CC BY
29
УДК 669.713.7
ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОЛИЗЁРОВ ОА-300 5-ОЙ СЕРИИ ИРКУТСКОГО АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА
Е.Ю.Радионов1, В.А.Ершов2
1ОАО Сибирский научно-исследовательский, конструкторский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности, г. Иркутск, ул. Советская, 55.
2Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На электролизерах с обожженными анодами на силу тока 300 кА проведены натурные измерения МГД-полей, в том числе параметров магнитного поля в металле, и запаса МГД-стабильности по напряжению. Выполнен анализ магнитного поля, определены особенности, связанные с формированием горизонтальных токов, установлено значение, характеризующее запас МГД-стабильности. Проведенные исследования выявили некоторые особенности в формировании магнитной гидродинамики на данном типе электролизера. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: электролизер с обожженными анодами; магнито-газо-гидродинамическая стабильность; магнитное поле; магнитная индукция; горизонтальные токи.
THE FEATURES OF MAGNETIC HYDRODYNAMICS OF ELECTROLYZERS OF ОА - 300 5 SERIES OF IRKUTSK ALUMINUM PLANT E.Y.Radionov, V.A.Ershov
Public Corporation Siberian scientific- research designed institute of aluminum and electrode industry 55 Soviet St., Irkutsk Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors performed natural measurements of magnetic hydrodynamical fields including the parameters of a magnetic field in metal, and the resource of magnetic hydrodynamical stability according to voltage on the electrolyzers with roasted anodes with the current force 300kA. They carried out the analysis of the magnetic field, determined features connected with the formation of horizontal currents, specified the value characteristic of the resource of magnetic hydrodynamical stability. Carried out researches revealed some peculiarities in the generation of magnetic hydrodynamics on the given type of the electrolyzer. 5 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: electrolyzer with roasted anodes; magnet-, gas-, hydrodynamical-stability; magnetic field; magnetic induction; horizontal currents.
Развитие алюминиевой промышленности России идет по пути интенсификации действующих производств и строительства новых мощностей с установкой сверхмощных электролизеров на силу тока 300 кА и выше с целью снижения удельных капитальных затрат на строительство. Решение данной проблемы возможно двумя способами: модернизацией существующих электролизёров либо размещением на месте устаревших ванн электролизёров нового поколения на силу тока 300 кА и выше.
Электролизёр для получения алюминия представляет собой сложную инерционную систему, эффективность работы которой зависит от электрических, тепловых, магнито-, газо- гидродинамических (МГД) и физико-химических факторов и явлений. При этом для мощных электролизёров проблема МГД-стабильности является наиболее сложной и важной.
Достижение высоких технико-экономических показателей на сверхмощных электролизёрах без правильно сконструированной ошиновки, обеспечивающей высокую МГД-стабильность электролизёра при оптимальных магнитогидродинамических характеристиках, невозможно. Магнитогидродинамически сбалансированная конструкция ошиновки в наибольшей мере определяет эффективность конструкции электролизёра в целом и возможность достижения высоких технико-экономических показателей.
Известно, что при взаимодействии магнитного поля, создаваемого токоведущими элементами ванны, с токами находящимися в расплаве металла, образуются электромагнитные силы Лоренца. В электролизёре силы Лоренца вызывают различные виды колебательного движения металла, ведущего в конечном итоге к его потерям. В зависимости от конструктивных
1Радионов Евгений Юрьевич, научный сотрудник лаборатории производства алюминия, тел.: (3952)405519, e-mail: [email protected]
Radionov Evgenii Yurjevich, a research worker of the laboratory on aluminum production, tel.: (3952)405519, e-mail: [email protected]
2Ершов Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: 89041180044.
Ershov Vladimir Alexandrovich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Automation of Industrial Processes, tel.: 89041180044.
особенностей электролизёра, а также специфики его работы поверхность металла может принимать разно-
одинаковыми технологическими показателями работы, согласно следующей схеме замеров (рис.1).
iiiiiiiimiiiiiiiii
/ *11 13Выходная стЩ)она X. I*16 '13 '19 '20
'Анодные блоки
Рис. 1. Точки замеров напряженности магнитного поля
образные формы движения. В том случае, когда колебательные движения металла достигают критических значений (частота колебаний 0,07 - 0,02 Гц и амплитуда 70+100 мВ [1, 2]), возникает крайне негативное явление, называемое магнитогидродинамической (МГД) нестабильностью, сопровождающееся ухудшением основных технико - экономических показателей.
Электролизёр типа ОА-300 является высокомощным агрегатом нового поколения, эксплуатируемым в масштабах серии Иркутского алюминиевого завода. Проведенные исследования выявили некоторые особенности в формировании магнитной гидродинамики на данном типе ванн:
Магнитное поле. Для высокомощных электролизёров уровень скомпенсированности магнитного поля в расплаве металла играет важную роль в формировании перекоса, а также контуров и скоростей циркуляции катодного металла.
В общем виде основные требования к структуре магнитного поля мощных электролизеров с поперечным расположением формулируются следующим образом:
- минимизация поперечной составляющей магнитной индукции Bx для уменьшения Лоренцовых сил, действующих вдоль длинной стороны электролизера;
- симметризация планарных составляющих магнитной индукции относительно продольной (By) и поперечной (Bx) осей электролизера с переменой знака максимально близко к ним;
- знакопеременность вертикальной составляющей магнитной индукции (Bz) по сторонам для снижения скорости циркуляции металла в контурах расплава;
- минимизация абсолютного значения (модуля) вертикальной составляющей магнитной индукции (Bz) и ее градиента по длинной стороне электролизера для снижения пороговых значений МГД - нестабильности.
Выполнение указанных требований позволяет обеспечить приемлемые показатели по созданию многоконтурной схемы циркуляции расплава с максимальной скоростью до 10см/с, перекосом не более 2см и достаточным запасом по МГД - устойчивости [3].
Измерение напряженности магнитного поля на исследуемых ваннах проводилось в середине слоя металла при помощи магнитометра MAL - 3.1 на группе, состоящей из 10 электролизёров с приблизительно
Средние результаты измерений напряженности магнитного поля на исследуемых электролизерах представлены в таблице.
Средние значения напряженности магнитной
Входная сто рона
Точки замеров Вх Ву Вz
1 -2 9,6 -4
2 -2,3 11,2 -3,5
3 -1 12 -2,6
4 -0,8 12,7 -1,6
5 0,2 13 -0,9
6 0,6 13,7 0
7 1,1 13,5 1,1
8 1,4 13,1 2
9 2 11 2,9
10 2,5 10 3,8
Выходная сторона
Точки замеров Вх Ву Вz
11 2,3 -9,3 -2,1
12 1,5 -8,4 -2
13 1,6 -7,9 -1,8
14 0,5 -6,7 -1,7
15 0 -6,9 -0,8
16 -0,9 -6,4 -0,7
17 -1 -6,7 0
18 -1,9 -7 0,1
19 -1,7 -7,8 0,6
20 -2,5 -8,8 1,1
Из таблицы видно, что средние модульные значения поперечной (Вх) составляющей магнитной индукции имеют относительно небольшую величину - 1,4 мТл. Данный факт свидетельствует о незначительном влиянии Лоренцовых сил, действующих вдоль длинной стороны электролизера.
Значения продольной (Ву) и поперечной (Вх) составляющих магнитной индукции указывают на их симметризацию относительно осей электролизера с переменой знака максимально близким к ним.
Вертикальная (Ве) составляющая является минимальной (вz |)= 1,7мТл и отвечает условию знако-переменности (табл. 1). Такое поведение данной составляющей магнитной индукции показывает на ском-пенсированность магнитных полей, действующих от рядом стоящих ванн соседних корпусов, что в конеч-
а) б) в)
Рис. 2. Характер распределения тока по сторонам электролизёра: а - форма настыли, близкая к идеальной; б - длинная настыль; в - отсутствие настыли
ном итоге является одной из причин наилучшей циркуляции металла в этих условиях.
Горизонтальные токи. Горизонтальные токи в расплаве металла так же, как и некомпенсированные магнитные поля, служат одним из основных источников МГД - неустойчивости электролизёра. По своей природе горизонтальные токи могут действовать как постоянно, в случае несоответствия анодов катодным блокам, некорректно подобранной схемы перестановки анодов, так и временно в зависимости от подбора технологических параметров. Очень высока частота образования горизонтальных токов на электролизёрах, имеющих такие технологические отклонения, как закоржованность, наличие постоянных нерастворимых осадков, не соответствующая проекции анода подовая настыль [4]. Как показано на рис. 2, с изменением формы настыли на ванне изменяются величины горизонтальных токов, влияющих на вертикальную составляющую магнитной индукции (Ве). С изменением Ве характер горизонтальных составляющих (Ву и Вх) также может меняться, т.к. возникновение горизонтального тока ведёт к изменениям в направлении течения вертикального тока, сказывающегося на этих величинах напряженности магнитного поля.
На рис. 2 цифрами обозначены: 1 - анод; 2 - катодный блок; 3 - электролит; 4 - подовая настыль; 5 -расплавленный металл; 6 - катодный стержень (блюмс).
Для электролизёра типа ОА-ЗОО характерны следующие особенности, связанные с формированием горизонтальных токов:
1. Исследуемые ванны работают на относительно невысоком уровне металла (17,5 см), что приводит к увеличению плотности горизонтальных токов в нём.
2. Для ФРП данных электролизёров характерен небольшой гарнисаж (4-7 см), а также незначительные размеры подовой настыли по высоте и длине. Вышеуказанное обстоятельство не является столь критичным с точки зрения негативного влияния горизонтальных токов, поскольку существующая форма настыли ограничивает движение тока в районе периферийного шва с относительно более высоким сопротивлением, чем у катодного блока. Однако это провоцирует более интенсивное разрушение данного участка в условиях постоянного воздействия агрессивной среды расплава электролита, находящегося ниже катодного металла по условиям смачивания.
3. Ещё одним не менее важным фактором, влияющим на формирование горизонтальных токов, является схема замены анодов. Как показали испытания, проводимые на опытном участке Уральского алюминиевого завода «Электролиз - 300», действующая на электролизёрах ОА - 3ОО схема замены анодов обеспечивает снижение частоты образования «шеек» на аноде, а также способствует относительно устойчивой работе электролизёров с точки зрения его МГД - стабильности при силе тока 300 - 330 кА. С повышением же силы тока до 350 кА и выше возникает необходимость в изменении существующей схемы замены анодов на ту, которая бы обеспечивала более равномерное токораспределение по анодному массиву, тем самым уменьшая вероятность возникновения горизонтальных токов.
МГД - стабильность. С точки зрения критерия, характеризующего работу электролизёра, МГД -стабильность является неким совокупным параметром, объединяющим как прямые (скомпенсирован-ность магнитного поля, наличие или отсутствии горизонтальных токов), так и косвенные(колебания тока серии, частота возникновения АЭ, циклы работы АПГ и др.) факторы, влияющие на его величину.
Определение уровня МГД - стабильности на электролизёрах ОА - 300 проводилось методом «зажатия» снижения рабочего напряжения путем опускания анодного массива. «Зажатие» производили ступенчато, опусканием анода примерно по 40 секунд, что соответствовало изменению межполюсного расстояния (МПР) на ~ 19 мм или 100-150 мВ напряжения [5].
Обычно запас МГД - устойчивости определяется по «критическому» напряжению, при котором возникают гармонические колебания напряжения на электролизере с частотой ~ 0,07 - 0,02 Гц и амплитудой ~ 70-100 мВ.
Для проведения измерений колебания напряжения применялся цифровой многоканальный самописец Р1а$1"несогс1ег (производство АйС!аЬ, г. Москва), который позволяет снимать данные в цифровом виде с частотой 10 Гц и записывать их на жесткий диск компьютера (прибор использовался совместно с ноутбуком) (рис. 3).
Зажатие проводилось на 10 электролизерах, работающих без технологических и конструктивных особенностей.
Результат измерений показал, что искомые гар-
монические колебания напряжения с амплитудой ~ 70+100 мВ на электролизерах не отслеживаются вплоть до напряжения в 3,14 В (рис. 4).
гнозируемый характер, основной причиной которого является, как правило, дисбаланс электромагнитных полей, создаваемых ошиновкой.
Рис. 3. Внешний вид многоканального самописца Flashrecorder
О 2000 4000 6000
Рис. 4. Динамика изменения напряжения при определении критического напряжения
Из рис. 4 видно, что при достижении напряжения в 3,14 В возникли колебания напряжения с частотой 0,008 Гц (период 125 с) и амплитудой 35 мВ, которые наблюдались в течение 5 минут, а далее напряжение на электролизере стало плавно самопроизвольно снижаться вплоть до 3.1 В. Причина этого явления, возможно, лежит в процессе поднятия растворенного в электролите металла в область МПР вследствие возникших колебаний поверхности металла, в результате чего сопротивление расплава уменьшилось и напряжение на электролизере соответственно также снизилось. Явление самопроизвольного падения напряжения на электролизере можно отнести к возникновению МГД нестабильности, поскольку при этом стабильная работа ванны невозможна.
В результате эксперимента было установлено, что порог возникновения, а также характер возникновения волнения практически на всех электролизёрах одинаковый и имеет средние значения, характеризующие запас МГД-стабильности в пределах 850 мВ на 300 кА.
Отслеживание возникающих во время «зажатия» колебаний металла производилось путем разложения исследуемого сигнала в ряд Фурье вида
уЦ) = 2 А ^т(2жу11 + 0,),
где A¡ - амплитуда ¡-го колебания; v¡ - частота ¡-го колебания.
После преобразования «критического» напряжения в ряд Фурье для дальнейшего анализа были отобраны колебания напряжения на электролизере с частотой, входящей в интервал ~ 0,01+0,05 Гц [6]. Общий вид полученных после Фурье преобразований колебаний представлен на рис. 5.
Исследования авторов [7] показывают, что основной вид колебательных движений на электролизёрах с пятистоячной ошиновкой имеет сложный и труднопро-
Рис. 5. Динамика изменения напряжения на электролизёре во время МГД-нестабильности
Проведенные исследования состояния МГД - стабильности на электролизёрах, находящихся рядом с ваннами, на которых проводился эксперимент по установлению уровня МГД - стабильности, не выявило каких-либо изменений. Отсюда следует, что для данного типа ванн, работающих на силе тока 300 кА, нехарактерно получившее распространение на подобных конструкциях электролизёров явление сцепленного волнения. Выводы:
1. Исследования показали, что для электролизёров ОА - 300 характерны оптимально подобранные как технологические параметры, так и конструктивные решения, что в конечном итоге обусловливает стабильность его работы на силе тока 300 кА.
2. Порог возникновения, а также характер возникновения волнения практически на всех электролизёрах одинаковый и имеет средние значения, характеризующие запас МГД-стабильности в пределах 850 мВ на 300 кА.
3. Проведенный эксперимент по установлению запаса МГД - стабильности показал, что для данного типа ванн существует резерв в повышении силы тока до 330 кА и выше.
Библиографический список
1. Larry Banta, Congxia Dai, Philip Biedler. NOISE CLASSIFICATION IN THE ALUMINUM REDUCTION PROCESS. // Light Metals 2003, p.431-435.
2. Jeffrey T Keniry, Graeme C Barber et all. DIGITAL PROCESSING OF ANODE CURRENT SIGNALS:AN OPPORTUNITY FOR IMPROVED CELL DIAGNOSIS AND CONTROL // Light Metals 2001, p.1225-1233.
3. Металл как подсистема алюминиевого электролизера. Слученков О.В. [и др.] // Алюминий Сибири -2005 г.: сборник. Иркутск, 2005.
4. Kai Grjotheim and Halvor Kvande Understanding te Hall-Heroult Process for Production of Aluminium. Dusserdolf: -Aluminium-Verlag, 1986.
5. Таблица физических величин: справочник / под ред. акад. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
6. Larry Banta, Congxia Dai, Philip Biedler. NOISE CLASSIFICATION IN THE ALUMINUM REDUCTION PROCESS. // Light Metals 2003, p.431-435.
7. Nobuo Urata. WAVE MODE COUPLING AND INSTABILITY IN THE INTERNAL WAVE IN ALUMINUM REDUCTION CELLS. // Light Metals 2005, p.455-460.
