано увеличением МПР и среднего напряжения или, наоборот, снижением МПР ниже критического и «поджатием» ванны, недостаточным уровнем металла, МГД-нестабильностью, изменением состава электролита и др.

Следует ещё раз отметить, что на тепловой режим оказывает влияние не только абсолютное значение температуры электролита, но и степень перегрева его относительно температуры ликвидуса. Например, если температура начала кристаллизации электролита 940ºС, а температура ванны 950ºС, перегрев составит 10ºС; если температура ванны 960ºС, то перегрев составит 20ºС, или в два раза больше, чем в первом случае, в то время как абсолютная температура возрастет всего на @ 1,0 %. Пропорционально увеличению перегрева возрастают и все отрицательные последствия горячего хода: растворимость металла, науглероживание электролита, потери фтора и др.

Как отмечалось в разделе 1.10, с повышением температуры электролита на 1ºС выход по току снижается на 0,2-0,5 % и эта цифра возрастает по мере роста температуры. При температуре 1000ºС выход по току составляет не более 50-60%. Если при нормальной работе электролизера удельный расход фтористого алюминия на 1 т металла составляет 9-14 кг, то при средней температуре электролита 975-980 ºС расход увеличивается соответственно вдвое.

Характерные внешние признаки горячего хода ванн следующие: слабая корка электролита или её полное отсутствие, парящая поверхность электролита, желтый или белый цвет анодных газов на выходе из «огоньков», трудно различимая граница раздела металл-электролит при замере уровней, извлеченный из ванны ломик «дымит». Анод работает вяло.

При наличии местных концентраций тока отдельные участки анода и электролита перегреты, электролит «плывет» из-под анода. Отмечается колебание рабочего напряжения, что указывает на усиление МГД-нестабильности в ванне. Как правило, напряжение на такой ванне возрастает, вспышки либо вообще не возникают, либо возникают с опозданием, причем бывают «тусклые» или «средние».

Прежде чем приступить к устранению горячего хода ванны, следует устранить причины, его вызвавшие. Если причиной горячего хода явилось завышенное рабочее напряжение, то принимают меры к его нормализации и смене уставок в системе АСУТП. Если завышена сила тока на серии, то горячий ход будет, скорее всего, носить массовый характер. Из закона Джоуля-Ленца (q = kI²Rt) следует, что приход тепла на ванне за единицу времени пропорционален квадрату силы тока и сопротивлению ванны. Регулируя любой из этих параметров, можно добиться уменьшения прихода тепла и, следовательно, охлаждения ванны.

Сила тока в этом отношении является весьма существенным фактором, т.к. при постоянном сопротивлении ванны приход тепла пропорционален квадрату силы тока. Однако сила тока, как правило, параметр установившийся и его уменьшение для устранения горячего хода одной или группы ванн не рационально, так как приводит к снижению производительности всей электролизной серии.

Более приемлемо снижение греющего напряжения на горячей ванне путем уменьшения МПР. Однако к уменьшению МПР в таких случаях следует относиться с большой осторожностью, так как в горячем электролите значительно возрастает растворимость металла и при чрезмерном сближении анода с катодом быстро развиваются реакции окисления алюминия с выделением большого количества тепла. Это может привести к дополнительному разогреву электролита. Поэтому рациональнее вначале охладить ванну учащенной обработкой, переплавкой оборотного и свежего электролита, а также твердого металла и только после этого снизить рабочее напряжение.

Если причиной горячего хода служит слишком большая частота и продолжительность анодных эффектов, то следует стремиться к упорядочению обработки ванн, некоторому снижению уровня металла и быстрому гашению вспышек. Если в ванне недостаточен уровень электролита, его поднимают, переплавляя регенерированный или оборотный электролит, а в критических ситуациях заливая ковшами жидкий электролит с других ванн. Горячий ход ванн с малым уровнем металла устраняют, загружая в ванну твердый алюминий или уменьшая задание на очередную выливку металла. При этом загрузка твердого металла является более эффективным и быстрым способом, поскольку на разогрев и расплавление алюминия расходуется большое количество тепла.

При недостаточной тепловой изоляции катода электролизеры легко вымерзают, забиваются осадками и работают с низким уровнем электролита, чрезмерно большими настылями, уходящими под анод, и гарнисажами. Чтобы выдерживать уровень электролита в рекомендуемых пределах 16-20 см и избежать образования больших настылей, технолог вынужден поддерживать на таких ваннах высокое греющее напряжение и повышенную температуру электролита.

Избыточная тепловая изоляция катода также недопустима, так как при образовании слабых гарнисажей и бортовых настылей или их полном отсутствии начинается работа ванн в «борт» с вытекающими из этого последствиями.

В практике электролиза горячий ход электролизера возникает и при образовании на подине настылей и глинозёмных осадков. Кроме недостаточной тепловой изоляции катода причиной подовых настылей может быть тугоплавкий состав электролита, длительная работа электролизера в холодном режиме или образование уплотненных осадков. Настыли и осадки способствуют повышению перепада напряжения в подине и увеличению греющей мощности. Другим отрицательным последствием на таких ваннах можно считать наличие горизонтальных токов в металле и МГД -нестабильности.

На рис. 5.1,а показано распределение силовых линий токовой нагрузки на ванне, работающей в стабильном технологическом режиме. Из рисунка видно, что векторные линии тока направлены от анода к катоду преимущественно вертикально. В случае горячего хода электролизера бортовые настыли и гарнисажи подплавляются и оголяют угольную футеровку и борта ванны. При этом происходит перераспределение токовой нагрузки (см. рис.5.1,б): часть силовых линий направляются в периферийную часть катода в направлении меньшего электрического сопротивления.

Если разложить эти силовые линии на вертикальную и горизонтальную части, то можно обнаружить наличие значительной горизонтальной составляющей тока. Как указывалось в разделе 1.9, взаимодействие горизонтальной составляющей тока с магнитным полем электролизера вызывает перекос металла в ванне, волнение и циркуляцию. Эти явления крайне нежелательны.

Хорошо известно, что ванны с осадками и настылями на подине работают неустойчиво и чаще выходят в режим горячего хода. Особенно этому подвержены электролизёры большой мощности из-за трудности создания равномерного теплового и электрического поля по всей площади катода. Наибольшие затруднения возникают в холодные периоды года, когда имеющиеся на подине осадки легче уплотняются и застывают в монолит из-за снижения температуры поверхности подины. Поэтому до наступления зимнего периода желательно полностью удалить осадки или подтянуть их к борту, извлечь из ванны коржи.

Причиной неустойчивой работы электролизеров может послужить нестабильность тока на серии, так как при этом изменяется напряженность магнитного поля. В таком случае даже при относительно небольшой плотности горизонтальных токов меняется перекос металла, аноды срабатываются неравномерно. Как известно, аноды срабатываются достаточно медленно (1,7-2,0 см/сут), поэтому при возникновении перекоса металла нарушается равномерность МПР, что приводит к перераспределению тока, образованию местных перегревов и к горячему ходу электролизера.

Более чувствительны к колебаниям силы тока электролизеры, имеющие меньший уровень металла, поскольку значение горизонтальной составляющей тока обратно пропорционально площади поперечного сечения слоя металла в шахте. Поэтому ванны с недостаточным уровнем металла, неправильной формой рабочего пространства и горячим ходом более чувствительны к колебаниям силы тока, чем электролизеры, работающие в стабильном технологическом режиме.

К образованию значительных горизонтальных токов приводит и неудовлетворительное состояние сварных контактов тяжелой и переходной ошиновок, а также контактов штырь или анододержатель - анодная шина. Хорошее состояние контактного хозяйства помогает избежать местных концентраций тока и «холодных» областей, способствует снижению плотности горизонтальных токов. В связи с этим на электролизерах, длительное время работающих в неудовлетворительном технологическом режиме, с большими перекосами и циркуляцией металла, следует проверить распределение нагрузки по блюмсам и по анодным стоякам. Нарушенные контакты и сварные швы необходимо восстановить.

В практике электролиза нередки случаи горячего хода ванн из-за загрязнения электролита угольной пеной. В результате наличия местных перегревов возможно науглероживание электролита. Это может происходить при продолжительной задержке вспышек. Проба электролита из такой ванны имеет в изломе темно-серый или черный цвет с вкраплениями угольных частиц. Наиболее эффективным способом ликвидации горячего хода ванны в этом случае является замена части загрязненного электролита и переплавка некоторого количества свежего криолита. После первой же вспышки следует тщательно снять угольную пену.

Причиной горячего хода электролизера могут быть неровности на аноде (особенно на электролизёрах ВТ) или перегрузка одного или нескольких анодов на электролизёрах ОА. Концентрация тока происходит в местах образования конусов и неровностей. В связи с тем, что электрическое сопротивление материала анода значительно меньше, чем электролита, то ток направится по кратчайшему пути между конусом на аноде и жидким алюминием. Удельная тепловая нагрузка на этом участке по закону Джоуля-Ленца возрастет пропорционально квадрату токовой нагрузки, которая будет существенно превышать среднюю нагрузку в аноде.

На электролизёрах ВТ имеют место случаи прямого замыкания анода через неровность или козырёк на металл, что приводит не только к непроизводительной затрате энергии, но и к образованию местных перегревов и термическому разрушению анода в этих зонах. Подобное нарушение носит название «зажатия» анода на металл.

Технологам также знакомо явление «зажатия» анода на пену. При несвоевременном снятии угольной пены, при прорывах анодной массы во время перестановки штырей на электролизерах ВТ или под обечайку (БТ) возможна изоляция части анода пеной и кусками массы. При этом изолированная часть анода не расходуется, отстает и может привести к замыканию анода на металл. Электролит в зоне «зажатия» науглерожен и перегрет; признаки нормальной работы анода отсутствуют.

При обнаружении «зажатия» анода на пену необходимо принять следующие меры: поднять анод по возможности выше, скребками удалить из-под анода пену и куски массы, охладить и освежить электролит. После этого необходимо периодически прочищать подошву анода, не допуская местных перегревов и «зажатия» анода на металл. Необходимо также вывести ванну на вспышку.

Перечисленные выше нарушения технологии, связанные с «зажатием» анода, присущи преимущественно для самообжигающихся анодов. Местные перегревы создают благоприятные условия для увеличения скорости окисления растворенного в электролите металла с выделением большого количества тепловой энергии. В итоге это ведет к горячему ходу всего электролизера. Особенно опасно воздействие местного перегрева в случае, когда выступ на подошве анода соприкасается непосредственно с металлом, давая короткое замыкание.

Для устранения местных перегревов принято «сжигать» неровности: работать на повышенном рабочем напряжении, систематически прочищая неровности скребками и не допуская перегрева ванны.

Причиной горячего хода ванн может быть также низкое качество обработки и недостаточная частота её. Существует множество мнений об оптимальной частоте обработки. Применяются 8-кратная, 12-кратная и даже 16-кратная обработка в сутки. Кратность обработки следует связывать с конструкцией рабочего органа обрабатывающей машины и технологическим состоянием электролизера.

Если электролизеры работают с небольшими уровнями металла и повышенной температурой электролита, то желательно применять учащенную обработку. Напротив, если учащенная обработка приводит к заметному переохлаждению ванн и снижению уровней электролита, то целесообразно уменьшить кратность обработки.

Холодный ход ванны

Холодный ход ванны возникает в случае существенного нарушения её теплового баланса в сторону возрастания тепловых потерь или уменьшения прихода тепла. Непосредственными причинами холодного хода могут быть слабая тепловая изоляция катода, недостаточное греющее напряжение или пониженная сила тока, чрезмерно большой уровень металла и др.

Характерными признаками холодного хода ванн, как правило, являются пониженное рабочее напряжение, температура электролита ниже 950°С, увеличенные бортовые гарнисажи, мощные подовые настыли и осадки, падение уровня электролита, намерзание прочной корки над электролитом, частые анодные эффекты.

Холодный ход электролизеров обычно начинается с понижения уровня электролита. При этом существенно ухудшаются условия обработки электролизеров, так как при недостаточном содержании электролита в ванне глинозем полностью не растворяется и избыток его попадает в осадок. В результате общего недостатка растворенного глинозема на электролизерах с холодным ходом возникает много «ясных» вспышек, для которых характерно высокое напряжение (40-50 В). Дальнейшее охлаждение ванны вызывает «схватывание» осадков в монолит и образование подовых настылей.

В крайних случаях переохлаждение ванн приводит к выравниванию плотностей металла и электролита, их смешиванию или к всплытию металла. Замыкаясь на анод и вызывая кратковременные концентрации тока, металл под действием быстро изменяющихся электромагнитных сил приходит в интенсивное движение. При этом возможны выбросы жидкого металла из ванны, крайне опасные для обслуживающего персонала. В таком случае следует утеплить ванну глиноземом, поднять рабочее напряжение и, если необходимо, вызвать искусственную вспышку. Анод должен находиться в возможно более высоком положении.

На электролизерах с признаками холодного хода, в том числе с низкими уровнями электролита, подовыми настылями и глиноземными осадками, при неумелом гашении анодных эффектов можно получить негаснущую вспышку. Такая ситуация возникает при затягивании гашения рядового анодного эффекта и интенсивном взмучивании осадков. Напряжение негаснущей вспышки такого происхождения достигает 8-15 В, электролит быстро разогревается.

Основной причиной негаснущей вспышки в данном случае можно считать быстрое насыщение электролита взвешенным осадком, его перегрев и увеличение электрического сопротивления. Ванна быстро переходит из холодного хода в горячий. Для приведения ванны к нормальному режиму следует охладить электролит, очистить скребками подошву анода и постепенно снижать рабочее напряжение до нормального.

В общем случае холодный ход электролизеров устраняют увеличением рабочего напряжения, снижением частоты обработки, утеплением корки электролита глиноземом или уменьшением уровня металла, если это не противоречит другим условиям нормальной работы электролизёра. Следует иметь в виду, что на холодно работающей ванне всегда имеются глиноземные осадки. Если уровень металла будет чрезмерно занижен, осадки оголятся и придут в соприкосновение с электролитом и даже с анодом, что вызовет скачок напряжения в междуполюсном пространстве.

Попытка снизить напряжение на такой ванне путем опускания анода неизбежно приведет к обратному эффекту. При этом напряжение может подняться до уровня «тусклой» вспышки. Устранение негаснущих вспышек такого рода затягивается в некоторых случаях на несколько часов или даже суток. За это время ванна сильно перегревается, расплавляются настыли и гарнисажи, и возможен аварийный исход, когда ванну приходится отключать из-за прорыва металла или электролита. Для гашения такой вспышки прежде всего необходимо вывести анод из контакта с осадком. Дальнейшие действия предпринимать, как изложено в разделе 5.7.