Проблемы и решения мониторинга температурного поля в процессе пламенного обжига алюминиевого электролизера

Непомнящий Олег Владимирович,

кандидат технических наук, доцент,

Хабаров Виталий Александрович,

аспирант.

Институт космических и информационных технологий Сибирского Федерального Университета.

Электролизер для получения алюминия — сложный высокотемпературный агрегат. Футеровка катодного узла — основной элемент конструкции электролизера, от которого зависит срок его службы. Она состоит из углеграфитовых подовых блоков, образующих подину, соединенных между собой набивными швами, с жестко вмонтированными стальными токоведущими стержнями — блюмсами (рис. 1).

Рис. 1. Схема электролизера (четверть).

Предпусковой обжиг подины является обязательной технологической операцией. Наиболее распространен способ, при котором используются внешние источники тепла [1, 2]. Производится сжигание дизельного топлива или природного газа в рабочем пространстве электролизера.

Данный способ позволяет эффективно влиять на распределение температуры по массиву подины при обжиге и, как следствие, на напряженно-деформированное состояние блоков. Выравнивание температурного поля осуществляется за счет рационального распределения теплового потока по поверхности подины и управления интенсивностью подачи топлива в течение периода обжига.

Технология обжига включает нагрев углеродистой футеровки до температуры, близкой к эксплуатационной. Но, как правило, реальная температура нагрева подины при обжиге далека от требуемой, а ее распределение по подине достаточно неравномерно.

Разрушение углеграфитовой футеровки начинается вследствии температурного расширения стальных блюмсов уже на стадии обжига при нагреве подины тепловым источником, что приводит к снижению сортности получаемого алюминия и сокращению срока службы электролизера [3]. Рост температуры подины в процессе ее обжига приводит к накоплению повреждений в углеродистой футеровки, вызывает начальную деформацию подины, что способствует ее дальнейшему разрушению при пуске и эксплуатации.

Выбор оптимальных режимов позволяет добиться практически равномерного прогрева подины с перепадом температуры в наиболее горячей центральной области и наиболее «холодной» периферийной части порядка 50 ˚C [4, 5].

На основании вышеизложенного, становиться очевидно, что задача контроля температурного поля электролизера в течение периода обжига является важной научной проблемой.

Работы в этом направлении ведутся уже свыше десяти лет и важные результаты в данной области получены В.С. Злобиным, Б.М. Багаевым, Г.В. Архиповым и др. [5]

Данными авторами рассматривались следующие вопросы: выявление наличия взаимосвязи между режимами обжига и сроком службы электролизера; анализ факторов, влияющих на разрушение подины электролизера при обжиге последней; построение математических моделей процесса обжига; выработка рекомендаций по режимам обжига электролизера на основе эмпирических данных.

 На сегодняшний день, реализованное в данной области оборудование и программное обеспечение обладает общим недостатком, сущность которого заключается в том, что возможно  производить расчет и моделирование температурного поля алюминиевого электролизера лишь на основе данных полученных ранее, например, при предпусковом обжиге электролизера [6]. По результатам исследования существующих материалов автору неизвестно программное обеспечение, позволяющее в реальном времени производить расчет и моделирование температурного поля.

Например, разработанная программа для решения задачи по восстановлению температурного поля при обжиге подины электролизера [7]. В качестве исходных данных программа использует файл, представляющий собой структурированный набор исходных данных измерений, полученных в процессе эксплуатации электролизера на Красноярском Алюминиевом Заводе (КрАЗ).

На основании выше сказанного, становиться очевидно, что, на данный момент времени, важной частью решения задачи по расчету и моделированию температурного поля алюминиевого электролизера становиться именно реализация такого решения, как программного, так и аппаратного, которое позволило бы производить расчет и моделирование температурного поля в реальном времени, непосредственно во время самого процесса обжига подины электролизера.

Для этого необходимо усовершенствовать микропроцессорную систему, разработанную для измерения теплового поля ванны электролизера КрАЗа. А именно, разработать протокол обмена данными в реальном времени между микропроцессорной системой и терминалом оператора, разработать программный интерфейс для терминала оператора, на котором в реальном времени  отображалась температурная модель алюминиевого электролизера.

Принцип действия такого комплекса условно можно описать так: в процессе обжига система сбора данных получает показания с термопар, производит их оцифровку и фильтрацию, после чего передает на терминал оператора, на котором, в свою очередь, происходит расчет и построение графической модели температурного поля (рис. 2). Так как процесс сбора данных и моделирования выполняется в реальном времени, то непосредственно на стадии обжига можно видеть слабо прогретые участки, и принять меры по выравниванию температурного поля. Моделирование в реальном времени позволит создать такую систему контроля процессом обжига, где положением пламенных форсунок управляет не человек, а автоматическая система, основываясь на полученных данных.

Рис. 2. Условная схема процесса моделирования температурного поля электролизера.

Исследование и моделирование тепловых процессов, происходящих в промышленных печах, основанное на их математическом описании, давно используется в металлургической теплотехнике.

Применение высококачественных и высокоточных математических моделей приносит значительный экономический эффект. Они позволяют проводить исследования процессов, происходящих в металлургическом производстве, при неизмеримо меньших затратах, чем натурные исследования на физических моделях.

С помощью математических моделей можно еще на стадии проектирования найти оптимальное конструктивное оформление и выбрать оптимальные режимные параметры работы.

Литература.

1.                  Багаев Б. М., Злобин В. С., Михалицын Н. С. Обжиг подин алюминиевого электролизера после капитального ремонта // Техн.-экон. вест. КрАЗа. 1998. Т. 11. С. 21.

2.                  Гуляев А.В. Восстановление и точность представления температурного поля при обжиге подины электролизера // Вестник Красноярского государственного университета (КрасГУ). – 2006. С.143-149

3.                  Карвацкий А.Я., Шилович Т.Б. Численное моделирование температурных полей и основных показателей пламенного обжига алюминиевых электролизеров // Киевский политехнический институт.

4.                  Коваленко М. Г. Обжиг электролизеров (опыт Братского алюминиевого завода) // Цветные металлы. 2001. Т. 7. С. 33–34.

5.                  Панов Е. Н., Тепляков Ф. К., Никифоров С. А., Кукшин А. П. Исследование температурных режимов обжига катодных устройств алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1987. Т. 8. С. 40–43.

6.                  Харченко В. Г. Оптимизация режима обжига алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1985. Т. 1. С. 37–39.

7.                  Харченко В. Г., Дмитриев С. А. Пути повышения стойкости подины алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1985. Т. 12. С. 44–47.

Поступила в редакцию 17.11.2008 г.