ГОСТ Р 56908-2016 Бережливое производство. Стандартизация работы (Переиздание) от 31 марта 2016 —

В России принято оценивать состав электролита молярным соотношением основных компонентов криолита NaF/AlF₃, которое называют криолитовым отношением (КО), которое определяет такие важные параметры электролита, как температуру его кристаллизации, растворимость глинозема, электропроводность и другие параметры. Следовательно, поддержание КО на заданном уровне — одна из основных задач технологического персонала.

Состав электролита не постоянен из-за расхода глинозёма, возгонки AlF₃, образования и испарения HF и других процессов. Поэтому электролит необходимо периодически корректировать, добавлять глинозем и фториды. Количество добавляемых компонентов рассчитывают на массу электролита в ванне. Концентрация глинозема максимальна после обработки ванны и минимальна перед наступлением анодного эффекта. Для улучшения растворения и предотвращения образования осадков глинозем вводится АПГ небольшими порциями в прогретом виде, что способствует его обезвоживанию и снижает образование HF.

Трифторид алюминия насыпают на корку электролита и прикрывают глиноземом, который адсорбирует фтор, выделяющийся при возгонке AIF₃ и погружают в электролит при очередной обработке ванны. Повышенное испарение трифторида алюминия является одной из главных причин загрязнения окружающей среды фторидами.

Для быстрого наплавленияэлектролита применяют вторичный криолит — флотационный и регенерированный, также используют фторированный глинозем, что упрощает корректировку электролита.

Выливка металла

В настоящее время единственным способом извлечения жидкого алюминия из ванны является вакуумная выливка. Применяемый вакуум-ковш (рис. 8.1) представляет собой герметичный стальной усеченный конус, футерованный изнутри огнеупорным материалом. На грузовой траверсе ковша крепится механизм его поворота. К мостовому крану ковш подвешивается через электронные весы с дисплеем, показывающим количество вылитого алюминия.

Заборная труба соединена с ковшом шаровой опорой, которая предотвращает до некоторой степени поломку носков при ударах. Разрежение в ковше создается вакуум-линией, с которой ковш соединяют шлангами. Емкость вакуум-ковшей 5 т, что позволяет проводить выливку металла из двух ванн, что дает заметное снижение нагрузки на мостовые краны, которые всегда загружены. Выливают металл раз в двое суток, перед началом выливки ковш прогревают.

За 5—10 мин до выливки пробивают корку электролита в установленном месте, проверяют состояние ванны, снимают пену, очищают подину от осадка и подгребают его к борту, замеряют уровни металла и электролита. Выливщик вводит вакуум-носок в лётку, подключает ковш к вакуум-линии. Уровень алюминия снижается и междуполюсное расстояние увеличивается. Возрастает напряжение вследствие роста сопротивления электролита. Поэтому одновременно с выливкой опускают анод с таким расчетом, чтобы напряжение все время не превышало нормального значения более чем на 0,2 В, сейчас эту функцию выполняет система АСУТП. Во время выливки следят за тем, чтобы анод опускался равномерно, не допускается его зависание на корке электролита и касание заборной трубы секций колокола во избежание ее прогорания. После выливки заданного количества металла отсоединяют шланг, вакуум-ковш транспортируют на средний проход, где снимают крышку, а ковш перевозят в литейное отделение.

На мощных электролизерах ОА (255 кА и выше) алюминий выливают ежедневно специальными машинами с вакуум-ковшами ёмкостью 10 тонн с помощью инжекторно-вихревых насосов, работающих от сети сжатого воздуха. Вакуум-ковш с металлом транспортируют в литейное отделение.

После окончания выливки летку и обрушившиеся места корки электролита заделывают глиноземом, на электролизере устанавливают нормальное рабочее напряжение.

Обслуживание СОА заключается в выполнении следующих операций:

— загрузка анодной массы;

— подъем анодной рамы;

— подъем анодного кожуха;

— перестановка штырей;

— контроль над состоянием ЖАМ и чистка ребер охлаждения;

— калибровка штырей.

— замена секций газосборного колокола;

— обслуживание контактов между штырями и анодной ошиновкой;

Загрузка анодной массы производится ежедневно. Перед загрузкой массы тщательно удаляют пыль с поверхности анода, обдувая сжатым воздухом.

Анодная масса готовится из нефтяного кокса и высокотемпературного пека нескольких типов:

— основная «сухая» анодная масса с содержанием пека около 27 %;

— «жирная» масса с содержанием пека около 33-35 %;

— две корректировочных, с содержанием связующего на 0,5-1 % больше и меньше основной;

— подштыревая масса с содержанием связующего до 40 %.

Тип загружаемой массы определяется состоянием поверхности анода, которую ежедневно оценивает экспертная группа. Перед перестановкой штырей в анод загружают «жирную» массу с коэффициентом текучести более 2,8. Такая масса после размягчения хорошо заполняет неровности анода и даёт лучшее сцепление с новой порцией. Подштыревая масса вводится в лунку с помощью устройства на штыревом кране или напольной машине. Сухая АМ с низкой пластичностью в верхней части анода препятствует выходу смолистых веществ в атмосферу корпуса, также уменьшается образование пены в 1,5 раза, а следовательно и снижается расход массы.

Загрузку проводят равномерно по всей площади анода. Коксование ПАМ идет с большой скоростью, поэтому качество образующегося вторичного анода намного хуже основного анода — он очень порист, механически не прочен и имеет низкую электрическую проводимость. К тому же из ПАМ выделяется большое количество летучих соединений, ухудшающих атмосферу в корпусе. Несмотря на то, что суммарная площадь поперечного сечения штырей составляет около 4 % площади анода, площадь вторичного анода значительно превышает эту величину за счет окисления вторичного анода диоксидом углерода, из-за чего качество подошвы анода ухудшается. Именно это обстоятельство приводит к образованию большого количества угольной пены, а, следовательно, увеличенному расходу анода.

Подъем анодной рамы из крайнего нижнего положения выполняют с помощью основного механизма подъема анода при одновременной работе вспомогательного механизма. Основной механизм смонтирован на опорных стойках и служит для перемещения всего анода и подъема анодной рамы, а вспомогательный механизм, расположенный на анодной раме, — для подъема анодного кожуха и поддержания в неизменном положении анода при подъеме анодной рамы. Скорость перемещения основного и вспомогательного механизмов одинакова. Подъем анодной рамы должен производиться до перестановки штырей.

При перетяжке анодной рамы на анодный кожух устанавливается переносной портал, в верхней части которого с помощью тяг закрепляются штыри. Тогда при ослаблении контакта между анодной шиной и штырями, анод будет висеть только на временных тягах. Затем ослабляют все зажимы, прижимающие штыри к анодной ошиновке, и одновременно включают основной и вспомогательный механизмы. Основной механизм перемещает анодную раму вверх, а вспомогательный — анодный кожух вниз. Но, так как вспомогательный механизм расположен на движущейся вверх анодной раме, положение анодного кожуха по отношению к неподвижному катодному устройству будет оставаться неизменным. В процессе перемещения анодной рамы контакт между штырем и анодной шиной будет скользящим, поэтому на некоторых штырях возможны искрения. После подъема рамы в крайнее верхнее положение надежно затягивают контактные зажимы, а затем демонтируют переносной портал.

Подъем анодного кожуха проводится один раз в сутки на высоту 2—3 см и только в том случае, если расстояние от низа газосборного колокола до поверхности электролита осталось менее 12 см. При средней скорости сгорания анода 1,5-2 см в сутки перетяжку анодного кожуха осуществляют ежедневно, что улучшает качество боковой поверхности анода, герметизацию корки и снижает выбросы газов в атмосферу.

Перестановка штырей. По мере сгорания анода штыри, находящиеся на нижнем горизонте, извлекают из тела анода, а в образовавшиеся отверстия загружают определённую порцию подштыревой анодной массы. Под действием высокой температуры ПАМ размягчается, заполняет пространство, и в отверстие вставляют новый штырь.

На большинстве заводов штыри в аноде установлены на двух горизонтах, расстояние между которыми составляет около 20 см. Но также практикуют и 4, 8, 12 и 24-горизонтную установку.

Перестановка штырей состоит из двух операций — извлечение штыря из анода и установка нового штыря в анод. Для извлечения:

— замеряют минимальное расстояние от конца штыря до подошвы анода, которое должно быть не менее 20 см,

— штангу штыря освобождают от зажима,

— надевают на неё патрубок-захват штыревого крана, раскручивают и извлекают.

Перед установкой штыря зачищают контактную часть на анодной раме и штыре, устанавливают защитную прокладку на место контакта (во избежание его загрязнения при установке штыря), убеждаются, что подштыревое отверстие заполнено ПАМ и только затем устанавливают штырь на 40 см выше прежнего положения. Затем убирают защитную прокладку и затягивают контакт штыря. При перестановке штырей все остальные операции на ванне прекращают, обслуживающий персонал удаляется от ванны на расстояние не менее 6 м. Извлеченные из анода штыри помещают в кассеты и увозят на участок подготовки, где их очищают для повторного использования.

Калибровка штырей. Вследствие подгара длина штырей уменьшается, их калибруют раз в год для установления базовой длины, чтобы поддерживать одинаковое минимальное расстояние от подошвы анода до конца штыря. Штыри, длина которых короче первоначальной более чем на 4 см, выбраковываются.

Замена секций газосборного колокола проводится в случае их подплавления, образования трещин или прогаров, потому что нарушается герметизация подколокольного пространства. Работу выполняют в следующей последовательности: освобождают крепление секции; с помощью электропогрузчика снимают разрушенную секцию; очищают пояс анодного кожуха от глинозема и электролита; устанавливают новую секцию; уплотняют стыки секций асбестом; производят крепление секции.

Улучшение условий труда и повышение производительности возможно только при механизации и автоматизации основных производственных операций.

1) Механизация основных операций обслуживания электролизеров типа ВТ достигнута применением машин с дизельным приводом для пробивки корки электролита (МПК), оборудованных механизмом для разрушения корки. Загрузка глинозема на корку осуществляется машиной типа МРГ, имеющая бункер емкостью 3 т, из которого глинозем поступает в ванну по желобу. Для загрузки анодной массы имеются напольные машины с поворотным бункером и транспортером, подающим брикеты анодной массой на поверхность самообжигающегося анода.

2) Машина напольно-рельсовая МНР предназначена для загрузки глинозёма в бункера АПГ, для раздачи глинозёма на корку электролита и обдувки анодов с помощью двух установленных на машине аэраторов.

Более эффективной для электролизеров ВТ является напольно-рельсовая машина типа МНР-2М, выполняющая все три операции: пробивку корки, загрузку глинозема и загрузку анодной массы. Машина представляет собой портал, охватывающий ванну с двух продольных сторон и сверху, движущийся вдоль ряда ванн по рельсам. Она имеет механизм с фрезой для вскрытия корки, два бункера для глинозема и два — для анодной массы. Кабина для рабочего оборудована установкой для кондиционирования воздуха.

3) Для обслуживания электролизеров типа ОА применяются напольно-рельсовые машины без бункера для анодной массы.

4) Извлечение анодных «огарков» и установка новых анодов осуществляется специальным анодным краном. Механизм замены анодов в нем имеет автоматический захват анодной штанги и ключ для ее зажимов. Анодный кран приспособлен для перевозки вакуум-ковша и других грузов. Имеются комплексные краны, в которых совмещены все операции: зажатие и открывание зажимов анодных штанг_, замена анодов, пробивка корки электролита, загрузка глинозема на корку и на аноды, подача глинозема в бункера системы АПГ и выливка металла.

На заводах эксплуатируются системы автоматического питания глиноземом. Задача системы АПГ – поддержание заданной концентрации глинозёма в электролите.

АПГ состоит из пробивного пневматического устройства, объемно-вакуумного дозатора, электропневматических клапанов и управляющей автоматики. Пробивное устройство и дозатор работают согласованно: после пробивки корки и погружения очередной порции глинозема (3-7 кг) боёк идет вверх, а дозатор подает новую порцию глинозема на корку. Изменяя частоту пробивки, можно увеличивать или уменьшать количество глинозема, поступающее в электролизер. На ваннах ВТ пневматические АПГ устанавливают в пространстве борт — анод, на электролизере мощностью до180 кА достаточно четырех устройств. На ваннах ОА их устанавливают в пространстве между рядами анодов.

Для успешной работы АПГ точечного типа необходим глинозем хорошо текущий (с углом естественного откоса не более 35°), иначе происходит зависание глинозема в дозаторах. Кроме того, содержание α — модификации в глиноземе должно быть не более 30%, в противном случае под каждым устройством АПГ образуется на подине осадок, что может привести к нарушению нормальной работы электролизеров.

При работе АПГ площадь открытой поверхности электролита резко сокращается, что способствует уменьшению испарения фторсолей и улучшению условий труда. Сочетание системы АПГ с автоматическим регулированием хода электролиза позволяет создать автоматизированный процесс с минимальными затратами ручного труда.

Применение АПГ позволяет:

· увеличить силу электрического тока (без изменения конструкции электролизёра) на 5 – 7%;

· снизить расход электроэнергии на АЭ;

· снизить перепад напряжения в катоде;

· увеличить срок службы электролизёра за счет создания настылей и гарниссажей с высокой температурой плавления и поддержания более стабильного теплового режима электролизера;

· резко снизить выбросы вредных веществ, связанных с обработкой электролизёров и АЭ.

5) Полностью механизированы наиболее тяжелые операции – демонтаж и монтаж электролизеров при их капитальном ремонте. На больших заводах имеется цех для капитального ремонта катодов индустриальным методом.

Кожух вместе с анодом по мере его сгорания опускается, но во избежание подплавления газосборного колокола, кожух периодически поднимается при помощи вспомогательного механизма, который смонтирован на той же конструкции, что и анодная ошиновка. При средней скорости сгорания анода 1,5-2 см в сутки перетяжку анодного кожуха осуществляют ежедневно, что улучшает качество боковой поверхности анода, герметизацию корки и снижает выбросы газов в атмосферу.

6) Машины загрузки анодной массы (МЗАМ) предназначены для внутрицеховой транспортировки анодной массы и дозированной загрузки её в аноды электролизёров. Брикеты анодной массы загружаются в анод ежедневно.

7) Машины прорезки периферии анодов (МППА) предназначены для прорезки и подпрессовки периферии самообжигающегося анода. Прорезка и подпрессовка периферии анода направлена на удаление «припеканий» (анодная масса припёкшаяся к участку анодного кожуха в районе пояска газосборного колокола) и «козырьков» (анодная масса прилипшая к внутренней поверхности вверху анодного кожуха), а также на исключение пустот, образующихся под «козырьками», на обеспечение затекания анодной массы в зазор между кожухом и телом анода.

8) Машины пробивки корки электролита (МПК) предназначены для разрушения корки электролита при проведении обработки ванны и выполнении некоторых технологических операций: пробивка лёток для выливки металла, отверстий для отбора проб металла, электролита и др.).

9) Машины пробивки корки электролита в торцах электролизёров (МПТ)

10) Машины раздачи глинозёма (МРГ) предназначены для внутрицеховой транспортировки глинозёма к электролизёрам и равномерной дозированной загрузки его в электролизёры.

11) Машина для питания электролизёра глинозёмом по потоку (МЗГ). Машина загрузки глинозёма предназначена для дозирования глинозёма в электролизёры с обожжёнными анодами (с верхней загрузкой) и самообжигающимися анодами (с нижней загрузкой), снабжёнными системами АПГ.

12) Трактор МТЗ-80 предназначен для механизации комплекса работ: транспортировки ковшей с металлом из корпусов электролиза в литейное отделение и обратно, транспортировки инструмента и различной оснастки при ремонте металлургического оборудования.

13) Пылеуборочная машина (МПУ или ПУМ) предназначена для механизации работ по очистке полов корпусов от просыпей сырья и пыли, для сухой уборки производственных и складских помещений.

14) Электромостовые штыревые краны предназначены для перестановки анодных штырей и выполнения технологических операций по обслуживанию электролизеров с самообжигающимся анодом:

— открывание и закрывание эксцентриковых зажимов при замене токоподводящих штырей;

— раскручивание извлечение из анода токоподводящих штырей и их установка в кассету;

— засыпку подштыревой анодной массы в лунку штыря с возможностью выбора количества доз анодной массы;

— установку токоподводящего штыря на заданном горизонте с точностью ±5мм;

— транспортировку кассет со штырями;

— транспортировку вакуум-ковша с использованием подвесных весов с дисплеем;

— прочие вспомогательные подъемно-транспортные работы с грузом до 12,5 т.

15) Автопогрузчик «Хайстер» предназначен для замены секций газосборного колокола.

16) Вакуум-ковш ВКА – 5СК предназначен для набора металла из электролизёра, транспортировки его в литейное отделение и заливки в миксер-копильник.

17) Балка для перетяжки анодной рамы

.

При протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, которое взаимодействует с током и создает электромагнитные силы, действующие на проводник с током. Именно на этом принципе работают все электрические двигатели, устройства для электромагнитного транспорта жидкого металла и пр.

В алюминиевых электролизёрах протекают огромные токи, приводящие к возникновению мощных электромагнитных сил в электролизёре и вокруг него. В конструктивных частях электролизёра эти силы никак не проявляются, но в жидком алюминии, как проводнике тока, под воздействием электромагнитных сил изменяется форма поверхности металла, а значит, и междуполюсное расстояние (МПР). Возникает не только циркуляция расплава, приводящая к замыканию подошвы анода с жидким Al, но и перекос поверхности алюминия.

Ток по элементам электролизера течет вертикально — вверх и вниз (анод, стояки); горизонтально — вдоль и поперек ванны (анодные и катодные шины, катодные блюмсы), и поэтому магнитная индукция в каждой точке ванны имеет сложную картину. Так как МПР — величина переменная и зависит от состояния подошвы анода, волнений металла, наличия газа, угольных частичек в электролите и других факторов, то фактическая плотность тока в электролите переменна и ею невозможно управлять. Для расчетов приходится принимать ее равной анодной плотности тока.

Направление тока в расплавленном алюминии зависит от формы рабочего пространства (ФРП), наличия осадков, столба металла на подине и других факторов. При стабильном технологическом режиме и нормальной ФРП плотность поперечного горизонтального тока в металле незначительна и не превышает 0,1—0,2 А/см². Но конфигурация настыли переменна, поэтому и величина горизонтальных токов не постоянна. Практически ток через электролит к подине стекает не вертикально, а наклонно, поскольку площадь анода, как правило, всегда больше площади подины, свободной от настылей и осадков. При «горячем» ходе ванны, т.е. в отсутствии бортовых и подовых настылей, величина поперечного тока, направленного к продольным сторонам шахты, возрастает и достигает 1,2—1,3 А/см².

Причины возникновения горизонтальных токов:

1) меньшее электрическое сопротивление расплавленного алюминия, чем у блюмсов и катодных шин;

2) изготовление подины ванны из секций разной длины. Их электросопротивление не одинаково, и ток перетекает от длинных секций к коротким. Подовые секции, равные ширине ванны, снижают горизонтальные токи.

Распределение тока по подовому блоку зависит от материала заделки блюмса в паз (углеродистая паста или чугун). Углеродистая паста выравнивает распределение тока, но обладает большим электросопротивлением, что увеличивает расход электроэнергии.

Распределение тока по аноду редко может быть однородным. На СОА резкое перераспределение токов происходит при перестановке штырей и подъеме анодной рамы. Также плотность тока на вторичных анодах, т.е. на подштыревых участках анода, значительно ниже, чем на остальном аноде, за счет его большей пористости.

Распределение тока на обожженных анодах также неравномерно вследствие разницы их температур, разной высоты и качества заделки ниппелей в блок. Однако в целом распределение тока по ванне с ОА равномернее из-за более стабильной ФРП и температуры токопроводящих узлов.

Горизонтальные составляющие напряженности магнитного поля при взаимодействии с вертикальным током образуют электромагнитные силы, направленные к поперечной и продольной осям ванны. Электромагнитные силы возникают во всех алюминиевых электролизерах, их величина пропорциональна квадрату силы тока. При токе более 80 кА влияние этих сил становится значительным, а на ваннах большой мощности эти силы определяют ТЭП.

Поверхность расплавленного алюминия имеет слегка выпуклую форму, и этот перекос является основной причиной циркуляции расплава (металла и электролита). При этом скорости металла определяются электромагнитными силами, а скорости циркуляции электролита — его гидравлическими характеристиками. Поверхность металла находится в состоянии непрерывного волнения, и высота волн может достигать 45 мм при частоте до 40 раз в минуту, т.е. высота волны сравнима с величиной МПР, что приводит к местным коротким замыканиям.

Процессы массо- и теплопереноса значительно влияют на технологию и технико-экономические показатели работы электролизеров. Гидродинамические потоки расплава формируются в результате совокупного воздействия электромагнитной силы, движения газовых пузырьков по подошве анода и свободной конвекции расплава.

Роль гидродинамических процессов резко возрастает с увеличением размеров и мощности электролизеров. От гидродинамики расплава зависят такие важнейшие массообменные процессы, как:

— перенос глинозема из зоны загрузки и растворения — в МПР — зону потребления;

— выравнивание концентраций компонентов электролита во всей ванне;

— потери металла;

— формирование температурного поля расплава и ФРП;

— теплообмен в электролизёре и передача тепла в окружающую среду.

Современные методы позволяют рассчитывать и измерять направление и величину магнитного поля в любой точке электролизёра. Это позволило разработать меры по снижению вредного влияния электромагнитных сил на расплав: увеличение столба металла в ванне, обеспечение оптимальной ФРП, применение секционированной ошиновки оптимальной конфигурации на мощных ваннах.

В процессе эксплуатации в электролизерах возникают различные нарушения технологического режима, которые можно разделить на нарушения: связанные с изменением теплового баланса, вызванные изменением состава электролита или нарушения в анодном узле. Такое разделение достаточно условно, поскольку многие виды нарушений взаимосвязаны, одно нарушение может порождать другое, и не всегда удается установить первопричину. Все нарушения развиваются постепенно и приводят к нежелательным явлениям и даже к серьезным авариям. Основными причинами нарушения нормальной работы электролизеров являются:

— несоблюдение инструкций по их обслуживанию,

— низкое качество сырья,

— перерывы в снабжении электроэнергией и др.

Горячий ход

Обычно горячий ход электролизера – следствие нарушения технологических параметров, когда приход тепла в ванну превышает ее расход, что приводит к повышению температуры электролита. По закону Джоуля–Ленца можно рассчитать приход электрической или тепловой энергии в систему:

Q =I² * R * τ или Q =I * U * τ

Повышенная или пониженная сила тока редко бывает причиной нарушения теплового режима ванны. Однако при горячем ходе электролизера осуществляют внеочередную проверку точности приборов учета электроэнергии – вольтметров, амперметров и счетчиков энергии. Известно, что

Uэл = d * ρ * l (11.1)

где d — плотность тока, А/см²

ρ — удельное электросопротивление, Ом*см

l – междуполюсное расстояние, см

Согласно уравнению (11.1), причинами горячего хода могут быть:

1) Увеличенное МПР, что приводит к повышению греющего напряжения и температуры расплава.

2) Повышенная плотность тока.

3) Заниженное МПР («зажатие» ванны). Возникает в результате замыкания части анода с металлом или через скопившуюся на электролите пену, в результате чего возрастает интенсивность обратных реакций и перегрев ванны.

А также:

4) Интенсивное протекание реакции окисления алюминия, во время которой выделяется большое количество тепла. Причинами этого могут быть заниженное МПР, малый уровень электролита, повышение циркуляции металла в ванне, установка новых анодов ниже или выше уровня остальных и пр.

5) Повышенное криолитовое отношение, тогда плохо отделяется угольная «пена» от электролита, что приводит к повышению сопротивления в МПР и к увеличению выделений энергии в нем.

6) Науглероживание электролита. За счет осыпания анода в электролите всегда присутствует углерод, около 0,1%. Основная часть углерода сгорает или всплывает на поверхность электролита и снимается с пеной. Однако при резком изменении КО и повышении температуры электролита выделение пены снижается, и содержание углерода в электролите возрастает до 1%. Тогда увеличивается его электросопротивление, растет напряжение и температура расплава. Своевременно не ликвидированный горячий ход электролизера с науглероженным электролитом может вызвать начало карбидообразования, или как называют его «образование грибов».

7) При чрезмерно большом слое алюминия затрудняется растворение осадков глинозема на подине, а это вызывает повышение сопротивления угольной подины и увеличение тепловыделений в алюминий.

Чтобы устранить горячий ход ванны, следует правильно определить его причину:

· Если причина в неправильно установленных параметрах, то следует привести их к норме:

— уменьшить МПР можно двумя способами – увеличить уровень металла или опустить анод;

— устранить науглероживание электролита – можно вызвать АЭ, при котором пена отделяется лучше;

— проверить и откорректировать состав электролита, загрузку глинозема;

— привести в порядок уровни металла и электролита и др.

Обычно после проведения этих операций ванна начинает работать нормально.

· Если горячий ход вызван местными перегревами, связанными с неровностями на подошве анода, их надо удалять вручную или поднять анод – в этом месте междуполюсное расстояние меньше среднего, плотность тока больше, и неровность срабатывается вследствие интенсивного расхода анода.

· Для электролизеров ОА местные перегревы могут быть вызваны неправильной установкой анодного блока по высоте: если новый блок поставлен слишком низко, то анодная плотность тока на нем повышается, электролит в этом месте перегревается. Нарушения распределения тока по анодному массиву могут быть вызваны плохими контактами между блоком и ниппелем или между стальной траверсой и алюминиевой штангой.

· Если быстро горячий ход не устраняется, то охлаждают электролит, загружая твердый Al или электролит.

Последствия горячего хода выражаются не только в понижении выхода по току и производительности электролизера, но и в ухудшении качества алюминия примесями, переходящими в него вследствие растворения гарниссажей и настылей, сформированных во время пуска электролизера и имеющих большое количество примесей.

Холодный ход

Редко встречающееся технологическое нарушение. Основная причина — недостаток прихода тепла в электролизер из-за понижения силы тока. Для устранения надо увеличить силу тока, а если это невозможно, то увеличить напряжение, т.е. междуполюсное расстояние. Второй распространенной причиной является высокий уровень металла, т.е. металл нарабатывается, расход тепла увеличивается, а приход остается постоянным. Для стабилизации состояния необходимо слить определенное количество металла.

При холодном ходе увеличиваются настыли, т.е. происходит замерзание электролита. Самое опасное, что металл может всплыть на поверхность. Дело в том, что при охлаждении увеличение плотности алюминия происходит быстрее, чем у криолита и в определенный момент их плотности сравниваются. Алюминий всплывает и происходит замыкание на анод.

В процессе электролиза технологические нарушения случаются не только в ванне, но и в аноде. Значительно больше времени требуется для ликвидации горячего хода ванны при нарушениях в анодном узле:

— нарушение установки штырей и связанное с этим распределение тока по аноду;

— протёки анодной массы при перестановке штырей или при подъеме анодного кожуха;

— образование трещин и пустот под штырями может происходить при их перестановке, в процессе их раскручивания или при плохой очистке поверхности анода перед загрузкой анодной массы. Сквозные отверстия могут образоваться в результате выпадения «пробок» вторичного анода, в этом случае в отверстие устанавливают «пробку» из анодной массы высотой ≈ 30 см, полностью заполняют отверстие ПАМ, а штырь устанавливают на это место через 1—2 сут.

— образование неровностей на подошве анода и конусообразование, т.е. отставание в сгорании отдельных участков подошвы анода из-за неравномерного распределения силы тока по штырям. Конусы удаляют двумя способами. Сбивают ломом, но точечный удар разрушает анод и в нем образуются трещины. Обычно выводят ванну на искусственную вспышку и конус постепенно сгорает, но получается перерасход электроэнергии;

— замыкание анода на металл, настыль или осадок.

— образование «шеек», т.е. выгорание участков боковой поверхности анода при окислении его воздухом;

— прилипание анодной массы к анодному кожуху;

— расслоение и повышенное осыпание анода и др.

Во всех случаях необходимо установить причину нарушения и принять меры к ее устранению.

Аварийные ситуации

Аварийные ситуации, приводящие к остановке ванны:

1. Прорыв расплава через боковую футеровку. Вследствие особенностей циркуляции электролита и металла, гарниссаж в каком-либо месте становится слабым, а перегрев ванны способствует его растворению. Боковой блок разрушается и расплав имеет доступ к кожуху. Кожух раскаляется и можно ждать прорыва металла. Для предотвращения этого бортовую футеровку восстанавливают искусственной настылью, забивая куски электролита.

2. Разрушение подины — основная причина остановки ванны на капитальный ремонт. Металл попадает в трещины блока или межблочного шва, катодный блок разрушается, алюминий доходит до блюмса и начинается его расплавление, в результате блюмс выталкивается сквозь отверстие и ванна уходит на ноль.

Все технологические нарушения очень сильно влияют на себестоимость алюминия и, конечно, экономически очень невыгодны. Поэтому технология электролиза направлена на предупреждение и профилактику технологических нарушений, включая:

1. Контроль состояния подины

2. Строгое соблюдение рабочих операций: загрузка сырья, выливка металла, перестановка штырей и др.

3. Ответственное и добросовестное отношение к работе.

Электролизный цех

Современные алюминиевые заводы представляют собой комплекс основных и вспомогательных цехов, каждый из которых выполняет присущие ему функции.

Электролизный цех — самостоятельная хозяйственная единица с полным циклом производства. В состав элект­ролизного цеха, кроме корпусов электролиза, входят приемные склады глинозема, подразделения по обслуживанию электротехнического и механического оборудования, объекты энергетики, газоочистки, различные инженерные сети и коммуникации и литейные отделения.

Электролизный цех состоит из нескольких корпусов, которые всегда располагаются вдоль господствующего направления ветра. Все корпуса стоят параллельно и связаны между собой соединительным коридором в середине их длинной стороны. Этот коридор связывает корпуса с литейным отделением и другими службами. Литейное отделение стараются расположить посередине между корпусами.

Вблизи от одного из торцов корпусов располагаются здания кремниево-преобразовательных подстанций (КПП).

Падение напряжения на электролизере невелико (4,1—4,5 В), поэтому они соединяются последовательно в большие группы (серии), которые подключаются к КПП. Общее количество ванн в серии 80—200 шт., и зависит от напряжения, которое может обеспечить КПП и падения напряжения на каждом электролизере. Серия электролизёров располагается в одном или двух корпусах длиной 450-750 и шириной 27 м. В зависимости от производительности завода количество серий может бьггь различным, от 1 до 12. При большом числе серий возникают сложности в их управлении, поэтому их объединяют в несколько цехов, которые состоят из 3—4 серий.

В отечественной промышленности эксплуатируются одноэтажные и двухэтажные корпуса. Электролизная серия, состоящая из 140— 180 ванн, размещается в двух двухэтажных корпусах, а короткие серии (до 90 ванн, старой одноэтажной постройки) компонуют в одном корпусе. Электролизеры малой, средней и большой мощности (до 180 кА) располагаются в корпусе продольно, т.е. длина ванны совпадает с продольной осью корпуса (продольное расположение), а электролизеры с ОА на силу тока более 180 кА располагаются поперек корпуса в один ряд (поперечное расположение). Расстояние между двухэтажными корпусами не менее 40 м, межкорпусные дворики асфальтированы.

Освещение в корпусах естественное — через окна на боковых стенах и через фонари на крыше, а также искусственное — с помощью подвешенных электрических ламп, которые должны обеспечить освещенность не менее 200 лк.

Для удобства обслуживания электролизеров и соблюдения условий электробезопасности, расстояние между ванной и стеной должно быть не менее 2,5 м, между рядами ванн не менее 7 м. Электролизеры в одном ряду должны быть расположены как можно ближе (≈ 1 м) с целью экономии электроэнергии. По середине корпусов проходит транспортный соединительный коридор, связывающий все корпуса и службы цеха, шириной ≈16 м. Высота корпуса определяется двумя факторами: высотой размещения подкранового рельса и санитарно-гигиеническими требованиями, не менее 12 м. Длина корпуса электролиза зависит от количества расположенных в нем электролизеров и их мощности.

В торцах остаются свободные площадки во всю ширину корпуса и длиной 25-30 м, которые используются для складирования анодов и металлоконструкций во время капитального ремонта ванн, для въезда автотранспорта в зону действия мостовых кранов, а также для железнодорожного транспорта.

Внутрицеховой транспорт является важным звеном, от четкой работы которого зависит эффективность работы обслуживающего персонала. Внутри корпусов для перевозки сырья, материалов, штырей или анодных блоков, для вывозки демонтажного мусора при капитальном ремонте ванн используются комплексные мостовые краны.

В непосредственной близости от цеха электролиза располагается приемный склад сырья, куда железнодорожным транспортом завозятся глинозем и фториды. Герметичные цистерны и вагоны типа «Хопер» приспособлены к быстрой их разгрузке самотеком или с помощью сжатого воздуха низкого давления. Разгруженное сырье пневмотранспортом закачивается в бетонные или металлические башни (силосы), а из них другой системой пневмотранспорта сырье подается в межкорпусные силосные башни. Системы по разгрузке и перекачке сырья хорошо герметизированы, механизированы и автоматизированы, поэтому трудовые затраты на эти операции невелики.

Из силосных башен глинозем завозится в корпус специальными машинами с бункерами, а в цехах, оснащенных мощными ваннами, используется система централизованной раздачи глинозема (ЦРГ) по ваннам с помощью пневмотранспорта низкого давления. Анодную массу или анодные блоки завозят в корпус специальным автотранспортом.

Выливка металла из ванн ведется вакуумными ковшами вместимостью 3-5 т. Мостовым краном закрытый вакуум-ковш подают к ванне, а после наполнения перевозят в середину корпуса к соединительному коридору. Затем с ковша снимают крышку и транспортируют в литейное отделение тракторами либо электропогрузчиками. Для перевозки инструмента, материалов при проведении ремонтных работ используют электрокары.

Механослужба цеха занимается ремонтом и эксплуатацией мостовых кранов, внутрицехового транспорта, ремонтом и реставрацией штырей или токоподводящих штанг анодных блоков, механизмов перемещения анодных рам.

Компрессорное отделение занято выработкой сжатого воздуха, используемого для работы механизмов по обслуживанию ванн (машины для пробивки корки электролита, извлечения, правки и забивки штырей и пр.). Также в отделении есть оборудование, создающее вакуум. Системой труб вакуумные линии находятся в каждом корпусе.

Основной задачей электрослужбы является обслуживание всего многообразного и сложного электрического хозяйства цеха: ошиновки, низковольтных сетей переменного тока, предназначенных для обеспечения работы мостовых кранов, вентиляторов, дымососов, различного оборудования литейного отделения и пр. Один из важнейших участков службы — электрокарное депо с зарядной станцией для подзарядки аккумуляторов, которые используются на электрокарах и электропогрузчиках.

Система газоулавливания предусматривает улавливание выделений на месте их образования в ванне. Для этого служат составные части электролизера — газоулавливающие устройства:

1) На электролизерах ОА имеются легкосъемные укрытия створчатого типа из алюминиевого листа в виде крышек. При замене анода открывают только одну створку над ним, при обработке ванны — половину укрытия с одной продольной стороны. По газосборному коробу, расположенному по продольной оси электролизера, газы отсасываются к торцам ванны и оттуда — в общую систему сбора газа. Эффективность створчатого укрытия 90—95%.

2) Конструкция электролизера с самообжигающимся анодом и ВТ не позволяет осуществить его полное укрытие. Поэтому для улавливания анодных газов, в которых содержание смолистых соединений значительно больше, чем на обожжённом аноде, применяется колокольный газосборник, который навешивается по всему нижнему периметру анодного кожуха и состоит из отдельных чугунных секций. В торцах электролизера смонтированы горелки, в которых сгорают смолистые соединения и оксид углерода дожигается до двуокиси. Продукты горения из горелки по системе газоходов поступают на газоочистные установки (ГОУ) по надземным газоходным каналам переменного сечения. Во избежание подплавления секций колокола и надежной герметизации подколокольного пространства расстояние от нижней кромки колокола до электролита должно быть не менее 12—15 см.

При хорошей герметичности колокола и высокой культуре обслуживания электролизеров эффективность работы колокола высока. Важными достоинствами этой системы являются небольшой объем газов и высокая концентрация вредных соединений в нем, а следовательно, и затраты на очистку сравнительно невелики. Частые вмешательства в работу электролизера (выливка металла, обработка корки электролита, перетяжка анодного кожуха, ликвидация анодных эффектов и т.д.) приводят к снижению КПД этого укрытия, и практически он не превышает 70 %. Остальное количество вредностей выносится аэрацией через фонари на крыше корпуса в окружающее воздушное пространство. В этом один из главных недостатков электролизеров ВТ. Неоднократно предпринимались попытки снабдить электролизер вторичным укрытием, но из-за значительного усложнения обслуживания электролизера эти укрытия не нашли применения.

Из-за специфики процесса электролиза ни одна из конструкций газоулавливания на электролизерах не обеспечивает полного улавливания газов и пыли.

Вредные газы, особенно СО и HF, пыль и большое количество тепла от электролизёров вызывают необходимость оборудовать цех электролиза мощной вентиляцией. Любой тип газоулавливающего устройства соединен с системой вытяжной вентиляции, которая состоит из газоходов; вентиляторов, создающих необходимое разрежение в газоходах и вентиляционных (дымовых) труб, служащих для рассеивания газов на возможно большую территорию. Обычно высота вентиляционных труб 80-120 м. Газоходы выполнены в виде трубопроводов возрастающего диаметра.

Анодные газы проходят несколько этапов обезвреживания, первый из которых проходит в горелочных устройствах на электролизёрах, где сгорают смолы и СО дожигается до СО₂. Далее частично обезвреженные газы из системы вытяжной вентиляции направляется на установки сухой и мокрой очистки (ГОУ), где осуществляется улавливание фтористого водорода, сернистого ангидрида, пылевидных частиц. Несмотря на очистку, выбрасываемый через высотные дымовые трубы газ содержит некоторое количество фтористых и сернистых соединений, пыли и смолистых веществ (в том числе канцерогенных ПАУ).

На старых заводах в одноэтажных корпусах улучшение условий труда в рабочей зоне достигается с помощью системы приточной вентиляции, назначение которой — многократное разбавление и эвакуация из рабочей зоны производственных выделений. Кратность воздухообмена в корпусе: летом 30-40, зимой 5-6.

Естественная вентиляция (аэрация) корпусов, где электролизеры расположены на втором этаже, осуществляется прохождением воздуха через напольные решётки и удаления воздуха через аэрационные фонари на крыше здания.

Преимуществом искусственной вентиляции перед естественной является возможность регулирования температуры подаваемого в корпус воздуха. Для этого в воздухозаборе устанавливают радиаторы, в которые подают нагревающие или охлаждающие воздух реагенты. На сооружение и эксплуатацию таких систем требуются значительные затраты, которые прямо зависят от объема подаваемого воздуха.

Чистота воздуха в корпусе очень зависит от числа открытых (незагерметизированных) ванн.

Для регулирования кратности обмена воздуха светоаэрационные фонари на крыше корпуса и стены здания на первом этаже имеют поворотные фрамуги. Чтобы ветер не задувал обратно вредности через фонарь, вдоль всей кровли установлены ветроотбойные щиты. Ветер, ударяясь о щит, отражается вверх, создавая дополнительную тягу из корпуса.

С анодными газами из электролизера в систему газоотсоса уходят образовавшиеся фториды:

— газообразные HF, CF₄, C₂F₆ и SiF₄, которые остаются газами при температуре окружающей среды;

— твёрдые Na₃AlF₆, Na₅Al₃F₁₄, AlF₃, CaF₂, которые образуются при испарении из электролита и при увлечении твердых материалов газами с корки электролита и при питании электролизёра.

Образование HF происходит по двум основным причинам: за счёт взаимодействия с влагой глинозёма и за счёт электрохимической реакции с водородом анода. При этом протекают следующие реакции:

3H₂O 2AlF₃ = 6HF Al₂O₃ (12.1)

H₂ AlF₃ = 2HF Al (12.2)

Повышенный расход фторида алюминия происходит также и из-за химической реакции с оксидом натрия Na₂O, содержащимся в глиноземе. При этом нарабатывается излишний криолит по реакции:

3Na₂O 4AlF₃ = 2Al₂O₃ 2Na₃AlF₆ (12.3)

При удельном расходе глинозёма 1915 кг/т Al и содержании в нём Na₂O ≈ 0,4 % (масс.), фторида алюминия потребуется 13,8 кг/т Al и при этом образуется 17,6 кг криолита, который сливают из ванны и называют «оборотным».

Согласно ГОСТ 30558-2022 на глинозём, содержание СаО в нём не регламентируется, его не считают вредной примесью, хотя на реакцию (12.3) расходуется гораздо более дорогостоящий фторид алюминия. При содержании 0,03 % СаО в глиноземе, расход фторида алюминия составляет 0,6 кг/т Al.

Потери электролита со снимаемой угольной пеной из электролизёра не являются безвозвратными потерями фтора в масштабах завода. При содержании фтора в пене 33% и выходе угольной пены 35 кг/т Al, криолита будет удалено 19,1 кг, а фторида алюминия – 1,7 кг на тонну алюминия.

Каждый из нижеперечисленных путей может уменьшить потери фтора, но при этом проявятся и негативные стороны этого подхода:

— улучшение качества анода (при этом увеличивается его стоимость);

— уменьшение частоты и/или продолжительности анодных эффектов (при этом увеличивается стоимость контроля, возникает опасность образования осадков);

— поддержание низкой концентрации глинозёма в электролите (при этом возникает риск образования осадков и коржей, что снижает выход по току);

— уменьшение перегрева электролита (при этом возрастает стоимость контроля);

— уменьшение влажности глинозёма (при этом снизится его удельная поверхность и сорбционная ёмкость);

— увеличение удельной поверхности глинозёма (при этом может возрасти его влажность);

— увеличение КО (при этом может уменьшиться выход по току);

— использование добавки фторид лития (но он имеет высокую стоимость и загрязняет металл).

Состав анодных газов различен и зависит от режима работы ванн, типа укрытия и состояния системы вентиляции. Анодные газы из корпусов электролиза поступают на газоочистные установки для удаления примесей:

— твёрдых C, Al₂O₃, Na₃AlF₆, Na₅AlF₁₄, AlF₃, CaF₂, углеводороды;

— газообразных HF, CF₄, C₂F₆, SiF₄, SO₂, H₂S, CS₂, COS, CO₂, CO, H₂O, углеводороды.

Содержание примесей в газах зависит от типа электролизёра (СОА или ОА), поэтому применяют различные системы очистки с соответствующим оборудованием.

Двухступенчатая система «мокрой» очистки» (рис. А) применяется для удаления пыли и смолистых веществ из анодных газов от электролизёров СОА. Сначала газы проходят через электрофильтры и обеспыливаются. В твёрдых частицах больше всего содержится глинозёма и фторидов, поэтому пыль электрофильтров направляют в электролизёры.

Вторая ступень очистки осуществляется в скрубберах или в пенных аппаратах, орошаемых 3—5 %-ным раствором соды. Содовый раствор промывает газы и поглощает фтористый водород – главный фторсодержащий компонент газа. Степень поглощения фтористого водорода 95—98% по реакции

НF Nа₂СОз = NаF NаНСОз

Содовый раствор циркулирует в системе поглощения до тех пор, пока концентрация NаF достигнет 15-20 г/л. Пыль и смолистые вещества осаждаются в виде шлама на дно скрубберов. В результате получается раствор фтористого натрия с примесями сульфата натрия, шлам и промытые газы. Раствор перекачивают в бак-отстойник. Шлам после отстаивания фильтруется на барабанном вакуум-фильтре, разбавляется водой и паста откачивается на шламовое поле.

Осветлённый раствор направляют в реакционное отделение на варку криолита. В реакторе раствор фтористого натрия смешивают с раствором алюмината натрия и при температуре 75°С идет реакция

6NaF 4NаНСО₃ NаА1(ОН)₄= ↓Nа₃А1F₆ Nа₂СО₃ 4Н₂О

Полученный так называемый регенерированный криолит фильтруют, промывают, сушат и направляют на электролиз. Криолит имеет КО = 4 и загрязнен примесями оксидов железа, кремния, сульфатами и др. Его используют в основном на пуске ванн.

Схемы газоочистки

Раствор после отделения криолита поступает на приготовление оборотного содового раствора, для чего в него вводят свежую соду и направляют в скрубберы для связывания НF.

Очищенные газы направляются в трубу и выбрасываются в атмосферу. Чтобы рассеять их на большие расстояния и тем самым уменьшить концентрацию вредностей высота труб не менее 120 м.

С помощью газопоглощения можно регенерировать из газов до 95% содержащихся в них фтористых солей и до 65% окиси алюминия.

Схема «мокрой» очистки характеризуется сложностью и значительным количеством твердых и жидких отходов.

Угольная футеровка пропитывается электролитом во время пуска и работы, и, в зависимости от срока службы ванн, может содержать до 20% фтора. Особенно много фтористых солей содержит верхняя часть футеровки, которая извлекается из ванны при ее демонтаже в виде так называемой «пушонки».

Угольная пена, извлекаемая из ванн, содержит 60—75% электролита. Поэтому фтористые соли из пены и угольной футеровки ванн извлекают методом флотации, получая флотационный криолит.

Сначала угольные отходы дробят, затем дозируют «пушонку» к пене в отношении 1: 10 по объему. Смесь поступает в шаровую мельницу на мокрый размол до тонины не менее 75— 85% фракции минус 0,088 мм. Такая степень измельчения обеспечивает хорошее разделение частиц электролита и угля. Пульпу перед флотацией подвергают магнитной сепарации от металлических включений, попадающих от износа шаров и облицовки мельницы.

Флотация угольной пены основана на различной смачиваемости водой поверхности частиц угля и электролита. Частицы электролита хорошо смачиваются водой, а угольные частицы плохо. Разница в способности смачиваться водой еще больше увеличивается при введении в состав пульпы флотореагентов. Они избирательно поглощаются — сорбируются поверхностью частиц угля, и угольные частицы почти полностью перестают смачиваться водой. В качестве флотореагента применяют технический скипидар.

Через взмученную пульпу, содержащую флотореагент, пропускают пузырьки воздуха, которые, как и частицы угля, избирательно собирают на своей поверхности флотореагент. Покрытые одинаковыми веществами частицы угля и пузырьки воздуха легко слипаются, поднимаются и перетекают с частью жидкости через край в виде пены. Частицы электролита не прилипают к пузырькам воздуха и оседают на дно.

Угольную пену флотируют на двух флотационных машинах Основная флотация производится на первой флотационной машине, где частицы угля в виде пены поднимаются на поверхность жидкости. Пена гребками собирается в желоб, а криолитовая пульпа поступает на перечистку во вторую машину.

Криолитовый концентрат сгущают в баке-сгустителе, фильтруют на вакуум-фультре, после чего флотационный криолит с содержанием влаги 18—25% сушат в многоподовой печи, обогреваемой паром и снабженной гребковым перемешивающим устройством.

Сухой готовый флотационный криолит должен отвечать техническим условиям и содержать:

— не менее 39% фтора,

— не более 0,9% окиси железа, 0,5% окиси кремния, 1,8% углерода и 4,0% влаги.

На получение 1 т флотационного криолита расходуется (в среднем) 1,5 т угольной пены. Готовый флотационный криолит используют в электролизном цехе завода.

Недостатком флотационного метода является сложность и недостаточная экономичность.

Более простым и экономичным методом извлечения из угольной пены фтористых солей является выжигание из нее угольных частиц в специально сооруженной траншее на открытой и безопасной в противопожарном отношении площадке завода. Полученный таким образом криолит содержит фтора не менее 39%, окиси железа 0,32—0,5%, окиси кремния 0,3—0,35% и углерода 0,4—1,6%, т. е. данный продукт получается лучшего качества, чем при флотации, и дешевле на 20—30%.

Извлекаемый из электролизёров алюминий содержит различные примеси

Первичный алюминий по содержанию примесей должен отвечать требованиям ГОСТ 11069—2001, в котором введены десять марок алюминия технической чистоты (АТЧ) и пять марок алюминия высокой чистоты (АВЧ). Высший сорт технического алюминия А85 содержит сумму примесей 0,15 %, низший сорт А0 — 1,0 %. Поэтому основная задача литейного отделения заключается в том, чтобы, используя имеющиеся сорта алюминия-сырца, путем оптимальной их шихтовки (смешивания) получить товарную продукцию согласно требованиям потребителей.

Примеси, содержащиеся в алюминии-сырце можно разделить на три группы.

1) Металлические: железо, медь, цинк, титан, кальций, магний, натрий, галлий, ванадий, марганец, свинец, хром, олово, висмут, кадмий, сурьма, кремний, мышьяк и др. Содержание каждого в отдельности колеблется от 0,06 до 1,0 %, а иногда и выше. Железо и кремний особенно вредны, потому что именно они понижают пластические свойства и коррозионную стойкость алюминия. Остальные металлические примеси присутствуют во много раз меньше, чем железо и кремний, но все они ухудшают физико-химические свойства алюминия.

2) Неметаллические: глинозем, фтористые соли, углерод, карбид и нитрид алюминия.

3) Газообразные, в основном водород.

Источники попадания примесей:

— сырья — в алюминий переходят примеси из глинозёма, фторсолей, анодной массы;

— состояние угольной футеровки и возраст ванны,

— использование фторированного глинозёма;

— оплавление железного инструмента – лом, шумовка, скребок;

— переливы алюминия в миксеры в литейном отделении и т.д.

Наиболее велико содержание в алюминии-сырце кремния и железа, которые вызывают существенное изменение свойств алюминия: повышают вязкость алюминия в жидком состоянии, увеличивают его электрическое сопротивление, твердость и предел прочности на разрыв, снижают пластичность и коррозионную стойкость.

Одно из важнейших свойств алюминия – электропроводность. По степени влияния на электропроводность алюминия, металлы можно разделить на три группы:

I — медь, цинк, никель, бериллий не оказывают значительного влияния на электропроводность;

II — железо, кремний, магний весьма ощутимо снижают электропроводность алюминия;

III — ванадий, титан, марганец, хром резко снижают электропроводность алюминия даже при незначительном содержании. Ванадий оказывает наибольшее влияние, так как поступает в электролизёр с глинозёмом и углеродными материалами в довольно значительных количествах.

Из неметаллических примесей в алюминии присутствуют глинозём, фтористые соли, углерод, карбид и нитрид алюминия. Даже тысячные доли процента этих примесей ухудшают механические и литейные свойства алюминия и снижают его коррозионную стойкость.

Из газов в алюминии присутствуют преимущественно водород (более 80%), а также диоксид углерода, сернистый газ, кислород и азот. Суммарное их содержание в алюминии-сырце составляет 0,10-0,50 см³ на 100 г алюминия. Газы, содержащиеся в алюминии, ухудшают его физико-механические свойства, вызывают образование пор, раковин, пузырьков, что отрицательно влияет на изделия проката и литья.

Вылитый из электролизёров алюминий перевозится в литейное отделение в том же вакуум-ковше. Ковш взвешивают, берут пробу алюминия и отправляют в лабораторию на экспресс-анализ. Затем проводят первичную очистку.

Рафинирование инертными газами. В качестве инертных газов применяют азот, аргон или смесь газов. Газ продувают снизу через всю толщу расплава, при этом с пузырьками инертного газа удаляется растворенный в металле водород. Всплывающие пузырьки встречают на пути взвешенные неметаллические включения и выносят их на поверхность. Наиболее доступный газ – азот, он инертен к расплавленному алюминию при ≈ 700 ºС и весьма широко применяется в промышленности. Время азотирования 3-5 мин, расход азота 700-750 л на 1 т металла. Одновременно происходит удаление части растворенного в металле газа. Пузырьки газа адсорбируются преимущественно на частицах взвешенных в расплаве примесей (оксидов) и вместе с ними всплывают на поверхность. Оптимальное время отстаивания 30-45 мин; более длительное отстаивание или повышение температуры металла приводят к дополнительному его окислению.

Рафинирование хлором. В течение 15 мин. проводят хлорирование — продувают смесь хлора и азота по кварцевым или графитовым трубкам при температуре алюминия 750-770 °С. Содержание хлора в азоте 5-10 %, расход хлора 0,3-0,5 кг/т Al. Из алюминия-сырца удаляется около 60 % газов. Металлические примеси (кальций, натрий и магний), как более электроотрицательные, чем алюминий, хлорируются, а другие остаются в расплавленном алюминии. Обволакиваясь газовой оболочкой, хлориды легко всплывают на поверхность металла, образуя рыхлый порошок, который снимают дырчатой ложкой (шумовкой). Потери алюминия с хлоридами 0,2 кг/т.

Рафинирование флюсами. Этот метод основан на удалении неметаллических примесей путем их взаимодействия с расплавленными солями. Механизм такого взаимодействия различен в зависимости от применяемого флюса. Взвешенные частицы могут растворяться расплавленными солями, могут химически взаимодействовать с ними или сорбироваться, т.е. оседать на поверхности корольков (капель) расплавленной соли. Эффективность очистки достигается лишь в том случае, если флюсы смачивают неметаллические включения лучше, чем металл. На поверхность алюминия наносят слой флюса из хлоридов калия, натрия и кальция. В результате смачивания размер включений увеличивается и они всплывают с большей скоростью, чем до обработки флюсом.

После хлорирования ковши с очищенным алюминием-сырцом подают к миксеру и переливают в него металл для смешивания и дополнительной очистки. Миксер — электрическая печь сопротивления ёмкостью 60 – 80 тонн, под сводом которой расположены спирали из толстой нихромовой ленты. После его наполнения, для усреднения химического состава и температуры, по всему объему осуществляется перемешивание расплава с помощью мульдозавалочной машины или МГД-оборудования. После 10-минутного перемешивания металла отстаивается 15 минут, с поверхности снимают шлак и отбирают пробу на экспресс-анализ химического состава. После получения положительного результата по составу, металл по системам металлоподвода направляется в литейную машину или на конвейер. В то время, как из одного миксера происходит слив металла в литейную машину, на другом миксере осуществляется процесс подготовки расплава аналогично описанному выше. На одной из продольных сторон печь имеет летку. Для наклона при литье печь снабжена поворотным механизмом

Перерабатывают жидкий алюминий несколькими методами.

1) Производство малогабаритной чушки (15 кг) осуществляется на комплексах, состоящих из миксеров и автоматизированных установок. На них чушку отливают в изложницы, разбраковывают, клеймят, штабелируют на поддонах, обвязывают катанкой (пакетируют) и направляют на склад готовой продукции.

2) Полунепрерывное литьё слитков. Литейная машина имеет несколько кристаллизаторов по форме слитка, а вместо дна кристаллизатор имеет поддон, который при литье опускается с определенной скоростью. Снаружи стороны кристаллизатора охлаждаются водой. Алюминий заливается в кристаллизатор, и при движении поддона вниз со скоростью, равной скорости литья, в кристаллизаторе формируется слиток. Кристаллизаторы изготовлены из алюминиевых сплавов, внутри смазываются специальным маслом для скольжения слитка. На таких машинах можно отливать одновременно до 16 слитков длиной до 10 м. Скорость литья зависит от сечения слитков. Температура металла 690—710 °С. По окончании отливки желоб и литейную чашу убирают, и слитки поднимают из колодца.

3) Непрерывное литьё и прокатка (НЛП). Так получаютпроволоку — катанку непосредственно из жидкого алюминия (рис. 14.1). Установка для производства катанки состоит из литейной машины, прокатного стана и сматывающего устройства. Кристаллизатор — вертикальное медное колесо большого диаметра со стальной лентой, плотно прижатой к ободу. В полость между ободом и лентой поступает жидкий алюминий при 710-715 °С. Колесо вращается со скоростью 4 об/мин и охлаждается водой. Алюминий затвердевает в виде ленты по форме обода и сходит в виде горячей заготовки с температурой 450 °С.

1 — миксер; 2 — роторная машина; 3 — летучие ножницы; 4 — непрерывный прокатный стан; 5 — моталки

Рисунок 14.1 — Литейно-прокатный агрегат алюминиевой катанки

Далее заготовка поступает в прокатный многоклетьевой стан, где её сечение от клети к клети уменьшается. На такой установке получают катанку диаметром от 7 до 22 мм. Готовая катанка непрерывно сматывается в бухты.

4) Бесслитковая прокатка (БП). Металл заливается в валковый кристаллизатор, затвердевает и обжимается водоохлаждаемыми валками. Так работают машины для производства рулонной заготовки, позволяющие получить лист толщиной 6—8 мм и шириной до 1500 мм.

Методы НЛП и БП используют жидкий алюминий, все отходы металла сразу идут на переплавку в миксерах или электролизёрах, что дает значительную экономию алюминия, электроэнергии и трудозатрат.

Наиболее выгодной продукцией литейного отделения являются сплавы на основе алюминия: силумины (литейные) и малолегированные деформируемые сплавы с лигатурой Al-В или Al-Ti-B. Для приготовления лигатур применяют тигельные индукционные печи. Литейные сплавы выпускаются в виде слитков и чушек, а деформируемые – только в виде слитков: плоских (для проката) и цилиндрических (для прессования или механической обработки).

Продукция литейного отделения отправляется на склад готовой продукции, который обычно служит продолжением литейного отделения, и к нему подведены железнодорожные подъездные пути.

Для обеспечения стабильной и качественной работы литейное отделение оснащено разнообразным оборудованием для подготовки, плавки, разливки, штабелирования, упаковки и отгрузки готовой продукции:

— электрические отражательные печи (миксеры), поворотные или с сифонным разливом металла, с магнито-гидродинамическим устройством (МГД) для перемешивания металла;

— индукционные тигельные печи для переплавки отходов и приготовления сплавов;

— литейные конвейеры для разливки алюминия в чушку (на старых заводах);

— автоматизированные линии разливки чушки с водяным и воздушным охлаждением изложниц в комплекте со станциями укладки, упаковки, взвешивания и системы транспортировки готовой продукции на склад;

— машины полунепрерывного литья для получения крупногабаритных слитков (вайербарсов) различных сечений: цилиндрические, прямоугольные, квадратные, Т-образные;

— пилы для резки слитков на части;

— оборудование непрерывного литья для производства проволоки из жидкого алюминия – катанки;

— мостовые краны;

— мульдозавалочные машины для загрузки шихтовых материалов в миксеры;

— весовое оборудование для взвешивания жидкого металла;

— оборудование для ремонта и настройки литейной оснастки;

— машины для чистки миксеров и загрузки в миксеры обрези слитков;

— электропогрузчики и вилочные автопогрузчики для погрузки готовой продукции в ж/д транспорт.

Все операции литейного цеха: разгрузка автотранспорта, транспортировка шихтовых материалов, транспортировка грузов от литейных агрегатов на склады и отгрузка со складов, погрузка готовой продукции на железнодорожный транспорт, а также вспомогательные и ремонтные работы выполняются мостовыми кранами и автопогрузчиками.

На КрАЗе три литейных отделения непрерывно перерабатывают алюминий из 24 корпусов, включая корпус АВЧ, и выпускают:

— мелкогабаритную чушку из алюминия (АТЧ, АВЧ) и алюминиевых литейных сплавов;

— Т-образную чушку из алюминия (АТЧ, АВЧ) и алюминиевых литейных сплавов

— слитки плоские и цилиндрические из алюминиевых деформируемых сплавов.

По внешнему виду рафинировочные электролизеры похожи на электролизеры с обожженными анодами, но у них ванна является анодом, а электроды сверху — катодом.

Анодное устройство смонтировано в стальном кожухе с днищем прямоугольной формы. Дно выложено асбестовыми листами и несколькими рядами шамотного кирпича. На них установлены угольные блоки, ток к которым подводится стальными стержнями, залитыми чугуном. Боковые стенки футерованы шамотным кирпичом, а в шахте ванны стенки выполнены из магнезитового кирпича, стойкого к действию электролита. Угольная футеровка боковых стенок не может быть применена, поскольку через нее может произойти замыкание анода и катода. Глубина шахты 70— 90 см.

В одном торце ванны имеется загрузочный карман, соединенный с шахтой ванны горизонтальным каналом на уровне подины. Карман футерован магнезитовым кирпичом, внутри вставлена графитовая труба, сверху закрыт алюминиевой крышкой. Через этот карман идет питание анодного сплава техническим алюминием.

Катодное устройство монтируется сверху. Катодная рама из стальных балок через домкраты подвешена на неподвижных металлоконструкциях. Домкраты вместе с редукторами и электромоторами составляют механизм подъема катодной рамы. С помощью домкратов катодный массив может перемещаться вверх и вниз. На катодной раме находятся алюминиевые шины, к которым эксцентриковыми зажимами крепятся штанги катодов.

Катоды в электролизере расположены в два ряда. Конструкция катодов аналогична обожжённым анодам, они состоят из графитированных цилиндрических электродов диаметром 50 см и высотой 36 см и алюминиевой штанги. В нижней части штанги приварен стальной ниппель, который вставляется в катод и заливается чугуном. Для защиты от окисления катоды заливают с боков и сверху в алюминиевые «рубашки» толщиной 5 см.

Рисунок 15.2 — Электролизер для рафинирования алюминия

а — продольный разрез; б — поперечный разрез

1—блюмс; 2 — угольный блок; 3 — футеровка (шамот); 4 — кожух; 5 — загрузочный карман;

6 — футеровка (магнезит); 7 — катод; 8 — катодная штанга; 9 — металлоконструкция катодной рамы;

10 — катодная рама; 11—подъемный механизм; 12—крышки катодные стационарные; 13—катодная шина;

14—крышки катодные съемные; 15 — эксцентриковый зажим; 16 — анодная шина

Между рядами катодов установлена алюминиевая крышка в виде свода. Пространство между этим сводом и кожухом ванны над катодами закрыто съемными алюминиевыми крышками. Такое укрытие электролизера обеспечивает достаточно полное удаление вредностей и уменьшение потерь тепла через верх электролизера.

Перед началом эксплуатации шахту ванны в течение 2 суток обжигают, нагревая теплом от сжигания газообразного или жидкого топлива. Подъем температуры постепенный, во избежание растрескивания футеровки и чтобы подовая масса в межблочных швах успела скоксоваться.

Пуск рафинировочного электролизера производится в следующем порядке. На прогретую очищенную подину устанавливают подогретые графитированные катоды, соединенные через алюминиевую штангу с катодными шинами. Через карман заливают анодный сплав с содержанием меди 50% (по массе) и электролизер включают в электрическую цепь. Через 2-3 часа температура достигает 750—800 °С. В ванну заливают электролит и одновременно поднимают катодное устройство. По мере работы электролизера происходит пропитка футеровки электролитом, слой его уменьшается, поэтому следят за высотой слоя электролита, не допуская его чрезмерного снижения. Напряжение постепенно падает от 12 до 7 В. Обязательно проверяют равномерность распределения тока по катодам.

Затем заливают алюминий-сырец слоем не менее 10 см. Катоды погружают ниже слоя алюминия, чтобы они пропитывались электролитом. Такие пусковые катоды не имеют защитной «рубашки». Через 2 суток катодный металл сливают вакуум-ковшом, очищают электролит от шлама и на поверхность электролита заливают слой АВЧ. Катоды заменяют на защищенные алюминием и постепенно электролизер вводят в нормальный режим по напряжению и температуре. При достижении катодным металлом химического состава, отвечающего требованиям к АВЧ, начинается нормальная эксплуатация электролизера.

Обслуживание рафинировочных электролизеров при нормальной их работе сводится к следующим операциям:

1) Заливка алюминия-сырца, подлежащего рафинированию.

Алюминий заливают в загрузочный карман электролизера специальной машиной с графитовым штоком, дающим возвратно-поступательное движение, при этом металл смешивается с анодным сплавом. Дело в том, что плотность заливаемого алюминия много ниже не только анодного сплава, но и электролита. При заливке без перемешивания струя алюминия может не смешаться с анодным сплавом и алюминий попадёт в электролит, а из него в катодный металл.

2) Приготовление анодного сплава

Анодный сплав также готовят в ваннах-матках. Для этого сначала удаляют катодный металл, первичный алюминий заливают в загрузочный карман, а подогретую чистую электролитическую медь вводят через слой электролита. Сплав выливают из ванны-матки с помощью вакуум-ковша.

В ваннах-матках проводится также операция пропитывания графитированных катодов электролитом перед заливкой на них защитных алюминиевых «рубашек».

3) Корректировка состава электролита и анодного сплава.

По данным анализов и замеров, проводимых согласно схеме контроля технологических параметров и процесса, осуществляют корректировку электролита и анодного сплава. Приготовленный в ванне-матке электролит заливают при помощи специального графитового стакана с отверстиями в боковой поверхности, опуская через слой катодного алюминия. Анодный сплав заливают в электролизер для восполнения потерь меди через загрузочный карман, перемешивая специальной пневматической мешалкой.

Обычный состав электролита, %: 40-45 криолита с КО = 1,5-2,2; 55-60 хлорида бария. Кроме того, для увеличения электропроводимости электролита в него вводят 2-4 %хлорида натрия. Температура плавления электролита 670-730 °С. Однако электрорафинирование проводят при температуре 760-810 °С.

Хлорид бария является утяжелителем электролита, обеспечивая ему среднюю плотность между плотностью АВЧ и плотностью анодного сплава. Хлоридно-фторидный электролит имеет ряд недостатков.

— Между компонентами расплава происходит взаимодействие, суммарную реакцию можно представить в виде:

2ВаС1₂ 4NaF 2A1F₃ = BaCl₂*BaF₂ 2NaAlF₄ 2NaCl

— Гидролиз фторида алюминия под воздействием влаги воздуха и влаги, вносимой с исходными солями:

2AIF₃ ЗН₂О = А1₂О₃ 6HF

Эти реакции приводят к образованию в электролите шлама, состоящего из BaCl₂*BaF₂, А1₂О₃ и NaAlF₄. Поэтому во время работы ванны приходится периодически корректировать состав электролита и удалять шлам.

4) Приготовление электролита

Для приготовления электролита используют криолит, алюминий фтористый и хлорид бария. Для уменьшения гидролиза и шламообразования соли предварительно сушат в трубчатых печах при 400-600 °С в течение 12-15 ч. Шихту наплавляют в отдельных электролизерах — «ваннах-матках», которые предназначены для:

— наплавления смеси солей (шихты);

— рафинирования электролита;

— приготовления анодного сплава;

— пропитывания катодов электролитом.

По конструкции ванны-матки ничем не отличаются от рафинировочных электролизеров, только имеют укрытие шторного типа для улавливания вредностей — продуктов гидролиза и испарения электролита. В них имеются графитированные катоды без защитных алюминиевых «рубашек». Температура и напряжение (10—12 В) на ваннах-матках выше, чем на обычных рафинировочных ваннах.

После наплавления солей электролит выдерживают 4-5 ч, в течение которых происходит его рафинирование от более электроположительных, чем алюминий, примесей, которые выделяются на катоде в слое первичного алюминия, специально залитого на поверхность электролита. Этот алюминий сливают перед выливкой электролита и используют для приготовления анодного сплава. Готовый электролит извлекают из ванны-матки вакуум-ковшом и направляют на корректировку уровня в рядовые рафинировочные ванны.

5) Выливка рафинированного алюминия.

Выливку катодного металла производят один раз в двое суток с помощью вакуум-ковша. На всасывающую трубу ковша надевают графитовый стакан с радиальными отверстиями у дна и опускают в электролизер на глубину, равную слою металла, подлежащего выливке. По мере уменьшения слоя катодного металла катоды опускают, включив механизм для перемещения катодного устройства. Разрыв во времени между операциями выливки катодного металла и заливки алюминия-сырца не более 4 часов.

6) Удаление осадков из анодного сплава.

В анодном сплаве накапливаются примеси, при достижении концентрации железа 6-7 % и кремния 7-8 %, они начинают выделяться в твердую фазу в виде интерметаллических соединений Al₇Cu₂Fe и FeSiAl₅. Так как температура анодного сплава в загрузочном кармане на 30-40 °С ниже, чем в рабочем пространстве электролизера, то в нем и выделяются осадки интерметаллидов. Периодически удаляя эти осадки, очищают анодный сплав от железа и кремния. Кроме того, в анодном сплаве накапливается галлий (до 0,3 %), и осадки интерметаллических соединений служат сырьем для его получения. Температура в кармане не должна быть ниже 590 °С — точки начала кристаллизации соединения СuАl₂, так как в противном случае анодные осадки будут сильно обогащены медью и алюминием.

При достижении в анодном сплаве концентрации железа выше 6 % и кремния выше 7 % эти примеси осаждаются в виде интерметаллических соединений меди с алюминием, железом и кремнием. Осадки интерметаллических соединений в более холодном кармане начинают выделяться не сразу после пуска, а спустя несколько месяцев, когда в анодном сплаве накопится железо и кремний в достаточно высоких концентрациях. Осадки извлекают шумовками или специальными центрифугами и перерабатывают в ваннах, идущих на капитальный ремонт. В этих ваннах алюминий из осадков электрохимически растворяется, а на аноде остается сплав, обогащенный медью, железом, кремнием и галлием. После демонтажа плиту такого сплава направляют на предприятия вторичной цветной металлургии.

7) Извлечение шлама из электролита.

Шлам в электролите образуется из-за присутствия твердых неметаллических включений, что нарушает нормальный ход процесса рафинирования алюминия. Для проведения чистки удаляют весь катодный металл, извлекают из ванны два катода и снимают с поверхности анодного сплава шлам. Когда шлама в ванне много, электролит заменяют весь. После чистки поверхность электролита покрывают слоем алюминия-сырца и несколько часов рафинируют электролит. Затем этот металл полностью удаляют, катоды погружают в электролит и заливают слой АВЧ такой толщины, чтобы не образовались разрывы поверхностей катодного металла.

8) Обрубка гарниссажа.

При работе ванны боковая футеровка обрастает гарниссажем из глинозёма и фторида бария, пропитанных электролитом и металлом. Чем чаще колебания уровня металла и электролита, тем больше образуется гарниссажа. Это приводит к уменьшению площади электролита, повышению фактической плотности тока и перегреву ванны, а также к затруднениям в обслуживании катодов. Поэтому не реже одного раза в год производят обрубку гарниссажа.

9) Обслуживание катодов.

Заключается в пропитке их графитированной угольной части электролитом в ванне-матке, покрытии боковых поверхностей защитным слоем из алюминия, регулировании токораспределения и периодической очистке от шлака.

В ходе процесса рафинирования постоянно контролируется энергетический режим электролизера и серии, качество АВЧ, химический состав анодного сплава и электролита, высота слоев в ванне.

Для производства полупроводниковых материалов требуется алюминий особой чистоты, содержащий 99,999-99,9999 % А1 и даже выше. Получить такой алюминий электролитическим рафинированием невозможно. В промышленности столь глубокую очистку алюминия осуществляют зонной перекристаллизацией, которая основана на том, что примеси при кристаллизации алюминия неравномерно распределяются между жидкой и твердой фазами металла.

Для оценки распределения примесей по длине кристаллизующегося образца введено понятие о коэффициенте распределения. Коэффициент распределения К определяют как отношение концентрации примеси в твердой фазе Ст к концентрации этой примеси в расплаве Сж

К = Ст/Сж

Примеси, у которых К < 1, концентрируется в расплаве, меньшая часть их переходит при кристаллизации в твердую фазу. И часть слитка, затвердевающая в последнюю очередь (зона II на рис. 1), будет обогащена примесью, а остальная часть (зона I) будет очищена от данной примеси.

Наоборот, при К > 1 примесь сосредоточится в части слитка I, и ее количество в части слитка II будет непрерывно уменьшаться, пока не станет исчезающе малым.

Значит, в первом случае чистым будет конец слитка I, а во втором случае — конец слитка II. Если же в металле присутствуют примеси того и другого типа, то наиболее чистой будет его средняя часть.

1 — кварцевая труба; 2 — графитовая лодочка; 3 — нагреватель; 4 — загрязненный алюминий;

5 — расплавленная зона; 6 — очищенный алюминий

Рисунок 15.3- Схема очистки алюминия зонной плавкой

К примесям с величиной К < 1 принадлежат Be, Са, Со, Сu, Fe, Li, Mg, Ni, Sb, К, Si, Sn, Zn, Cd, Bi, Pb. К примесям, имеющим К > 1, относятся Nb, Та, Cr, Mo, Ti, V, W, Zr. Примеси Мn и Sc имеют К = 1, поэтому при зонной кристаллизации от этих металлов алюминий почти не очищается.

Технология зонной перекристаллизации заключается в следующем. Слиток алюминия марок А95-А995, протравленный смесью чистых соляной и азотной кислот, помещают в предварительно обожженную в вакууме графитовую лодочку. Лодочку со слитком загружают в кварцевую трубу, в которой создают вакуум. Снаружи вдоль кварцевой трубы движется нагреватель, создающий узкую расплавленную зону на слитке, перемещающуюся вместе с нагревателем. Длина слитка около 1 м, поперечное сечение — трапеция. Длина расплавленной зоны 25-30 мм, скорость перемещения 1 мм/мин. Число повторных перемещений (проходов) вдоль слитка 12-15. Температура расплавленной зоны 750 °С. Средняя часть слитка алюминия имеет чистоту, приближающуюся к 99,9999 % Аl.

Контрольные вопросы

1) Методы рафинирования металла

2) Сущность трёхслойного способа рафинирования алюминия

3) Технология электролитического рафинирования алюминия

4) Конструкция электролизёра для получения АВЧ

5) Обслуживание электролизёра АВЧ

6) Параметры работы электролизёра АВЧ

Работники любой организации обязаны проходить инструктаж, обучение и проверку знаний по охране труда. По характеру и времени проведения инструктажи подразделяют на:

— вводный инструктаж, его проводят: инженер по охране труда, работник пожарной охраны и медицинский работник, хорошо знающие специфику производства алюминия. Инструктаж проводят со всеми принимаемыми на работу независимо от их образования, стажа работы по данной профессии или должности, а также с командированными, учащимися и студентами, прибывшими на практику;

— первичный инструктаж на рабочем месте, проводит руководитель того подразделения, в котором предстоит работать данному работнику. Инструктаж проводят с каждым работником индивидуально, с практическим показом безопасных приемов и методов труда. Допуск к самостоятельной работе фиксируется датой и подписью инструктирующего в специальном журнале;

— повторный инструктаж, проводится для проверки и повышения уровня знаний правил и инструкций по ОТ и ТБ. Работники должны проходить повторный инструктаж не реже одного раза в течение шести месяцев;

— внеплановыйинструктаж, проводят при изменении правил по ОТ, изменении и обновлении технологического процесса, нарушении работниками правил и инструкций по ТБ, которые могут привести или привели к травме, аварии. При регистрации внепланового инструктажа в журнале указывают причину, вызвавшую его проведение;

— целевой инструктаж, проводят при выполнении разовых работ, не связанных с прямыми обязанностями по специальности; ликвидации аварий, стихийных бедствий и катастроф; производстве работ, на которые оформляется наряд-допуск или разрешение; проведении экскурсии на предприятии; организации массовых мероприятий и др.

О проведении вводного, первичного, повторного и других инструктажей, вызванных переводом рабочего с одной работы на другую или изменением профессии, а также об обучении безопасным методам работы, в карточке инструктажа рабочего делается отметка с обязательной подписью инструктируемого и инструктирующего.

Работники не прошедшие инструктажи, обучение и проверку знаний по ОТ, к выполнению работ в соответствии с законодательством РФ не допускаются и обязаны вновь пройти инструктаж.

Обучение и проверка знаний включают:

— обучение по ОТ при подготовке по профессии, переподготовке, повышении квалификации;

— обучение безопасным приемам работы, со стажировкой на рабочем месте;

— допуск к самостоятельной работе по основной и смежной профессиям;

— обучение действиям в аварийных ситуациях и проверку знаний требований специальных правил;

— ежегодное обучение и проверку знаний технологических, рабочих инструкций, ИОТ, эксплуатационной и ремонтной документации.

Для обеспечения установленных технических нормативов эмиссий (выделений) загрязняющих веществ в окружающую среду предприятию необходимо выполнять следующие требования:

1) не допускается эксплуатация оборудования, в результате работы которого эмиссии превышают установленные нормы;

2) технические удельные нормативы эмиссий в атмосферный воздух от работы основного оборудования электролизного производства и обжига анодов устанавливаются по шести показателям: пыль неорганическая, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода СО, возгоны каменноугольного пека (смолистые вещества) и соединения фтора;

3) технические удельные нормативы эмиссий твердых частиц установлены для пыли неорганической, содержащей оксид кремния SiO₂, оксид алюминия Al₂O₃, фториды нерастворимые (F^—), бенз(а)пирен;

4) контроль содержания твердых и газообразных загрязняющих веществ в отходящих газах ведется прямыми замерами в газоходах, воздухе рабочей зоны, на фонарях корпусов электролиза, на трубах газоочистки с последующим пересчетом суммарных эмиссий в атмосферный воздух;

5) технические удельные нормативы эмиссий парниковых газов в атмосферу устанавливаются для диоксида углерода СO₂, тетрафторуглерода CF₄ и гексафторуглерода C₂F₆. Контроль содержания CF₄ и C₂F₆ в отходящих газах ведется на аэрационных фонарях корпусов электролиза и трубах газоочистки с последующим пересчетом суммарных эмиссий в атмосферный воздух;

6) удельные нормативы эмиссий достигаются за счет внедрения системы технических и технологических решений, включая оборудование узла газо- и пылеочистки с последующим возвратом уловленной технологической пыли в процесс;

7) основное и вспомогательное технологическое оборудование должно иметь документы, обеспечивающие их идентификацию и удостоверяющие их соответствие действующим техническим регламентам и нормативным документам, а также сопроводительные документы производителя, содержащие схемы монтажа, инструкции по эксплуатации и техническому обслуживанию;

8) для вводимых в действие новых технологий и оборудования требуется разработать и утвердить технологические рабочие инструкции, инструкции по безопасности и охране труда, обеспечивающие безопасное ведение технологических процессов и безопасную эксплуатацию оборудования;

9) электролизеры должны быть оснащены системой непрерывного автоматического контроля технологических параметров процесса электролиза для минимизации энергопотребления и продолжительности анодного эффекта;

10) электролизеры должны быть оснащены системой автоматической подачи глинозема и фтористых солей;

11) в процессе производства должна обеспечиваться непрерывная работа всех основных приточно-вытяжных и аспирационных вентиляционных установок, предусмотренных проектом;

12) системы пыле- и газоулавливания и газоочистные установки должны обеспечивать эффективность очистки не ниже 99,4%;

13) процессы разгрузки и транспортировки сырья и материалов должны быть автоматизированы и обеспечены применением конвейеров, вагоноопрокидывателей, грейферных кранов и разгрузки через люки вагонов;

14) места разгрузки и погрузки сырья и материалов должны быть оборудованы аспирационными установками;

15) технологическое оборудование, аппараты и трубопроводы, предназначенные для работы со взрывопожароопасными и вредными парами, газами и пылью, должны быть герметичными, в случае невозможности полной герметизации, должны быть оборудованы местными отсосами;

16) составные части производственного оборудования, рукава подачи природного газа, мазута, воздуха, масла, воды и электрокабели должны быть защищены от возможного попадания на них расплава;

17) фундаменты и опорные колонны электролизеров, подземные каналы и междуэтажные металлические перекрытия в корпусах электролиза должны иметь электрическую изоляцию; на участках между смежными электролизерами перекрытия должны иметь электроизолирующие вставки;

18) лестницы на второй этаж и площадки второго этажа, а также перила должны выполняться из неэлектропроводных материалов;

19) корпуса электролиза должны иметь вдоль наружных стен аэрационные проемы, закрытые на высоту не менее 1,7 м от уровня земли надежно заземленными металлическими сетками;

20) в зонах воздействия опасных физических факторов (шум, вибрация, электромагнитное или ионизационное излучение) обслуживающий персонал должен быть оснащен средствами индивидуальной защиты и дозиметрии;

21) размещение отходов производства должно соответствовать нормам экологического законодательства и НТД, складируемые отходы производства должны иметь паспорт опасности отходов;

22) уровень радиации в местах складирования основного сырья и отходов производства не должен превышать норм радиационной безопасности, установленных уполномоченным органом в области здравоохранения;

23) Предприятия должны в обязательном порядке выполнять программы:

— производственного экологического контроля;

— измерения эмиссий в окружающую среду согласно утвержденному графику с привлечением лаборатории, аккредитованной в установленном порядке;

— переработки опасных отходов с момента их образования.

Себестоимость алюминия является одним из основных экономических показателей производства. Структура заводской себестоимости приблизительно такова:

Таблица 17.1 – Примерная калькуляция себестоимости

Сырье и основные материалыпредставляют главную статью расхода. Теоретический расход глинозема с учетом содержания в нем примесей составляет 1908—1916 кг на 1 т алюминия, а практически затрачивается до 1930 кг/т, угольных анодов — до 570 кг/т. Фтористых солей на 1 т алюминия расходуется, кг:

Криолит свежий 15—25

Криолит флотационный 15—25

Фторид алюминия 20—25

Стремясь к снижению себестоимости алюминия, необходимо правильно организовать прием и хранение сырья в складах, исключающих его порчу и потери. Глинозем и фтористые соли — материал сыпучий, он легко распыляется и рассыпается при складировании, транспортировке, загрузке в ванны и обработке ванн. Поэтому транспортировать глинозем и фтористые соли со склада до ванн следует в исправной таре, лучше пневматическим способом, а загружать их в ванны — исправными дозирующими устройствами. Отсутствие в глиноземе влаги, окислов натрия и кремния уменьшает расход фтористых солей. Потери фтористых солей, связанные с пылением и испарением при загрузке в электролит, могут быть снижены при введении их в виде брикетов или гранул.

На электролизерах ВТ улавливание фторсолей из газов удается осуществить только на 70%. Поэтому разработка систем отсоса и улавливания газов и пыли при обработке этих ванн представляет собой важную задачу не только с точки зрения улучшения условий труда, но и снижения себестоимости алюминия.

Угольная пена, извлекаемая из электролита, содержит до 60% фтористых солей. Значительное количество (6—8%) фтористых солей теряется с футеровкой при демонтаже электролизеров. Для извлечения фтористых солей футеровку и пену направляют на регенерацию методом флотации.

Понижение расхода анодной массы и обожженных электродов может быть достигнуто путем дальнейшего совершенствования технологии их производства, в частности, введением пека с повышенной температурой размягчения.

Количество расходуемого криолита и фтористого алюминия в значительной степени зависит от качества оборудования ванны и технологии. Большое количество фтористых солей теряется при нарушении нормального хода ванны и при извлечении из нее угольной пены. Поэтому главное в экономии фтористых солей — не допустить нарушений нормального хода ванны, следует стремиться к снижению температуры электролита, сокращению продолжительности вспышек и их предупреждению, возвращать в процесс оборотный криолит, улавливать и регенерировать ценные составляющие из отходящих газов, угольной пены, и угольных материалов, полученных после демонтажа ванн.

При горячем ходе и других «заболеваниях» ванны боковые поверхности анода следует тщательно предохранять от окисления. Выгорание анода с боков не только вызывает повышенный расход анодной массы, но и увеличивает количество пены в ванне, повышая тем самым и расход электролита, удаляемого с пеной.

Электроэнергия.Снижение энергозатрат при производстве алюминия очень важно, поскольку алюминиевые заводы являются крупнейшими потребителями электроэнергии. Расход технологической энергии постоянного тока изменяется в широких пределах — от 13000 до 16500 кВт*ч/т, а общий расход электроэнергии переменного тока составляет в среднем 17000 кВт*ч на 1 т алюминия. Расход энергии на электролизерах с ОА меньше, чем на электролизерах с СОА. Кроме типа электролизера, в расходе энергии большую роль играет конструкция ошиновки: чем больше сечение шин, тем меньше потери энергии в ошиновке. Важно также иметь ошиновку и конструкцию ванны, позволяющие свести к минимуму вредное влияние электромагнитных сил на процесс электролиза.

Для снижения расхода электроэнергии необходимо строго соблюдать установленный для ванны режим, особенно междуполюсное расстояние, не допускать лишних вспышек, быстро их ликвидировать и устранять бесполезные потери напряжения в электрической цепи. Уменьшение междуполюсного расстояния с 5,5 до 4,5 см позволяет снизить напряжение на ванне на 0,15—0,2 В, а снижение количества вспышек с 1—2 до 0,2—0,3 в сутки и продолжительности их, дает возможность экономить электроэнергию примерно на 1 —1,5%.

Своевременная перестановка штырей и тщательная их очистка и правка позволяют снизить напряжение на ванне на 0,1 — 0,2 В. Тщательный монтаж и хорошее обслуживание подины ванны, недопущение осадков и чрезмерных настылей позволяет снизить напряжение на ванне на 0,45—0,35 В.

Сокращение затрат сырья, основных и вспомогательных материалов, а также электроэнергии при производстве алюминия не только обеспечивает снижение его себестоимости, но и создает возможности дополнительного выпуска продукции из сэкономленного сырья и электроэнергии.

Трудовые затраты.Снижение трудовых затрат возможно путем дальнейшей механизации трудоемких операций, причем не только в самом процессе электролиза, но и во вспомогательных операциях — ремонте оборудования, транспортировке материалов и др. Улучшение организации производства и системы заработной платы — важные факторы снижения трудоемкости получения алюминия и повышения производительности труда.

Важнейшей задачей является рост производительности труда. Основными факторами, определяющими рост производительности труда, служат повышение производительности ванн, осуществление комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, а также систематическое повышение квалификации рабочих и широкое внедрение передовых методов труда.

Цеховые расходысостоят в основном из амортизационных отчислений. Часть этих средств идет на восстановление основных фондов, т. е. на капитальный ремонт оборудования, в основном электролизеров, остальные средства — в общегосударственный фонд капитального строительства (реновация). Снижение этой части расходов может быть достигнуто увеличением срока службы электролизеров и сокращением времени их простоя на капитальном ремонте.

Нормы амортизационных отчислений зависят от характера основных фондов. Так, для зданий и сооружений они составляют 2,4 %, причем 1,4 % идет на капитальный ремонт, а 1 %—на реновацию (срок службы зданий принимается 100 лет); другие сооружения имеют срок службы 20—40 лет. Основное оборудование изнашивается быстрее и затраты на капитальный ремонт значительно выше. Так, для электролизеров ВТ общая норма амортизации 27,5 %, из них на капитальный ремонт 19 %. Для снижения амортизационных отчислений следует стремиться к удешевлению капитального ремонта ванн и стоимости новых электролизёров.

Заводские расходысостоят из затрат на содержание экспериментальных цехов, заводских лабораторий, конструкторских бюро, ОТК, охраны, дирекции и из коммерческих расходов. Чем больше масштабы производства, тем меньше цеховые и, особенно, заводские расходы.

Рентабельность

Рентабельность предприятия— важнейший показатель его деятельности — определяется по формуле:

Р = (Ц—С)*100/С

где Р — рентабельность, %;

Ц — оптовая цена 1 т алюминия, руб;

С — себестоимость 1 т, руб.

Отсюда видно, что рентабельность тем выше, чем выше цена, которая в значительной мере зависит от чистоты металла.

Оптовые цены на алюминий первичный в чушках (ГОСТ 11070—2002) на LME (Лондонская биржа металлов) от 1400 до 1800 долларов за тонну. Обычно наилучшей маркой алюминия, получаемой в результате первичного электролиза является А85. В металле этой марки содержание примесей в сумме не более 0,15%. Повышение содержания примесей до 1,0% (марка А0) приводит к понижению цены на $200/т, т. е. к резкому снижению рентабельности производства. Поэтому борьба за получение металла высокой чистоты является одним из главных направлений деятельности предприятий алюминиевой промышленности.

Серьезным резервом снижения себестоимости и повышения рентабельности работы завода является повышение качества (сортности) готовой продукции и устранение брака при литье слитков: продукция низкого качества продается по более низкой цене, хотя себестоимость ее для завода практически та же, что и продукции повышенного качества. Полученный при литье слитков брак вызывает дополнительные расходы на его исправление, что приводит к увеличению себестоимости продукции. Поэтому точный учет брака, изучение причин его и предупреждение, имеет большое значение. Снижение себестоимости алюминия — решающее условие повышения рентабельности завода.