Автоматизированная система мониторинга и управления процессом производства алюминия в электролизерах с обожженными анодами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Бойков, Алексей Викторович

• Бойков, Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бойков, Алексей Викторович

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ......................................................................................................12

1.1 Особенности физико-химических процессов электролитического получения алюминия........................................................................................................................15

1.2 Технологический контроль нормальной работы электролизеров с обожженными анодами.................................................................................................19

1.2.1 Контроль температуры электролита.................................................21

1.2.2 Контроль состава электролита..........................................................25

1.2.3 Требования к состоянию поверхности расплава во время замены анодов......................................................................................................................31

1.2.4 Проблема образования шлака при выливке металла......................33

1.2.5 Визуальные и ручные методы контроля..........................................36

1.3 Анализ современных АСУТП электролиза алюминия........................................37

1.4 Выводы по Главе 1...................................................................................................41

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................43

2.1 Выбор и обоснование метода исследования.........................................................43

2.1.1 Характеристики видимого диапазона электромагнитного спектра ..................................................................................................................................45

2.1.2 Структура автоматической системы на базе ОНК..........................51

2.2 Программа экспериментальных исследований....................................................52

2.2.1 Лабораторная установка для изучения оптического спектра расплава..................................................................................................................53

2.2.2 Методика для определения зависимости оптического спектра расплава от криолитового отношения.................................................................55

2.2.3 Методика для определения зависимости оптического спектра расплава от его химического состава..................................................................57

2.2.4 Методика определения влияния температуры ведения процесса на спектр расплава......................................................................................................59

2.2.5 Методика определения степени зашлакованности поверхности расплава по яркостным характеристикам спектра.............................................59

2.3 Обработка экспериментальных данных. Определение статистических зависимостей..................................................................................................................60

2.3.1 Метод наименьших квадратов..........................................................60

2.3.2 Корреляционный анализ....................................................................62

2.3.3 Регрессионный анализ.......................................................................63

2.4 Выводы по Главе 2...................................................................................................65

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА КРИОЛИТОГЛИНОЗЕМНОГО РАСПЛАВА............................................................66

3.1 Измерение компонентов спектра электролита.....................................................66

3.2 Изучение влияния криолитового отношения электролита на оптический спектр ..........................................................................................................................................73

3.3 Изменение компонентов спектра расплава от состава электролита..................82

3.4 Изучение влияния температуры процесса на оптический спектр электролита 87

3.5 Программный модуль для расчета криолитового отношения по данным оптического спектра расплава......................................................................................90

3.6 Экономическая эффективность предлагаемого решения....................................92

3.7 Выводы по Главе 3...................................................................................................96

ГЛАВА 4 РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ПРИ ОПТИЧЕСКОМ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ...............................................97

4.1 Определение степени зашлакованности поверхности расплава по светлоте....97

4.2 Определение степени зашлакованности поверхности расплава по яркости... 101

4.3 Определение степени зашлакованности поверхности расплава и металла.....103

4.4 Программный модуль для определения степени зашлакованности поверхности расплава........................................................................................................................106

4.5 Экономическая эффективность внедрения расширенного функционирования

систем управления.......................................................................................................108

4.5.1 Применение разработанного решения при замене анода.............108

4.5.2 Применение разработанного решения в литейном производстве ................................................................................................................................111

4.6 Выводы по Главе 4.................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................115

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

В период неустойчивой экономической ситуации многие мировые продуценты алюминия, как в России, так и за рубежом, остановили нерентабельные производства. Серии электролизеров с обожженными анодами средней мощности и электролизеров с верхним и боковым токоподводом были отключены ОК РУС А Л, законсервированы или демонтированы.

Основное направление современного развития электролитического производства алюминия связано с совершенствованием высокоамперных технологий - получением алюминия на электролизерах с обожженными анодами, работающих при силе тока более 300 кА. Сверхмощные высокоамперные электролизеры с обожженными анодами, работающие на Хакасском алюминиевом заводе и пусковые серии строящегося Богучанского алюминиевого завода для производства первичного алюминия, оснащены многоуровневыми системами автоматизации. Все операции по технологическому обслуживанию практически полностью механизированы. После запуска Хакасского алюминиевого завода (электролизеры РА-300) и 5-й серии электролиза Иркутского алюминиевого завода (ОА-3002М) установлены характерные признаки технологических нарушений, связанных с отклонением химического состава электролита от заданных значений и проблемами оперативного контроля при обслуживании.

Высокоамперный электролизер - сложная многофункциональная динамическая система, требующая тщательного технологического контроля и управления на основе постоянного автоматизированного мониторинга основных параметров с целью повышения основных технико-экономических показателей. В связи с этим недостаточно осуществлять периодические корректировки электролита фтористыми солями, контролировать содержание глинозема «по шумам», регулировать напряжение по уставке. Существующий уровень автоматизированного контроля производства алюминия не обеспечивает

своевременную корректировку технологических параметров (температура, криолитовое отношение, состав электролита, уровни металла и электролита) и имеет значительную инерционность из-за большого количества ручных операций. Существуют временные интервалы технологических операций (замена анодов, выливка металла, загрузка глинозема и фторсолей), во время которых электролизер может находиться в разбалансированном состоянии, что в свою очередь приводит к снижению производительности отдельной ванны и электролизной серии в целом.

Для стабилизации технологического процесса электролиза необходимо оперативно анализировать причины отклонений параметров от заданных значений и своевременно формировать управляющие воздействия при помощи обратных связей по каналу управления АСУТП. Для повышения управляемости процесса необходимо расширение функциональных возможностей АСУТП. Специфика технологии электролиза обусловлена химической агрессивностью и высокой температурой криолитоглиноземного расплава, следствием чего является недостаточный уровень информации о параметрах процесса из-за дороговизны их контроля стандартными приборами КиП.

Проблемой контроля технологических параметров и совершенствованием алгоритмов управления агрегатов электрометаллургической промышленности занимались отечественные и зарубежные научно-исследовательские и проектные организации, такие как ОАО «Цветметавтоматика», ЗАО «ТоксСофт», ИТЦ РУСАЛ, ОАО «РУСАЛ ВАМИ», ОАО «СибВАМИ», Alcoa (США), Alean (Канада), SIEMENS (Германия). Значительный вклад в разработки в области управления, автоматизации и контроля технологических параметров алюминиевой промышленности внесли известные ученые и специалисты Калужский H.A., Борисоглебский Ю.В., Железное В.А., Троицкий И.А., Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Концур Е.П., Минцис М.Я., Бегунов А.И., Левин М.В., Пискажова Т.В., Потапова Т.Б., Поляков П.В., Березин А.И., Николаев И.В., Манн В.Х., Глушкевич М.А., Зельберг Б.И., Скорняков В.И., Чалых В.И., Черных А.Е., Сизяков В.М., Бажин В.Ю. и др.

Актуальной задачей исследования представляется расширение функций АСУТП за счет непрерывного мониторинга технологических параметров при помощи систем технического зрения, в том числе во время операций обслуживания электролизеров с ОА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная система мониторинга и управления процессом производства алюминия в электролизерах с обожженными анодами»

Цель работы

Разработка и научное обоснование технических решений, обеспечивающих повышение эффективности управления процессом производства алюминия в электролизерах с обожженными анодами.

Идея работы

Поставленная цель достигается использованием методов оптического неразрушающего контроля на основе систем технического зрения и специализированного программного обеспечения для мониторинга технологических параметров и расширения функциональных возможностей автоматической системы управления высокоамперных электролизеров с ОА.

Задачи исследования:

- изучение влияния технологических параметров электролизера на характеристики оптического спектра КГР;

- обоснование применения систем технического зрения для определения параметров криолитоглиноземного расплава (криолитовое отношение, степень зашлакованности поверхности расплава);

- выявление характера зависимости значений составляющих оптического спектра криолитоглиноземного расплава от переизбытка в нем фторида алюминия и разработка алгоритма для расчета величины криолитового отношения;

- разработка критериев оценки степени зашлакованности поверхности расплава при автоматизированном мониторинге технологических операций по обслуживанию электролизера и при транспортировке ковша в литейное отделение;

- разработка инновационных технических решений на основе контроля технологических параметров во время операционного обслуживания электролизеров с OA (замена анодов, питание электролизера, выливка металла), обеспечивающих повышение технико-экономических показателей;

- реализация программно-аппаратного комплекса для АСУТП на основе результатов, полученных в рамках исследований, и адаптация к условиям действующего электролитического производства алюминия.

Методы исследований

В диссертационной работе использовались современные методы анализа цифровых изображений с применением компьютерной обработки в совокупности с обобщенными практическими и теоретическими знаниями в области производства электролитического алюминия, термодинамики, оптики и других смежных наук.

Обработка и анализ результатов, полученных в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний, проводились стандартными методами статистики с использованием программного пакета Lab VIEW компании National Instruments (США).

Научная новизна работы:

- Обосновано применение оптического неразрушающего метода для контроля технологических параметров в электролитическом производстве алюминия.

- Получены функциональные зависимости значений составляющих оптического спектра криолитоглиноземных расплавов от соотношения фторидов натрия и алюминия, а также от концентрации глинозема в электролите.

- Изучены динамические особенности формирования криолитоглиноземной корки на поверхности расплава при дозированной подаче фторированного глинозема с целью корректировки криолитового отношения и поддержания заданной концентрации А120з-

- Разработан алгоритм мониторинга поверхности КГР при выполнении основных технологических операций (выливка металла и замена анодов) и при транспортировке ковша в литейное отделение.

Основные защищаемые положения:

1. Регистрация и анализ спектра излучения криолитоглиноземного расплава, изменяющего цвет от темно-бордового (К0=2,0) до светло-жёлтого (К0=3,0), осуществляется при помощи цветных промышленных камер, и позволяет определить точное количество корректирующих добавок фторида алюминия и фторированного глинозема в течение 30-45 секунд.

2. Система сигнализации на основе технического зрения позволяет интенсифицировать очистку поверхности расплава во время технологических операций (выливки металла, замены анодов), что снижает степень зашлакованности до 10-15%, обеспечивая устойчивую работу электролизера и снижение потерь металла и электроэнергии.

Практическая значимость работы:

- Полученные значения спектральных характеристик открытой поверхности расплава позволяют в режиме реального времени определить отклонение криолитового отношения от заданного значения во время технологических операций с точностью до 0,02.

- Разработанный алгоритм корректировки КО позволяет оперативно рассчитать величину добавки фторидов алюминия и фторированного глинозема, компенсирующей неконтролируемые отклонения криолитового отношения.

- Алгоритм мониторинга поверхности КГР во время операции замены анода позволяет увеличить выход по току на 0,3-0,5% за счет увеличения площади контакта анода с расплавом.

- Текущий мониторинг количества шлака на поверхности расплава при выливке металла из электролизера позволяет принять меры по интенсификации

удаления криолитоглиноземной корки, что обеспечивает повышение выхода годной продукции на 10-15%.

- Реализованы программные продукты для контроля технологических параметров электролитического производства алюминия (свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014616312 и №2014616178), апробированные в условиях действующего производства.

Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена объемом экспериментальных исследований, применением современных методов статистического анализа, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, проверена в лабораторном и промышленном масштабах.

Результаты, представленные в диссертационной работе, подтверждены в рамках лабораторных и промышленных испытаний и могут быть использованы в качестве дополнительного инструментария в существующих АСУТП на Иркутском, Богучанском и Хакасском и других алюминиевых заводах.

Апробация работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на VIII международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 28-29 ноября 2014 год), международной конференции «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, 1-6 декабря 2014).

Личный вклад автора заключается в: постановке целей, формулировке задач и разработке методики исследований; в проведении анализа научно-технической литературы и патентного поиска; выполнении лабораторных исследований и полупромышленных испытаний; разработке технических решений, адаптированных к условиям действующего электролитического производства алюминия; научном обобщении полученных результатов.

Реализация работы:

Разработанные технические решения по повышению эффективности управления на основе систем технического зрения предложены к использованию на предприятиях ОК РУСАЛ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 125 страницах. Содержит 50 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 94 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

Первичный алюминий в промышленных масштабах получают путем электролиза криолитоглиноземных расплавов по технологии Эру-Холла уже более ста лет [1]. Современное производство алюминия основано на электролитическом разложении глинозема (А1203) с выделением на катоде металлического алюминия, а на аноде - газообразных продуктов электролиза -монооксида и диоксида углерода.

Основным высокопроизводительным агрегатом для промышленного производства первичного алюминия в настоящее время являются электролизеры с обожженными анодами (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема алюминиевого электролизера с ОА: 1 — угольная футеровка; 2 - бортовые блоки; 3 - бортовая настыль; 4 - укрывной материал; 5 -крышки и укрытие; 6 - анододержатели; 7 - балка-коллектор анодных газов; 8 -бункер глинозема; 9 - анодная ошиновка; 10 - пробойник АПГ; 11 - обожженный анод; 12 - электролит; 13 - бортовая теплоизоляция; 14 - расплавленный алюминий; 15 - блюмс

Технология электролитического производства алюминия на электролизерах с OA имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогами старой конструкции -электролизерами с самообжигающимися анодами Содерберга (с верхним и боковым токоподподом) [2]:

-возможность увеличения единичной мощности электролизеров на 5-10% от проектной за счет изменения амперной нагрузки;

- высокие ТЭП (Таблица 1), характеризующие работу мощных электролизеров, свидетельствуют об их высокой конкурентоспособности;

- снижение выбросов смолистых веществ, в том числе бензапирена и других вредных компонентов и, как следствие, улучшение экологической ситуации в электролизных корпусах за счет конструктивных особенностей, уменьшающих время работы электролизеров в разгерметизированном состоянии [3, 75, 76];

- применение малоотходных и безотходных технологических схем, предусматривающих рециклинг химических реагентов;

- высокий уровень механизации и автоматизации технологического обслуживания [4];

- повышенный уровень безопасности и снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, достигаемый за счет минимизации человеческого фактора в управлении процессом и использования современных АСУТП. Основные техническо-экономические показатели электролизеров представлены в таблице 1.

Лидерами инновационных технических решений в современном электролизе являются зарубежные производители алюминия, такие как Alcoa (США), Hydro Aluminum (Норвегия), Rio Tinto Alean (Канада-Франция-Австралия). При проектировании новых производств и модернизации действующих предпочтение отдается электролизерам с обожженными анодами мощностью 300-400 кА.

Таблица 1 - Основные техническо-экономические показатели

электролизеров крупнейших алюминиевых производителей [78, 79, 80, 81]

Показатели Ед. Фирмы производители, марка электролизера

изм. Нус1го А1шшпшт А1соа Шо ТМо А1сап Китай С1ш1со РУСАЛ

НАЬ-250 А-817 АР-35 0-350 РА-ЗООБ

Сила тока кА 275 320 350 350 320

Суточная кг 2104 2448 2664 2664 2408

производитель-

ность

Плотность тока А/см^ 0,82 0,80 0,83 0,84 0,86

Выход по току % 95,0 95,0 94,5 94,5 93,5

Напряжение В 4,25 4,38 4,30 4,24 4,36

Уд.расход кВт-ч/ 13,333 13,725 13,561 13,372 13,903

энергии кг-'

Расход анодов кг/т А1 520 530 450 415 533,4

Кол-во анодов шт 30 40 40 48 36

Боковые стояки шт 4 5 5 6 5

Точ. питатели шт 5 5 4 6 5

Система марка НАЬЗООО А1соа АХ^РБУБ Оа851'е 8ААТ-2

управления оьс

В настоящее время Омане работает производство с годовой мощностью 360 тыс. т первичного алюминия [5]. На предприятии внедрены новейшие технологии и достигнут лучший показатель себестоимости алюминия в мире -950$ за 1 т.

В ближайшей перспективе в России планируется запуск новых производственных мощностей на базе высокоамперных электролизеров с ОА на 320кА (РА-320Б) и 420кА (Богучанский и Тайшетский алюминиевые заводы). А

уже работающие Хакасский алюминиевый завод (РАЗ00) и пятая серия электролизеров Иркутского алюминиевого завода (ОАЗОО-2М) показывают самые высокие технико-экономические результаты за последние годы эксплуатации [6, 68].

Работы ведущих ученых и специалистов в области металлургии алюминия, а также повышенный интерес лидеров российского и зарубежного производства, прогнозируют большие перспективы для дальнейшей модернизации электролизеров с ОА.

1.1 ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

В качестве электролита используется искусственный криолит, имеющий формулу смеси двух солей и А1Е, (или Ка3АШ6). Криолит - комплексная соль, которая составляет 80-90% всей массы электролита [7], поэтому изменение состава электролита может кардинально изменить ход физико-химических процессов, протекающих в межполюсном расстоянии, которые могут существенно повлиять на технико-экономические показатели процесса.

Физико-химическая природа электролиза сводится к тому, что расплавленный криолит, диссоциирует на положительно заряженные катионы натрия (Иа+) и отрицательно заряженные комплексные анионы (А1Р6)Э~ [8].

^а3АЩ =3(№)+ +(АЩ)3~ (1)

Количественные изменения ионов в расплаве связаны в первую очередь с криолитовым отношением. Катионы натрия (Ка+) преобладают в электролите при высоком КО (щелочной электролит). Современные алюминиевые электролизеры с ОА работают с использованием кислых электролитов со значением КО 2,22,5 [9]. При работе на щелочных электролитах (с КО более 2,7) происходит разряд ионов натрия в пограничном слое «металл-электролит», что приводит к снижению выхода по току. Отсюда следует, что контроль значения КО особенно важен для обеспечения стабильности процесса электролиза.

Рабочая температура плавления электролита находится в пределах 945-965°С [10]. При данной температуре связи между алюминием и фтором в комплексных ионах ослабевают, и сложный анион (АЩ)^ распадается на ионы (АЩ)" и (Б)",

(АЩГ^САЩГ+ад- , (2)

последовательно диссоциируя, вплоть до монофторида алюминия.

Основным сырьем для электролиза служит оксид алюминия - глинозем А1203 - содержанием не более 4-5% массы расплава. Ввод порций глинозема в расплав значительно усложняет структуру электролита, поэтому необходимо обеспечить постоянный контроль содержания А1203 в расплавленном криолите Ка3А1Рй. Установлено [2], что понижение концентрации глинозема до 0,5-1,0% приводит к возникновению анодных эффектов и выделению перфторуглеродов: СБ4 и С2Б6, а при его переизбытке (более 6%) на подине катода под слоем металла

образуется жидкий криолитоглиноземный осадок [84], который с течением времени кристаллизуется и изолирует подину нерастворимыми донными осадками. Поддержание нормального рабочего режима осуществляется с помощью АСУТП, которая на основе характерных «шумов» напряжения (флуктуации) и уровней металла и электролита осуществляет подачу глинозема через питатели системы АПГ [11].

Наиболее эффективно электролиз идет при концентрации глинозема 2,53,5% [12]. Процесс растворение глинозема (А1203) сопровождается образованием

в электролите оксифторидных комплексов (АЮЕ,)".

А12Оэ + (АЩ)3- =3(А10Р2)" (3)

На подошве анода происходит сложный процесс, в ходе которого к нему перемещаются отрицательно заряженные анионы (АЮЕ,)". Однако в первую

очередь на аноде разряжаются ионы кислорода (О2-) из комплексного аниона, так как обладают более отрицательным потенциалом разряда. Одновременно с этим

происходит адсорбция атомарного кислорода углеродом, сопровождающаяся образованием промежуточных оксидов по реакции Будуара [85].

2С0 = С + С02 (4)

Ход этой реакции определяется рядом параметров электролизера, зависящих друг от друга [13], но особенно важно, что при выполнении операции замены анода значительное влияние оказывает количество пены и шлака на поверхности электролита.

Кроме этого, в криолитоглиноземный электролит вводят до 6-10% различных корректирующих добавок (АЩ, СаЕ,, ЫБ) [14]. Они улучшают

свойства электролита: снижают температуру плавления и вязкость расплава, увеличивают его электропроводность и поверхностное натяжение на границе «металл-электролит» [15].

Теоретически в процессе электролиза расходуется глинозем, углерод и электроэнергия, необходимая для разложения глинозема и поддержания рабочей температуры. На получение 1 тонны алюминия расходуется примерно 13-15 тыс. кВтч электроэнергии.

А1,03 +1.5С эдер,ия > 2А1 + 1.5С02 (5)

Упрощенно состав электролита можно рассматривать как совокупность двух видов ионов: катионов натрия (Ка+) и комплексных анионов (АЮБ2)~. В

процессе электролиза перенос тока в основном осуществляют более электрохимически активные ионы натрия. Но в первую очередь разряжаться на катоде будут ионы алюминия, как имеющие более положительный потенциал выделения по сравнению с другими катионами. Поэтому при катодном разряде основным процессом является восстановление алюминия (А1)3+ из комплексного аниона [16]. Эффективность этой реакции будет определяться переизбытком фторида алюминия, или величиной КО.

2(А1)3+ + бе" = 2А1 (6)

На высокоамперных электролизерах жидкий слой алюминия (уровень металла - 18-22 см) накапливается на углеграфитовой подине электролизера под

слоем электролита высотой 20-22 см. Разделение происходит в связи со значительной разностью плотностей расплава: для электролита - 2,1 г/см3, для алюминия-2,3 г/см3 [17]..

Алюминий, образовавшийся в процессе электролиза, частично взаимодействует с компонентами электролита (№Г и А1Г3).

ЗКаБ + А1 = А1Г, + ЗИа (7)

При этом натрий диффундирует через слой алюминия и проникает в угольную подину ванны, разрушая углеграфитовые и огнеупорные материалы подины [18,19]. Криолитовое отношение в этом случае снижается.

Субфториды алюминия АЩ, попадая в прианодное пространство, окисляются углекислым газом, что является основной причиной снижения выхода металла по току на 3%. Кроме того увеличивается содержание оксида углерода в анодных газах.

А1Е, + 2А1 = ЗАШ (8)

ЗА1Б + ЗС02 = А1203 + АЩ + ЗСО (9)

Главным образом, ход протекания физико-химических процессов определяется рядом технологических параметров (температура электролита, уровень расплава, криолитовое отношение, концентрация глинозема, количество анодных эффектов), которые в конечном итоге влияют на эффективность процесса электролитического получения алюминия (выход по току). В любом случае, криолитовое отношение является определяющим фактором процесса, и его постоянный контроль необходим для сохранения устойчивого материального баланса и хода физико-химических процессов. Также необходимо учитывать косвенное влияние других параметров технологического процесса, которые определяются по значениям электрических параметров или внешним признакам, например, состояние рабочей поверхности электролита и наличие на ней угольной пены и криолитоглиноземной корки.

1.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ

Выявление технологических нарушений осуществляется на основе анализа контролируемых и расчетных энергетических и технологических параметров работы электролизеров, определенных для каждого типа электролизеров в технологических инструкциях, которые являются основным документом, регламентирующим сроки и порядок обслуживания электролизера.

Обслуживание электролизеров с ОА, работающих в нормальном технологическом режиме, сводится к выполнению ряда операций в соответствии с ТИ: обработка и питание ванн, снятие угольной пены и расчистка поверхности электролита от корки и шлака, корректировка состава электролита фтористыми солями, обслуживание анодов, выливка алюминия [11]. На стабильно работающей ванне поверхность электролита закрыта коркой застывшего электролита и засыпана смесью глинозема и оборотного криолита. Питание современных высокоамперных электролизеров осуществляется только через системы АПГ, а корректировка криолитового отношения осуществляется через бункера подачи фтористых солей, поддержание уровней электролита и концентрация глинозема могут также обеспечиваться через питание фторированным глиноземом, который поступает с сухих газоочисток или оборотным дробленным электролитом.

Рабочее напряжение контролируется на каждой ванне индивидуально, и выводится на вольтметр, вмонтированный в шкаф управления электролизера для каждой пары электролизеров, и, как правило, составляет 4,1-4,3В. Значения рабочего напряжения определяются электрическим сопротивлением по всей цепи прохождения тока: катодная и анодная ошиновка электролизера, подина, электролит, анодные держатели и сами анодов [20]. Сопротивление в указанных частях ванны в процессе работы имеет стабильные значения, в отличие от сопротивления электролита в МПР. Рабочее напряжение изменяется вследствие сгорания анода, изменения состава электролита, низкого содержания глинозема и постепенного ухудшения смачивания анода. Чтобы поддерживать рабочее напряжение в регламентированных пределах, необходимо периодически

регулировать положение анода. Это производится с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом или в ручном режиме [21].

В настоящее время известен способ контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров [22] на основе измерения постоянной иэ и переменной составляющих падения напряжений на электролизере и тока Лс серии. По измеренным параметрам вычисляют сопротивления электролизера, причем измерения выполняют одновременно на гармониках, кратных 50 Гц. По результатам измерений определяют величину обратной ЭДС и действующее значение переменной по составляющей тока серии на каждой из гармоник, используемых для измерений. Для чего вычисляют соотношение, связывающее измеренные величины гармоник тока серии, и вызванное ими падение напряжения на каждом электролизере по математической зависимости.

Однако на гармоники напряжения в межэлектродном пространстве большое влияние оказывают различные технологические факторы и отклонения, которые можно идентифицировать только через многоступенчатую фильтрацию сигналов. Также данный способ показывает низкую сходимость результатов с фактическими значениями технологических параметров из-за высокого уровня помех, связанных с выполнением технологических операций по обслуживанию. Неточность результатов измерений связана и с тем, что контролируется весь слой электролита, находящийся в межэлектродном пространстве.

Другой способ автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами [23] заключается в использовании закрепленных на анодной шине датчиков, которые производят измерения напряжения на конструктивных элементах электролизера и определяют токи по анодам. Измерения напряжения на электролизере осуществляют в нескольких точках по длине анодной шины. Число точек измерения выбирают больше числа токов, определение которых проводят по анодам.

Необходимо отметить, что недостатком способа является влияние на качество измерения колебаний напряжения, связанных с магнитодинамическим воздействием катодного металла. Для реализации способа требуется большое количество измерительной техники и последующих преобразований, что приводит к значительной погрешности в измерениях.

1.2.1 Контроль температуры электролита

Температура электролита является одним из важнейших технологических параметров, влияющих на производительность ванны и качество алюминия-сырца. Поэтому, огромное значение имеет не только абсолютное значение температуры, но и величина перегрева относительно температуры плавления (кристаллизации) электролита.

Для достижения высоких ТЭП электролиза (высокий выход по току, низкие расходные коэффициенты по сырью и электроэнергии и т.д.), перегрев электролита должен поддерживаться в определенном диапазоне. Для современных высокоамперных электролизеров с ОА с точечным питанием перегрев электролита находиться в пределах 5-10°С, в то время как для ванн Содерберга с поточной системой обработки эта величина может достигать 20°С [86, 87]. Низкие температуры характеризуются плохой растворимостью глинозема и увеличением частоты анодных эффектов, а при чрезмерно высокой температуре растворимость алюминия в электролите значительно повышается, что сопровождается его окислением при взаимодействии с анодными газами.

Электролит любого состава имеет определенную температуру начала кристаллизации. При медленном охлаждении расплавленного электролита достигается точка, при которой начинают образовываться твердые кристаллы -температура ликвидуса. С увеличением концентрации глинозема температура кристаллизации расплава быстро снижается. В зависимости от соотношения КаБ и АЩ,, то есть от криолитового отношения, можно определить температуру

начала кристаллизации электролита.

Для практических целей это соотношение обычно преобразуют в график зависимости температуры начала кристаллизации (ликвидуса) от криолитового отношения [24]. На рисунке 2 представлена линия ликвидуса и кривая реальной температуры электролита. Сравнивая обе кривые, можно рассчитать перегрев электролита.

930

2.1 22 23 2.4 25 26

Криолитобое отношение

Рисунок 2-Линия ликвидуса (нижняя линия) и температура электролита (верхняя линия)

Управление работой электролизера по перегреву имеет важное практическое значение, так как этот параметр в значительной степени определяет стабильность настылей и гарнисажей, растворимость глинозема в электролите, тепловой баланс электролизера и т.д.

По результатам анализа электролита на КО, определяется так называемая «расчётная температура ликвидуса». Средняя температура электролита рассчитывается на основе периодических замеров при помощи хромель-алюмелевых термопар, которые, как правило, проводятся 1-2 раза в неделю.

Столь низкая частота замеров объясняется тем, что криолитоглиноземный расплав очень агрессивен, химически он взаимодействует со всеми материалами кроме некоторых углеграфитовых и карбидокремниевых изделий, поэтому

практически невозможно осуществлять постоянный контроль температуры при помощи стандартных термопар.

По разности показателей расчетной и средней температуры рассчитывается перегрев электролита. При этом оптимальное значение перегрева зависит от типа и мощности электролизера, качества работы системы АПГ. Поддержание заданной температуры ликвидуса достигается корректировкой состава электролита фтористым алюминием, а температура электролита регулируется с помощью изменения уставки рабочего напряжения на ванне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бойков, Алексей Викторович, 2015 год

/ / / /

/ 1

1 / / /-

и у / / / / /

1/ г У / / Л

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 26002700

Время, с

Рисунок 38 - Изменение светлоты поверхности расплава с КО=2,4

Время, с

Рисунок 39 - Изменение светлоты поверхности расплава с КО=2,6

Время, с

Рисунок 40 - Изменение светлоты поверхности расплава с КО=2,8

На рисунках 38-40 четко определяются 8 характерных минимумов, соответствующих моменту загрузки глинозема и его распределению по поверхности расплава. Однако для каждого КО после очередного минимума наблюдается увеличение уровня светлоты (например, до значения 49-51 для первой засыпки), который соответствует открытой поверхности электролита и означает окончание растворения глинозема.

Видно, что с течением времени наблюдается не полное, а частичное восстановление значения светлоты, что означает перенасыщение раствора и начало процесса фрагментарного образования корки из глинозема, пропитанного электролитом.

Загрузка последующих порций глинозема приводит к формированию устойчивой плотной корки из спекшегося глинозема, что соответствует показателю светлоты в диапазоне от 0 (порошковый глинозем на корке) до 10 (криолитоглиноземная корка).

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАШЛАКОВАННОСТИ ПОВЕРХНОС ТИ

РАСПЛАВА ПО ЯРКОСТИ

Аналогичный эксперимент был осуществлен с применением монохромной камеры «aca640-120gm» [60]. Эксперимент проводился с образцами искусственного электролита со значениями КО равными 2,4, 2,6 и 2,8. Процесс засыпки и растворения порций глинозема, формирования криолитоглиноземной корки регистрировался на видеокамеру с последующим анализом изображения по яркости.

На рисунке 41 изображены стадии процесса засыпки порции глинозема (песочный тип марки Г00) с помощью трубчатого питателя.

а б в

Рисунок 41 - Состояние поверхности расплава при КО = 2,4: 1 - загрузка глинозема через трубчатый питатель (начало эксперимента - 0 с), 2 - частичное растворение глинозема (через 45 с после начала эксперимента), 3 - полное растворение порции глинозема (через 200 с)

Процесс растворения первой порции глинозема показан на рисунке 42. Анализ полученных графиков показывает, что характер изменения яркости (рисунок 37) и светлоты (рисунок 42) имеет общую тенденцию. Резкое уменьшение яркостной характеристики спектра наблюдалось только в первые 2025 с после загрузки глинозема. Дальнейший процесс постепенного погружения и растворения глинозема с формированием первичной корки завершился к 200220 с опыта, при этом показатель яркости изменялся в пределах от 112 до 146.

По окончанию растворения глинозема и нормализации температуры на поверхности расплава (с 220 до 300 с) значение яркости стабилизировалось.

145144142 140 138 136' 134

4 132 о»

% 130' х

5 128-го

| 126 с!

124 122120' 118 116 114 112

У -- ...

А

/

X,

м /

1

/1

1 /

1

у /

м

0 КО-2 4

0 КО-2 6

0 КО-2 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 190 190 200 210 220 230 240 250

Время, с

Рисунок 42 - Изменение яркости спектра расплава во время первой загрузки глинозема

В ходе исследования было выполнено 8 загрузок глинозема весом по 5 г, с интервалом в 5 минут в каждом опыте [77]. После загрузки и растворения порций глинозема отмечалось снижение яркости (рисунок 43) в результате образования разрозненных областей корки.

га КО=24

0 КО=26 РЯ

0 КО=2 8

200 400

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 26002700

Время, с

Рисунок 43 - Изменение яркости поверхности расплавов с различными КО

Анализ полученных результатов (Рисунок 43) позволяет выделить два характерных временных участка для каждого химического состава расплава (содержание фторида алюминия, натрия и глинозема) [57]. Для электролита со значением КО=2,4 это следующие временные интервалы:

1. 0-1800 с - растворения порций глинозема в электролите и процесс фрагментарного зарождения корки;

2. 1800-2700 с - формирования плотной корки на поверхности расплава.

Значение времени 1800 с соответствует предельному значению

концентрации оксида алюминия, а дальнейшее ее увеличение приводит к началу процесса кристаллизации в ходе перенасыщения расплава [67]. Из рисунка 43 следует, что аналогичный процесс формирования плотной корки на поверхности расплава характерен и для других образцов электролита со значением КО = 2,6 и 2,8, а момент времени численно равен значениям временного интервала 2200 с и 2400 с соответственно.

Необходимо отметить, что значения яркости для электролитов с различными значениями КО расходятся после каждой загрузки глинозема. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными и расчетными данными [1, 88], в которых говорится о снижении растворимости глинозема при уменьшении КО.

4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАШЛАКОВАННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

РАСПЛАВА И МЕТАЛЛА

Лабораторные эксперименты, описанные в главах 4.1 и 4.2, показали, что изменение яркостных характеристик оптического спектра (светлота и яркость) свидетельствует о формировании корки. Этот факт также подтвержден в ходе полупромышленных испытаний (Рисунок 44) в электролизных корпусах и литейных отделениях алюминиевого завода КиЬа! (Швеция).

Рисунок 44 - Процесс ручного удаления шлака с поверхности расплава Изображения, полученные в ходе промышленных испытаний, подвергались статистическому анализу. В ходе предварительной обработки происходило автоматическое выделение области расплава, соответствующей поверхности металла и внутреннему диаметру литейного ковша (обозначен зеленой линией на рисунке 44). Средний размер анализируемой области составил более 40000 точек (пикселей). Распределение значений яркостных характеристик спектра внутри анализируемой области открытой поверхности металла в ковше представлено гистограммами, изображенными на рисунках 45 и 46 соответственно.

Диапазон значений

Рисунок 45 - Гистограмма распределения яркости поверхности расплава

3200 3000 2800 2600 2400 2200 | 2000 £ 1800 § 1600 ^ 1400 | 1200 1000 800 600 400 200 0

Рисунок 46 - Гистограмма распределения светлоты поверхности расплава В ходе автоматической бинаризации изображений по методу Отса [93] было установлено пороговое значение, соответствующее границе «шлак и корка-расплав или металл» и равное значению яркости - 130 (монохромное изображение) и светлоте - 30 (цветное). На основе расчетного значения изображение было разделено на две характерных зоны, состоящих из темных и светлых участков (Рисунок 47). Светлые участки (зона открытой поверхности расплава) обладают более высокой излучающей способностью, чем черные точки - часть шлаковой корки.

ю

I

20

30 40 50 60 Диапазон значений

70

80

90

100

Рисунок 47 - Результат программного разделения изображения на корку и

расплав

Подсчет количества темных и светлых точек при помощи разработанного прикладного программного пакета [58] позволил определить степень зашлакованности расплава 8 относительно общей анализируемой области, по следующей формуле:

———100%, (54) Т + С

где Т и С - количество темных и светлых точек соответственно.

Разработанная методика, может быть использована как при удалении шлака во время транспортировки металла в литейное отделение, так и при расчистке поверхности открытого электролита («лузы») во время выполнения технологического обслуживания электролизеров (замена анода и выливка металла).

4.4 ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЗАШЛАКОВАННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ РАСПЛАВА

На базе разработанной выше методики и полученных на действующем производстве экспериментальных зависимостей был разработан программный пакет: Система визуального контроля качества продуктов плавки [58].

В основе разработанного программного пакета разработан алгоритм (Рисунок 48) для предварительной обработки и анализа цифровых изображений, получаемых с промышленных камер технического зрения с последующим расчетом степени зашлакованности поверхности металла в ковше или открытой поверхности электролита при замене анодов и выливке.

Начало

т

Вывод результатов

Рисунок 48 - Алгоритм работы программного продукта: Система визуального контроля качества продуктов плавки

Разработанный программный продукт может быть адаптирован к условиям действующего электролизного производства при работе как с монохромными, так и с цветными промышленными камерами, что учитывается в алгоритме в ходе предварительной обработки цифрового изображения. При работе с цветной камерой осуществляется преобразование изображения из цветовой ЯСВ-модели, в НБЬмодель. Как уже отмечалось выше, это преобразование реализовано с помощью встроенных функций среды разработки.

После подготовки цветное и монохромное изображение готово к обработке, которая сводится к выделению области интереса - фактических границ лузы, образующейся при выполнении технологического обслуживания электролизера (выливка металла, замена анода и прочее) или границ ковша, в зависимости от области применения разработанного программного пакета. Выделение области в ковше или в электролизере является важной задачей для определения общей площади анализируемой поверхности. В связи с этим программный код содержит совокупность методов сегментации, яркостного анализа и поиска геометрических примитивов (овалов, окружностей).

Статистический анализ фрагмента изображения позволяет определить распределение яркости оптического спектра по анализируемой поверхности, установить экстремальные и пороговые значения, соответствующие корке и расплаву. Произвести расчет степени зашлакованности по установленной зависимости с выдачей сигнала световой и звуковой сигнализации на автоматизированном рабочем месте оператора.

4.5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАСШИРЕННОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

4.5.1 Применение разработанного решения при замене анода.

Характерной особенностью мощных электролизеров с ОА является неравномерность расходования угольных анодов и динамики движения расплава, а, следовательно, и распределения угольной пены в объеме электролита [4, 25].

Растворимость углерода, основного компонента угольной пены, в электролите мала (около 1% масс), поэтому основная ее часть всплывает на поверхность электролита [92]. Образование в электролите угольной пены сопровождается резким повышением электросопротивления, снижением выхода по току за счет замыканий спекшихся участков и корки на металл и гарнисаж. Снижение эффективности процесса (выхода по току) имеет свое место особенно при замене анодов, когда новый анод может быть поставлен на нерасчищенный участок поверхности электролита (лузу) (Рисунок 49). В этом случае, помимо образования корки, идет интенсивная кристаллизация участков угольной пены и шлака, в результате чего вновь установленный анод начинает работать только после того, как начнется удаление шлака и угольной пены вместе с выделяющимися газами С02 и СО из-под подошвы анода. При этом существует прямая зависимость начала времени нормальной работы анода от степени зашлакованности поверхности [94]. Также неправильная установка сопровождается повышенным расходом анодов при частичном разрушении их периферии.

К

Рисунок 49 - Образование и последующее растворение анодной корки после замены анода через: а - 15 мин; 6-100 мин; в - 400 мин; г - 700 мин [94]

Некоторое количество угольной пены сгорает при контакте с воздухом [85], а другая ее часть накапливается в электролите в виде агломератов в смеси с электролитом. Это приводит к необходимости периодически осуществлять механическое удаление пены для обеспечения чистоты поверхности расплава под анодом [11].

В качестве примера рассмотрим типовой электролизер РА-300 (Хакасский алюминиевый завод), который имеет массив из 36 угольных анодов. Согласно календарному плану замены анодов период технологического обслуживания анода составляет 26-30 дней [6]. Таким образом, за год на электролизере меняется до 460 предварительно обожженных анодов.

По литературным данным [94] время выхода анода на рабочий режим после замены может достигать 300-700 минут, при этом его производительность падает до 50-80%, что вызвано попаданием корки и угольной пены под поверхность анода (подошву анода), и как следствие, это приводит к уменьшению площади контакта между анодом и расплавом.

Итоговые потери производительности одного электролизера в год могут быть рассчитаны по следующей формуле:

ЛТП пл (МЛ, -24-360) (55) АПпроект =Азам-Т-(1-П)--^-- = 3767 кг/год, 4 7

п

где А3ам - количество анодов, подлежащих замене, ед./год; Т - время выхода анода на рабочий режим, год; П - производительность анода в период времени Т, отн. единицы; МА| - масса алюминия, производимого одним электролизером, кг/час (Формула 51); п - кол-во анодов в электролизере, ед.

В ходе опытно-промышленных испытаний было установлено, что степень зашлакованности в условиях действующего производства составляет 25-40%. В ходе тестирования разработанного решения удалось снизить степень зашлакованности до 15%, в результате чего производительность одного анода увеличилась на 10%, что позволило уменьшить потери до 2260 кг А1 в год.

В условиях типовой серии, состоящей из 160 электролизеров, предполагаемый экономический эффект при средней цене на алюминий в 110 тыс. руб./т может быть рассчитан по следующей формуле:

Э = (ЛПпр_ - ЛПпред решение) • N • С = 23,2 млн. руб./год, (56)

где N - кол-во электролизеров в серии; С - стоимость тонны алюминия, тыс. руб./т.

4.5.2 Применение разработанного решения в литейном производстве

Важной задачей является максимальное значение выхода годного металлического алюминия и снижение угара со шлаком, который должен быть своевременно снят с поверхности расплава (минимальная зашлакованность поверхности металла в ковше). Алюминиевый шлак представляет собой смесь металлического алюминия и его оксидов. Алюминий хорошо смачивает оксиды, в результате чего при съёме шлака происходят потери большого количества металла или иначе угара (безвозвратные потери до 10-15%) (Рисунок 50).

Рисунок 50 - Схема процесса отделения алюминия от шлака с помощью флюса: а - налипший алюминий на шлаке; б - жидкий флюс смачивает шлак и увеличивает поверхностное натяжение между алюминием и шлаком; в -коалесценция капель алюминия при помощи фтористой составляющей флюса и отделение алюминия от шлака [74].

В зависимости от способах съёма (ручной или механический), а так же от мастерства плавильщика или оператора мульдо-завалочной машины, содержание алюминия без обработки флюсом может составлять от 50 до 70% [74]. Повышенное количество шлака приводит к потере алюминия или требует

дополнительных затрат на переработку с целью извлечения металла и утилизацию отходов производства.

Снижение содержания алюминиевого шлака является одной из важных задач любого литейного цеха, которая, как правило, решается только после операции флюсования в печах литейного отделения. После забора металла с назначенной группы электролизеров при помощи вакуум-ковша с него снимается крышка и удаляется шлак и электролит, попавший во время выливки. В другом случае после выливки металл переливается в открытые литейные ковши емкостью от 1,5 до 10 т, и производится съем шлака внутри электролизного корпуса на центральном проходе.

При транспортировке ковша с металлом в литейное отделение возможно окисление алюминия и возгорание алюминиевого шлака, находящегося на поверхности расплава, по следующей реакции:

4А1 + 302 =2А1203. (57)

В ходе реакции окисления к двум атомам алюминия присоединяется три атома кислорода. Таким образом, происходит прирост массы шлака за счёт кислорода в 1,9 раза от массы алюминия.

Транспортировка вылитого металла из электролизного цеха (Хакасский алюминиевый завод) в литейный осуществляется с помощью ковшей вместимостью 10 тонн. Степень зашлакованности расплава может варьироваться от 15 до 20% от площади сечения ковша, что составляет 150-200 кг шлака. По данным компании ООО «СТРОЙБИС» [74] содержание алюминия в шлаке составляет 50-70%, что равно 105 кг алюминия. После того, как шлак сгорит, к нему присоединится кислород из воздуха в размере 95 кг и тогда вес шлака после остывания станет равен 105 + 95 = 200 кг.

Фактически прирост массы шлака составляет меньше, т.к. алюминий выгорает не весь и в шлаке может остаться 15-25 % алюминия [74]. На практике для определения потерь алюминия во время окисления в шлаке после съёма используют следующую формулу:

.. п.-ш, ... (58)

Мп = —--XV, у

пк 'тк

где Мп- масса потерь алюминия, кг; паи пк- количество молей кислорода и алюминия соответственно; шаи шк - молярная масса кислорода и алюминия,

г/моль; XV - фактический прирост массы шлака, кг.

Таким образом, потери алюминия составят порядка 10,7 кг в расчете на 1 тонну конечного продукта. В условиях действующего производства для типовой серии высокоамперных электролизеров с суммарной годовой производительностью 120 тыс. тонн потери алюминия составят 1300 тонн в год (~1,1% годовой производительности).

Полупромышленные испытания показали, что при использовании разработанной системы мониторинга можно снизить степень зашлакованное™ до 10-15% без существенного увеличения временных затрат, что сокращает потери алюминия до 850-900 тонн в год(~0,8% годовой производительности).

В результате увеличения производительности на 400 тонн в год при средней цене на алюминий в 110 тыс. руб./т экономический эффект достигает 40-45 млн. руб. в год.

4.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

В ходе лабораторных и полупромышленных испытаний, посвященных мониторингу поверхности расплава с целью анализа процесса образования корки и шлака, были получены следующие результаты:

1. установлено влияние степени зашлакованности, то есть формирования криолитоглиноземной корки и шлака, на яркостные характеристики спектра электролита и металла;

2. установлена зависимость степени зашлакованности расплава от химического состава расплава;

3. разработан программный комплекс, позволяющий в режиме реального времени осуществлять контроль степени зашлакованности с формированием световых и звуковых сигналов оператору или технологу;

4. предлагаемая методика может быть использована как в электролизном, так и в литейном цехе.

Ожидаемый экономический эффект достигает 60-65 млн. руб. в год при внедрении разработанных решений в электролизных и литейных производствах соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников и выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научно-практические результаты:

- изучено влияние технологических параметров электролизера на характеристики оптического спектра КГР;

- обосновано применение систем технического зрения для определения параметров криолитоглиноземного расплава (криолитовое отношение, степень зашлакованности поверхности расплава);

получены функциональные зависимости значений составляющих оптического спектра криолитоглиноземных расплавов от соотношения фторидов натрия и алюминия, а также от концентрации глинозема в электролите;

- разработан алгоритм для расчета величины криолитового отношения;

- изучены динамические особенности формирования криолитоглиноземной корки на поверхности расплава при дозированной подаче фторированного глинозема;

- разработаны критерии оценки степени зашлакованности поверхности расплава при автоматизированном мониторинге технологических операций по обслуживанию электролизера и при транспортировке ковша в литейное отделение;

- разработаны инновационные технические решения на основе контроля технологических параметров во время операционного обслуживания электролизеров с ОА (замена анодов, питание электролизера, выливка металла), обеспечивающих повышение технико-экономических показателей;

- реализован программно-аппаратный комплекс для АСУТП на основе результатов, полученных в рамках исследований, и адаптирован к условиям действующего электролитического производства алюминия.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

КиП - контрольно-измерительные приборы.

ОА - обожженные аноды.

ТЭП - технико-экономические показатели.

КГР - криолитоглиноземный расплав.

АПГ - автоматизированное питание глиноземом.

АПФ - автоматизированное питание фторидами.

МПР - межполюсное расстояние.

АЭ - анодный эффект.

ТИ - технологические инструкции.

ШУЭ - шкаф управления электролизером.

КО - криолитовое отношение.

МГД - магнитная гидродинамика.

ЭДС - электродвижущая сила.

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом.

НК - неразрушающий контроль.

ОК - объект контроля.

ОИ - оптическое излучение.

УФ - ультрафиолетовое (излучение).

ИК - инфракрасное (излучение).

ОНК - оптический неразрушающий контроль.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борисоглебский Ю.В. Металлургия алюминия / Ю.В.Борисоглебский, Г.В. Галевский, Н.К. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 438 с.

2. Троицкий И. А. Металлургия алюминия: учебное пособие для техникумов / H.A. Троицкий, В. А. Железнов. - 2-е., изд., перераб. - М.: Металлургия, 1984г. -398 с.

3. Галевский Г.В. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. - Новосибирск: Наука, 1997. -158 с.

4. Сизяков В.М. Технологические и методологические основы получения алюминия на мощных электролизерах / В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин // РИЦ СГПТУ.- 2011.- 130 с.

5. Металлоснабжение и сбыт. Обзор рынка цветных металлов.- 2009.- № 1. — С.33-39.

6. Пингин, В.В. Опыт эксплуатации электролизера РА-300 / В.В. Пингин, В.В. Платонов, A.B. Завадяк, В.Л. Осетковский // Сб. докладов X междунар.конф. Алюминий Сибири.- Красноярск. - 2004.- С. 21-24.

7. Беляев А.И. Электролит алюминиевых ванн / А.И. Беляев.- М.: Металлургиздат, 1961 - 199 с.

8. Ветлюков М. М. Электрометаллургия алюминия и магния: учебник для вузов / М.М. Ветюков, A.M. Цыплаков, С.Н. Школьников. — М.: Металлургия, 1987.-486 с.

9. Ветлюков М. М. Электролиз расплавленных солей / Ю.В. Баймаков, М.М. Ветюков.- М.: Металлургия, 1966.- 560 с.

10. Крюковский В.А. Разработка научных основ и технологии производства алюминия электролизеров большой мощности: автореферат дис.... доктора техн. наук / Крюковский В.А. - СПб. - 1992. - 42 с.

11. Янко Э.А. Производство алюминия: учебное пособие / Э.А. Янко. -СПб: Издательство С.-Петербургского Университета, 2007. - 305 с.

12. Бажин В.Ю. Обоснование ресурсосбережения в технологии производства алюминия в высокоамперных электролизерах с обожженными анодами: автореферат дис.... доктора техн. наук: 05.16.02. / Бажин Владимир Юрьевич - Санкт-Петербург. - 2012. - 42 с.

13. Виноградов А.М. Взаимодействие обожженного анода и электролита при получении алюминия: автореферат дис.... канд. техн. наук: 05.16.02. / Виноградов Алексей Михайлович - Красноярск. - 2014. - 21 с.

14. Беляев А.И. Физическая химия расплавленных солей / А.И. Беляев, Е.А. Жемчужина, J1.A. Фирсанова. — М.: Металлургиздат, 1957. — 359 с.

15. Беляев А.И. Поверхностные явления в металлургических процессах / А.И. Беляев, Е.А. Жемчужина. - М.: Металлургиздат, 1952.- 143 с.

16. Минцис М.Я. Электрометаллургия алюминия / М.Я. Минцис, П.В. Поляков, Г.А. Сиразутдинов. - Новосибирск: Наука, 2001.- 368 с.

17. Борисоглебский Ю.В. Теория и технология электрометаллургических процессов / Ю.В. Борисоглебский, М.М. Ветюков, В.И. Москвитин, С.П. Школьников. — М.: Металлургия, 1994. — 238 с.

18. Бажин В.Ю. Стойкость футеровочных материалов мощного алюминиевого электролизера // Новые огнеупоры.- 2010.- №2.- С. 3-5.

19. Бажин, В.Ю. Сизяков, В.М. Особенности разрушения подины высокоамперного электролизера / Р.Ю. Фещенко, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Р.К. Патрин, A.B. Сайтов // Новые огнеупоры.- 2013. - №5.- С. 5-8.

20. Галевский Г.В. Измерение и оптимизация конструктивных и технологических параметров алюминиевых электролизеров / Г.В. Галевслий, В.П. Кадричев, М.Я. Минцис. — Новокузнецк: СибГГМА, 1995. — 65 с.

21. Заявка на патент РФ 2011116273/10. Способ контроля технологических параметров электролита алюминиевого электролизера / В.Ю. Бажин. Опубликован 27.10.2012.

22. Патент RU № 2057823. Способ контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров / А.И. Громыко, Г.М. Зограф, В.Д. Моргалюк, Е.П. Концур. Опубликован 10.04.96.

23. Патент РФ 2005140166/02. Способ автоматического контроля технологического состояния электролизера / П.Н. Вабищевич, А.О. Гусев, Е.Р. Шайдулин. Опубликован 27.06.2007.

24. Манн В.Х. Исследование зависимости между криолитовым отношением и температурой электролита в алюминиевом электролизере / В.Х. Манн, В.В. Юрков, Т.С. Пискажова // Цветные металлы. - 2000. - №4. - С. 95-101.

25. Сизяков В.М. Стабилизация состава электролита в высокоамперном алюминиевом электролизере / Р.Ю. Фещенко, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Р.К. Патрин, A.A. Власов, Д.Д; Шарипов // Цветная металлургия.-2011.- №5.- С. 14-19.

26. Ножко С.И. Повышение эффективности электролитического получения алюминия на основе мониторинга перегрева электролита: на примере Братского алюминиевого завода: автореферат дис.... канд. техн. наук: 05.16.02. / Ножко Семен Игоревич - Иркутск. - 2006. - 21 с.

27. Власов A.A. Интенсификация растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров: автореферат дис.... канд. техн. наук: 05.16.02. / Власов Александр Анатольевич - Санкт-Петербург. - 2012. - 21 с.

28. Бажин В.Ю. Ресурсосберегающие технологии высокоамперного электролиза алюминия / Ё.Ю. Бажин, В.М. Сизяков // Цветные металлы - 2011. -№7. - С. 193-202.

29. Ойя, Х.А. Катоды алюминиевого электролиза / Х.А. Ойя, М. Сорлье: перевод под редакцией Полякова П.В.- Красноярск: Версо, 2013 - 720 с.

30. Власов A.A. Технологические особенности растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров / A.A. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Р.Ю. Фещенко, Д.Д. Шарипов // Цветные металлы - 2011. - №9 - С. 159-167.

31. Балашова З.Н. Влияние состава электролита на некоторые технико-экономические показатели процесса электролиза / З.Н. Балашова, J1.C.

Баранова, А.Г. Скрипник, В.В. Вертинский, В.М. Максимова // Сборник трудов ВАМИ. Л., - 1989. - С.28-34.

32. Минцис М.Я. Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация: учебное пособие / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. - М.: Флинта; Наука, 2008 - 529 с.

33. Галевский Г.В. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия: учебное пособие для вузов / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. - 2-е изд. - М.: Флинта; Наука, 2005. - 268 с.

34. Заявка на патент РФ №2011116273. Способ контроля технологических параметров электролита алюминиевого электролизера / В.Ю. Бажин,

B.М. Сизяков, A.B. Лупенков, A.A. Власов, Р.Ю. Фещенко.Опубликовано от 27.10.2012.

35. Патент РФ 2370573. Способ определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве и устройство для его осуществления / A.B. Фролов, A.B. Гусев. Опубликовано от 20.10.2008.

36. Патент РФ № 2039131. Способ контроля состава электролита алюминиевого электролизера и щуп / А.Я. Гохштейн. Опубликовано от 09.07.1995

37. Дроздов А. Тринадцатый элемент. Энциклопедия. / А. Дроздов // М.: Библиотека РУСАЛа, 2007. - 240 е.].

38. Фомин, Б.А. Металлургия вторичного алюминия / Б.А. Фомин, В.И. C.B. Москвитин, Махов. - М.: ЭКОМЕТ, 2004.- 240 с.

39. Макушин, Д.В. Особенности взаимодействия алюминия с натрием в присутствии электролита алюминиевых ванн / Д.В. Макушин, Н.В. Грачев,

C.В.Александровский // Цветная металлургия.- 2006.- № 5.- С. 27-29.

40. Янко Э.А. Производство алюминия: пособие для мастеров и рабочих цехов электролиза алюминиевых заводов. - СПб.: Издательство С.Петербургского Университет, 2007. - 423 с.

41. Фролов Ю.И. Анализ современных систем управления сериями электролизеров алюминиевых заводов / Ю.И. Фролов, С.Н. Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак // Цветные металлы. - 2003. - № 7. - С. 81-84.

42. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник // Государственное издательство физико-математической литературы. - 1958. -337 с.

43. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Справочник. Том 1. Изд. 2-е перераб. и испр. М.: Машиностроение.-2008.-560 с.

44. Гонсалес Р., Вудс Р. Мир цифровой обработки. Перевод с англ. под ред. П.А. Чочиа. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.

45. Шашлов А.Б. Основы светотехники: учебник для вузов / А.Б. Шашлов. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Логос, 2011. - 256 с.

46. Ивенс Р. М. Введение в теорию цвета: пер. с англ. - М.: 1964. - 342 с.

47. Луизов A.B. Цвет и свет / A.B. Луизов. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. —

256 с.

48. Иоханнес Иттен. Искусство цвета / Иттен Иоханнес - Д.: Аронов, 2010. -

96 с.

49. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. / Е.С. Вентцель. - 4-е изд., стереотип. - М.: Наука, Физматгиз, 1969. - 576 с.

50. Власов К.П. Методы исследований и организация экспериментов. / К.П. Власов, П.К. Власов, A.A. Киселева. - Харьков. Изд. Гуманитарный центр, 2002. -256 с.

51. Белый И.В., Власов К.П., Клепиков В.Б. Основы научных исследований и технического творчества. / И.В. Белый, К.П. Власов, В.Б. Клепиков - Изд-во при Харьк. ун-те, 1989. - 200 с.

52. Орлов А.И. Прикладная статистика / А.И. Орлов М.: Издательство «Экзамен», 2004. - 656 с.

53. Востров В.Н. Математические методы обработки экспериментальных данных / В.Н. Востров, П.А. Кузнецов - Издательство СПбГПУ, 2002. - 68 с.

54. Сидняев Н.И. Введение в теорию планирования эксперимента / Н.И. Сидняев, Н.Т. Вилисова - Изд.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 463 с.

55. Колемаев В.А. Теория вероятностей и математическая статистика / В.А. Колемаев, О.В. Староверов, В.Б. Турундаевский - М., 1991.- 400 с.

56. Бойков A.B. Оптико-электронный метод контроля состояния криолитового расплава в алюминиевых электролизерах. / В.Ю. Бажин, A.B. Бойков, П.В. Иванов, A.B. Смань // Известия Вузов. Цветная металлургия, -М: 2014, №6, С. 8-11

57. Бойков A.B. Метод бесконтактного измерения криолитового отношения в электролитическом производстве алюминия / В.Ю. Бажин, A.B. Бойков, П.В. Иванов // Измерительная техника и приборы, - М: 2015, №2, С. 71-73

58. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2014616178. Система визуального контроля качества продуктов плавки. / A.B. Бойков, П.В. Иванов // Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 16 июня 2014 г.

59. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2014616312. Система измерительная автоматизированная для криолит-глиноземного расплава /

A.B. Бойков, В.Ю. Бажин, A.B. Смань, П.В. Иванов, И.И. Белоглазов // Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 19 июня 2014 г.

60. Бойков A.B. Мониторинг удаления угольной пены и шлака с поверхности расплава в алюминиевом производстве / A.B. Бойков, В.Ю. Бажин // Ежемесячный научный журнал «Евразийский Союз Ученых», -М.:2014, №8, С. 25-27

61. Бойков A.B. Неразрушающий контроль технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами. / A.B. Бойков,

B.Ю. Бажин // Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках недели науки СПбГУ. Институт металлургии, машиностроения и транспорта. Часть 1. СПб, 2014, С. 64-69

62. Петров М.Н., Молочков В.П. Компьютерная графика. / М.Н. Петров, В.П. Молочков Учебник для вузов. - СПб. Изд. Питер, 2002.-736с.

63. Хартман К., Лецкий Э. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. - М. Изд. Мир, 1977.-552 с.

64. Налимов В.В.Статистические методы описания химических и металлургических процессов / В.В. Налимов - М.: Металлургия, 1963.-58 с.

65. Визильтер Ю.В. Желтов С.Ю. Князь В.А. и др. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на Lab VIEW и IMAQ Vision - М.: ДМК Пресс, 2007. - 464 с.

66. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов / B.C. Гутников -Ленинград. Изд. Энергоатомиздат, 1990. - 192 с.

67. Сизяков В.М., Бажин В.Ю., Власов А.А. // Матер. 17-й Междунар. конф. «Алюминий Сибири» (г. Красноярск, 7-9 сент. 2011 г.). Красноярск: Вер-со, 2011., С. 159.

68. Официальный сайт ОК РУСАЛ [Электронный ресурс] // URL: www.rusal.ru/

69. Официальный сайт компании Alcoa Inc. [Электронный ресурс] // URL: https://www.alcoa.com/russia/

70. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов Введ. 1980-01-07. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 12 с.

71. ГОСТ 19181-78 Алюминий фтористый технический. Технические условия. Введ. 1990-04-01. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 36 с.

72. ГОСТ 4463-76 Реактивы. Натрий фтористый. Технические условия. Введ. 1977-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1993.-23 с.

73. ГОСТ 10561-80 Криолит искусственный технический. Технические условия Введ. 1982-01-01 М.: Изд-во стандартов, 1993. - 34 с.

74. Официальный сайт ООО «ОК СТРОЙБИС» [Электронный ресурс] // URL: http://stroibis.ru/company/publications.php

75. Chase R. PFC emissions performance for the global primary aluminium industry / R. Chase, R. Gibson, J. Marks // Light Metals. - 2005. - P. 279-282.

76. Feshchenko R.Yu. Effect of the Electrolyte Composition on the Losses of Fluorides under Various Temperature Conditions / V.Yu. Bazhin, A.A. Vlasov, D.D. Sharipov, R.Yu. Feshchenko // Russian Metallurgy (Metally). -February 2012,- Volume 2012.-Issue 2.-P. 166-169.

77. Boikov A. V. Optoelectronic Method for Monitoring the State of the Cryolite Melt in Aluminum Electrolyzers / V.Yu. Bazhin, A.V. Boikov, A.V. Sman' , P.V. Ivanov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2015.-Vol. 56.-No. l.-pp. 6-9.

78. Vanvoren C., Homsi P., Basquin J. AP50: The Pechiney 500 kA Cell. Light Metals.-2001.-P. 112-118.

79. Bijun R., Qiu Z., Dai S. Development and Progress of 300 kA Aluminum Reduction Cells in Yichuan Aluminum Smelter Plant. Light Metals. - 2007. - P. 87-93.

80. Vanvoren C., Homsi P., Feve B., Molinier B., Giovanni Ydi. AP35: The Latest High Performance Industrially Available New Cell Technology. Light Metals. -2001.-P. 47-50.

81. Tabereaux A., Prebake Cell Technology: A Global Review /A. Tabereaux // JOM. - 2000. - № 52 (2). - P. 22-28.

82. Shuiping Zeng. Analysis of the start-up of Q-350 prebaked aluminium reduction cell / Zeng Shuiping // Light Metals. - 2006. - P. 271-275.

83. Ensheng Yin. Developing the GP-320 Cell Technology in China / Yin Ensheng, Liu Yonggang, Xi Canmin, Zhang Jiazhi // Light Metals. - 2001. - P. 213-218.

84. Keller R. Alumina dissolution and sludge formation revised / R. Keller // Light Metals. - 2005. - P. 147-150.

85. Grjothcim K., Krohn C., Malinovsky M. et al. Aluminium Electroysis. Chemistry of the Hall-Heroult Process. - Düsseldorf: Aluminium - Verlag GmblH, 1977-350 p.

86. Sterten A. Electrochem / A. Sterten, P.A. Solly, E. Sybakmocn // Light Metals. - 1997.-P. 94-96.

87. Mann V.K. Cryolite ratio and bath temperature stabilization problem in aluminum reduction cell / V.K. Mann, V.V. Yrkov, P.V. Polyakov, V.Y. Buzunov // Light Metals. - 1988. - P. 371-377.

88. Less L.N. // Metal. Trans. B. - 1977. № 8. - P. 219.

89. Pat. №4450063A US. Probe for alumina concentration meter / T.J. Johnston N.E. Richards A.T. Tabereaux. Publ. 22.05.1984.

л

125 У /I

90. Pat. 6010611А US. Measurmcnt of alumina mreduction pots / B.J. Welch. Publ. 04.01.2000].

91. Pat. 4675081 US. Controlling aluminium reduction cell operation / Joseph S. S. Girard Publ. 23.07.1987

92. Foosnas Т. Анодное пенообразование в электролизерах Эру-Холла / Т. Foosnas, Т. Naterstad, М. Bruheim, К. Grjotheim // Light metal. - 1986. - P. 153-162.

93. Otsu N. A theshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans, on System, Man and Cybernetics. v.SMC-9, N 1.1 -1979. P. 62-66

94. Kai Grjotheim. Introduction to Aluminium Electrolysis: Understanding the Hall-Heroult Process. Aluminium-Verlag. - 1993. - 260p.