Состояние и тенденции развития техники производства алюминия в мире

С.Н.Ахмедов, Ю.В.Борисоглебский, М.М.Ветюков, Б.С.Громов, Р.В.Пак, В.А.Козлов

Объем мирового производства первичного алюминия по состоянию на 2000 год достиг более 24 млн. тонн в год. Если до середины 20 века электролитическое производство алюминия преимущественно располагалось в Европейских странах, Северной Америке и России, то во второй половине столетия наблюдается тенденция к размещению заводов в Южной Африке, Азии, Австралии (таблица 1). По мере развития технологий наибольшее распространение получили заводы с объемом производства 200-300 тыс. тонн металла в год. Можно отметить, что в Китае существуют заводы, производящие 5 10 тыс. тонн алюминия в год. Однако эти заводы в настоящее время убыточны и реконструируются с увеличением производственной мощности.

Производство алюминия (тыс. т/год) и количество заводов (шт.) по регионам мира.

Компании, производящие электролитический алюминий, не заинтересованы в публикации подробных сведений, технологических и экономических параметрах своих заводов, в силу объективных законов кон-куренции в условиях рыночной экономики. Однако, имеющиеся в литературе сведения [1] позволяют сформулировать некоторые закономерности развития технологии электролитического получения алюминия.

Основное количество металла в 2000 году было получено на электролизерах с обожженными анодами (73%), на втором месте электролизеры с верхним токоподводом (19%) и на третьем - с боковым токоподводом (8%). Среди заводов, оснащенных электролизерами с обожженными анодами, превалирующими являются заводы на силу тока 150-200 кА.

На первых предприятиях по производству алюминия (1920-1930 г.г.) использовались электролизеры с обожженными анодами (рис.1.). В период с 1925 по 1945 г.г. предпочтение отдавалось электролизерам с боковым токоподводом. В 1945-1965 г.г. строились, в основном, электролизеры с верхним токоподводом. Однако, после 1969 г. строительство заводов, оснащенных электролизерами с верхним токоподводом, резко сократилось.

Развитие технологии получения алюминия внесло существенные коррективы по применению электролизеров с самообжигающимися анодами. Причем главным ограничением явилось невозможность увеличения силы тока на этом типе электролизеров, а также ужесточение требований по экологии и охране труда.

При увеличении силы тока на электролизерах с самообжигающимися анодами возрастают их габариты, возникают проблемы с равномерностью токораспределения по подошве анода и, как следствие, ухудшение условий для качественного спекания всего анода. В результате наблюдается образование конусов, осыпание углов и продольных сторон анодов, обнаруживаются сложности с поддержанием требуемой величины междуполюсного расстояния, теплового баланса электролизера, состава электролита и других технологических параметров.

Мировая практика показала, что оптимальная мощность электролизеров с боковым токоподводом составляет 60-80 кА, а с верхним - 100-120 кА. Отечественная практика работы электролизеров с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом на силу тока 160 кА подтверждает сложность достижения на таких электролизерах высоких технико-экономических пока-зателей.

При анализе технологических параметров работы различных типов электролизеров обращает на себя внимание величина выхода по току, которая для электролизеров с обожженными анодами составляет 92%, с верхним токоподводом - 88% и с боковым токоподводом - 86,2%. Выход по току на электролизерах с обожженными анодами увеличивался по мере роста силы тока, что связано, в первую очередь, с улучшением технологии (снижение криолитового отношения, применение песочного глинозема и системы автоматизированного питания глиноземом и т.д.). Однако выход по току 93-94% в настоящее время представляется предельно достижимым.

Средний удельный расход электроэнергии на электролизерах с обожженными анодами составляет 14200 кВт-ч/т Al, для бокового токоподвода - 15300 кВт-ч/т Al и для верхнего токоподвода - около 16000 кВт-ч/т Al. Даже с учетом разницы в удельном расходе электроэнергии на производство обожженных анодов и анодную массу расход энергии на производство алюминия в электролизерах с обожженными анодами меньше, чем с самообжигающимися. С увеличением силы тока расход электроэнергии при производстве алюминия снижается, причем на электролизерах с обожженными анодами в значительно большей степени, чем на самообжигающихся.

Для электролизеров с обожженными анодами также наблюдается явная тенденция по снижению расхода анода и фтористых солей с ростом мощности. Например, при силе тока 50-100 кА расход анода составляет 450 кг/т Al, а при 300 кА - 410 кг/т Al.

Представляют интерес некоторые технико-экономические показатели, полученные на заводах различных регионов мира (таблица 2). Показатели выхода по току, расхода анода и электроэнергии ниже на заводах, расположенных в Азии, Африке и Южной Америке. Из этого следует, что большое значение в достижении высоких технико-экономических показателей имеет уровень профессиональной подготовки обслуживающего персонала и социально-экономические факторы.

В случае использования электролизеров с обожженными анодами достигнут значительный прогресс по сроку службы. Срок службы около 70 месяцев становится нормой, в то время как для электролизеров с верхним токоподводом средний срок службы составляет 60 месяцев, а с боковым - 53 месяца. Современные конструкции и технологические решения позволяют обеспечить высокий срок службы практически независимо от силы тока и региона мира.

Некоторые технико-экономические показатели электролиза для различных регионов мира.

Очевидность преимущества электролизеров с обожженными анодами вытекает из себестоимости алюминия, которая составляет в среднем $1180 за тонну, в то время как для верхнего токоподвода - $1230, а для бокового - $1300. Причем с ростом силы тока с 50-100 кА до 300-350 кА себестоимость снижается на 25% и она несколько ниже на алюминиевых заводах Африки и Азии, чем в индустриально развитых странах.

Трудозатраты на получение алюминия понижаются с ростом силы тока. Если рассматривать различные типы электролизеров, то для ванн с обожженными анодами трудозатраты в 1,5 раза ниже, чем для верхнего токоподвода.

В силу ограниченности информации невозможно точно установить величину капитальных затрат на строительство алюминиевых заводов. По некоторым сведениям, удельные капитальные затраты на строительство алюминиевых заводов (включая производство анодов) составляют $3000 4200 (таблица 2). Такой разброс скорее всего определяется не только местонахождением завода, а уровнем исходных технологических требований на состав оборудования, уровнем механизации и автоматизации, экологическими требованиями.

Если целесообразность строительства заводов, оснащенных электролизерами с предварительно обожженными анодами, в настоящее время не подлежит сомнению, то тенденция к дальнейшему увеличению силы тока свыше 280-320 кА не выглядит бесспорной.

При увеличении силы тока возрастают требования к конструкции электролизеров и, в первую очередь, прочность катодного устройства, а также к МГД - устойчивости. Возрастают требования к качеству подовых блоков, материалу бортовой футеровки, качеству анодов, глинозема, фторсолей. Невозможно эксплуатировать мощные электролизеры с обожженными анодами без комплексных кранов, специализированной напольной техники, современной системы автоматизированного управления.

С увеличением силы тока все сложнее становится проблема срока службы электролизеров. Из мировой практики известно, что срок службы электролизеров с обожженными анодами на силу тока 180 кА выше, чем электролизеров на 280 кА. Понятно, что затраты на капитальный ремонт и, главным образом, недополученный металл во время простоя электролизера могут в значительной мере уменьшить выгоду, получаемую от роста выхода по току, снижения расхода электроэнергии и капитальных затрат. Поэтому, выбирая силу тока при проектировании нового алюминиевого завода, необ-ходимо выполнять финансово-экономическую оценку с учетом технических рисков.

Обычно при проектировании алюминиевого электролизера задаются величинами силы тока и анодной плотности тока, исходя из которых, выполняется конструктивный расчет электролизера, расчеты электрического и теплового балансов. Нами были обработаны данные по зависимости плотности тока ряда алюминиевых заводов мира, оснащенных электролизерами, как с обожженными анодами, так и с самообжигающимися анодами (рис.2). Срав-нивая эти данные с опытом ведущих фирм можно установить хорошее совпадение. Так известно [2], что для электролизеров с обожженными анодами на силу тока 280 кА оптимальной оказалась анодная плотность тока 0,74 А/см², а для электролизеров на 180 кА - 0,76 А/см².

Обобщая рассмотренные выше закономерности и тенденции в развитии техники электролитического получения алюминия, можно предположить, что увеличение объемов производства алюминия будет осуществляться в ближайшее время в основном за счет строительства заводов, оснащенных мощными электролизерами с предварительно обожженными анодами. Выбор силы тока при этом будет определяться конкретным месторасположением завода и соответствующей экономической и социальной ситуации.

Список литературы:

РЕФЕРАТ

Объем мирового производства первичного алюминия по состоянию на 2000г. оценивается в 24 млн. тонн в год, из которых 73% производилось на электролизерах с обожженными анодами, 19% на электролизерах с верхним токоподводом, 8% с боковым токоподводом. Мировая практика показала, что оптимальная мощность электролизеров с боковым токоподводом составляла 60…80 кА, с верхним подводом тока - 100..120 кА, с обожженными анодами - 210…280 кА. Электролизеры с обожженными анодами имеют лучшие показатели выхода по току, по удельному расходу электроэнергии, сроку службы, себестоимости производства алюминия.

Наиболее вероятным направлением увеличения объемов производства алюминия в мире является строительство заводов мощностью 250…300 тыс. тонн алюминия в год с использованием электролизеров с обожженными анодами. Выбор силы тока на электролизерах зависит от конкретного месторасположения завода и соответствующей экономической и социальной ситуации.