2. Автоматизация процесса электролиза

В последнее десятилетие в связи с высокими темпами роста производства алюминия все больше и больше параметров технологического процесса электролиза контролируются и управляются автоматически. Современные серии электролиза оснащены автоматизированными системами контроля и регулирования различных параметров процесса, а также системами централизованного автоматического программного управления непрерывным питанием ванн глиноземом или многооперационными машинами для обслуживания электролизеров, сконструированными на базе малых электронно-вычислительных устройств специального назначения. Намечается тенденция к объединению автоматизированных систем управления технологическими процессами и операциями в системе автоматического управления производством с применением современной стандартной электронно-вычислительной техники.

В капиталистическом мире наибольших успехов в деле автоматизации процесса электролиза алюминия достигли ведущие фирмы США и Японии. В отечественной алюминиевой промышленности наибольшее распространение получили системы автоматического контроля и регулирования типа “Алюминий” различных модификаций, разработанные Всесоюзным научно-исследовательским и конструкторским институтом “Цветметавтоматика” (ВНИКИ ЦМА) в содружестве со Всесоюзным научно-исследовательским и проектным институтом алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (ВАМИ), а также коллективами алюминиевых заводов. Системами этого типа оснащены практически все серии электролиза, оборудованные электролизерами с самообжигающимися анодами.

Для электролизных серий, оборудованных электролизерами с предварительно обожженными анодами, применяются более современные системы автоматизации процесса электролиза на базе стандартной электронноычислительной техники (системы типа “Электролиз”). С помощью этих систем возможно осуществление контроля и управления значительно большим числом параметров; системы обладают повышенной надежностью в эксплуатации.

Поскольку процесс электролиза протекает практически в междуполюсном пространстве, между подошвой анода и зеркалом металла, то от поддержания его в оптимальном состоянии зависят все технико-экономические показатели работы электролизера. Поэтому междуполюсное расстояние выбрано в качестве основного регулирования параметра при автоматизации управления процессом электролиза. К тому же междуполюсное расстояние—наиболее легко поддающийся автоматизации параметр.

Одним из самых трудных процессов при создании систем регулирования является постоянное измерение величины междуполюсного расстояния, так как электролиз ведется при высоких температурах в весьма агрессивной среде, зеркало металла под действием электромагнитных и газогидравлических сил находится в движении. Непосредственное измерение величины междуполюсного расстояния практически неосуществимо, поэтому применяются косвенные методы измерения. Так, междуполюсное расстояние в электролизере рассчитывают по результатам измерения электрического сопротивления электролита в междуполюсном зазоре по формуле R=pl/S, где R—сопротивление проводящего объема электролита; l—междуполюсное расстояние; S—площадь электролита, ограниченная периметром анода; р—удельное электросопротивление электролита.

Отсюда l=RS/p.

Так как удельное электросопротивление p и сечение S электролита для измеряемого электролизера практически постоянны, то междуполюсное расстояние пропорционально сопротивлению слоя электролита, заключенного между анодом и жидким металлом.

Чтобы постоянно определять это сопротивление, необходимо измерять потенциалы подошвы анода и поверхности металла с помощью специальных зондов, пропущенных через тело анода и слой электролита. На практике вследствие высокой агрессивности расплава вместо потенциала жидкого металла измеряют потенциал катодных шин. В этом случае пренебрегают падением напряжения в слое жидкого металла из-за высокой электропроводности алюминия и предусматривают в системе регулирования специальные устройства, позволяющие по данным разовых измерений на каждом конкретном электролизере вносить коррекцию в прибор для определения электросопротивления междуполюсного расстояния (R).

Величина R не зависит от силы тока серии, сопротивления анодного и катодного токопроводящих участков электролизера и ошиновки.

Регулирование положения анода сводится к поддержанию постоянным сопротивления в междуполюсном зазоре, чтобы обеспечить постоянство прихода энергии. При условии строгого постоянства силы тока серии для постоянного прихода энергии достаточно было бы стабилизировать падение напряжения на электролизере.

На практике сила тока серии во времени претерпевает значительные изменения, поэтому и применяют системы регулирования положения анодов по сопротивлению.

Перепад напряжения между анодом и катодом U связан с силой тока серии следующей общеизвестной зависимостью: U=IR+E0, где I—сила тока серии; R—сопротивление проводящего объема электролита; Е0 — обратная э.д.с. электролизера.

Отсюда R=(U—E0)/I.

Для автоматического контроля и поддержания постоянным сопротивления электролита в междуполюсном зазоре разработаны специальные быстродействующие вычислительные устройства, решающие приведенное выше уравнение. Такие устройства созданы на базе автоматических электронных потенциометров и называются регулирующими омметрами.

При разработке системы регулирования были учтены специфические особенности ведения технологического процесса производства алюминия, такие, как возникновение анодных эффектов, необходимость периодического выполнения различных операций обслуживания электролизеров и др. В системе предусмотрены устройства, исключающие возникновение аварийных ситуаций при отказе отдельных ее элементов, например приварки контактов магнитного пускателя, управляющего двигателем перемещения анода, что может привести к разрыву электрической цепи серии или выдавливанию анодом расплава из шахты ванны. Предусмотрены также устройства, позволяющие при регулировании учитывать индивидуальные особенности электролизера.

Регулирование электролизеров по этой системе осуществляется поочередно с помощью обегающего устройства, расположенного на центральном пульте управления. С его помощью электролизеры поочередно подключаются к приборам измерения сопротивления.

Результат измерения передается в регулирующее устройство, которое связано с механизмом перемещения анода. Если, например, сопротивление электролита на контролируемом электролизере меньше требуемого, регулятор дает команду механизму подъема анода на перемещение его вверх, и междуполюсное расстояние увеличивается до необходимой величины. После этого обегающее устройство отключает отрегулированный электролизер от приборов измерения сопротивления и подключает следующий. Продолжительность цикла обегания и регулирования всех подключенных к системе электролизеров зависит от технологической необходимости и числа регулируемых электролизеров; практически цикл составляет 20—40 мин.

Системы типа “Алюминий”, кроме автоматического регулирования электросопротивления междуполюсного расстояния электролизеров, обеспечивают автоматический контроль силы тока серии, напряжения и электросопротивления каждого корпуса, числа и длительности анодных эффектов. Кроме того, новейшие модели этой системы могут выполнять автоматическое регулирование положения анодных кожухов на электролизерах с верхним токоподводом, управлять системами гашения анодных эффектов сжатым воздухом и прогнозировать наступление анодных эффектов.

пункты управления всеми типами этой системы связаны с электролизными корпусами двусторонней громкоговорящей диспетчерской связью 1.

Для алюминиевых заводов, оборудованных электролизерами с предварительно обожженными анодами и устройствами непрерывного питания ванн глиноземом, применяются автоматизированные системы, выполняющие, кроме перечисленных функций, автоматическое управление непрерывным питанием.

___________________________________

1 Подробное описание устройства и обслуживания систем автоматического регулирования дано в книге М. Я. Минциса “Автоматическое регулирование алюминиевых электролизеров”. М.: Металлургия, 1971.

Такие системы создаются на базе стандартных электронно-вычислительных машин.

Многолетняя эксплуатация систем централизованного автоматического контроля и регулирования электролизеров показала, что применение этих систем обеспечивает: снижение на 1—1,5% расхода электрической энергии; более равномерный режим работы электролизеров, особенно без стабилизации тока; значительное улучшение организации труда в электролизных корпусах. Расчеты показывают, что срок окупаемости капитальных вложений на создание таких систем составляет 2—3 года и зависит в основном от стоимости электрической энергии в районе применения.