Горенский Б.М., Кирякова О.В., Даныкина Г.Б. Информационные технологии в металлургии. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Последовательность выполнения работы

1. Выбирают режим работы;

2. Выбирают регулируемый параметр;

3. Устанавливают временную задержку (по заданию преподавателя);

4. Выбирают тип модели (по заданию преподавателя);

5. Устанавливают режим времени, в котором работает тренажер (уско-

рение реального времени);

6. Устанавливают, по заданию преподавателя, начальные условия рабо-

ты тренажера (таблица 4.1);

7. Выбирают самостоятельно или по заданию преподавателя управ-

ляющие воздействия;

8. Запускают программу в работу нажатием на клавишу «пуск»;

9. Выполнение программы заканчивают при истечении 24 часов или

при нажатии клавиши «стоп», «пауза», или при условии достижения опти-

мального значения температуры;

10. Производят анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы и задания

1. Как влияет на температуру загрузка шихты и ввод электрической

мощности?

2. Как влияет температура на потери цветных металлов с отвальными

шлаками?

3. Как влияет температура на производительность?

4. Какое влияние оказывает температура на удельный расход электро-

энергии?

5. Составьте уравнение теплового баланса и поясните, как с его помо-

щью можно рассчитать температуру.

6. Как влияет на температуру химический состав шихты?

7. Какой из каналов управления имеет наибольшее и какой наименьшее

влияние на температуру?

8. При управлении тепловым режимом использовано управление с оп-

тимизацией или со стабилизацией качества?

9. При управлении температурой применяют однокритериальную или

многокритериальную оптимизацию?

10. Какие параметры, характеризующие качество управления, можно

определить по полученной кривой?

Лабораторная работа № 4.6

КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ В РТП

Управление по оптимизации отдельными технологическими парамет-

рами относится к управлению, реализованному по принципу локальных сис-

тем автоматического управления, которые позволяют оптимизировать значе-

ние управляемого параметра без учета значений других выходных парамет-

ров. Опыт промышленной эксплуатации систем автоматического управления

показал, что управление по такому принципу не позволяет достичь высоких

технико-экономических показателей процесса электроплавки в целом.

Управление с позиций системного подхода позволяет избежать этого

недостатка. Его сущность заключается в том, что позволяет достичь опти-

мальных результатов экстремальных значений всех параметров, возможных

для данного состояния технологического режима и имеющегося в наличии

сырья.

Последовательность выполнения работы

1. Выбирают режим работы;

2. Устанавливают временную задержку (по заданию преподавателя);

3. Выбирают тип модели (по заданию преподавателя);

4. Устанавливают режим времени, в котором работает тренажер (уско-

рение реального времени);

5. Устанавливают, по заданию преподавателя, начальные условия рабо-

ты тренажера (таблица 4.1);

6. Выбирают самостоятельно или по заданию преподавателя управ-

ляющие параметры;

7. Выбирают выходной параметр, по которому начинают производить

оптимизацию;

8. Запускают программу в работу нажатием клавиши «пуск»;

9. Управляя процессом поочередно, по мере необходимости, проверяют

значение всех выходных параметров и, в случае необходимости, корректи-

руют ход технологического процесса путем изменения управляющих воздей-

ствий;

10. Выполнение программы заканчиваемся при истечении 24 часов или

при нажатии клавиши «стоп», «пауза», или при условии достижения опти-

мального режима;

11. Производят анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните, в чем заключается преимущество и недостатки управления

с позиций системного подхода.

2. Можно ли достичь высоких показателей процесса электроплавки при

управлении производительностью?

3. На какие выходные параметры влияет вязкость расплава?

4. На какие выходные параметры влияет температура расплава?

5. На какие выходные параметры влияет количество и химический со-

став загружаемой шихты?

6. Можно ли при управлении с позиций системного подхода миними-

зировать механические потери цветных металлов?

7. Можно ли с позиций системного подхода уменьшить физические по-

тери цветных металлов?

8. Составьте уравнение материального баланса и поясните, как по нему

можно реализовать управление с позиций системного подхода.

9. Составьте уравнение энергетического баланса и поясните с его по-

мощью, как можно организовать управление с позиций системного подхода.

10. Поясните, в чем сущность оптимизации с ограничениями, которую

можно реализовать на компьютерном тренажере.

11. При управлении с позиций системного подхода используется одно-

или многокритериальная оптимизация?

12. Можно ли использовать метод Гаусса – Зейделя при управлении с

позиций системного подхода?

Лабораторная работа №5

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА ОСНОВАМ

УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

Цель работы. Ознакомиться с технологическим процессом электроли-

за алюминия. Изучить влияние управляющих воздействий на технико-

экономические показатели, характеризующие процесс электролиза алюми-

ния. Приобрести опыт использования компьютерных тренажеров для кор-

рекции хода технологического процесса. Изучить поведение электролизера

при наличии аварийных режимов.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Процесс электролиза криолитоглиноземных расплавов протекает в

электролизных ваннах при пропускании через них постоянного электриче-

ского тока. В процессе электролиза восстановленный алюминий оседает на

подине алюминиевого электролизера, а образующиеся при этом газы взаимо-

действуют с анодом, который погружен в расплав электролита. Различают

электролизеры с верхним и боковым токоподводом, с самообжигающимися и

обожженными анодами. Наиболее перспективным является процесс электро-

лиза алюминия с обожженными анодами, так как при этом наблюдаются бо-

лее высокие технико-экономические показатели процесса и низкие выбросы

вредных веществ в атмосферу.

Электролизеры классифицируются по мощности:

маломощные – 30 – 50 кА;

средней мощности – 50 – 80 кА;

большой мощности – 100 и более кА;

супермощные – 200 и более кА.

Для Саянского алюминиевого завода (СаАЗ) характерно наличие элек-

тролизеров с предварительно обожженными анодами на проектную силу тока

255 кА (С – 255), 190 кА и 175 кА.

Конструкция катодного узла

Катоды представляют собой ванну, которая снаружи обрамляется

стальным кожухом, футерованным изнутри огнеупорным кирпичом и уголь-

ными блоками. Снаружи для обеспечения жесткости имеется десять пар

контрфорсов.

Наиболее подробно устройство катода можно рассмотреть на примере

его монтажа. На дно катодного кожуха засыпается шамотная крупка. Затем

производят укладку цоколя: 4 слоя диатомита (2 снаружи 3 нижних слоя на-

сухо,

верхние слои на раствор), ряд шамотных кирпичей, установленных на

ребро. На ряд шамотных кирпичей засыпают глиноземную подушку толщи-

ной 3 – 5 см. Далее устанавливают катодные блоки в шахматном порядке, в

зазоры между которыми набивают подовую массу. Катодный блок представ-

ляет собой прямоугольной формы блок с вырезанным снизу пазом для уста-

новки стального блюмса, осуществляющего электрический контакт, в про-

межуток между блюмсом и внутренними стенками паза катодного блока на-

бивают чугунную заливку.

После установки катодных блоков устанавливают боковые угольные

блоки с зазором между блоками и кожухом, но между собой блоки соедине-

ны плотно, в отличие от катодных блоков подины, расстояние между кото-

рыми составляет 50 мм. Сверху к кожуху приваривается стальной лист –

фланцевый лист.

Конструкция анодного узла

Анодное устройство представляет собой анодный массив, состоящий

из двух рядов обожженных анодов. В анодах имеются гнезда для ниппелей,

контакт с которыми осуществляется заливкой специальным чугуном. Ниппе-

ли соединены стальной траверсой, которая приварена к алюминиевой анод-

ной штанге. Шины подвешены на домкраты подъемного механизма, укреп-

ленного на анодной раме. В середине верхней части ванны находится короб,

через который удаляются анодные газы. К нижней части короба приварены

поперечные балки, на которые опираются крышки укрытия электролизера.

По мере срабатывания анодов анодная рама опускается до определенного

предела, после которого она должна быть перетянута

Электролиз криолито-глиноземных расплавов является доминирующим

способом получения алюминия.

В процессе электролитического получения А1 в электролизере протека-

ет следующая основная реакция:

2А1

+ ЗС → 4А1 + ЗСО

(5.1)

Металлический алюминий образуется по реакции (5.1).

При этом на аноде происходит окисление ионов кислорода:

2О

– 4е → О

(5.2)

А на катоде происходит восстановление алюминия:

А1

+ Зе → А1 (5.3)

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть также

представлена уравнением:

А1

+ хС = 2А1 + (3-х)СО

+ (2х-3)СО (5.4)

Коэффициент х подчеркивает переменный характер, который зависит от

многих факторов: гидродинамики электролита, состояния и свойств анода,

состава и температуры электролита и т.п. Минимальный расход углерода на

один грамм-атом алюминия получается при х = 1,5, максимальный – при х =

3. Электролитом для производства алюминия служит расплав криолита

(Na

AlF

) с растворенным в нем глиноземом (криолито-глиноземный рас-

плав). Используются криолиты следующего состава, %: Na

АlF

– 80; A1F

–

7,5; Al

– 4; CaF

– 4,5–6,2; MgF

– 1,3. Процесс ведут при переменных

концентрациях глинозема - 8-1 % масс (последняя концентрация отвечает

возникновению анодного эффекта при промышленных плотностях тока).

Расплавленный алюминий при температуре электролиза 955-965 °С тяжелее

электролита и находится на подине электролизера.

Аноды при электролизе угольные. Поэтому разряжающийся кислород

не выделяется в свободном виде, а окисляет углерод анода с образованием

СО

С + О

→ СО

(5.5)

Однако анодные газы промышленных электролизеров содержат в сред-

нем 60% СО

и 40% СО. Такое изменение состава газа происходит в резуль-

тате вторичной реакции (Будуара):

С + CО

↔ 2СО (5.6)

Известно, что равновесие реакции Будуара при температуре электроли-

за сильно сдвинуто вправо – в равновесной газовой смеси содержание смеси

достигает 98%. То обстоятельство, что в смеси анодных газов содержание СО

не достигает равновесного, объясняется тем, что эта реакция идет лишь в по-

рах и трещинах анода (вне зоны поляризации). Кроме того, СО

взаимодейст-

вует с угольной пеной, взвешенной в электролите, и с боковыми гранями

анода, выступающими из электролита.

Из известного состава электролита можно определить, что кроме реак-

ций (5.2) и (5.3) на аноде и катоде могут идти побочные реакции:

На аноде могут восстанавливаться ионы фтора:

– e → F (5.7)

с последующим взаимодействием с материалом анода – углеродом:

4F + C → CF

(5.8)

6F + 2C → C

(5.9)

Разряжение ионов фтора происходит при отсутствии ионов кислорода.

Это может произойти в случае уменьшения концентрации глинозема в рас-

плав меньше 1.5% (по мере работы ванны глинозем расходуется).

На катоде происходит восстановление ионов Na:

+ e → Na (5.10)

Кроме того, помимо Na могут восстанавливаться следующие металлы:

Zn, Fe, Si, Mg, Mn, Ti, и другие.

Сырье, используемое при электролизе

Основным сырьем, служащим для производства алюминия, является

глинозем (AI

), который выполняет следующие функции:

1. служит основным источником получения алюминия;

2. используется в качестве теплоизоляции;

3. применяется в системе сухой газоочистки;

4. обеспечивает герметизацию.

Глинозем, поступающий с отечественных и зарубежных заводов, имеет

следующие маркировки: ГОО; ГО; Г1; Г2 (по мере ухудшения качества). Как

правило, отечественный глинозем отличается тем, что он мучнистый, а им-

портный глинозем песчаный.

Требования, предъявляемые к глинозему:

хорошая растворимость (лучше растворяется песчаный глинозем);

малый пылеунос;

хорошая тянучесть;

оптимальное содержание примесей, %: SiO

+ Fe

- менее 0.03; Na

до 0.38; Р

до 0.002; Н

О до 0.5.

Криолит (Na

AlF

) применяют искусственно-технический, он служит

для растворения глинозема и является основой электролита (до 75%). Крио-

лит имеет следующие марки: КАО; КА1 (по мере ухудшения качест-

ва).Существуют ограничения по содержанию примесей в криолите, %: F – 54;

Na – до 25; Н

О до 0.095; Fe до 0.04; SiO

до 0.5; P

до 0.04.

Фтористый алюминий (АlF

) вводят для снижения криолитового от-

ношения, так как фтористый алюминий расходуется по мере работы ванны:

AlF

+ F

→ AlF

(5.11)

AlF

+ 3e → Al + 4 F

(5.12)

Требования к AlF

– минимальное содержание примесей, %: SiO

–

0.26; Fe

– 0.035; Н

О – 0.23–1.

В процессе электролиза используются различные добавки: NaCl, NaF,

CaF

, MgF

, SiF. Они снижают электропроводность электролита (кроме SiF и

), что сказывается на повышении падения напряжения в электролите и,

следовательно, увеличении расхода электроэнергии; уменьшают раствори-

мость глинозема, что приводит к образованию коржей на подине; снижают

температуру плавления электролита.

Кроме того, введение фторида кальция (CaF

) способствует укрепле-

нию настылей; способствует лучшему отделению угольной пены; препятст-

вует проникновению натрия в подовые блоки; повышает плотность электро-

лита, что очень нежелательно.

Таким образом, теоретически в процессе электролиза расходуются

только глинозем и углерод, а также электроэнергия, необходимая не только

для разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей темпера-

туры электролиза. На самом деле расходуется и некоторое количество крио-

лита и других фтористых солей вследствие испарения и впитывания в футе-

ровку.

Анализ влияния основных технологических параметров на процесс

Нормальный процесс электролиза характеризуется следующими техно-

логическими параметрами:

Выход по току, η

Рабочее напряжение, U

Сила тока, I

Расход электроэнергии, W

Межполюсное расстояние в середине

продольной стороны на расстоянии

40 – 60 см от края анода, МПР

Температура электролита, Т

Криолитовое отношение, КО

Уровень электролита перед выливкой металла

Уровень металла

Расход глинозема

Расход анодной массы

Расход фторсолей

Количество анодных эффектов

Длительность анодного эффекта

Производительность ванны по алюминию, Р

86 – 92%

4,4 – 4,45 В

248,5 ± 5 кА

14800 – 15500 кВт*ч/т

не менее 5,5 см

955 – 965 °С

2,6 – 2,85

19 – 23 см

30 – 34 см

1900 – 1950 кг/т

530 – 550 кг/т

15 – 16 кг/т

1 – 2 раз/сут

1,5 – 2 мин.

1,9 – 1,95 т/сут

Выходом по току называется отношение количества металла, фактиче-

ски полученного при электролизе, к его теоретически ожидаемому количест-

ву за то же время:

%100

пр



(5.13)

По этому показателю судят о качестве всей работы электролизного цеха,

корпуса и электролизера. На практике выход по току, в зависимости от типа

электролизера и его мощности, составляет 86 – 92 %. С увеличением темпе-

ратуры на каждые 10 °С выход по току снижается на 2 – 4% за счет обратной

реакции:

А1 + 3/2СО

→ 1/2А1

+ 3/2СО (5.14)

С уменьшением КО выход по току возрастает; при увеличении уровня

металла выход по току также увеличивается; увеличение и уменьшение меж-

полюсного расстояния приводит к снижению выхода по току. Рабочее на-

пряжение на нормально работающем электролизере составляет 4.1–4.7 В и

складывается из напряжения разложения глинозема 1.8 – 2.0 В, обратной

Э.Д.С. 1.4 – 1.6 В и падений напряжения в подине и в аноде.

разл

– минимальная разность потенциалов, необходимая для электроли-

за (1.45 – 1.5В);

Рабочее напряжение определяется следующим выражением:

раб

= U

разл

+ ΔU

ан.у

+ ΔU

кт.у

+ ΔU

эл-т

(5.15)

где U

разл

– напряжение разложения;

ΔU

ан.у

– падение напряжения в анодном узле;

ΔU

кт.у

– падение напряжения в катодном узле;

ΔU

эл-т

– падение напряжения в электролите.

Среднее напряжение:

сред

= U

раб

+ ΔU

ошин

+ ΔU

а.э.

(5.16)

где ΔU

ошин

– падение напряжения в ошиновке;

ΔU

а.э.

– падение напряжения при анодном эффекте.

Напряжение при анодном эффекте определяется по формуле:

ΔU

а.э.

= n*t*(U

а.э.

– U

pa6

)/1440 (5.17)

где n – число анодных эффектов;

t – продолжительность анодных эффектов;

а.э.

– напряжение при анодном эффекте.

Удельным расходом электроэнергии W называется расход электроэнер-

гии на 1 т алюминия. Он может быть определен как частное от деления коли-

чества затраченной электроэнергии (А, кВт*ч ) на полученное при этом коли-

чество алюминия (Р

пр

, т):

тчкВт

tUI

/*10*

10****

10***







(5.18)

На практике часто пользуются показателем расхода электроэнергии,

называемым выходом по энергии η

. За выход по энергии принимают количе-

ство алюминия, полученное на каждый киловатт-час затраченной энергии:

чкВтг

KtI

тэтэн

эн

***





(5.19)

т.е. выход по энергии прямо пропорционален выходу по току и обратно про-

порционален среднему напряжению на электролизере.

На практике стремятся повысить и выход по току, и выход по энергии.

Существенное влияние на технико-экономические показатели оказывает

межполюсное расстояние (МПР). Межполюсное расстояние – это расстояние

между "подошвой" анода и зеркалом расплавленного металла. Так, при уве-

личении (уменьшении) МПР в области рабочих значений на 10 мм происхо-

дит суммарное снижение (рост) выхода по току на 1 – 1,5 %. Взаимодействие

магнитного поля, создаваемого током серии, протекающим по ошиновке

электролизера, с током, протекающим по расплавленному металлу, приводит

к возникновению в металле электромагнитных сил, к перекосу поверхности

металла и циркуляции металла и электролита. Изменение формы рабочего

пространства из-за образования гарнисажа и глиноземных осадков на подине

электролизера вызывает перераспределение тока, проходящего через металл.

Поэтому положение поверхности металла изменяется во времени. Наличие

изменяющегося перекоса металла является одной из причин, которые пре-

пятствуют увеличению выхода по энергии в результате уменьшения МПР.

При возникновении перекоса поверхности металла может произойти местное

замыкание металла с подошвой анода, если анод расположен слишком близ-

ко к металлу.

Ток, проходящий через место короткого замыкания, не участвует в

электролизе и вызывает значительные местные перегревы с последующим

нарушением нормального хода процесса (рост так называемых "конусов" на

подошве анода).

Температура электролита при нормальном режиме работы электроли-

зера находится в пределах 955–965 °С. Она определяется температурой плав-

ления электролита. Повышение температуры расплава из-за нарушения тех-

нологического режима приводит, как правило, к увеличению выхода по току

вследствие увеличения растворения алюминия, выделившегося на катоде, в

криолитоглиноземном расплаве. Кроме того, при увеличении температуры

расплава уменьшается срок службы электролизеров, так как расплавляется

гарниссаж и происходит прямое контактирование электролита с футеровкой

и металлическими элементами электролизера. Это приводит к механическо-

му разрушению футеровки электролизера из-за внедрения ионов натрия (ко-

торые получают благоприятные условия для внедрения) в решетку графита.

При повышении температуры увеличиваются трудовые затраты на обслужи-

вание электролизеров, ухудшаются условия труда, повышается удельный

расход электроэнергии и снижается качество алюминия из-за увеличения со-

держания примесей, обусловленных интенсивным растворением металличе-

ского инструмента, применяемого для обработки электролизеров, газосбор-

ного колокола, обортовочного листа и из-за ряда других причин. Понижение

температуры электролита ниже + 950

С приводит к возникновению "холод-

ного хода" ванны, который характеризуется увеличением количества и дли-

тельности анодных эффектов, что вызывает перерасход электроэнергии. При

значительном снижении температуры расплава удельные веса алюминия и

электролита становятся близкими друг к другу, в результате чего происходит

перемешивание алюминия с электролитом. Отсюда следует, что температуру

расплава необходимо поддерживать в оптимальных пределах, что даже ведет

к увеличению удельного экономического эффекта до 10 – 12 руб/т алюминия.

Состав электролита характеризуется криолитовым отношением и со-

держанием фтористого кальция (3–4)% от веса электролита. Криолитовое от-

ношение – отношение числа молей NaF к числу молей AlF

KO = n(NaF)/n(AlF

) (5.20)

где n(NaF) – число молей NaF; n(AlF

) – число молей AlF

; КО=3 – электро-

лит нейтральный, КО < 3 – кислый, КО > 3 – щелочной.

На СаАЗе используют так называемые "кислые" электролиты с криоли-

товым отношением 2.6–2.85, поэтому при его снижении электролит раскис-

ляют добавлением соды (Nа

СОз), криолита (Na

AlF

). Если содержание

криолита защелачивается (КО > 2.6), то необходимо добавить AIF

(его за-

гружают на корку под глинозем). Причиной закисления электролита является

проникновение Na в подовые блоки, в настыли, а защелачивания – улетучи-

вание AlF

и по реакциям (5.11), (5.12).

Суммарное содержание добавок обычно не превышает (8 – 10)% по ве-

су. Химический состав электролита оказывает существенное влияние на про-

водимость расплава и на выход алюминия по току. Поддерживая химический

состав электролита в оптимальных пределах, можно добиться существенного

увеличения выхода по току и уменьшения омического сопротивления элек-

тролита. Уменьшение сопротивления электролита приводит к уменьшению

выделения дополнительного тепла и позволяет поддерживать температуру

электролита в оптимальных пределах.

Уровень электролита для С-255 составляет 19–23 см, если уровень

превышает норму, то электролит сливают ковшом; если уровень меньше

нормы, то добавляют электролит с других ванн, так называемый оборотный

криолит.

Уровень металла нормально работающего электролизера должен быть

не менее 25–30 см от подины электролизера после выливки металла, а элек-

тролита – 16–20 см от зеркала расплавленного металла.

Высокий уровень металла поддерживают из соображений усиленного

теплоотвода от центра анода к периферии, что способствует выравниванию

температур под анодом и увеличивает общие потери тепла электролизером.

Кроме того, слой металла необходим для защиты подины от проникно-

вения натрия. Однако чрезмерно большие уровни металла невыгодны с точки

зрения повышения количества металла в незавершенном производстве. При

этом образуются осадки и настыли на подине, что приводит к повышению

напряжения в контакте алюминий – подина.

Периодически, при уменьшении концентрации глинозема в электроли-

те до 1–1,5%, электролизная ванна "вспыхивает". Возникновение анодного

эффекта связано с нарушением смачивания электролитом угольного анода:

если при нормальном течении электролиза расплав хорошо смачивает по-

верхность анода и пузырьки газа легко от нее отделяются, то при анодном

эффекте газ оттесняет электролит от электрода, образуется пленка газа на

аноде, что вызывает резкое повышение напряжения на промышленных ван-

нах – с 4,1–4,7 В при нормальном электролизе до 40–60 В – при анодном эф-

фекте. Анодный эффект сопровождается также резким падением силы тока

серии в корпусе электролиза.

Анодный эффект в промышленных условиях связан с резким повыше-

нием мощности электролизера, приводит к перегреву электролита и наруше-

нию теплового равновесия электролизера. Анодные эффекты вызывают по-