CC BY
51
ГРНТИ 39.31.04
А. К. Жунусов1, К. А. Бектемиров2
'к.т.н., ассоц. профессор (доцент), кафедра «Металлургия», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 2магистрант, кафедра «Металлургия», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: '[email protected]; [email protected]
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДЛЕНИя СРОКА СЛУЖБы
огневых простенков печи обжига анодов
Рассмотрена причина важности внимания к проблеме и приведен анализ возможностей увеличения срока службы футеровки печи обжига анодов для производства алюминия. Приведены результаты анализа применения нескольких способов увеличения срока службы, как в отдельности, так и в комбинации. Отмечаются положительные и отрицательные эффекты от применения, возможный экономический эффект.
Ключевые слова: печь обжига, анод, футеровка, искривление простенков.
ВВЕДЕНИЕ
Всемирное увеличение потребления алюминия привело к значительному прогрессу технологии его производства и увеличению единичной мощности электролизеров. Самые передовые производители применяют электролизеры с силой тока до 600 кА, что соответствует плотности тока на аноде ~ 1 А/см2 [1-3].
Увеличение производительности электролизера требует соответствующего развития его конструкций, огнеупорных материалов и токопроводящих элементов - катода и анода. Требования, предъявляемые к показателям анода с повышением силы тока на электролизере, становятся все жестче, это вызвано тем фактом, что влияние данных показателей на технико-экономические показатели в натуральном выражении, растет пропорционально увеличению производительности.
Кроме повышения требований к качеству анодных блоков [4, 5], рост объемов выпуска алюминия требует увеличения мощностей линий производства анодных блоков. На футеровку печи воздействуют, следующие неблагоприятные факторы: высокая механическая нагрузка за счет большого размера основных элементов конструкции печи обогреваемых простенков, высокая температура в камере обжига (около 1300 °С), циклические термические нагрузки, в сочетании с перепадом температур по толщине простенка, воздействие восстановительной среды (углеродная засыпка и продукты её окисления) и натрий-фторидных испарений от криолита содержащего в анодных огарках, входящих в состав анодной массы в количестве от 5 до 20 % [4, 6].
Эволюция развития производства обожженных анодов прослеживает определенную закономерность, чем выше сила тока электролизера, тем, до определенной степени, больше масса анода (рисунок 1). Эта мера вынужденная, так как позволяет снизить удельную электрическую нагрузку на анодный блок,
улучшить распределение тока по электролизеру и, следовательно, стабилизировать технологический процесс электролиза [7].
Рисунок 1 - График зависимости параметров прессования и массы анода от времени [7]
Увеличение массы (размеров) анодов также привело к значительным усовершенствованиям в технологии их производства.
Однако в данном случае все еще имеются значительные проблемные вопросы, в частности увеличение габаритов анодов привело к значительным затруднения в процессе их обжига, увеличение размеров печей обжига, удельного расхода топлива, количество брака (некондиционных анодов), повышенное требование к режимам обжига. Что негативно сказывается на экономических показателях. Большая часть указанных проблем решается путем внедрения современных систем контроля и управления процессом обжига (АСУТП). Другая часть, которая выходит за пределы системы управления, зависит от качества футеровочных материалов, срока их службы, качества проведения технического обслуживания печей обжига. Рост габаритов анодов привел к увеличению нагрузки на материал простенков печей, как механической так и физико-химической. Возросла тепловая нагрузка по причине большего объема выделяемых летучих из анода и масса столба материала на нижнюю часть простенков.
Данная проблема является постоянным предметом исследования на предприятиях алюминиевой промышленности.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Целью данногоисследования являлосьувеличение срока службы футеровки печи обжига, а именно снижение частоты замены огневых простенков разрушенных под влиянием теплового расширения и (или) механического воздействия.
На периодичность замены огневого простенка влияют следующие параметры:
- качественные характеристики футеровочных материалов;
- технологические параметры обжига анодов;
- гранулометрический состав пересыпочного материала;
- схема загрузки анодов в печь;
- стратегия, технология и качество проведения технического обслуживания. В рамках данной статьи рассматриваются комплексное исследование влияния
гранулометрического состава пересыпочного материала, схемы загрузки и технологии проведения технического обслуживания печи обжига.
Как показано на рисунке 2, при слишком коротких интервалах техобслуживания расходы на аварийный ремонт незначительны, но затраты на профилактические работы довольно высоки. При слишком длинных промежутках времени стоимость профилактического обслуживания значительно снижается, тогда как стоимость аварийного ремонта резко возрастает.
Для проведения исследования в течении длительного периода проводилось обследования состояние футеровки печи обжига анодов на АО «Казахстанском электролизном заводе» (КЭЗ).
Разъедание натрием и фторидами является последствием ненадлежащей очистки анодных огарков. В зеленых анодах должно поддерживаться содержание натрия на уровне < 200 ррт и фторидов < 300 ррт, во избежание ухудшения огнеупорных свойств простенков газохода [8]. В данном исследовании дефект обследуется факультативно, результаты не приводятся. На рисунке 3 приведены - виды дефектов простенков печи обжига по данным [8-10].
Для проведения исследования в течении длительного периода проводилось обследования состояние футеровки печи обжига анодов на АО «Казахстанском электролизном заводе», в основном обследование сводилось к наиболее трудозатратному замеру искривления простенков. На рисунке 4 приведены наиболее искривленный простенок (49 мм) 7 простенок камеры № 5 анодного цеха КЭЗ.
Анализ замеров:
- наибольшему искривлению подвержены простенки № 5, 6, 7, (рисунок 5) при этом сильно сокращается пространство крайней кассеты, по причине разнонаправленному прогибу простенков.
Промежуток времени
Рисунок 2 - Взаимозависимость стоимости видов ремонта [8]
Согласно технологической инструкции поставщика, единственным возможным способом устранения существенного прогиба простенка,при отклонении от оси более 35 мм, является его замена. Также согласно инструкции, загрузка анодов производится равномерно по одному ряду в каждую кассету.
Рисунок 3 - Виды дефектов простенков печи обжига [8-10]
Рисунок 4 - Наиболее искривленный простенок (49 мм) 7 простенок камеры № 5
Замеры производились согласно рекомендации поставщика технологии обжига компании RiedhammerGmBH.
Направление и размер искривления в мм Номера камер печи
11 1 * 1 е I Й Ц
"о-ш" уд у у7у т уау Ч" у, у
"о ш" -■¡г" "ц" двл а^л v2v дгд
"и-ж "5" "11" "И" уду у;у "6
"11-20" "10" у;у •10* у5у у2у "11" "3" "2" "3" "ю"
«21-40- у7у у21у угзу л^а у7у 'с л уду уду у^ду ■-V
"21-40* у20у у22у "26" у12у "15'" уду у3у у3у у18у у17у у1гу|
У] пч уцу у^у узду у)1» vi ?у у,;у V Д V у2у уду V2V уiv
ЦэЛ л* л л7л "14" лй" "8" "10" "1П"
у2у "15" у? у у|7у "5" у7у
у^у1 л17л "15" "20" л15л "26" "75л "2л "1С" Л21Л "37" ЛЭЧА
уду лил Шй "1Г "17" л7д ацл чэ- "гл '10" "б" л^л дул ЧУ
лда »10" д}-ал1 л;3л Ж "10" "10" МГ Д5А Л5Л М7Л л15л "19"1 «.А
л121 л^л ЧП" »ц* ЛДМ «г* др Г. лул
М » л^л лдл ЛЦЛ "1У> У17У "г" у?у Ад л у; у у7у уду
уду У^У "15" л1?л| уду "15" У&У у^у У|ДУ У}У М"
»М» МО" "Я* у}у уду У 11'' "Я" мол "1я"
ы ** 41 т -и 4* о « » в з? ы и х зз э: м ы н и ;т м
Рисунок 5 - Первичные результаты замеров
Для устранения незначительного прогиба менее 20 мм на первом этапе была изменена схема загрузки кассет: выполнялась полная загрузка кассеты со стороны прогиба при пустой соседней на камере № 4. Результаты повторных замеров показали незначительное улучшение (таблица 1).
Таблица 1 - Результаты по итогам первого испытания
Искривление простенков камеры № 4, мм
1 2 3 4 5 6 7 8
0 0 (8 )10 )7 )20 )25 (10
С целью дальнейшего развития данной процедуры предлагается проведение лабораторных исследований влияния структуры пересыпочного материала на движение простенков. В процессе обжига происходит постоянные потери пересыпочного кокса и его восполнение, при этом восполнение происходит путем закачки краном свежего материала и последующей засыпки без контроля. Сравнение свежего и рабочего материалов показывает, что свежий материал имеет заданные характеристики, тогда как рабочий имеет большую насыпную плотность и более мелкий грансостав, гранулы ровную поверхность.
На втором этапе кроме изменения схемы загрузки, была введена процедура использования свежего пересыпочного материала, а именно свежий материал засыпался в кассету обратной стороне прогиба, а рабочий на стороне прогиба. Таким образом, создавалась менее плотная структура для возможного движения простенка к выравниванию, особенно на этапе охлаждения камеры. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты второго испытания
Искривление простенков камеры № 4, мм
1 2 3 4 5 6 7 8
0 0 (8 )10 )7 )18 )20 (10
ВЫВОДЫ
По результатам можно предположить, что влияние обоих факторов однозначно присутствует, однако требуются более детальное исследование и тиражирование на большее количество камер.
Другое направление исследования по продлению срока службы футеровки печи связано с увеличением межремонтного периода простенков. По рекомендации поставщика материала, периодичность замены простенка составляет >150 циклов нагрева-охлаждение (около 7 лет, при текущем темпе обжига 23,5 часа). Данное направление имеет большое экономическое значение. Для замены одного простенка требуется около 20 тонн футеровочных материалов, значительные трудозатраты, при уменьшении производительности печи (печь переводится на больший темп обжига).
Так как изменение схемы загрузки и введение порядка применения свежего пересыпочного материала дают незначительный результат и больше предназначено для поддержания текущего состояния прогиба простенка, предлагается выполнения принудительного исправления прогиба простенков имеющих отклонение от оси более 35 мм, которые согласно инструкции производителя требуется заменить. Применение для меньшего значения менее оправдано с экономической точки зрения.
В качестве инструмента возможно применение гидравлической системы и распорной конструкции. Технологию выправления прогиба разрабатывать согласно полученным результатам. Предположительная процедура: выполнять в сторону загруженной кассеты со свежим пересыпочным материалом, со стороны опорного простенка должна быть выполнена загрузка рабочим материалом и опорная часть распорной конструкции должна иметь большую площадь.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Технология производства алюминия на электролизерах АО «Казахстанский электролизный завод» [Текст] : монография / А. Т. Ибрагимов, Р. В. Пак. -Павлодар : ТОО «Дом печати», 2012. - 288 с. - ISBN 978-601-7112-56-1
2 Аноды алюминиевых электролизеров [Текст] : научное издание / Э. Янко. - М. : ИД «Руда и Металлы», 2001. - 672 с. - ISBN 5-8216-0030-8
3 Мир знаний. Анодное устройство электролизера. / Статьи : информационный портал [Электронный ресурс]. - URL: http://mirznanii.com/a/193117/anodnoe-us-troystvo-elektroKzyera.
4 Трофимова, Ю. С. Особенности электролизеров различных типов [Текст] / Ю. Трофимова, А. Жунусов // Вестник Инновационного Евразийского университета. - 2013. - № 3. - С. 68-71.
5 Прошкин, А. В. Borafb - огнеупорные изделия для кладки печей обжига анодов [Текст] / А. Прошкин, А. Сакулин, В. Скурихин, О. Кузнецова // VI Междунар. конгресс «Цветные металлы и минералы 2014». - Красноярск, 2014. - С. 884-888.
6 Садлер, В. Ключевые проблемы производства анодов и обеспечение их качества [Текст] / В. Садлер // VI Междунар. конгресс «Цветные металлы и минералы 2014». - Красноярск, 2014. - С. 822-845.
7 Вальц, В. Применение андалузита в печах обжига анодов [Текст] / В. Вальц, Х. Паскаль // Алюминий Сибири-2006 г. : Сб. научн. Статей. - Красноярск : «Бона компани», 2006. - С. 289-298.
8 Майер, М. В. Трещины. Поведение трещин в анодах [Текст] : научное издание / Маркус В. Майер : R&D Carbon Ltd., 1996. - 220 с. - ISBN 3-9521028-1-4.
9 Келлер, Ф. Обжиг анодов. Обжиг анодов алюминиевой промышленности [Текст] : Феликс Келлер, Петер О. Сульгер. - Сьер, Швейцария : Calligraphy, 2007. - 363 с. - ISBN 978-2-940348-19-0.
10 Keller, F. Process controlled operation of backing furnaces / F. Keller, S. Oberdolz // Aluchemic and Alusuisse : R&D Carbon (Netherlands, Switzerland), 1992. - Р. 134-137.
Материал поступил в редакцию 15.05.18.
А. К. Жунусов1, К. А. Бектемиров2
Анод куйдфу пеш1И1н тесешшшщ кызмет ету мерзшш узарту мYмкшдlгш талдау
1,2С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 15.05.18 тYстi.
A. K. Zhunusov1, K. A. Bektemirov
Analysis of the possibility of extending the service life of the anode furnace lining
1,2S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 15.05.18.
Мацалада алюминий eudipici ушт анод кYйдiру пешш цызмет ету Mep3iMiH узарту мумктдт мэселесше назар аударудыц мацызды ceбeбi царастырылган. Цызметтщ мepзiмiн узартудыц бipнeшe эдютерт жеке жэне аралас турде цолдануды талдау нэтижeлepi кeлтipiлгeн. Щолданудан оц жэне жагымсыз, ыцтимал экономикалыц эcepлepi белгшенген.
The article considers the reason for the importance of attention to the problem and analyzes the possibilities for increasing the service life of the lining of the anode burning furnace for aluminum production. The results of the analysis of the application of several methods for increasing the service life are presented, both individually and in combination. There are positive and negative effects from the application, and a possible economic effect.
