Способ идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров

Способ идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к анализу продолжительности срока службы алюминиевых электролизеров, и может быть использовано в системах поддержки решений по выбору материалов, технологий и конструкций катодов электролизеров.

Важным резервом повышения рентабельности алюминиевого производства является снижение расходов на капитальный ремонт электролизеров за счет увеличения их сроков службы. Это делает необходимым постоянное совершенствование конструкции катода, техники монтажа, режимов обжига и пуска, применение новых или улучшенных материалов подины (M.Sorlie and H.A.Oye, "Cathodes in Aluminium Electrolysis", Aluminium-Verlag GmbH, Dusseldorf, 1989. Или русское издание: М.Солье, Х.А.Ойя. Катоды в алюминиевом производстве. Дюссельдорф: Алюминиум Ферляг GmbH, 1994. - 549 с.).

Вклады различных факторов в срок службы катода электролизеров часто спорны и меняются от завода к заводу. От самого катода зависит 50% срока службы, тогда как технологическая практика электролизной ванны дает остальные 50%. Увеличивающаяся сложность конструкции современных катодов сопоставима с увеличивающейся их стоимостью и увеличенным сроком службы, что может существенно влиять на прибыльность предприятий. Современные катоды ванн с большой силой тока могут стоить до 125 тыс. долл., делая, таким образом, экономически обязательной необходимость в достижении длительного срока службы.

Все алюминиевые заводы имеют различного рода статистику, учитывающую вышедшие из строя ванны, которая может использоваться для предсказания срока службы ванн.

Оценка срока службы, полученная до того, как все ванны данной серии выйдут из строя, может быть ценной по следующим соображениям:

- для предсказания объема монтажных работ;

- для уменьшения продолжительности экспериментов, связанных с новой футеровкой катодов.

Проблема выявления факторов, влияющих на срок службы, состоит в том, что время, которое требуется от внедрения изменений до получения существенного влияния на срок службы, может составлять несколько лет.

Известны способы предсказания срока службы катода, основанные на том или ином типе функции распределения, включая: нормальное, нормально-логарифмическое и биномидальное. Также используются предсказания срока службы на базе простой графической техники, которая использует кумулятивное нормальное распределение данных по выходу ванн из строя (Р.Browne J. Metals 20 (12), 1968, с.36).

Указанные методы имеют довольно ограниченные возможности в том числе:

- оцениваются только одновременно пущенные ванны (ни одна из действующих ванн не может быть моложе, чем самое старое разрушение);

- для стабильной оценки требуется приблизительно 20% выхода ванн из строя;

- тип и форма распределения разрушений должны быть предварительно определены;

- точность или доверительные интервалы оценок не предусмотрены;

- невозможна идентификация большего разнообразия причин разрушений для катодов сложной конструкции.

Известен способ идентификации причин разрушений катодов, использующий трехпараметрические функции Вейбулла, которая в ее кумулятивной (накопительной) форме Fcum (1) может быть записана в следующей форме:

где α, β и γ являются параметрами функции Вейбулла для размера, формы и расположения соответственно, тогда как t - единица времени (С.А.Brown, "Using the Three parameter Weibull distribution for aluminum cell life prediction", Light Metals, pp.705-710, 1985). Преимуществом такой модели является ее способность точно предсказывать скорость разрушения и средний срок службы катодов данной группы на ограниченном числе начальных выходов из строя ванн этой группы при постоянных условиях (ток серии, технологическая практика).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенному способу является метод подгонки параметров функции Вейбулла с использованием анализа максимального правдоподобия (А.Weatherly, "cathode service life estimation though maximum likelihood techniques", Light Metals, pp.711-717, 1986. Или русский перевод: Эбот Витерли (Камонвелт Алюминиум, США) «Расчет срока службы катода на основе методов максимального правдоподобия»). Этот метод позволяет идентифицировать большее число причин разрушения сложных катодов и имеет следующие возможности:

1. Статистической дифференциации между различными кривыми разрушений, что позволяют вскрыть причины ранних разрушений.

2. Учитываются оба типа данных: ступенчатый пуск и одновременный пуск.

3. Каждая оценочная функция обеспечивается статистическими доверительными интервалами.

4. Прогнозы стабилизируются в пределах доверительного интервала примерно после 10% разрушения катодов.

Параметр β, характеризующий скорость разрушения, позволяет идентифицировать следующие причины разрушений:

1. 0<β<1 - это «типичные» проблемные катоды, которые проявляют тенденцию к преждевременному разрушению (резкое снижение срока службы по экспоненте);

2. 1<β<2 - имеются проблемы раннего повреждения катода, приводящие к снижению срока службы;

3. 3<β<4 - отсутствуют проблемы раннего повреждения катода, что характерно для электролизеров имеющих длительный срок службы.

4. Параметр α позволяет идентифицировать следующие причины разрушений: если α величина, которая равна медиане срока службы, меньше среднего значения срока службы, то это указывает на то, что следует ожидать возникновения проблем, связанных с конструкцией катода.

Параметр γ характеризует время первого отключения электролизера в группе.

Общим с указанным способом являются следующие операции статистического учета и системного анализа:

1. Учитываются исходные типы данных: ступенчатый пуск и одновременный пуск электролизеров.

2. Статистическое расслоение (дифференциация) между различными кривыми разрушений (расслоение данных по сроку службы электролизеров по факторам).

3. Построение трехпараметрической функции Вейбулла для анализируемых факторов.

4. Анализ параметров α, β и γ функции Вейбулла с целью выявления причин.

5. Прогноз срока службы по функции Вейбулла с обеспечением доверительных интервалов.

Недостатком указанного способа является то, что при увеличивающейся сложности и разнообразии конструкций современных катодов недостаточно точно выявляются факторы, оказывающие непосредственное влияние на разрушения катода, а также отсутствует экономическая оценка влияния определенных факторов на срок службы электролизеров.

Причины, препятствующие получению технического результата состоят в следующем:

1. Производится неполное расслоение данных срока службы электролизеров по объектам, например: завод, цех, корпус, тип электролизера, год пуска и технические решения (номер чертежа) конструкции катода.

2. Не полностью используется для анализа срока службы описательная статистика исходных данных, которая позволяет получить дополнительную информацию о действующих и отключенных электролизерах, например, по различным объектам расслоения.

3. Не производится выявление и ранжирование наиболее значимых факторов (причин разрушения катода), влияющих на срок службы электролизеров, это важно ввиду того, что современные катоды дороги, а ресурсы предприятий ограниченны.

4. Отсутствует экономическая оценка вкладов различных факторов приводящих к увеличению или уменьшению срока службы электролизеров.

Задача изобретения состоит в выявлении и ранжировании наиболее значимых факторов, оказывающих непосредственное влияние на разрушения катода; в экономической оценке суммы вкладов оцениваемых факторов в увеличение или уменьшение срока службы.

Технический результат изобретения состоит: в анализе качества капитального ремонта и срока службы электролизеров с целью исключения случаев отключения в капитальный ремонт электролизеров с ранними сроками службы, обеспечения увеличения срока службы электролизеров и сокращения объемов капитального ремонта электролизеров на алюминиевых заводах.

Технический результат достигается тем, что в способе идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров, включающем статистический учет и системный анализ влияния контролируемых факторов на срок службы электролизера, согласно предлагаемому из числа контролируемых факторов выбирают и систематизируют те, которые оказывают непосредственное влияние на срок службы электролизеров, путем определения параметров α, β и γ трехпараметрической функции Вейбулла для каждого фактора, расчета значений t-критериев для параметра β по формуле:

где β_i - значение параметра бета функции Вейбулла i-того фактора;

β₀ - среднее значение выборки всех анализируемых факторов;

k - число факторов в выборке;

σ - дисперсия анализируемой выборки, определяемая по формуле:

и ранжирования факторов по t-критерию методом Парето.

Способ может характеризоваться тем, что дополнительно рассчитывают сумму вкладов факторов χ в срок службы электролизеров по формуле:

где Q_i - прогнозный возраст действующих электролизеров i-того фактора, определяемый по зависимости:

где θ - время первого отключения, сутки и h_i - надежность, равная = 0,5;

Е_ср - средний прогнозный срок службы отключенных электролизеров всех факторов выборки (при h=0,5), сутки;

n - число электролизеров в группе, шт;

g - средняя производительность электролизера, т/сутки;

С - себестоимость одной тонны металла, $/т.

Способ может характеризоваться тем, что формируют базу контролируемых факторов из информационно-технологической системы алюминиевого завода «Паспорт электролизера».

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлена блок схема алгоритма «Способ идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров»;

на фиг.2 - таблица «Идентификация причин разрушений катодов электролизеров типа С8БМ пуска 2000-2003 г.г.»;

на фиг.3 - пример диаграммы Парето;

на фиг.4 - графики трехпараметрической функции Вейбулла срока службы электролизеров;

на фиг.5 - гистограмма суммы вкладов в срок службы.

В основе патентуемого способа лежат следующие предпосылки.

Важным резервом повышения рентабельности алюминиевого производства является снижение расходов на капитальный ремонт электролизеров за счет увеличения их сроков службы. Вклады различных факторов в срок службы катода электролизеров часто спорны и меняются от завода к заводу. Более точное выявление значимых факторов и их экономическая оценка позволят выбирать оптимальные конструктивные решения катодов и тем самым повысить срок службы вновь вводимых электролизеров. Анализ параметра β трехпараметрической функции Вейбулла, характеризующего скорость отключений (разрушений) электролизеров от различных факторов, с использованием t-критерия Стьюдента и принципа Парето, выявляет значимые факторы, вклад которых в срок службы составляет более 80%.

В патентуемом изобретении предлагается более совершенный способ идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров посредством выявления факторов, оказывающих непосредственное влияние на срок службы электролизеров и оценки суммы вкладов факторов в срок службы электролизеров.

По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие особенности.

Во-первых, формируют исходную базу данных, включающую контролируемые факторы конструкции катода и соответствующие им сроки службы электролизеров из информационно-технологической системы ИТС алюминиевого завода «Паспорт электролизера». Отличительной особенностью исходной базы данных является то, что факторы (номера чертежей, типы материалов и т.п.) представлены в текстовом формате за исключением значений срока службы и не известен вид распределения срока службы для каждого фактора. Эти особенности накладывают жесткие требования на выбор метода анализа. Поэтому для решения данной задачи невозможно применение параметрических (дисперсионный анализ и др.) и непараметрических методов выявления значимых факторов.

Во-вторых, проводят расслоение данных по объектам: завод, цех, корпус, тип, год пуска электролизеров и факторы. Дополнительное расслоение по заводам, цехам и корпусам позволяет учесть влияние технологической практики на срок службы однотипных катодов.

В-третьих, рассчитывают описательную статистику срока службы по объектам, которая позволяет провести упорядочение исходных данных и обеспечивает пользователя основной описательной информацией срока службы (среднее, медиана, минимальное и максимальное значения), различных мер изменчивости (дисперсия и стандартное отклонение), а также форм распределения (гистограммы).

В-четвертых, определяют значимые факторы, которые оказывают непосредственное влияние на срок службы электролизеров с использованием трехпараметрической функции Вейбулла путем анализа параметра β для каждого фактора, используя t-критерий Стьюдента и принцип Парето. Такая методика позволяет определять значимые факторы, влияющие на срок службы с учетом интенсивности отказов (анализ выживаемости). Данный подход не связан с каким-либо предположением относительно распределения значений срока службы и позволяет использовать текстовые данные.

В-пятых, рассчитывают вклады рассматриваемых факторов в срок службы электролизеров, выраженного в виде дополнительно полученного металла или денег.

Анализ, проведенный заявителем, показал, что совокупность признаков является новой, а сам способ удовлетворяет условию изобретательского уровня ввиду новизны причинно-следственной связи «отличительные признаки - технический результат».

Сущность способа поясняется на примере функционирования способа идентификации причин разрушений катодов алюминиевых электролизеров, структурная схема которого представлена на фиг.1.

Производится выбор объекта анализа, например, по схеме: завод/цех/тип/год пуска/факторы (ОАО «КрАЗ»/1/С8БМ/2000-2003/размер блюмса, изготовитель подовых блоков, материал контакта блок-блюмс, материал подовой массы, материал цоколя, особенности конструкции торца, чертеж футеровки, номер корпуса).

Производится расчет параметров βi для каждого фактора и β₀ - среднее, равное (β₁+...+β₇)/7 и значения t для каждого фактора (формула 1). Результаты расчета приведены в таблице фиг.2.

Затем производится определение факторов, оказывающих непосредственное влияние на срок службы электролизеров по принципу Парето. Результаты расчета представлены на фиг 3. Как видно, значимыми являются следующие факторы: размер блюмса, изготовитель подовых блоков и материал контакта блок-блюмс, вклад которых в срок службы составляет более 80%. Результаты расчетов подтверждаются описательной статистикой, т.е. при этих факторах срок службы электролизеров наибольший.

С целью определения суммы вкладов факторов в срок службы

1) производится расчет прогноза срока службы электролизеров для выбранных факторов, например, тип С8БМ пуска 2000-2002 г.г. и построение графика функции (распределения) Вейбулла и определение значений Q_i и Е_ср при h_i=0,5 (фиг.4);

2) производится расчет суммы вкладов в срок службы электролизеров пуска 2000-2003 г.г. по формуле (2) и построение гистограммы (фиг.5). Как видно, наибольший вклад в увеличение срока службы внесли электролизеры пуска 2002 года. Способ осуществляется в следующей последовательности:

1. Формируется исходная база данных на основе ИТС «Паспорт электролизера».

2. Производится выбор объектов анализа: завод, цех, корпус, тип электролизера, год пуска и факторы.

3. Производится выбор процедур: описательная статистика, выявление значимых факторов, прогноз срока службы, сумма вкладов в срок службы.

4. Выполняются необходимые расчеты.

5. Формирование отчета.

Эффективность патентуемого способа показана на примере. Определенные значимые факторы для электролизеров типа С8БМ: размер блюмса, изготовитель подовых блоков и материал контакта блок-блюмс, позволили оптимизировать конструктивные решения по блюмсам и выбрать поставщиков более качественных материалов блоков и материалов. Эти данные использовались в проекте по разработке электролизера с повышенным ресурсом надежности, который в конечном итоге позволит снизить ранние отключения электролизеров возрастом до 2 лет.

1. Способ прогнозирования срока службы алюминиевых электролизеров, включающий идентификацию причин разрушений катодов, контроль факторов, влияющих на срок их службы, статистический учет и системный анализ влияния контролируемых факторов на срок службы электролизера, отличающийся тем, что определяют параметры α, β и γ трехпараметрической функции Вейбулла для каждого фактора, производят расчет значений t-критериев для параметра β по математическому выражению

где β_i - значение параметра бета функции Вейбулла i-го фактора;

β₀ - среднее значение выборки всех анализируемых факторов;

k - число факторов в выборке;

σ - дисперсия анализируемой выборки, определяемая по математическому выражению

и из числа контролируемых факторов выбирают и систематизируют те, которые оказывают влияние на срок службы электролизеров и ранжируют их по t-критерию методом Парето.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают сумму вкладов факторов χ в срок службы электролизеров по математическому выражению

где Q_i - прогнозный возраст действующих электролизеров i-го фактора, определяемый по зависимости

θ - время первого отключения, сут;

h_i - надежность, равная 0,5;

Е_ср - средний прогнозный срок службы отключенных электролизеров всех факторов выборки (при h=0,5), сут;

n - число электролизеров в группе, шт;

g - средняя производительность электролизера, т/сут;

С - себестоимость одной тонны металла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют базу контролируемых факторов.