Проект цеха электролиза производительностью 315 тыс. т алюминия в год с установкой электролизеров с обожженными анодами на силу тока 315 кА

I₂ = I₁ + 1,2 • 10^-3 • I₁ = 1,0012 • I₁

I₃ = I₂ + 1,2 • 10^-3 • (I₁ + I₂) = 1,0036 • I₁

I₄ = I₃ + 1,2 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃) = 1,0072 • I₁

I₅ = I₄ + 1,2 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄) = 1,0120 • I₁

I₆ = I₅ + 1,2 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + I₅) = 1,0180 • I₁

I₇ = I₆ + 1,2 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + I₅ + I₆) = 1,0253 • I₁

?I₁- I₆ = 6,042 ?I₁- I₇ = 7,0673

- для двухшинного участка:

I₂ = I₁ + 0,6 • 10^-3 • I₁ = 1,0006 • I₁

I₃ = I₂ + 0,6 • 10^-3 • (I₁ + I₂) = 1,0018 • I₁

I₄ = I₃ + 0,6 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃) = 1,0036 • I₁

I₅ = I₄ + 0,6 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄) = 1,006 • I₁

I₆ = I₅ + 0,6 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + I₅) = 1,009 • I₁

I₇ = I₆ + 0,6 • 10^-3 • (I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + I₅ + I₆) = 1,0126 • I₁

?I₁- I₇ = 7,0336

Подставив найденное значение I₁ в выражение сил тока (I₂, I_3, I₄, I₅, I₆, I₇), найдем распределение силы тока по остальным катодным стержням всех пяти участках шинопровода.

Результаты расчета распределения тока по катодным стержням представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Распределение тока по катодным стержням

Участок шинопровода	Порядковый номер катодного стержня	Итого
	1	2	3	4	5	6	7
I	3580	3584	3593	3606	3623	3644	3671	25301
II	3580	3582	3586	3593	3601	3612	3625	25179
III	3580	3584	3593	3606	3623	3644	3671	25301
IV	3580	3582	3586	3593	3601	3612	-	21554
V	3580	3584	3593	3606	3623	3644	3671	25301
VI	3580	3582	3586	3593	3601	3612	3625	25179
VII	3580	3584	3593	3606	3623	3644	3671	25301

С использованием найденных значений сил тока в 7 участках катодной ошиновки можно определить потери мощности на каждом катодном участке ошиновки электролизера.

2.6.8.2 Определение падения напряжения в катодной и анодной ошиновке электролизёра

Расчет потерь мощности в анодной ошиновке проводится, исходя из условия равномерного распределения силы тока по анодным блокам:

(37)

где: I - сила тока серии, А

К - количество анодных блоков.

Расчет проводится с учетом двухрядного расположения анодных блоков с каждой стороны анода.

Результаты расчета потерь мощности в ошиновке электролизера приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Потери мощности в ошиновке

Номер участка	Длина, см	Площадь сечения,см2	с · 10-6, Ом·см	R · 10-6, Ом	Сила тока, А	Потери мощности, Вт
1	2	3	4	5	6	7
1	37	2142	3,332	0,06	3580	0,74
2	37	2142	3,332	0,06	7160	2,95
3	37	2142	3,332	0,06	10740	6,64
4	37	2142	3,332	0,06	14320	11,8
5	37	2142	3,332	0,06	17900	18,44
6	37	2142	3,332	0,06	21480	26,55
7	422	2142	3,332	0,65	25060	412,25
8	37	1071	3,332	0,12	3580	1,48
9	37	1071	3,332	0,12	7160	5,9
10	37	1071	3,332	0,12	10740	13,28
11	37	1071	3,332	0,12	14320	23,6
12	37	1071	3,332	0,12	17900	36,88
13	37	1071	3,332	0,12	21480	53,11
14	644	1071	3,332	2,01	25060	1258,24
15	37	1071	3,332	0,12	3580	1,48
16	37	1071	3,332	0,12	7160	5,9
17	37	1071	3,332	0,12	10740	13,28
18	37	1071	3,332	0,12	14320	23,6
19	37	1071	3,332	0,12	17900	36,88
20	37	1071	3,332	0,12	21480	53,11
21	242	1071	3,332	0,75	25060	472,82
22	37	1071	3,332	0,12	3580	1,48
23	37	1071	3,332	0,12	7160	5,9
24	37	1071	3,332	0,12	10740	13,28
25	205	1071	3,332	0,64	14320	130,78
26	37	2142	3,332	0,06	3580	0,74
27	37	2142	3,332	0,06	7160	2,95
28	37	2142	3,332	0,06	10740	6,64
29	37	2142	3,332	0,06	14320	11,8
30	37	2142	3,332	0,06	17900	18,44
31	37	2142	3,332	0,06	21480	26,55
32	205	2142	3,332	0,32	25060	200,26
33	37	1071	3,332	0,12	3580	1,48
34	37	1071	3,332	0,12	7160	5,9
35	37	1071	3,332	0,12	10740	13,28
36	37	1071	3,332	0,12	14320	23,6
37	37	1071	3,332	0,12	17900	36,88
38	37	1071	3,332	0,12	21480	53,11
39	242	1071	3,332	0,75	25060	472,82
40	37	1071	3,332	0,12	3580	1,48
41	37	1071	3,332	0,12	7160	5,9
42	37	1071	3,332	0,12	10740	13,28
43	37	1071	3,332	0,12	14320	23,6
44	422	1071	3,332	0,65	17900	420,66
45	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
46	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
47	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
48	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
49	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
50	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
51	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
52	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
53	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
54	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
55	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
56	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
57	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
58	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
59	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
60	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
61	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
62	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
63	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
64	74	3076	3,332	0,08	7500	4,51
65	300	3076	3,332	0,33	75000	1827,94
66	300	3076	3,332	0,33	75000	1827,94
67	300	1842	3,332	0,54	44500	1074,62
68	300	3076	3,332	0,33	75000	1827,94
69	300	3076	3,332	0,33	75000	1827,94
70	300	3209	3,332	0,31	75000	1752,18
71	350	3209	3,332	036	75000	2044,21
72	520	1071	3,332	1,62	25060	1015,97
73	350	2142	3,332	0,54	50120	1367,65
74	520	1071	3,332	1,62	25060	1015,97
75	350	3209	3,332	0,36	75000	2044,21
76	520	1071	3,332	1,62	25060	1015,97
77	350	3209	3,332	0,33	75000	2044,21
78	300	3209	3,332	0,31	75000	1752,18
79	520	2142	3,332	0,8	50120	2031,94
80	103	1071	3,332	0,32	25060	201,24
81	103	2142	3,332	0,16	50120	402,48
82	103	1071	3,332	0,32	25060	201,24
83	235	1071	3,332	0,73	25060	459,14
84	235	2142	3,332	0,36	50120	918,28
85	160	3076	3,332	0,17	75000	974,9
86	160	3076	3,332	0,17	75000	974,9
87	160	3076	3,332	0,17	75000	974,9
88	160	3076	3,332	0,17	75000	974,9

Рассчитанные значения потерь мощности на отдельных участках ошиновки используются для определения потерь напряжения:

а) в анодной ошиновке:



?U_ан.ош.= ??W_ан.ош. / I₁+I₂+I₃+I₄+I₅ = 3354,82 / 157500 = 0,021 В (38)

б) в катодной ошиновке:

?U_к.ош.= ??W_к.ош. / I₁+I₂+I₃+I₄+I₅ = 3792,24 / 157500 = 0,024 В (39)

в) в анодных стояках и гибких пакетах:

?U_ан.ст.= ??W_ан.ст. / I₁+I₂+I₃+I₄+I₅ = 1351,37 / 157500 = 0,008 В (40)

г) в катодных спусках:

?U_сп= I_сп·R_сп= 315000 · 3,9 ·10^-6 / 88 = 0,013 В (41)

д) в контактах принимаются по практическим данным (табл. 2.6)

Таблица 2.6

Потери напряжения в контактах

Контакт	?U , В
«Контакт стержень - спуск»	0,005
«Катодный спуск - катодная шина»	0,002
«Гибкий пакет - стояк»	0,002
«Катодная шина - гибкий стояк»	0,003
«Анодный стояк - анодная шина»	0,010
«Анодная шина - штанга анододержателя»	0,015
Итого	0,037

е) в шинах, связывающих анодную и катодную ошиновку между электролизерами ?U_м.э = 0,049 В

ж) Падение напряжения в общекорпусной ошиновке (торцы корпуса, проходы, проезды, соединительный коридор) составляет:

0,01 В ,

где: 65х7 - сечение шин, см²;

22 - количество шин в пакете;

9050 - длина общекорпусной ошиновки, см;

92 - количество электролизеров в корпусе.

Итого суммарные потери напряжения в ошиновке электролизера составят:

?U_ош= 0,021 + 0,024 + 0,008+ 0,013+ 0,037 + 0,049+ 0,01 = 0,162 В.

Зная греющее напряжение и потери напряжения в ошиновке находим среднее напряжение электролизера:

U_ср = 3,866 + 0,162 = 4,028 В

Из приведенных выше расчетов находим рабочее напряжение - это фактическое напряжение (среднее напряжение U_ср) без учета напряжения от анодных эффектов ?U_а.э. и общекорпусной ошиновки:

U_р = U_ср - ?U_а.э.- ?U_{общекорп} = 4,028 - 0,003 - 0,01=4,015 В (42)

По результатам расчета составляется электрический баланс электролизера (табл. 2.7).

Таблица 2.7

2.6.9 Баланс напряжения электролизёра

№ п/п	Наименование	Обозначение	Значение, В	%
1	Напряжение разложения глинозёма	Eр	1,604	39,82
2	Падение напряжения в анодном узле	ДUа.у.	0,317	7,88
3	Падение напряжения в подине	ДUn	0,342	8,49
4	Падение напряжения в электролите	ДUэл	1,6	39,72
5	Падение напряжения от анодных эффектов	ДUаэ	0,003	0,07
6	Греющее напряжение	Uгр	3,866	95,98
7	Падение напряжения в ошиновке (с учётом общесерийной ошиновки)	ДUош	0,162	4,02
8	Среднее напряжение	Uср	4,028	100
9	Рабочее напряжение	Uраб	4,015	99,6

2.7 Энергетический баланс электролизёра

Энергетические характеристики электролизёра обычно строятся по принципу соответствия расхода энергии её приходу. Иными словами, в условиях установившегося теплового равновесия электролизёра расход тепла в единицу времени должен быть равен его приходу. Только в этом случае можно обеспечить нормальную работу электролизёра.

Составление теплового баланса действующего электролизёра позволяет выявить причины, вызывающий повышенный расход электроэнергии, найти оптимальное межполюсное расстояние. Расчёт производится применительно к температуре окружающей среды +25°С и в кДж/с (согласно ГОСТа).

При составлении теплового баланса электролизёра используются данные конструктивного, материального балансов и электрического расчёта электролизёра.

2.7.1 Приход тепла

1. Приход тепла от электроэнергии (Q_ээ) рассчитывается по формуле:

где: 0,86 - тепловой эквивалент Ватт-часа, ккал/Вт·ч.

2. Приход тепла от сгорания угольного анода (Q_ан) рассчитываетсяпо уравнению:

где: Р_СО2 и Р_СО2 - число молей в час СО₂ и СО, соответственно;

- тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО,

соответственно: 94 050, ккал/кмоль и 26 400 ккал/кмоль [4].

При выходе по току 95% состав анодных газов характеризуется объёмным соотношением: СО₂ : СО = 70 : 30.

Часовая производительность электролизёра равна:

где: F - число Фарадея (26,8 А·час/г моль).

Количество кислорода, выделяющегося при этом:

Из химических реакций:

Решая два уравнения:

получим:

Итого: приход тепла составит:

2.7.2 Расход тепла

Расход тепла (Q_paсх) включает в себя четыре статьи:

1. Расход тепла на разложение глинозёма (Q_paзл) определяется по формуле:

где: Р_Al2O3 - расход глинозёма на электролитическое разложение, кмоль/ч;

- тепловой эффект реакции образования Аl₂О₃, равный 400 000 ккал/кмоль [4].

2.Унос тепла с вылитым алюминием (Q_мет) составит [2]:



P_Al - часовая производительность электролизёра, кмоль/ч;

- теплосодержание Аl при 960°С и 25°С (их разность равна 8 910 ккал/кмоль [4]).

3. Унос тепла с газами (Q_газ) рассчитывается по формуле:

где: V₀ - приведённый объём газов в нормальных условиях, нм³/ч;

с - плотность при нормальных условиях 1,252 кг/нм³;

С_р - средняя удельная теплоемкость газов 0,24 ккал/кг·град,

t_г, t_c - температура отходящих газов и окружающей среды [4].

Объём газоотсоса от одного электролизёра:

- при закрытых шторах - 10 050 м³/ч;

- при одной открытой стороне укрытия - 15 500 м³/ч.

Средний объём газоотсоса с учётом работы электролизёра с открытым укрытием при температуре 50°С составит:

2.7.2.1 Потери тепла конструктивными элементами электролизёра

Расчёт тепловых потерь производится по формуле [3]:



где: S - площадь теплоотдающей поверхности, м²;

б - коэффициент конвективной теплопередачи, ккал/м²·ч·град; для вертикальных стенок электролизёра [2]:

ккал/м²·ч·°С (перевод единицы измерения), а здесь

Дж/м²·с·°С,

где: А_к - коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры (табл. 2.8.);

t_П - температура поверхности,°С;

t_c - температура среды,°С;

4,9 - коэффициент излучения абсолютного черного тела, ккал/м²·ч·(К)⁴;

е_П - приведённая степень черноты;

ц - коэффициент облучённости окружающего пространства рассматриваемой поверхности;

Т_П,Т_С - температура поверхности и воздуха, соответственно, К.

Таблица 2.8

Зависимость А_к от температуры для вертикальной стенки

tм*, К	0	50	100	200	300	500	1000
Ак	6,07	5,31	4,77	4,06	3,56	2,93	2,01

^*t_м = 0,5·(t_П+t₀);

Степень черноты теплоотдающих поверхностей для стали принимаем равной 0,8 для открытых поверхностей электролита 0,15, алюминия 0,56.

2.7.2.1.1 Теплопотери анодного устройства

1. Боковая стенка балки - коллектора (Q_б-к).

t_П = 90°С (Т_П = 363 К);

t_c = 25°С (Т_с = 298 К);

Площадь вертикальных стенок балки-коллектора S^вep = 49,5 м², а горизонтальных S^гop = 30,2 м²,

б^{верт.стенок} = 12,05 ккал/м²·ч·град,

б^гор = 12,05 · 1,3 = 15,7 ккал/м²·ч·град.

Теплопотери от вертикальных стенок и горизонтальной стенки балки-коллектора составят:

Q_б-k = 49,5 · (12,05 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)⁴ - (298 ч 100)⁴])

+ 30,2 · (15,7 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)⁴ - (298 ч 100)⁴]) = 66

135 ккал/ч.

2. Горизонтальные створки укрытия (Q_гсу).

t_П = 90°С (Т_П = 363 К); t_c = 25°С (Т_с = 298 К);

S = 13,8 м²;

А_к = 3,47

ккал/м²·ч·град.

Q_гсу = 13,8 · (15,6 · (90 - 25) + 4,9 · 0,8 · 0,8[(363 ч 100)⁴ - (298 ч 100)⁴]) =

14 290 ккал/ч.



3. Алюминиевые штанги анодов

t_П = 90°С (Т_П = 363 К); t_c = 25°С (Т_с = 298 К);

А_к = 3,49

S = 36,5 м² (поверхность штанги выше укрытия);

ккал/м²·ч·град

Q_Alшт = 36,5 · (12,05 · (90 - 25) + 4,9 · 0,56 · 0,8 [(363 ч 100)⁴ - (298 ч

100)⁴]) = 28 810 ккал/ч.

4. Наклонные створки укрытия (Q_ств).

t_П = 63°С (Т_П = 336 К); t_c = 25°С (Т_с = 298 К);

Площадь наклонных створок по длинным сторонам электролизёра и торцевых щитов: S =63,88 м²;

А_к = 3,48

ккал/м²·ч·град

Q_ств = 63,88 · (10,05 · (63 - 25) + 4,9 · 0,56 · 1 · [(336 ч 100)⁴ - (298 ч

100)⁴]) = 24 529 ккал/ч.

5. Открытая поверхность электролита (Q_опэ)

t_П = 960°С (Т_П = 1 233 К); t_c = 25°С (Т_с = 298 К);

S = 5,2 м²;

А_к = 3,15

ккал/м²·ч·град



При расчёте используется коэффициент, равный 0,025, при расчёте которого учитывается время работы электролизёра с открытым укрытием (периодическая обработка длинных сторон электролизёра, гашение анодных эффектов, перестановка анодов).

Q_опэ = 5,2 · 0,025 · (26,5 · (960 - 25) + 4,9 · 0,15 · 0,8 · [(1233 ч 100)⁴ -

(298 ч 100)⁴]) = 4 982 ккал/ч.

Итого: потери тепла анодным устройством:

Q_{ан.устр.}= 66 135 + 14 290 + 28 810 + 24 529 + 4 982 = 138 746 ккал/ч =

161,3 кДж/с.

2.7.2.1.2 Теплопотери катодного устройства

1. Обортовочный лист:

t_П = 131°C (Т_П = 404К); t_o = 25°C (T_o = 298K); t_м = 0,5 · (404 + 25) = 351

К;

S = 5,1 м², А_к = 3,41, тогда б = 0,859 · 3,41 · (131 - 25)^1/3 = 13,86

ккал/м²·ч·°C

2. Верхний пояс кожуха:

t_П = 179°C (Т_П = 452 К); t_o = 25°C (T_o = 358 K); t_м = 0,5 · (452 + 298) = 375

К;

S = 31,42 м², А_к = 3,20, тогда б = 0,859 · 3,20 · (179 - 25)^1/3 = 12,5

ккал/м²·ч·°C

3. Нижний пояс кожуха:

t_П = 110°C (Т_П = 383 К); t_o = 25°C (T_o = 298 K); t_м = 0,5 · (383 + 298) = 340

К;

S = 16,88 м², А_к = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (110 - 25)^1/3 = 13

ккал/м²·ч·°C

4. Торец кожуха:

t_П =110°C (Т_П = 383 К); t_o = 25°C (T_o = 298 K); t_м = 0,5 · (383 + 298) =

340,5 К;

S = 15,6 м², А_к = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (110 - 25)^1/3 = 13

ккал/м²·ч·°C

5. Блюмсы:

t_П = 204°C (Т_П = 477 К); t_o = 25°C (T_o = 298 K); t_м = 0,5 · (477 + 298) =

387,5 К;

S = 11,78 м², А_к = 3,29, тогда б = 0,859 · 4,57 · (204 - 25)^1/3 = 16

ккал/м²·ч·°C

6. Днище:

t_П = 98°C (Т_П = 371 К); t_o = 25°C (T_o = 298 K); t_м = 0,5 · (371 + 298)=334,5

К;

S = 70,62 м², А_к = 3,44, тогда б = 0,859 · 3,44 · (98 - 25)^1/3 = 8,4

ккал/м²·ч·°C

Итого: потери тепла катодным устройством:

Q_ку= 11 242 + 102 180 + 27 672 + 25 574 + 48 822 + 73 919 =

= 289 409 ккал/ч = 336,4 кДж/с.

Всего: потери тепла конструктивными элементами электролизёра:

Q_кэ = Q_aн.y.+ Q_кат.y = 138746 + 289409 = 428155 ккал/ч = 497,5 кДж/с.

Итого: расход тепла составляет:

Q_рacx = 744403 + 33163 + 70478 + 428155 = 1276199 ккал/ч = 1 483,3

кДж/с.

По данным составляется тепловой баланс электролизёра (табл.2.9).



Таблица 2.9

Тепловой баланс электролизёра

№	Приход тепла
	Статьи	кДж/с	%
1	От электрической энергии	1217,2	81,2
2	От сгорания анода	281,6	18,8
	Итого:	1 498,8	100
№	Расход тепла
	Статьи	кДж/с	%
1	На разложение Аl2О3	865	57,71
2	С вылитым металлом	39	2,6
3	С газами	81,8	5,46
4	Конструктивными элементами:	497,5	33,19
4.1	Анодным устройством	161,3
4.2	Катодным устройством	336,4
	Всего:	1 483,3
	невязка	15,5	1,04
	Итого:	1 498,8	100

2.8 Расчёт объёма производства, характеристика корпуса и цеха электролиза

Производительность корпуса электролиза по алюминию-сырцу зависит от кремниево-преобразовательной подстанции (КПП) и от рабочего напряжения электролизёра.

При строительстве отечественных алюминиевых заводов в основном применяются КПП на 900 в для серии из двух корпусов электролиза. В настоящем проекте принимаем КПП на 900 в.

При этом количество установленных электролизёров в серии (2 корпуса) составит:

,



где: 900 - мощность КПП, в;

34 - резерв напряжения на анодный эффект, в.;

25,5 - резерв напряжения для компенсации напряжения во внешней цепи (принимают в пределах от 1 до 5%) в проекте - 3%, в;

8,5 - потери напряжения в аппаратуре и шинопроводе подстанции, в;

10 - резерв напряжения в серии на пусковые ванны после капитального ремонта и ванны с технологическими нарушениями, в;

4,015 - среднее напряжение электролизёра (см. электрический расчёт электролизёра), в.

В корпусе устанавливается 102 (204ч2) электролизёров. Количество работающих электролизёров в корпусе равно:

,

где: 102 - количество установленных электролизёров, шт.;

7 - простой электролизёра в капремонте (вместе с обжигом), суток (факт опытных электролизёров на 300 кА САЗа);

6 - срок службы электролизёра, лет;

365 - количество дней в году.

Исходя из суточной производительности электролизёра и количества работающих электролизёров, рассчитаем годовую производительность корпуса по алюминию-сырцу:

Q = 2,409 · 101,6 · 365 = 89,3 тыс.т.

Для получения цехом электролиза алюминия-сырца не менее 315 тыс.т. в год требуется строительство 4 корпусов (2 серии электролиза), их годовая мощность по алюминию-сырцу составит: 89,3 · 4 = 357,2 тыс.т/год.

В корпусе электролизёры устанавливаются в один ряд, расположение их - поперечное. Между продольными осями электролизёров - 7 500 мм. (факт корпусов 7,8 САЗа). Это расстояние выбрано с учётом обеспечения необходимых электроизоляционных зазоров между кожухом и стояком, и проходов для обслуживающего персонала, равных 1 150 мм. В полукорпусе два проезда для напольного транспорта шириной 2 650 мм. Соответственно, расстояние между осями электролизёров 7 500 мм и 9 000 мм.

В торце у КПП последние электролизёры устанавливаются с возможностью транспортировки их мостовым краном г/п 2Ч160/32 т в ремонтный торец (сгоняются в торец 4 анодных крана и ось электролизёра совпадает с крюком мостового крана, соблюдая необходимые зазоры между кранами).Противоположный КПП торец - ремонтный торец.

Длина этого торца обеспечивает необходимое пространство для вывоза отработанных катодных устройств в цех капремонта, установки оборотного катодного устройства на отметке ± 0,00 и необходимые площади на рабочей площадке для установки анодного устройства ремонтируемого электролизёра с возможностью проезда напольного транспорта.

С учётом вышеизложенного, для установки 102 электролизёров необходимая длина корпуса 833 м. Ширина корпуса - 28,5 м (пролет здания 27 м).

Эта ширина корпуса обеспечивает необходимые размеры шинного проема, в котором устанавливается электролизёр и катодная ошиновка с оптимальными электроизоляционными зазорами, ширину проезда с противоположной стороны от газоочистки, расстояние от металлических решеток до колонны здания. Выбранная ширина корпуса аналогична работающим двухэтажным корпусам ТадАЗа и САЗа с поперечно расположенными электролизёрами ОА-255 кА и зарубежным корпусам с электролизёрами ОА на 300 кА.

Эта ширина корпуса отвечает требованиям действующих «Правил безопасности при производстве глинозёма, алюминия, магния, кристаллического кремния и электротермического силумина» ПБ11-149-97 [8]. Расстояние между колоннами в корпусе составляет 6 м. Это соответствует СНиП 2.09.02-85 «Производственные здания промышленных предприятий» [10].

Высота корпуса электролиза определяется отметкой рабочей площадки, отметкой рельсового пути кранов и высотой фонаря.

Отметка рабочей площади выбирается равной + 4,Ом на основании практики работы современных отечественных двухэтажных корпусов электролиза САЗа, БрАЗа, ИркАЗа, НкАЗа, КрАЗа.

Такая отметка рабочей площадки улучшает условия для естественной вентиляции корпуса.

Отметка рельсового пути + 13,2 м выбрана с учётом транспортировки анодов над электролизёром.

Отметка низа строительной фермы 18,6 м гарантирует необходимый безопасный зазор от верха анодного и мостового крана г/п 2Ч160/32 т, равный не менее 300 мм.

Высота аэрационного фонаря (на крыше здания) принимается равной 5 м соответственно расчётам, приведённым в настоящей записке в разделе 5.

Здание корпуса - двухэтажное, однопролетное длиной 833 м, пролетом 27 м, высотой (по верху фонаря) 26,9 м, с отметкой рабочей площадки + 4,0 м. Колонны здания - железобетонные с электроизоляционным защитным слоем бетона 35мм от отметки пола + 4м до 7,5 м.

Стены корпуса - панельные толщиной 80 мм.

По длинным сторонам корпуса от отметки ± 0,00 до отметки + 4,0 м предусмотрены проемы, перекрытые металлическими решетками, через которые из первого этажа во второй поступает свежий воздух.

В полу второго этажа по обе стороны каждого ряда электролизёров предусмотрены стальные решетки - плиты перекрытия, через которые из первого этажа этот свежий воздух проходит во второй этаж.

Из второго этажа корпуса загрязненный воздух выбрасывается через аэрационный фонарь.

На отметке + 8,4 м расположены оконные проемы высотой 2 400 мм.

На первом этаже расположены катодные устройства электролизёров и катодная ошиновка. Катодные кожухи устанавливаются через электроизоляцию из асбокартона и текстолита на железобетонные опоры.

Устанавливаются бетонные неармированные столбики с электроизоляцией из асбокартона, асбоцемента, на которые монтируется катодная ошиновка.

В цех электролиза входят 4 корпусов, 2 серии (серия - два корпуса). Каждую серию питает током КПП - 900.

Для каждой серии предусматривается «сухая» газоочистка, состоящая из двух блоков.

Каждый блок газоочистки располагается в межкорпусном дворике и очищает газ с двух полукорпусов.

В середине полукорпуса с 2-х сторон устанавливаются корпусные силоса со свежим и фторированным глинозёмом, из которых глинозём качается в расходные бункера, расположенные в корпусе между колоннами и бункера анодных кранов.

В прикорпусные силоса пневмотранспортом свежий глинозём закачивается из цеховых силосов, имеющих необходимый запас для бесперебойной работы корпусов, фторированный глинозём - из блоков газоочистки.

Входит электролитейная, БВО (блок вспомогательных отделений), компрессорная. В состав завода, кроме цеха электролиза, входят цех обожжённых анодов, цех капремонта (ЦКРЭ), отделение регенерации. Для обеспечения транспортной связи корпуса электролиза соединяются между собой и с другими зданиям цеха электролиза общими соединительным коридором. Ширина соединительного коридора принимается равной 12 м. Отметка проезжей части ± 4 м аналогично работающим отечественным двухэтажным корпусам и цехам электролизёра.

алюминий электролиз цех автоматизация



3. Специальная часть. Разработка мероприятий направленных на увеличение выхода по току и срока службы электролизера

Выход по току является основным технико-экономическим показателем производства алюминия. Он характеризует эффективность подведенной к электролизеру электроэнергии.

На электролизерах с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом выход по току редко превышает 90%, при этом электролизеры оснащены АПГ, высокоэффективной АСУТП. На ваннах с ОА этот показатель может достигать 93-95% благодаря стабильности технологии при использовании также современных средств механизации и автоматизации.

Выход по току зависит от многих факторов: плотности тока, МПР, температуры, гидродинамических явлений в ванне, формы рабочего пространства, криолитового отношения и состава электролита. Правильный подбор всех параметров при нормальном ходе процесса электролиза и дает высокий выход по току, хотя учесть все факторы - очень сложная задача.

В проекте предлагается для повышения выхода по току и срока службы электролизера использование добавки солей лития в электролит.

В табл. 3.1. приведены сравнительные данные о влиянии различных добавок на свойства электролита.

Таблица 3.1

Влияние добавок на свойства электролита

Добавка	Уровень добавки, вес. %	Темп-ра ликвидуса, 0С	Проводи-мость, Ом-1см-1	Плотность г/см3	Вязкость мПа	Поверхн. натяж-е, мДж/м2	Раств-ть Ме, вес. %	Раств-ть Al2O3, вес. %	Давление пара, Па
Криолит*	100	1011	2,874	2.103	2,323	131,5	0.131	12,4	534
CaF2	4 7	-12 -20	-0,057 -0,099	0.018 0,033	0,130 0.228	0.3 -2,6	-0,013 -0,022	-1,5 -2,5	-2 -3
AlF3	4 12	-1 -24	-0,171 -0,439	-0,025 -0,06	-0,091 -0,399	-4,0 --12,3	-0,033 -0,078	-0,4 -1,4	137 596
LiF	1 3	-9 -27	0,047 0,142	-0,005 -0,014	-0,123 -0,399	… …	-0,018 -0,021	-0,5 -0,3	-11 -33
MgF2	1 3	-5 -15	-0,047 -0,139	0,005 1,013	0.041 0,123	… …	-0,004 -0,012	-0,5 -1,4	-10 -11
Al2O3	3 5	-16 -28	-0,145 -0.282	-0,022 -0,040	0,029 0,118	-18,7 -36,6	-0,003 -0,005		-90 -130
Темп-ра**	-25 -50		-0,090 -0.182	0.023 0,047	0.195 0.398	3,5 7.0	-0,040 -0,082	-1.5 -2,8	-165 -282

*В первой строке даны свойства электролита при 1011⁰С, в других - изменения от воздействия добавок и температуры.

**Свойства жидкого криолита экстраполированы ниже точки плавления. Добавки снижают температуру плавления, позволяя работать при таких температурах

Использование солей лития в электролите имеет давнюю историю, в нашей стране роль лития как перспективной добавки в электролит была выяснена профессором Беляевым А.И. Интенсификацию процесса электролитического получения алюминия можно осуществлять, не изменяя конструкции узлов электролизера, а изменяя технологию процесса при условии сохранения в ванне теплового равновесия.

Литиевый криолит имеет температуру плавления 782⁰С, а смесь 32% na₃AlF₆ +68% Li₃AlF₆ плавится при температуре 710⁰С. Фтористый литий имеет температуру плавления 848⁰С, а смесь расплава 15% na₃AlF₆ + 85% Li₃AlF₆ - 695⁰С. На каждый 1% добавки фтористого лития в электролит температура расплава снижается на 9⁰С.

Таким образом, используя литиевые добавки, можно в широких пределах снижать температуру процесса. Обычно практикуется добавка соли лития 2,5-3% в обычный натриевый электролит, так как в литиевом электролите в 4 раза снижается растворимость глинозема.

Высокая электропроводность фтористого лития позволяет снизить удельное сопротивление электролита в наибольшей степени (см. разд. «Электрический баланс электролизера»).

Основные преимущества, которые даёт добавление LiF в электролит:

Многочисленными промышленными испытаниями было доказано, что добавка 2,5% LiF в электролит приводит к следующим результатам:

§ понижается температура ликвидуса электролита и, следовательно, температура электролиза (на 12-18^оС);

§ возрастает выход по току (от 1 до 3%);

§ увеличивается электропроводимость электролита;

§ снижается расход электроэнергии (от 2 до 4%);

§ снижается расход анодного углерода (от 1 до 3%);

§ уменьшается расход фторида алюминия (от 15 до 25%);

§ снижаются выбросы фтора (от 22 до 38%);

§ растёт срок службы электролизёра (+70 сут/год);

§ увеличивается стабильность напряжения ванны.

В табл. 3.2 приведены рабочие параметры серий электролиза по производству алюминия [19,20].

Таблица 3.2

Рабочие параметры серий электролиза алюминия

Параметры	Без добавок солей лития	С добавками солей лития
		Цель: увеличение тока	Цель: уменьшение расхода электроэнергии
КО, масс.	2,56	2,8	2,8
Рабочая температура, 0С	970	960	950
Температура ликвидуса, 0С	960	940	940
Напряжение, В	4,5	4,5	4,4
Уд. расход электроэнергии, кВт.ч/кг Al	15,0	15,0	14,6
Сила тока, А	Стандартная	+5%	Стандартная
Производительность, тыс. тонн	Стандартная	+5%	+1,7%

За рубежом практикуется в качестве литийсодержащего компонента (как добавки в электролит) использование карбоната лития.

При введении в электролит карбоната лития происходит реакция:

3Li₂CO₃ + 2AlF₃ > 6LiF + 3CO₂ + Al₂O₃.

По данным компании SQM, владеющей богатейшими ресурсами рассолов, содержащих хлорид лития (Чили), для производства алюминия расходуется 18% всего производимого лития в мире (табл. 3.3).

Ниже приведены требования к карбонату лития, добавляемого в электролит: Li₂CO₃ > 99 %; Cl < 0,02 %; Na < 0,18 %; Ca < 0,068 %; Fe₂O₃ < 0,003 %; SO₄ < 0,1 %; Mg < 0,025 %; ппп < 0,8 %; нерастворимость <0,03%; истираемость < 2 %.

Существенными статьями экономии являются уменьшение расхода фторида алюминия (на 22-38%), уменьшение расхода углеродного анода (1-5%) и увеличение срока службы катода. Последнее объясняется тем, что насыщение катодных углеродных блоков литием с атомами радиусом меньшим, чем у натрия, благотворно сказывается на напряженно-деформированном состоянии (НДС) катода. В среднем за год работы ванны с добавкой LiF срок службы увеличивается на 70 сут [19].

Существенным также является уменьшение удельного расхода энергии на 2-5%, или (при том же расходе энергии) повышение производительности на 3% и более.

При переходе на работу с литиевым электролитом необходимо соблюдать следующие условия работы:

Слой осадка под металлом должен быть удален или сильно уменьшен, чтобы гарантировать хорошую базу для контроля за концентрацией глинозема.

Персонал, занимающийся отбором проб и аналитическими определениями, должен быть хорошо подготовлен, чтобы обеспечить воспроизводимость и надежность результатов и контроль за содержанием фтористого лития.

Концентрация фтористого лития в электролите должна быть доведена до значения 2-2,5% в течение не менее 6 недель.

Литий вводится в виде карбоната. Чтобы исключить потери и обеспечить усваиваемость более 90%, карбонат ссыпается на корку электролит слоем 3-4 см и засыпается глиноземом или фторидом алюминия (при этом сокращаются потери с отходящими газами).

Температура электролита и напряжение будут снижаться с ростом концентрации фтористого лития и их нельзя приводить к исходным значениям.

Содержание LiF контролируется сначала каждые 4-5 суток, расход будет много больше, чем при нормальной работе вследствие поглощения соли подиной.

Из-за снижения температуры электролиза и увеличения выхода по току надо ожидать увеличения частоты анодных эффектов, так как уменьшается растворимость глинозема и повышается «наработка» металла. В этом случае очень важно контролировать уровень электролита, его состав, МПР, состояние настылей. Питание ванны глиноземом надо увеличивать, не допуская образования осадка.

Измерять температуру следует как минимум 2 раза в неделю.

Состав электролита следует определять как минимум 2 раза в неделю (в течение 8 недель стабилизации).

Следует обеспечить хорошую герметизацию анодной рубашки.

Существуют три основных недостатка использования фторида лития:

1. Уменьшение растворимости глинозема.

Для компенсации этого недостатка необходимо поддерживать КО электролита в пределах 2,65-2,7.

2. Расходы на карбонат лития.

При содержании LiF в электролите в количестве 2% и расходе Li₂CO₃ 1,5 кг/т Al необходимо дополнительно 3 $ / т алюминия; однако эти расходы компенсируются повышением выхода по току, экономией фторида алюминия, энергии, углерода, капитальных ремонтов.

В практике использования солей лития компаниями «Reynolds» и «Kaiser» срок окупаемости затрат был менее чем 1 год [19,20].

3. Загрязнение «следами» лития

Присутствие лития в алюминии принципиально улучшает литейные и прочностные характеристики электролита. Тем не менее, в некоторых случаях может возникнуть «голубая коррозия» Al, которая может иметь место при производстве фольги или алюминиевых листов (под воздействием влаги на поверхности металла могут появляться так называемые «голубые пятна»). Поэтому наиболее крупные производители фольги в последнее время ориентировались на содержание лития в алюминии 1-2^.10^-6%.

Обработка алюминия в ковше (ТАС)

Существует несколько способов очистки готового металла от лития. Одним из самых оптимальных является обработка алюминия в ковше (ТАС). Эта технология разработана компаниями «Alcan» и «Stas» (ТАС - Treatment Aluminium in Cruible). Устройство включает ротор, расположенный эксцентрично относительно центра ковша и создающий вихревую воронку, в которую подается реагент AlF₃ (рис. 3.1).

Полное время цикла при достижении концентрации натрия и лития 2^.10^-6% составляет 10-15 мин. По данным, опубликованным «Alcoa-Intalko» [19], ТАС имеет следующие основные характеристики:

Рис. 3.1 Установка ТАС для очистки алюминия от щелочных металлов



1) пропускная способность (производительность) установки - 120-150 тыс. т Al/год;

2) расход AlF₃ - 2-4 кг/т Al;

3) трудозатраты - 0,08 чел^.час/т Al;

4) срок службы ротора - 300-400 обработок (продолжительностью 6 мин).

Эксплуатационные расходы составляют 3-4 $/тAl.

Модернизированные роторные флотационные установки типа HYCAST (Hydro Aluminium) и RotoJet (HOESCH Metallurgie)

В установках используется принцип газовой флотации с удалением щелочных металлов, водорода и неметаллических включений в алюминии (в ковшах, миксерах, литейных желобах в потоке металла) [21,22].

Натрий и другие щелочные металлы растворены в алюминии. Для слитков в прокатке допускается концентрация натрия, лития, кальция 1-2^.10^-6%. Равновесное давление этих элементов в инертных флотационных газах низко, но только небольшое их количество может быть абсорбировано. Для ускорения процесса очистки может использоваться «активный» газ (Cl₂). Удаление щелочных металлов лимитируется диффузией.

Когда диаметр газовых пузырьков уменьшается от 15 до 5 мм, число пузырьков возрастает в 27 раз, а общая площадь для диффузии - в 4 раза. Площадь поверхности увеличивается с коэффициентом 9, и способность удалять меньшие частицы увеличивается с коэффициентом 3. Флотационный поток должен быть вертикальным и без турбулентности. Расход газа и турбулентность в расплаве также уменьшается с уменьшением диаметра пузырьков.

В газовую смесь, как правило, подают реагент AlF₃. Процессы HYCAST и RotoJet весьма похожи и отличаются незначительно как в конструкции ротора и техническом обслуживании, так и по техническим характеристикам и экономическим показателям (рис. 3.2).

Общая реакция почти не зависит от температуры. Типичный расход газа при очистке алюминия в ковшах - 30-60 литров аргона/мин и 0,5 кг AlF₃/мин. Концентрация лития, равная 47 ^.10^-6%, уменьшалась до 1^.10^-6% за 6 мин (температура 750⁰С). Обычно концентрация натрия и лития снижаются за 6 мин на 95% от начальных концентраций.

Рис. 3.2 Установка HYCAST

Аргон является основным флотационным газом, однако добавка 305% хлора применяется, если требуется снижать содержание натрия до особо низких концентраций. На рис. 3.3 видно, что концентрация карбида алюминия снижается вдвое за время цикла очистки 12 мин.

Рис. 3.3 Зависимость концентрации карбида алюминия от времени очистки

Системы типа РотоДжет показаны на рис. 3.4.

Рис. 3.4 Системы «РотоДжет» (^ТМRotoJet, HOESCH Metallurgie GmbH)

Характеристики основных процессов очистки алюминия в ковшах сведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Сравнение процессов очистки алюминия в ковшах

Параметр	ТАС	Hydro H-RAM	RotoJet
Время цикла с учетом транспортировки ковша, мин	12	20	20
Количеств ковшей в смену (8час)	40	24	24
Емкость ковша, т Al	3,6	4,5	4,5
Производительность расчетная, т Al/год	157243	118260	118260
Начальная концентрация Li, 10-6%	15	15	15
Время очистки до 2.10-6%, мин	12
Время очистки до 1.10-6%, мин		15	15
Время очистки менее 1.10-6%, мин		20	20
Капитальные затраты, $/т Al	3,00	2,66	1,23
Экология
Эксплуатационные расходы, $/т Al	3,97	1,51	1,46

Из табл. 3.4 видно, что более совершенные технические решения, найденные компаниями HOESCH и Hydro, обеспечивают минимизацию как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов [23].

Расчет экономической эффективности от внедрения солей лития в электролит

За счет увеличения значения выхода по току

Увеличение суточной производительности электролизера составит:

P_сут=0,336 ^. I ^. (_пр - _баз) ^. 24^. 10^-3,

где 0,336 - электрохимический эквивалент, г/А^.ч;

I - сила тока, А;

_пр = 0,95 - выход по току (проектный), доли единицы;

_баз = 0,89 - выход по току (базовый, без добавки солей лития в электролит), доли единицы;

24 - количество часов в сутках.



P_сут=0,336 ^. 315000 (0,95 - 0,89) ^. 24 ^. 10^-3 = 152,41 кг.

Увеличение производительности в год на цех (4 корпуса): 152,41^. 101,6 ^. 4 ^.365 = 22607,89 т, где 101,6 - количество работающих электролизеров в корпусе; 4 - количество корпусов; 365 - количество дней в году.

В денежном выражении годовая дополнительная прибыль от применения солей лития составит:

П_доп = 22607,89^. 2450 = 55,389 млн. $ или 1054,9 млн. руб. (курс $ = 30

руб.).

За счет снижения расхода электроэнергии

Э = (W_баз - W_пр) ^. ст-ть 1 кВт^.ч/т = (15427 - 12642 ) ^. 257 = 715,75 тыс.

руб. на 1 т Al.

На весь годовой выпуск продукции эффект составит:

715,75^. 357,2 = 255665,9 млн. руб.



4. Механизация и автоматизация производственных процессов

4.1 Механизация в корпусе электролиза

В проекте предусматривается автоматическая обработка электролизёров (пробивка электролитной корки, загрузка глинозёма) с помощью системы АПГ (автоматизированного питания глинозёмом). Для чего каждый электролизёр оборудован установками АПГ точечного типа на сжатом воздухе, управляемыми системой АСУТП. Загрузка глинозёма (свежего и фторированного после «сухой» газоочистки) в бункера установок АПГ выполняется системой ЦРГ (централизованная раздача глинозёма), управляемой АСУТП. Для периодической обработки длинных и торцевых сторон электролизёров (пробивка корки и загрузка глинозёма в электролизёры), для перестановки обожжённых анодов, периодической загрузки глинозёма в бункера установок АПГ при ремонте системы ЦРГ в каждом корпусе устанавливаются четыре комплексных анодных технологических крана. Комплексные анодные краны выполняют следующие технологические и транспортные операции по обслуживанию электролизёров в корпусе:

1. перестановка анодов;

2. пробивка электролитной корки и загрузка глинозёма по продольным и торцевым сторонам электролизёров;

3. засыпка глинозёма на поверхности анодов;

4. засыпка глинозёма в бункера установок автоматизированного питания глинозёмом электролизёров при ремонте системы ЦРГ;

5. транспортировка вакуум-ковшей при выливке металла из электролизёра;

6. перетяжка анодной рамы;

7. прочие вспомогательные подъёмно-транспортные работы.

Периодическая обработка длинных сторон электролизёра ОА (один раз в сутки) необходима для поддержания теплового равновесия, т.к. установки АПГ пробивают и загружают глинозём в центре электролизёра.

Кроме того в корпусе для периодической обработки электролизёров предусматриваются напольные машины для пробивки корки МПК - 5У и загрузки глинозёма МРГ - 4М, которые работают при ремонте анодного крана.

Загрузка свежих фторсолей в электролизёры осуществляется при помощи установок АПГ, в бункера АПГ фторсоли загружаются с помощью напольных машин типа МРС.

Устранение анодных эффектов достигается перемещением анодного массива в автоматическом режиме.

Обожжённые аноды в электролизёре устанавливаются по высоте в шахматном порядке. Такая расстановка анодов необходима для распределения равномерной токовой нагрузки в электролизёре и обеспечения более равномерной температуры электролита в различных его участках. Регулировку обожжённых анодов осуществляют на одинаковое междуполюсное расстояние Устранение анодных эффектов достигается перемещением анодного массива в автоматическом режиме.

Рис 4.1 Машина для пробивки корки электролита МПК-5У

Машина предназначена для разрушения электролитной корки в алюминиевых электролизёрах с верхним токоподводом, установленных в электролизных цехах алюминиевых заводов. Тип машины - самоходная, колесная, с дизельным приводом.



Рис 4.2 Машина для раздачи глинозёма МРГ-4М

Машина предназначена для транспортировки и раздачи глинозёма от внутрицеховых силосов на продольные стороны электролизёров с верхним токоподводом, установленных в электролизных цехах алюминиевых заводов. Тип машины - самоходная, колесная, с дизельным приводом.

Рис 4.3 Машина для сырья МРС

Машина предназначена для транспортировки и раздачи сырья (глинозёма, фторсолей) на продольные и торцевые стороны ванн электролизёров, в бункеры АПГ на электролизёрах и цеховые закрома сырья около электролизёров. Тип машины - самоходная, колесная, шарнирно-сочлененная. Типы обслуживаемых электролизёров:

а) с верхним токоподводом;

б) с обожжёнными анодами.

Обожжённые аноды в электролизёре устанавливаются по высоте в шахматном порядке. Такая расстановка анодов необходима для распределения равномерной токовой нагрузки в электролизёре и обеспечения более равномерной температуры электролита в различных его участках. Регулировку обожжённых анодов осуществляют на одинаковое междуполюсное расстояние.

Кроме основного оборудования корпуса электролиза оснащены комплектом технологического инструмента, в который входят: скребки, шумовки, кочерги, ломы, черпаки, изложницы, урны, тачки, тележки, молотки отбойные, стропы. Для ремонта вспомогательного оборудования предусматривается ремонтное отделение, располагаемое в отдельном помещении. Здесь будут осуществляться необходимые операции поузлового ремонта электромостовых кранов, обрабатывающей техники и другого оборудования. А так же ремонт различного электрооборудования, самоходных машин и механизмов, отбойных молотков, перфораторов.

Предусматривается участок механической обработки деталей, оснащенный различными металлорежущими станками и другим оборудованием, оснащенный необходимыми стендами.

Таблица 4.1

Перечень оборудования корпуса электролиза алюминия

№	Наименование	Кол-во на корпус	Количество на цех
1	Электролизёр ОА-315 кА.	102	408
2	Комплексный анодный кран.	4	16
3	Кран мостовой электрический с электроизоляцией г/п 2Ч160/32 т L-25 м	1	4
4	Общекорпусная ошиновка.	1	4
5	Перекрытие шинных проемов.	1	4
6	Машина для перевозки анодов.	2	8
7	Машина для пробивки корки типа МПК-5У	2	8
8	Машина для пробивки корки в торцах типа МПТ-4.	2	8
9	Машина для раздачи глинозёма типа МРГ-4М.	2	8
10	Машина для раздачи фторсолей и глинозёма типа МРС.	2	8
11	Самоходная пылеуборочная машина типа МПУ-2М.	2	8
12	Устройство для временной подвески анодной ошиновки.	2	8
13	Комплект технологического инструмента.	1	4

Дежурный персонал ремонтных отделений будет проводить планово-профилактический ремонт оборудования непосредственно в электролизных корпусах и мелкий текущий ремонт по ликвидации возникших поломок оборудования.



4.2 Автоматизация производственных процессов

На сегодняшний день состояние дел в отрасли производства алюминия таково, что повышение эффективности технологического процесса немыслимо без применения современных средств автоматизации.

4.2.1 История развития систем автоматизации. Структурные схемы АСУТП разных поколений

Историю развития АСУТП хорошо рассматривать на примере НКАЗа, поскольку на сегодняшний день на заводе эксплуатируются практически все типы АСУТП в той или иной степени модернизированные.

Централизованные системы «КУА», «Алюминий» (рис 4.4.)

Система создана и используется с середины 60 годов до настоящего времени.

Краткое описание работы системы:

Верхний уровень сообщает нижнему уровню о начале регулировки. Нижний уровень организует релейное обегание ванн. Во время обегания ванн происходит подключение ванны к измерителю напряжения нижнего уровня, после расчёта приведённого напряжения (или псевдосопротивления) вырабатывается управляющее воздействие, которое через релейные коробки передается на исполнительные механизмы.

Рис. 4.4 «Структурная схема модернизированной АСУТП «АЛЮМИНИЙ»



Схема построения:

· Верхний уровень - для хранения данных и уставок, связь с заводской сетью;

· Нижний уровень - для организации обегания ванн при регулировании, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных;

· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе на нижний уровень, а о напряжении серии на верхний уровень системы;

· Релейные коробки - для подключения измерительных и управляющих каналов от электролизёров к нижнему уровню (6 РК на корпус);

· Прямой замер напряжения.

Возможности системы и её настройки:

· Регулирование МПР;

· Необходим программист для введения изменений в программу.

Вывод информации:

· Набор стандартных сводок.

Недостатки:

· Редкие регулировки напряжения (1 -1,5 часа);

· Малое время для измерения напряжения (1-5 сек на ванну);

· Отсутствует возможность организовать сложные алгоритмы управления;

· Возможна работа АПГ только в таймерном режиме;

· Низкая информативность отображения данных;

· Низкая эффективность регулирования;

· Низкая надёность системы;

· При потере связи с нижним уровнем ванны не управляются.

· Большое влияние человеческого фактора;

Псевдо распределенная система «Электролиз» (рис 4.5):

Система создана и используется с середины 80 годов до настоящего времени. На НКАЗ установлен прототип Румынского производства (1991 г.)

Краткое описание работы системы:

Нижний уровень производит электронное обегание ванн. Во время обегания ванн производится измерение напряжения, определяется состояние «ключей», расчёт приведённого напряжения (или псевдосопротивления), вырабатывается управляющее воздействие, которое через строго определенный временной интервал передается на исполнительные механизмы. Нижний уровень поддерживает связь с верхним уровнем для передачи текущих данных.

Схема построения:

· Верхний уровень - для хранения данных, НСИ, связь с заводской сетью;

· Нижний уровень - для организации обегания ванн при регулировании, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных (4 - СПОТа, или СМ 6000);

· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе серии на нижний уровень;

· Кабельные трассы для информационных и управляющих каналов от каждого электролизёра до машины нижнего уровня (до 20 жил на одну ванну).

Возможности системы и её настройки:

· Появляются зачатки НСИ;

· Возможна реализация сложных алгоритмов;

· Возможна работа АПГ.

· Необходим программист для внесения изменений в программу;

Вывод информации:

· Набор сводок;

· Вывод информации в графическом виде;

· Список событий.

Недостатки:

· Редкое обегание ванн для измерения напряжения (1сек);

· Малое время для измерения напряжения (1 сек на ванну);

· Большое количество кабельной продукции;

· Низкая надёность системы;

· Высокая стоимость и эксплуатационные расходы;

· При потере связи с нижним уровнем ванны не управляются.

· Распределенная система тип 1 «Электра», «Автек», «СААТ»... и др. (рис 4.6):

· Система создана в средине 90 годов, эксплуатируется до настоящего времени (на НКАЗе не используется).

· Краткое описание работы системы:

Рис. 4.5 «Структурная схема АСУТП «ЭЛЕКТРОЛИЗ»

· Групповой контроллер обменивается потоками данных с микроконтроллерами ванн, в которых содержится информация о напряжении (иногда о приведённом напряжении), о состоянии «ключей» и другая информация. Групповой контроллер вырабатывает управляющее воздействие, которое при обмене данными передается на исполнительные механизмы.

Нижний уровень поддерживает связь с верхним уровнем для передачи текущих данных.

Схема построения:

· Верхний уровень - для хранения данных, НСИ, связь с заводской сетью;

· Нижний уровень (групповой контроллер и микроконтроллеры ванн) - для организации потока данных от микроконтроллеров ванн, расчёт управляющих воздействий, сбор текущих данных;

· Контроллер тока и напряжения серии - для передачи данных о токе инапряжении серии на нижний уровень;

Рис. 4.6 «Структурная схема распределенной АСУТП тип 1»

Возможности настройки:

· Необходим программист для внесения изменений в программу;