Срок службы электролизеров

В России работают 11 алюминиевых заводов, на которых установлены алюминиевые электролизеры всех типов: с предварительно обожженными анодами, с самообжигающимися анодами с боковым и верхним токоподводом.

Замена электролизеров БТ и ВТ на электролизеры ОА представляется в данное время важнейшей стратегической задачей алюминиевой промышленности России. Требуется разработка новых технических решений, хотя в этой области достигнуты определенные успехи: разработаны и внедрены системы автоматического управления процессом электролиза, усовершенствована технология самообжигающегося анода, внедряются более прочные металлические катодные кожухи шпангоутного типа, которыми во время капитального ремонта заменяются старые кожухи рамного и контрфорсного типа.

Продолжительность работы электролизера от пуска до отключения на капитальный ремонт называется сроком службы. Срок службы является одним из основных составляющих эффективности работы электролизера. Доказано, что срок службы катода зависит: на 20 % — от дизайна электролизера; на 20 % — от его конструкции; на 10 % — от используемых материалов; на 25 % — от обжига и пуска ванны и на 25 % — от качества обслуживания электролизера.

Срок службы отдельных алюминиевых электролизеров на предприятиях передовых алюминиевых фирм достигает 10 лет и более. Однако на многих предприятиях даже 60 мес. непрерывной эксплуатации считается вполне удовлетворительным результатом. Срок службы электролизеров на российских алюминиевых заводах (1300-1500 суток) заметно ниже, чем на электролизерах ведущих зарубежных фирм (6-7 лет). Обращает на себя внимание разброс значений срока службы даже на однотипных электролизерах. Например, на электролизерах с боковым токоподводом срок службы от 43 до 59 месяцев. На более мощных электролизерах с верхним токоподводом срок службы еще ниже - 42-48 месяцев.

На срок службы электролизеров влияет большое количество различных факторов, от технологических до конъюнктурных.

В наибольшей степени срок службы электролизера определяет устойчивость против разрушения кожуха и футеровки катода. 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.

Катодная футеровка электролизеров подвержена разрушению от воздействия алюминия и электролита, что ведет к снижению эффективности процесса. Подина является наиболее слабым местом электролизера. При длительной эксплуатации она выходит из строя раньше, чем любой другой узел ванны. Картина разрушения подин, наблюдаемая при демонтаже электролизеров, обычно состоит в следующем: катодные блоки в средней части ванны подняты и возникает как бы два раскрытых центральных шва. При подъеме блоков изгибаются стальные катодные стержни; торцы блоков давят на боковую футеровку и вызывают деформацию кожуха, его продольные и торцевые стороны в верхней части выгибаются наружу, форма кожуха в плане приближается к эллипсу. Возникающие напряжения настолько значительны, что могут привести к разрыву кожуха в углах.

При деформации подины в первую очередь разрушаются швы между блоками и образуются трещины в самом блоке, куда проникает алюминий и электролит. Алюминий растворяет стальные катодные стержни, и содержание железа в выливаемом алюминии быстро нарастает, что служит сигналом начала разрушения подины и необходимости отключения ванны на капитальный ремонт. Электролит взаимодействует с кирпичной кладкой, образуя фторсиликаты между подушкой и цоколем ванны, отчего также увеличиваются напряжения в катоде.

Поверхность угольной подины плохо смачивается жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения приходится держать относительно большой столб металла на подине, что, в свою очередь, за счет возникающих в расплаве электромагнитных сил создает волнения металла, что приводит к необходимости держать повышенным междуполюсное расстояние, и, следовательно, большой расход энергии. Смачиваемые катоды должны обладать высокой электрической проводимостью и механической прочностью, малой теплопроводностью, хорошей стойкостью к термическому и химическому воздействию компонентов расплава и образующихся при электролизе газов.

Одна из важнейших причин малого срока службы - неудовлетворительное качество футеровочных изделий. Новые высококачественные футеровочные материалы (подовые и боковые блоки, огнеупорные, барьерные и теплоизоляционные кирпичи), обеспечивающие большую продолжительность кампании электролизеров на зарубежных заводах, известны. Они выпускаются зарубежными фирмами и намного дороже отечественных.

Традиционные методы оценки стойкости новых футеровочных материалов — это длительные испытания опытных электролизеров, продолжающиеся по 3-4 года от пуска до отключения этих электролизеров на капитальный ремонт, которые не позволяют быстро и всесторонне оценить эти новые материалы и принять обоснованные решения по их использованию. Существующие лабораторные методики не всегда позволяют получить надежную информацию в нужном объеме. Поэтому важной задачей является разработка простых и надежных методик, позволяющих ускорить исследования и получение точной информации для разработки более совершенных технических решений.

Сейчас общепринятой считается точка зрения, согласно которой разрушение подин происходит за счет проникновения натрия в угольную футеровку. При совместном выделении алюминия и натрия, которое происходит при катодном процессе, натрий диффундирует через толщу алюминия и поглощается подовыми блоками. При этом происходит разбухание блоков, поскольку атомы натрия проникают в пространство между гексагональными решетками атомов углерода и раздвигают их. Происходит не просто растворение натрия в решетке графита, а взаимодействие с образованием соединений углерода.

Эффект раздвигания межбазисных плоскостей графита зависит от размеров атома щелочного металла: для калия он значительно выше, чем для натрия, поэтому разрушение углеграфитовых материалов в электролитах, содержащих ионы калия, происходит очень быстро, и по этой причине соединения калия в электролите в заметных концентрациях не допускаются. Эта проблема важна для российской алюминиевой промышленности, поскольку часть глинозема производится из нефелинов и алунитов, содержащих много калия.

Процессы, негативно влияющие на эксплуатационную стойкость футеровки катода:

- перемещения алюминия в футеровке подины, проникшего в нее через ее локальные разрушения;

- механизм разрушения подовых и боковых блоков футеровки;

-проникновение калия в углеродную футеровку подины катода;

- ухудшение свойств огнеупорных кирпичей, защищающих теплоизоляционную футеровку подины.

Причины разрушения подин и разработка научно обоснованных мероприятий по увеличению срока службы электролизеров имеют первостепенное значение. Увеличению срока службы подин способствуют:

1) повышение качества подовых блоков, вводя в их состав 20% графита, наиболее стойкого к воздействию Nа;

2) повышение качества монтажа подин, особенно набивки швов, как наиболее слабых элементов подины;

3) равномерный прогрев подины перед пуском до температуры 950°С, при этом действие натрия на подину уменьшается;

4) при пуске электролизёра в электролит добавлять фтористый кальций и хлористый натрий, которые пропитывают подину и уменьшают вредное воздействие на нее металлического натрия;

5) повышение прочности катодного кожуха, особенно его верхнего пояса;

6) обеспечение постоянства суммы уровней алюминия и электролита в процессе электролиза;

7) оптимальная ФРП, чтобы боковые стенки электролизера всегда были закрыты гарниссажем;

8) ровный температурный режим электролиза.

Повышение срока службы подин имеет большое технико-экономическое значение по ряду причин:

- стоимость капитального ремонта составляет около трети общей стоимости электролизера,

- демонтаж, монтаж и пуск ванн связан с затратами труда в тяжелых условиях,

- в послепусковой период металл получается низкого качества.