Автор: admin

Министерство образования Российской Федерации

Марийский государственный технический университет

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

Вакуумное напыление

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Основы физики твёрдого тела и микроэлектроники

Разработал: студент группы ЭВС-31

Колесников

Консультировал: доцент

Игумнов В.Н

Йошкар-Ола 2003г.

Содержание

Введение

1.Термическое вакуумное напыление

1.1 Резистивное напыление

1.2 Индукционное напыление

1.3 Электронно-лучевое напыление

1.4 Лазерное напыление

1.5 Электродуговое напыление

2. Распыление ионной бомбардировкой

2.1 Катодное распыление

2.2 Магнетронное распыление

2.3 Высокочастотное распыление.

2.4 Плазмоионное распыление в несамостоятельном газовом разряде

3. Технология тонких пленок на ориентирующих подложках

3.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок

3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие пленки, наносимые в вакууме, широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.

Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.

Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия – диэлектрических.

Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.

Методы ионно-плазменного и магнетронного напыления находят широкое применение в современной микроэлектронике. Высокие скорости напыления и энергия падающих на подложку атомов в процессе напыления позволяют использовать эти методы для получения пленок различного состава и структуры, и, в частности, для низкотемпературной эпитаксии.

В настоящее время исследованиям в данной области уделяется значительный интерес.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение основных методов напыления и распыления в вакууме, физико-химических процессов, а также описание и работа установок использующихся в данных методах.

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.

Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией E1 бомбардирующих ионов. При Е1=10-100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 104 эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в металл. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е1 >104 эВ) приводит к снижению коэффициента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).

Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:

— генерация потока частиц осаждаемого вещества;

— переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;

— осаждения частиц при достижении подложки.

Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.

Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.

Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.

Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.

Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).

1. Термическое вакуумное напыление

Сущность данного процесса нанесе6ния тонких пленок заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при соударении с поверхностью испаряемые атомы, и молекулы конденсируются на ней.

Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза – жидкая фаза – газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.

Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис.1, являются: 1 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 — заслонка; 3 — трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 — игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 — нагреватель подложки; 6 — подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 — герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 — испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Процесс проведения операции вакуумного напыления включает в себя выполнение следующих действий. В верхнем положении колпака с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включают систему вакуумных насосов (вначале для предварительного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения времени откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10-4 Па (контроль по манометру) включают нагреватели испарителя и подложек. По достижении рабочих температур (контроль с помощью термопар) заслонку отводят в сторону и пары вещества достигают подложки, где происходит их конденсация и рост плёнки. Система автоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и подложек, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускают атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.

Процесс термического вакуумного напыления характеризуется температурой на испарителе t°ис, давлением воздуха в рабочей камере P0, температурой нагрева подложек t°п. Температура нагрева вещества в испарителе (t°ис) должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испарения, чтобы время напыления пленки не превышало 1-2 минут. В то же время чрезмерно высокая интенсивность приводит к образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в плёнке, о чём будет сказано ниже.

Интенсивность испарения удобно характеризовать упругостью пара (давлением пара в состоянии насыщения) PS. Упругость пара для данного вещества зависит только от температуры

(1.1)

где А и В — коэффициенты, характеризующие род материала;

Т — абсолютная температура вещества, К.

Оптимальной интенсивностью испарения принято считать интенсивность, при которой упругость пара составляет ~1,3 Па. Соответствующая этой упругости температура испарения называется условной и может быть вычислена из (1.1). Так, для алюминия она равна 1150°C, для хрома — 1205°C, для меди — 1273°C, для золота — 1465°C и т.д.

Низкое давление воздуха Р0 в рабочей камере необходимо для:

— обеспечения свободной диффузии атомов вещества испарителя в объём рабочей камеры;

— прямолинейного движения атомов вещества без столкновения с молекулами остаточного воздуха и бесполезного рассеивания материала в объёме камеры;

— исключения химического взаимодействия напыляемого вещества с молекулами воздуха.

Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении Р010-4 Па. Такой вакуум сравнительно легко достигается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно.

Температура подложки в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а, следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации.

Атомы вещества поступают на подложку с энергией кТ (к=8,63Ч10-5 эВ/K- постоянная Больцмана; K- абсолютная температура) и скоростями порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передаётся поверхностным атомам подложки, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энергии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку (на потенциальном бугре поля), либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока атомов, т.е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.

Снижение температуры подложки и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам нагрева и медленного охлаждения мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит «старение» плёнки. В резистивных плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного сопротивления.

Итак, для формирования тонких плёнок, стабильных в процессе эксплуатации, необходимо подложку нагревать и не форсировать процесс напыления за счёт повышения температуры на испарителе.

В производстве тонкоплёночных структур, как и в случае полупроводниковых, используются групповые подложки. Групповые подложки имеют прямоугольную форму с размерами 60х48 мм или 120х96 мм, изготовлены из изолирующего материала (ситалл, поликор, стекло) и рассчитаны на одновременное изготовление до нескольких десятков идентичных модулей. Таким образом, свойства напыленной плёнки должны быть одинаковы на всей площади групповой подложки.

В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоскости подложки не равномерна: в центре подложки она максимальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки. Например, резисторы, сформированные в центральных модулях, будут иметь заниженные сопротивления по сравнению с аналогичными резисторами периферийных модулей.

С учётом изложенного производственные установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками, барабана-ми), несущими несколько подложек (6, 8 или 12). Подложки последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем (рис.2), постепенно набирая необходимую толщину плёнки. В результате центральный «холм», который мог бы образоваться, на неподвижной подложке, размывается в хребет, вытянутый в направлении движения подложки. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и подложкой в непосредственной близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся подложки. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и находится в пределах ±2% (для подложек 60х48 мм).

Основными достоинствами этого метода генерации являются:

— возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок;

— простота реализации;

— высокая скорость испарения веществ и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;

— стерильность процесса, позволяющая при наличии высокого (а при необходимости сверхвысокого) вакуума получать покрытия практически свободные от загрязнений.

Все испарители различаются между собой по способу нагрева испаряемого вещества. По этому признаку способы нагрева классифицируются следующим образом: резистивный, индукционный, электронно-лучевой, лазерный и электродуговой.

1.1 Резистивное напыление

Это первый метод нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, который до недавнего времени наиболее широко применялся. Отличительными особенностями его являются техническая простота, удобство контроля и регулирования режимов работы испарителя и возможность получения покрытий различного химического состава.

В резистивных испарителях тепловая энергия для нагрева испаряемого вещества образуется за счет выделения джоулева тепла прохождении электрического тока через нагреватель.

К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляются следующие требования.

1. Давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежительно малым.

2. Материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом, так как это необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними.

3. Между материалом нагревателя и испаряемым веществом не должны возникать никакие химические реакции и образовываться легколетучие сплавы этих веществ, так как в противном случае происходит загрязнение наносимых пленок и разрушение нагревателей.

Для нанесения покрытий резистивным методом применяются различные конструкции и способы испарения металлов и сплавов. Наиболее широко используются проволочные, ленточные, тигельные и автотигельные испарители дискретного действия.

Проволочные испарители, основное достоинство которых заключается в простоте устройства и высокой экономичности, изготавливаются из проволоки тугоплавких металлов (W, Mo, Ta) и выпускаются самых разнообразных форм (в виде петли, цилиндрической спирали, конической спирали, V-образной формы и др.). Применяются для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли на проволочном нагревателе. Применяемая проволока (обычно диаметром от 0,5 до 1,5 мм) должна иметь по всей длине одинаковое сечение, иначе из-за местных перегревов будет нарушена равномерность получаемого слоя и, кроме того, проволока быстро перегорит. При хорошем смачивании материала нагревателя испаряемым металлом всегда имеет место более или менее активное взаимодействие между ними, что в конечном свете приводит к разрушению испарителя и снижению чистоты наносимого покрытия. С помощью проволочных испарителей может происходить в телесном угле вплоть до 4 П.

Ленточные испарители изготавливаются из тонких листов тугоплавких металлов и имеют специальные углубления (в виде желобков, лодочек, чашек или коробочек), в которых размещается испаряемый материал. Они применяются для испарения порошковых материалов и неорганических соединений. Эти испарители, так же как и проволочные просты по конструкции, но по сравнению с последними потребляют большую мощность вследствие значительных потерь на тепловое излучение. Ленточные испарители имеют большую направленность испарения, и практически предельно возможная область испарения их ограничена телесным углом 2 П.

Тигельные испарители могут применяться для испарения материалов, не вступающих в реакцию с материалом тигля и не образующих с ним сплавов. Они изготавливаются из тугоплавких металлов (W, Mo, Ta) из окислов металлов (Al2O3, BeO, ZrO2, ThO2 и др.) и графита. Для осаждения материалов с низкой температурой испарения можно также использовать тигли из тугоплавкого стекла и кварца.

Тигли из окиси алюминия используются для металлов, температура испарения которых ниже 1600оС (Cu, Mn, Fe, Sn); тигли из окиси бериллия могут быть использованы до температуры 1750оС, окиси тория – до 2200оС. При испарении материалов при температурах порядка 2500оС применяются тигли из графита. Однако многие материалы при высоких температурах реагируют с углеродом с образованием карбидов и поэтому не могут быть испарены из таких тиглей (например, Al, Si, Ti). Из графитовых испарителей эффективно испаряются Be, Ag, Sr. Многие окислы активно восстанавливаются углеродом, что дает возможность очищать металлы с помощью графитовых тиглей.

Основное достоинство тигельных испарителей состоит в том, что с их помощью можно осуществлять испарение большого количества веществ. По сравнению с проволочными и ленточными испарителями они являются более инерционными, так как малая теплопроводность материалов не позволяет обеспечить быстрый нагрев испаряемого материала. Кроме того, тигли из окислов не допускают быстрого нагрева ввиду опасности их разрушения тепловым ударом. К недостаткам тигельных испарителей следует также отнести и то, что с их помощью может быть получен только узкий пучок испаряемого вещества.

Для испарения сплавов и веществ сложного состава (например, металлокерамиче- ских смесей), которые состоят из компонентов с резко отличными скоростями испарения, применяются поверхностные испарители дискретного действия. В них используется метод взрывного испарения. Температура поверхности испарителя, на которую падают мелкодисперсные частиц, выбирается такой, чтобы все падающие частицы сложного вещества мгновенно испарялись. Подача мелкодисперсных частиц на раскаленную поверхность производится со скоростью, разной скорости испарения частиц этого вещества, что обеспечивает получение пленок требуемого состава.

Широкое распространение получат так называемые автотигельные испарители, в которых капля или ванна расплавленного металла соприкасается с тем же металлом, находящимся в твердом состоянии. Такой способ позволяет получать покрытия высокой частоты.

Для получения покрытий, характеризующихся высокой однородностью структуры и химического состава, испарением порошковых материалов предварительно необходимо провести процессы сепарации и отсева порошка по фракциям, тщательное механическое перемешивание при использовании порошков различного химического состава, дегазацию порошка и отвод выделившихся газов из объема вакуумной камеры.

Методу резистивного испарения присущи недостатки, значительно снижающие область его использования. К числу основных недостатков метода следует отнести отсутствие заметной ионизации паров испаряемого материала, трудности управления основными параметрами потока, высокую инерционность испарителей.

1.2 Индукционное напыление

Для устранения нежелательных последствий, связанных с взаимодействием между испаряемым веществом и испарителем, и получения покрытий высокой чистоты используется индукционное испарение.

Принцип действия тикля с индукционным нагревом показан на рис.3. При плавлении масса металла (1) под действием сил электромагнитного поля, создаваемого катушкой (2), поднимается таким образом, что поверхность соприкосновения нагретого до высокой температуры металла с тиглем (3) оказывается минимальной. В результате происходит ослабление химических реакций между испаряемым металлом и тиглем.

К недостаткам индукционного метода нагрева следует отнести невозможность непосредственного испарения диэлектриков и необходимость использования специальных

Индукторов для испарения различных металлов, а также низкий КПД установки.

1.3 Электронно-лучевое напыление

В производственных условиях широко используется электронно-лучевые испарители, которые позволяют получать тонкие пленки металлов, сплавов и диэлектриков. Хорошая фокусировка электронного пучка в этих испарителях позволяет получать большую концентрацию мощности (до 5·108 Вт/см2) и высокую температуру, что обеспечивает возможность испарения с большой скоростью даже самых тугоплавких материалов. Быстрое перемещение нагретой зоны в результате отклонения потока электронов, возможность регулирования и контроля мощности нагрева и скорости осаждения создают предпосылки для автоматического управления процессом. Метод позволяет получить высокую чистоту и однородность осаждаемой пленки, поскольку реализуется автотигельное испарение материала.

Принцип действия электронно-лучевого испарителя таков. В электронной пушке происходит эмиссия свободных электронов с поверхности катода и формирование их в пучок под действие ускоряющих и фокусирующих электростатических и магнитных полей. Через выходное отверстие пушки пучок выводится в рабочую камеру. Для проведения электронного пучка к тиглю с испаряемым материалом и обеспечения параметров пучка, требуемых для данного технологического процесса, используют главным образом магнитные фокусирующие линзы и магнитные отклоняющие системы. Беспрепятственное прохождение электронного пучка до объекта возможно только в высоком вакууме. В камере испарителя устанавливается рабочее давление около 10-4 Па. Испаряемый материал нагревается вследствие бомбардировки его поверхности электронным пучком до температуры, при которой испарение происходит с требуемой скоростью. В образовавшемся потоке пара располагают подложку, на которой происходит конденсация. Испарительное устройство дополняют средствами измерения и контроля, которые особенно важны для управления электронного пучка в процессе напыления.

Основные параметры, достижимые в электронно-лучевых испарителях: 104-105 Вт/см2; удельная скорость испарения — 2·10-3 -2·10-2 г/(см2 ·с); эффективность процесса испарения (по меди) — 3·10-6 г/Дж; энергия генерируемых частиц – 0,1-0,3 эВ; скорость осаждения частиц на подложке – 10-60 нм/с.

В простейшем случае электронный пучок направляют на исправляемый материал сверху отвесно или под косым углом к поверхности. При этом для обеспечения фокусировки пучка и получения требуемой удельной мощности на поверхности испаряемого материала используют длиннофокусные генераторы электронных пучков. Существенными недостатками такого расположения являются возможность образования пленок на деталях электронно-оптической системы, что приводит к изменению параметров электронного луча, и ограничение полезной площади для размещения подложки из-за затенения части технологической камеры пушкой. Указанных недостатков можно избежать, размещая пушку горизонтально и отклоняя электронный пучок на испаряемый материал с помощью различных систем, обеспечивающих поворот пуска на угол до 270°.

К недостаткам метода электронно-лучевого испарения следует отнести:

— необходимости наличия высокого ускоряющего напряжения (порядка 10 кВ);

— низкий энергетический КПД установок ввиду затрат энергии на образование вторичных электронов (до 25 % энергии первичного пучка) нагрев тигля, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение;

— газовыделение в рабочем объеме вследствие бомбардировки вторичными электронами подложки, технологической оснастки и стенок камеры;

— генерацию радиационных дефектов в наносимых тонких пленках при бомбардировке их вторичными электронами;

— отсутствие заметной ионизации потока осаждаемого вещества;

— плохую адгезию тонких пленок к основе вследствие низкой энергии осаждаемых частиц.

1.4 Лазерное напыление

В лазерных испарителях нагрев испаряемого вещества, помещенного в вакуум, осуществляется при помощи фокусированного излучения оптического квантового генератора (ОКГ), находящегося вне вакуумной камеры. Нанесение пленок с помощью лазера возможно благодаря следующим свойствам луча: точной фокусировке излучения и дозировке его энергии, высокой плотности потока энергии (108 – 1010 Дж/см2).

Основными достоинствами метода импульсного лазерного напыления (ИЛН) являются:

— предельно чистые условия вакуумного испарения (источник энергии для испарения вещества находится вне вакуумного объема, испарение производится из « собственного тигля»);

— возможность получения пленок самых тугоплавких материалов и сохранения стехиометрического состава многокомпонентных соединений (высокая плотность потока энергии лазерного излучения и его малая длительность позволяют достичь высоких температур – до десятков тысяч градусов, при которых все компоненты испаряются в одинаковой мере);

— высокая мгновенная скорость напыления (103–105нм/с) и реализуемый беззародышевый механизм роста пленки, которые обеспечивают сплошность слоев при толщине, близкой к мономолекулярной. Это позволяет использовать ИЛН для получения ультратонких пленок и сверхрешеток;

— использование только низкоэнергетической части плазмы, что способствует получению бездефектных пленок, близких по своим параметрам к пленкам, получаемым методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Импульсный лазер – очень удачная разновидность испарителя для МЛЭ, поэтому лазерное напыление может органически вписываться в аппаратуру метода МЛЭ;

— стабильность наносимых за 1 импульс слоев толщиной 0,1 – 10,0Е/имп позволяет программировать напыление пленок строго контролируемой толщины;

— высокая производительность и технологичность.

В настоящее время для ИЛН применяются мощные газовые лазеры на СО2 (λ=10,6мкм) или твердотельные рубиновые (λ=0,6943 мкм) и неодимовые (λ= 1,06 мкм) лазеры. Для испарения диэлектриков рекомендуется применять СО2 — лазеры, поскольку диэлектрики лучше поглощают длинноволновое излучение. Наилучшие результаты по получению тонких и ультратонких пленок, особенно пленок соединений, получены с помощью неодимовых лазеров.

Для обеспечения лучшей воспроизводимости свойств пленок и осуществления контроля, управления и автоматизации технологического процесса используют метод частотного ИЛН, который заключается в последовательном нанесении пленки в вакууме небольшими порциями (менее монослоя за 1 импульс), следующими друг за другом с определенной частотой. Для металлов и сплавов оптимальным оказался режим f = 50 Гц, τ = 10 нс, выделяемая на поверхности мишени мощность q=5·108 — 5·109 Вт/см2 , а для полупроводников и диэлектриков 10 кГц, 200 нс и 107 — 108 Вт/см2 соответственно.

Для улучшения однородности и воспроизводимости пленочных образцов и структур применяется или сканирование лазерного луча по неподвижной мишени, или перемещение в вакуумной камере установки.

Важнейшим физико-технологическим параметром лазерного метола получения пленок, определяющим температуру и длительность испарения, состав и состояние испаренного вещества, а через них – скорость и механизм конденсации, структуру и свойства осажденного слоя, является режим работы ОКГ. Так, режим СИ (секундный импульс) позволяет испарять без диссоциации даже сложные органические соединения, МИ (миллисекундный импульс) дает поровую фазу с разнообразным набором молекулярных фрагментов-комплексов, в режиме НИ (наносекундный импульс) достигаются очень высокие температуры – до десятков тысяч градусов, что приводит к полной диссоциации пара и его сильной ионизации. Импульсные ОКГ используются, как правило, в режимах МИ (q=106 — 107 Вт/см2) и НИ (q≥109 Вт/см2). Электронно-микроскопически было установлено, что пленки, полученные в режиме МИ (q=5·105 Вт/см2 ), однородны по толщине, тогда как НИ-конденсаты (q=108 – 109Вт /см2) независимо от материала пленки, подложки и толщины пленки обнаруживали «шероховатость» с характерным размером ~ 50 нм.

Одной из важных характеристик лазерного испарения является его эффективность – отношение испаренной заIипульс массы mi к энергии лазерного импульса Ei:β = mi /Ei.

В результате НИ становится существенным взаимодействие пара с излучением и пара с мишенью. В первый момент пар экранизирует собой поверхность мишени, интенсивно поглощая лазерное излучение. Затем начинается переизлучение поглощенной энергии. Вторичное излучение, взаимодействия с мишенью, приводит к ее испарению. В силу изменения механизма испарения в режиме НИ большая часть энергии импульса ОКГ тратится на разогрев пара и существенно меньшая – на его образование, поэтому эффективность β при прочих равных условиях значительно меньше (на порядок), чем в режиме МИ. Характерными величинами для эффективности испарения являются следующие значения: βМИ=0,1 мг/Дж, βНИ=0,01 мг/Дж. На величину эффективности испарения могут сильно влиять уменьшение теплопроводности и увеличения поглощения, которые реализуются при использовании порошковых мишеней.

При испарении вещества наносекундными импульсами ОКГ имеет место эшелированный характер разлета (а, следовательно, и конденсации на подложке): впереди движутся быстрые электроны, затем ионы максимальной зарядности (с энергией до 1000 ЭВ и более), в конце ионной составляющей – ионы минимальной зарядности, и наконец самая медленная часть сгустка – нейтральная (с энергией ~ I ЭВ). Эшелированный характер разлета плазменного сгустка приводит к неоднородному во времени процессу. Процесс конденсации начинается с «ионного шока» — бомбардировки поверхности подложки ионами высоких энергий при большой плотности (может достигать сотен А/см). После быстрых ионов на подложку налетает более медленная часть сгустка: малозарядные ионы и нейтральные атомы. Последствиями «ионного шока» могут быть: очистки поверхности подложки, ее нагрев, травление со вскрытием имеющихся дефектов и образованием новых и эрозия мишени. Это, в свою очередь, оказывает большое влияние на свойства конденсата, например, на повышенную адгезию пленок, полученных с помощью ОКГ.

Необходимо отметить, что, несмотря на импульсный характер испарения, из-за дисперсии скоростей разлета компонентов плазменного сгустка скорость конденсации может быть практически постоянной, если частота следования импульсов достаточно велика, так что f > 1 / τк (τк — время конденсации).

Испарения вещества испульсным ОКГ происходит в существенно неравновесных условиях, при интенсивных механических воздействиях, вызванных термическими напряжениями, ударными волнами, газовым далением и т.д. В результате разрушения мишени одновременно с паром или плазмой образуются твердые и жидкие микрочастицы, имеющие скорость разлета, близкую к скорости парового сгустка, и вызывающие появление микродефектов в конденсируемой пленке, — так называемого брызгового эффекта. Для уменьшения брызгового эффекта можно использовать различные приемы: применение порошковой мишени с последующей дегазацией, медленное (от импульса к импульсу) или скоростное (за время одного импульса) сканирование.

Интересным структурным аспектом проблемы лазерной конденсации является возможность получения сплошных сверхтонких конденсатов, связанная с высокой скоростью поступления пара на подложку и реализуемым беззародышевым механизмом роста. Само понятие «зародыш» связывается с устойчивой группировкой атомов, противопоставляемой подвижным адсорбированным атомам. При ИЛН существенного движения адатомов за время осаждения монослоя (10-5 — 10-7 с) не происходит: адатом не успевает переместиться на значительное расстояние, прежде чем рядом с ним не появится новый атом, второй, третий и т.д. Рост пленки становится беззародышевым: присоединение атомов к конденсируемому слою осуществляется не из поверхностного двумерного газа, а непосредственно из паровой фазы. Поскольку ИЛН как метод получения бездефектных тонких, и особенно ультратонких пленок и сверхрешеток, получил развитие лишь в последние годы, он пока реализован только в исследовательских установках.

1.5 Электродуговое напыление

При вакуумном дуговом способе нанесения тонких пленок металлов и их соединений генерация потока вещества, составляющего основу покрытия, осуществляется за счет эрозии электродов электрической дугой. Принципиально возможно использование различных форм стационарной вакуумной дуги (дуга с холодным расходуемым катодом; дуга с распределенным разрядом на горячем расходуемом катоде; дуга с нерасходуемым полым катодом, горящая в парах материала анода), существование которых обусловлено принципиально различным протеканием самосогласованных процессов генерации вещества и эмиссии электронов с катода. Однако широкое применение нашла лишь первая форма вакуумной дуги.

Электрическая дуга с холодным расходуемым катодом реализуется в диапазоне давлений от сотен атмосфер до сколь угодно низких и представляет собой низковольтный (U= 10-30В) сильноточный (I = 101 — 104 А) разряд, горящий в парах материала катода. При этом генерация материала катода осуществляется катодными пятнами вакуумной дуги. В катодных пятнах также протекают локальные процессы интенсивной электронной эмиссии. Число катодных пятен пропорционально току дуги, плотность тока в пятне очень высока и составляет 105 — 107 А/см2, концентрация мощности в катодном пятне 107 — 108 Вт/ cм2 .

Испарение материала катода из области катодного пятна (с характерными размерами 10-4 — 10-2см) осуществляется под действием низковольного ионного пучка. При этом часть продуктов испарения возвращается в виде ионного тока на катод (поддерживая процессы генерации и эмиссии электронов), а остальная их доля поступает в объем системы, формируя плазму, которая составляет эффективный продукт генерации. Продукты генерации, фазовый состав которых определяется в основном видом материала катода, содержит микрокапельную (размеры частиц от нескольких микрон и ниже), паровую и ионизированную фазы (ионы различной кратности). На тугоплавких металлах доля капельной фазы составляет менее 1% от полного расхода, на легкоплавких — десятки процентов. Данный метод особенно эффективен при генерации плазм тугоплавких металлов.

При работе электродугового испарителя металлов в коаксиальной конструкции катодные пятна стремятся уйти на боковую поверхность катода (в область, где расстояние до анода минимально). Это исключает возможность проведения осаждения пленок на подложки, расположенные над (под) торцевой поверхностью катода. Для удержания катодных пятен на торцевой поверхности катода используют 2 вида конструкций.

1. Испарители с электростатическим удержанием катодных пятен. В конструкциях данного типа боковая поверхность катода, не подлежащая испарению, прикрыта экраном, изолированным от электродов испарителя. Катодное пятно, попадая на боковую поверхность катода (под экран), прекращает свое существование, так как прерывается поток плазмы, служащей проводником тока между катодным пятном и анодом. Для нормальной работы испарителя с электростатическим экраном ток дуги необходимо увеличивать настолько, чтобы на поверхности катода одновременно существовало не менее двух катодных пятен. В этом случае при погасании одного пятна горение дуги поддерживается другими. Во многих случаях увеличение тока дуги является нежелательными, так как это приводит к повышению содержания капельной фазы материала катода в наносимых покрытиях , что снижает их качество. Поэтому наиболее широкое применение нашли конструкции второго типа.

2. Испарители с магнитным удержанием катодных пятен.

Удержание катодных пятен на поверхности испарения катода осуществляется с помощью магнитного поля. При стремлении катодного пятна уйти на боковую поверхность катода радиальная составляющая силы, возникающей при взаимодействии тока с направленным под углом к нему магнитным полем, удерживает катодыне пятна на поверхности испарения. Серьезной проблемой, с которой приходится сталкиваться при электродуговом испарении холодного катода, является эрозия капель из катодного пятна, что вызывает появление микродефектов в конденсируемой пленке и может стать причиной снижения эксплуатационных характеристик покрытий. Образование капельной фазы связано с катодными процессами вакуумной дуги и зависит как от теплофизических характеристик материала катода (удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности, температура плавления, удельная теплота плавления, температура кипения, давление насыщенных паров), состояния его рабочей поверхности (наличие микронеровностей, трещин) и внутреннего объема (наличие газовых включений), так и от технологических параметров нанесения покрытий) ток дуги, ток подмагничивания, парциальные давления газов в камере установки).

По сложившимся в настоящее время представлениям испускание жидких капель катодным пятном вакуумной дуги происходит при формировании на поверхности катода эрозионных кратеров и обусловлено воздействием давления плазмы на поверхность жидкого металла. Данный механизм образования капельной фазы не позволяет объяснить установленную экспериментально зависимость содержания микрокапель в покрытии от содержания газовых включений в катоде (в частности, факт полного отсутствия микрокапель в покрытиях при использовании катодов с газосодержанием менее 10-6 %). Следует также отметить, что при осуществлении процесса плавления-вымывания жидкой пленки с боковой поверхности эрозионного кратера разлет капель должен происходить в основном под малым углом к поверхности катода. Между тем в покрытиях, как правило, фиксируются капли, разлетающиеся в направлении нормали к поверхности катода. Их образование связано, по мнению авторов, с процессами объемного парообразования (пузырькового кипения) в катодном пятне.

Исходя из данного механизма, можно выделить следующие физически значимые параметры процесса образования микрокапель: концентрацию газовых включений в катоде N0 (определяет число центров парообразования, обуславливающих пузырьковое кипение), концентрацию мощности в катодном пятне q (определяет толщину слоя расплава, время существования пузырька в расплаве и радиус пузырька, соответствующий длительности его существования), скорость движения катодного пятна (ограничивает временные рамки процесса).

Основные параметры, характеризующие установки для нанесения покрытий вакуумным электродуговым способом

— удельная скорость испарения – 2·10-4 –5·10-3 г/(см2 ·с);

— эффективность процесса испарения – 2·10-6 –10-5 г/Дж;

— степень ионизации – 10-90%;

— энергия генерируемых частиц – 10 – 100 эВ;

— скорость осаждения ~5 нм/с.

К основным достоинствам метода нанесения тонких пленок вакуумным электродуговым испарением относятся следующие:

— возможность точно регулировать скорость нанесения покрытий путем изменения тока дуги;

— возможность управлять составом покрытия, используя несколько катодов из различных материалов или же составные (многокомпонентные) катоды;

— высокая энергия плазменной струи, способствующая получению высокой адгезии покрытия;

— высокая степень ионизации, способствующая эффективной агломерации зародышей и формированию сплошных пленок минимально возможных толщин;

— возможность получения тонких пленок соединений металлов за счет ввода в камеру реакционного газа;

— технологичность процесса осаждения, позволяющая использовать для управления процессом ЭВМ.

электронный лучевой напыление эпитаксия

2. Распыление ионной бомбардировкой

Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков и ограничений, главные из которых следующие:

— напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO2, Al2O3 и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно загрязнение потока материалом испарителя;

— при напылении сплавов различие в скорости испарения отдельных компонентов приводит к изменению состава плёнки по сравнению с исходным составом материала, помещённого в испаритель;

— инерционность процесса, требующая введения в рабочую камеру заслонки с электромагнитным приводом;

— неравномерность толщины плёнки, вынуждающая применять устройства перемещения подложек и корректирующие диафрагмы.

Первые три недостатка обусловлены необходимостью высокотемпературного нагрева вещества, а последний — высоким вакуумом в рабочей камере.

Принцип действия устройств ионного распыления основан на таких физических явлениях, как ионизация частиц газа, тлеющий разряд в вакууме и распыление веществ бомбардировкой ускоренными ионами.

Ионизация – это процесс превращения нейтральных частиц газа (атомов и молекул) в положительно заряженные ионы. Сущность этого процесса состоит в следующем. Находящийся между двумя электродами газ всегда содержит несколько свободных электронов. Если между электродами анодом и катодом – создать электрическое поле, это поле будет ускорять свободные электроны. При встрече с нейтральной частицей газа ускоренный первичный электрон выбивает из нее вторичный электрон, превращая нейтральную частицу газа в положительно заряженный ион. Т.о., в результате столкновения появляется новая пара заряженных частиц: выбитый вторичный электрон и положительно заряженный ион.

Отраженный первичный электрон и вторичный электрон, в свою очередь, могут быть ускорены электрическим полем и при взаимодействии с нейтральными частицами газа образовать по паре заряженных частиц. Так развивается лавинообразный процесс появления в газовой среде двух видов заряженных частиц, и газ, будучи в нормальных условиях электрическим изолятором, становится проводником.

Современные представления о процессе взаимодействия, приводящего к распылению, предполагают, что в результате проникновения иона в материал возникает каскад бинарных упругих столкновений смещенных атомов, в которых происходит обмен энергией и импульсом между атомами. Средне время развития каскада столкновений порядка 2·10-13с. Конечным результатом каскада столкновений может стать передача поверхностному атому (в слое толщиной ~1 нм) достаточной энергии и необходимого импульса нужной направленности (в направлении границы твердое тело-вакуум) для преодоления сил его связи на поверхности, что и приводит к распылению.

Процесс распыления ионной бомбардировкой является «холодным» процессом, т.к. атомарный поток вещества на подложку создаётся путём бомбардировки поверхности твёрдого образца (мишени) ионами инертного газа и возбуждения поверхности атомов до энергии, превышающей энергию связи с соседними атомами. Необходимый для этого поток ионов создаётся в электрическом газовом разряде, для чего давление газа в рабочей камере должно быть в пределах 0,1Ч10 Па, т.е. на несколько порядков более высокое, чем в камере установки термовакуумного напыления.

Последнее обстоятельство приводит к рассеиванию потока атомов с мишени и повышению равномерности толщины осаждаемых плёнки до ±1% , причём без применения дополнительных устройств.

Метод ионного распыления основан на бомбардировке мишени, изготовленной из осаждаемого материала, быстрыми частицами. Выбитые из мишени в результате бомбардировки частицы образуют поток наносимого материала, который осаждается в виде тонкой пленки на подложках, расположенных на некотором расстоянии от мишени.

Важным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конструкции установок ионного распыления, является способ генерации ионов, бомбардирующих мишень. В соответствии с этим установки ионного распыления оснащаются простой двухэлектродной или магнетронной системой.

2.1 Катодное распыление

Катодное распыление — одна из разновидностей распыления ионной бомбардировкой постепенно вытесняется более совершенными процессами высокочастотного и магнетронного распыления. Однако, будучи относительно простым и в то же время содержащим все основные черты этой группы процессов, оно представляет собой наиболее удобную форму для изучения процессов этого вида распыления вообще. На рис. 4 представлена схема рабочей камеры установки катодного распыления. Основными элементами камеры являются: 1 — анод с размещенными на нём подложками; 2 — игольчатый натекатель, обеспечивающий непрерывную подачу аргона; 3 — катод — мишень из материала, подлежащего распылению и осаждению; 4 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 5 — экран, охватывающий катод с небольшим зазором и предотвращающий паразитные разряды на стенки камеры; 6 — постоянный электромагнит, удерживающий электроны в пределах разрядного столба; 7 — герметизирующая прокладка. Питание осуществляется постоянным напряжением, нижний электрод с подложками заземлён и находится под более высоким потенциалом, чем катод-мишень. Переменная нагрузка служит для регулирования тока разряда. На рис.5 представлена упрощённая структура разряда и распределение потенциала вдоль разряда, а также типы частиц, участвующих в процессе.
Разряд разделён на две зоны: тёмное катодное пространство и светящаяся область. На тёмное катодное пространство приходится основное падения напряжения. Здесь заряженные частицы разгоняются до энергии, достаточной, чтобы ионы, бомбардируя катод-мишень, освобождали поверхностные атомы и электроны (если мишень из проводящего материала), а электроны — на границе тёмного катодного пространства ионизировали молекулы аргона. При ионизации образуется ион аргона, который, ускоряясь, стремится к мишени, и электрон, который, как и «отработанный» ионизирующий электрон, дрейфует к аноду в слабом поле светящейся области. Освобожденный с поверхности мишени атом вещества, преодолевая столкновения с молекулами и ионами аргона, достигает поверхности подложки. При этом непрерывный поток ионов бомбардирует мишень, и непрерывный поток атомов вещества движется к подложке.

Режимы катодного распыления.

На рис.6а приведена вольтамперная характеристика разряда. При подаче постоянного напряжения в несколько киловольт происходит пробой межэлектродного промежутка, быстрое нарастание тока и падение напряжения в разряде (область зажигания разряда I). При увеличении тока разряда за счёт уменьшения сопротивления Rн площадь катода-мишени, покрытая разрядом, возрастает, плотность разрядного тока и напряжение на разряде остаются постоянными и невысокими, а скорость распыления мала (область нормально тлеющего разряда II). В области III вся площадь мишени покрыта разрядом, и увеличение разрядного тока приводит к повышению плотности разрядного тока, напряжения на разряде и скорости распыления. Область Ш, называемая областью аномально тлеющего разряда, используется в качестве рабочей области в процессах катодного распыления. Для предотвращения перехода в область дугового разряда (область IV) предусмотрены интенсивное водяное охлаждение мишени и ограничение источника питания по мощности.

На рис. 6,б выделена рабочая область III ВАХ. Крутизна характеристики в этой области зависит от давления рабочего газа, в нашем случае аргона. Рабочая точка, характеризующая режимы обработки — давление газа Р, ток Jp и напряжение Up разряда, лежит на нагрузочной характеристике источника питания

(2.1)

где Uп — напряжение питания.

С другой стороны, скорость распыления мишени W г/см2Чс

(2.2)

где С — коэффициент, характеризующий род распыляемого материала и род рабочего газа;

Uнк — нормальное катодное падение напряжения (область II ВАХ);

jp — плотность разрядного тока;

dTП — ширина тёмного катодного пространства.

Из (2.2) следует, что максимальная скорость распыления достигается при максимальной мощности, выделяемой в разряде. Согласно нагрузочной характеристике (2.1)

(2.3)

Максимум этой функции определяет оптимальные значения тока Jp0 и напряжения Uр0:

.

При этом однозначно определяется оптимальное значение давления рабочего газа. Выбор значений Un и Rн должен, как было сказано, предотвращать переход в область дугового разряда, при котором наблюдается выброс с мишени крупных частиц и осаждение тонкой, однородной по толщине плёнки становится невозможным.

2.2 Магнетронное распыление

К ограничениям и недостаткам процесса катодного распыления относятся:

— возможность распыления только проводящих материалов, способных эмитировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы аргона и поддерживающие горение разряда;

— малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.

Разновидность методов на основе тлеющего разряда является магнетронное распыление. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. Для увеличения скорости распыления необходимо увеличить интенсивность ионной бомбардировки мишени, т. е. плотность ионного тока на поверхности мишени. С этой целью используют магнитное поле В, силовые линии которого параллельны распыляемой поверхности и перпендикулярны силовым линиям электрического поля Е.

Катод (мишень) помещен в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Наличие магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени. Дуги силовых линий В замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий В и интенсивно распыляемая, имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Эмиттированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем и оказываются как бы в ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны – поверхность мишени, отталкивающей электроны. В результате электроны совершают сложное циклоидальное движение у поверхности катода. В процессе этого движения электроны претерпевают многочисленные столкновения с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и соответственно значительному возрастанию скорости распыления.

Основные параметры магнетронных систем ионного распыления:

— удельная скорость распыления – (4-40)·10-5 г/(см2·с);

— эффективность процесса генерации (по меди) — 3·10-6 г/Дж;

— энергия генерируемых частиц – 10-20 эВ;

— энергия осаждаемых частиц – 0,2-10,0 эВ;

— скорость осаждения 10-60 нм/c;

— рабочее давление – (5-50)·10-2 Па.

К основным достоинствам магнетронных распылительных систем следует отнести:

— высокие скорости распыления при низких рабочих напряжениях (≈500 В) и небольших давлениях рабочего газа;

— низкие радиационные дефекты и отсутствие перегрева подложек;

— малую степень загрязненности пленок посторонними газовыми включениями;

— возможность получения равномерных по толщине пленок на большой площади подложек.

2.3 Высокочастотное распыление

Высокочастотное распыление начали применять, когда потребовалось наносить диэлектрические. Металлы и полупроводниковые материалы обычно распыляют при постоянном напряжении на мишени. Если материал мишени является диэлектриком, то при постоянном напряжении на электроде мишени распыление быстро прекращается, так как поверхность диэлектрика при ионной бомбардировке приобретает положительный потенциал, после чего отражает практически все положительные ионы. Для осуществления процесса распыления диэлектрика необходимо периодически нейтрализовать положительный заряд на нем. С этой целью к металлической пластине, расположенной непосредственно за распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают ВЧ-напряжение с частотой 1-20 МГц (наибольшее распространение для ВЧ-распыления получила частота 13,56 МГц, разрешенная для промышленного применения).

При отрицательной полуволне напряжения на диэлектрической мишени (катоде) происходит обычное катодное распыление. В этот период поверхность мишени заряжается положительными ионами, вследствие чего прекращается ионная бомбардировка мишени. При положительной полуволне напряжения происходит бомбардировка мишени электронами, которые нейтрализуют положительный заряд на поверхности мишени, позволяя производить распыление в следующем цикле.

Основные параметры, достижимые в установках ВЧ-распыления материалов:

— удельная скорость распыления — 2·10-7 — 2·10-6 г/(см2·с);

— эффективность процесса распыления (по меди) — 6·10-7 г/Дж;

— энергия генерируемых частиц – 10-200 эВ;

— скорость осаждения – 0,3-3,0 нм/с;

— энергия осаждаемых частиц – 0,2-20 эВ;

— рабочее давление в камере установки – 0,5-2,0 Па.

2.4 Плазмоионное распыление в несамостоятельном газовом разряде

В распылительных системах данного типа горение газового разряда поддерживается дополнительным источником (магнитное поле, ВЧ-поле, термокатод). На рис.7 представлена трехэлектродная распылительная система, в которой в качестве дополнительного источника электронов используется термокатод.

Термокатод (1) испускает электроны в сторону анода (3). Этот поток ионизирует остаточный газ, поддерживая горение разряда. На распыленную мишень (2) подается высокий отрицательный потенциал, в результате чего положительные ионы плазмы (4) вытягиваются на мишень и бомбардируют ее поверхность, вызывая распыление материала мишени. Положки (5) располагаются напротив мишени и на них осаждается распыленный материал.

Использование несамостоятельного газового разряда позволяет осуществлять нанесение покрытий при низком рабочем давлении в камере установки (5·10-2 Па), что обеспечивает снижение концентрации газов, захваченных пленкой, а также увеличение средней энергии осаждаемых частиц вследствие уменьшения числа столкновений распыленных частиц с молекулами газа на пути к подложке.

Скорость распыления в рассмотренной 3-электродной системе регулируется силой тока эмиссии термокатода, давлением в камере установки и напряжением на мишени и может изменяться в широких пределах (1-1000 А/мин).

Таким образом, к преимуществам систем триодного распыления по сравнению со стандартными диодными распылительными системами следует отнести: более высокие скорости осаждения; уменьшения пористости и повышение чистоты осаждаемых пленок; повышение адгезии пленок к подложкам.

3. Технология тонких пленок на ориентирующих подложках

Классическим методом получения чистых поверхностей многих материалов является испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. Тонкие пленки металлов или элементарных полупроводников, получаемые вакуумным испарением обычно поликристаллические или аморфные, т.е. в них невозможна определенная кристаллографическая ориентация поверхности.

Технология многослойных структур должна обеспечивать высокое качество роста материалов слоистых структур и совершенство границ раздела между этими материалами. Только в этом случае могут быть реализованы те потенциальные возможности, заложенные в полупроводниковых сверхрешетках и многослойных магнитных структурах.

Для получения тонких высококачественных пленок и многослойных структур используют чаще всего механизмы эпитаксиального роста материала пленки на соответствующей монокристаллической подложке. Наибольшее распространение получил метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющий формировать совершенные монокристаллические слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума. Этот метод успешно применяется для выращивания тонких пленок полупроводников, металлов, диэлектриков, магнитных материалов, высокотемпературных сверхпроводников и многих других веществ. К настоящему времени накоплен достаточно большой объем как теоретических исследований, так и практических работ в этой области, поэтому технология МЛЭ является самым распространенным методом получения полупроводниковых сверхрешеток и многослойных магнитных структур.

В последние годы все большее распространение для выращивания полупроводниковых сверхрешеток приобретает технология роста из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (РГФ МОС). В этом методе также используется процесс эпитаксиального роста материалов на нагретой подложке при термическом разложении металлорганических соединений. Механизмы роста в методе РГФ МОС изучены не так глубоко, как в МЛЭ, однако этим методом успешно выращивают большинство полупроводниковых соединений AIIIBV, AIIBIV и AIVBVI.

Из методов эпитаксиального роста для получения полупроводниковых сверхрешеток может быть использована и жидкофазная эпитаксия, в которой монокристаллические слои получают из контактирующих с подложкой пересыщенных растворов. С понижением температуры избыточное количество полупроводника осаждается из раствора на подложку, что связано с уменьшением растворимости полупроводникового материала. Наилучшие результаты дает жидкофазная эпитаксия для полупроводниковых соединений типа AIIIBV и их твердых растворов. Многослойные полупроводниковые структуры получают в многокамерных реакторах для жидкофазной эпитаксии путем последовательным созданием контакта с разными расплавами.

Тонкие магнитные пленки и многослойные магнитные структуры могут быть получены различными методами напыления, включая высокочастотное и магнетронное распыление. Эти методы позволяют получать слои практически любого состава. Некоторые исследователи считают, что наилучшие возможности для технологии многослойных магнитных структур дают различные методы электролитического осаждения.

3.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок

Вопросы, связанные с механизмами роста, становятся чрезвычайно важными при создании гетероструктур и многослойных структур, от которых требуется высшая степень однородности состава при толщине менее 100 Е.

Наиболее важные индивидуальные атомные процессы, сопровождающие эпитаксиальный рост следующие:

— адсорбция составляющих атомов или молекул на поверхности подложки;

— поверхностная миграция атомов и диссоциация адсорбированных молекул;

— присоединение атомов к кристаллической решетке подложки или эпитаксиальным слоям, выращенным ранее;

— термическая десорбция атомов или молекул, не внедренных в кристаллическую решетку.

Конденсация на подложку нового материала из газовой фазы определяется скоростью столкновения атомов или молекул с подложкой (число частиц, поступающих за единицу времени на единицу площади)

(3.1)

где p – давление паров, М – молекулярный вес частиц, k – постоянная Больцмана и Т – температура источника.

Частица, конденсированная из газовой фазы, может сразу же покинуть поверхность подложки или диффундировать по поверхности. Процесс поверхностной диффузии может привести к адсорбции частицы на поверхности подложки или растущей пленки или к процессу поверхностной агрегации, сопровождающимся образованием на поверхности зародышей новой кристаллической фазы конденсируемого материала. Адсорбция отдельных атомов, как правило, происходит на ступеньках роста или других дефектах. Атомный процесс взаимодиффузии, при котором атомы пленки и подложки обмениваются местами, играют важную роль в процессе эпитаксиального роста. В результате этого процесса граница между подложкой и растущей пленкой становится более гладкой.

Процессы на поверхности, сопровождающие эпитаксиальный рост при МЛЭ могут быть описаны количественно. Каждый из индивидуальных атомных процессов, рассмотренных выше, характеризуется собственной энергией активации и может быть в первом приближении представлен экспоненциальным законом. Скорость десорбции, например

(3.2)

где Ed – энергия активации процесса десорбции, Ts– температура подложки.

На феноменологическом уровне различают три основные типа роста тонких эпитаксиальных пленок:

1. Послойный рост (layer-by-layer growth). При этом механизме роста каждый последующий слой пленки начинает формироваться только после полного завершения роста предыдущего слоя. Этот механизм роста называют также ростом Франка-ван дер Мерве (Frank-van der Merve, FM). Послойный рост имеет место, когда взаимодействие между подложкой и слоем атомов значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое. Схематическое представление послойного роста пленки для различной степени покрытия  (в долях монослоев ML) показано на рис. 8,а.

2. Островковый рост или рост Вольмера-Вебера (island growth, Vollmer Weber, VW). Этот механизм является полной противоположностью послойному росту. Условием его реализации является преобладание взаимодействия между ближайшими атомами над взаимодействием этих атомов с подложкой. При островковом механизме роста вещество с самого начала оседает на поверхности в виде многослойных конгломератов атомов (см. рис.8,б).

3. Промежуточным между этими двумя механизмами является рост Странски-Крастанова (Stransky-Krastanov, SK, layer-plus-islandgrows), при котором первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а на нем происходит рост трехмерных островков пленки. К этому механизму могут приводить многие факторы, в частности достаточно большое несоответствие между параметрами кристаллических решеток пленки и подложки (см. рис.8,в).

Условие, разграничивающее реализацию того или иного механизма роста, можно получить из анализа соотношений между коэффициентами поверхностного натяжения между подложкой и вакуумом S, между пленкой и вакуумом F и между подложкой и пленкой S/F (рис.9).

Коэффициент поверхностного натяжения поверхности равен свободной энергии единицы поверхности. Соответственно эти коэффициенты определяют силы поверхностного натяжения, действующие на единицу элемента длины границы раздела. Согласно этому определению сила dF, действующая на бесконечно малый элемент dl границы раздела двух сред равна

Из условия равновесия для любого элемента длины линии соприкосновения подложки, трехмерного островка пленки и вакуума (рис. 9.) получим

(3.3)

где  — краевой угол, т.е. угол, образованный касательной к поверхности островка пленки и поверхностью подложки.

Если краевой угол равен нулю, то островок “растекается” тонким слоем по поверхности подложки, что соответствует послойному механизму роста. Это условие приводит к следующему соотношению между коэффициентами поверхностного натяжения:

, послойный рост (3.4)

Если , реализуется механизм роста островков, условие которого

рост островков (3.5)

Для более полного вывода условий, при которых реализуется тот или иной механизм роста, необходимо учесть влияние на условие равновесия между формируемой пленкой и подложкой газовой фазы в области роста пленки.

Часто в литературе рассматривают еще один механизм роста – статистическое осаждение. При этом механизме роста пленки атомы осаждаемого вещества располагаются на поверхности согласно распределению Пуассона так, как если бы их бросали случайно и они просто прилипали бы на месте падения.

3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) по существу является развитием до совершенства технологии вакуумного напыления тонких пленок. Ее отличие от классической технологии вакуумного напыления связано с более высоким уровнем контроля технологического процесса. В методе МЛЭ тонкие монокристаллические слои формируются на нагретой монокристаллической подложке за счет реакций между молекулярными или атомными пучками и поверхностью подложки. Высокая температура подложки способствует миграции атомов по поверхности, в результате которой атомы занимают строго определенные положения. Этим определяется ориентированный рост кристалла формируемой пленки на монокристаллической подложке. Успех процесса эпитаксии зависит от соотношения между параметрами решетки пленки и подложки, правильно выбранных соотношений между интенсивностями падающих пучков и температуры подложки. Когда монокристаллическая пленка растет на подложке, отличающейся от материала пленки, и не вступает с ним в химическое взаимодействие, то такой процесс называется гетероэпитаксией. Когда подложка и пленка по химическому составу не отличаются или незначительно отличаются друг от друга, то процесс называется гомоэпитаксией или автоэпитаксией. Ориентированное наращивание слоев пленки, которая вступает в химическое взаимодействие с веществом подложки, называют хемоэпитаксией. Граница раздела между пленкой и подложкой имеет ту же кристаллическую структуру, что и подложка, но отличается по составу, как от материала пленки, так и материала подложки.

По сравнению с другими технологиями, используемых для выращивания тонких пленок и многослойных структур МЛЭ характеризуется, прежде всего, малой скоростью роста и относительно низкой температурой роста. К достоинствам этого метода следует отнести возможность резкого прерывания и последующего возобновления поступления на поверхность подложки молекулярных пучков различных материалов, что наиболее важно для формирования многослойных структур с резкими границами между слоями. Получению совершенных эпитаксиальных структур способствует и возможность анализа структуры, состава и морфологии растущих слоев в процессе их формирования методом дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ) и электронной оже-спектроскопии (ЭОС).

Ниже на рис.10. показана упрощенная схема ростовой камеры МЛЭ.

Испарение материалов, осаждаемых в сверхвысоком вакууме на подложку, закрепленную на манипуляторе с нагревательным устройством, осуществляется с помощью эффузионных ячеек (эффузия – медленное истечение газов через малые отверстия). Схема эффузионной ячейки приведена на рис.11. Эффузионная ячейка представляет цилиндрический стакан, выполненный из пиролитического нитрида бора или высокочистого графита. Поверх тигля располагаются, нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой экран, изготовленный обычно из танталовой фольги.

Эффузионные ячейки могут работать в области температур до 1400 0С и выдерживать кратковременный нагрев до 1600 0С. Для испарения тугоплавких материалов, которые используются в технологии тонких магнитных пленок и многослойных структур, нагревание испаряемого материала осуществляется электронной бомбардировкой. Температура испаряемого вещества контролируется вольфрам-рениевой термопарой, прижатой к тиглю. Испаритель крепится на отдельном фланце, на котором имеются электрические выводы для питания нагревателя и термопары. Как правило, в одной ростовой камере располагается несколько испарителей, в каждом из которых размещены основные компоненты пленок и материалы легирующих примесей.

Ростовые камеры современных технологических комплексов МЛЭ оборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава на всем технологическом процессе. Для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагается также дифрактометр отраженных быстрых электронов. Дифрактометр состоит из электронной пушки, которая формирует хорошо сфокусированный электронный пучок с энергий 10 – 40 кэВ. Электронный луч падает на подложку под очень небольшим углом к ее плоскости, рассеянные электронные волны дают дифракционную картину на люминесцентном экране. Часто ростовые камеры или в многокамерных комплексах МЛЭ в камере для подготовки и анализа подложек и эпитаксиальных структур располагаются электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов и ионная пушка для очистки подложек ионным травлением и послойного анализа состава эпитаксиальных структур.

Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой (рис.10). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. Зона I –зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. Во второй зоне (зона II – зона смешения испаряемых элементов) молекулярные пучки пересекаются, и происходит перемешивание различных компонентов. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III–зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии.

В промышленности, научно-исследовательских лабораториях широкое распространение в настоящее время получили автоматизированные многомодульные комплексы для молекулярно-лучевой эпитаксии. Модуль – это часть установки, выделенная по функциональным и конструктивным признакам. Модули подразделяются на технологические и вспомогательные. Каждый технологический модуль предназначен для проведения определенного технологического процесса (очистка подложек и анализ состояния их поверхности, эпитаксия полупроводниковых пленок, осаждение металлов и диэлектриков и т.д.). Вспомогательными модулями являются, например, модуль загрузки- выгрузки подложек, модуль предварительной откачки и обезгаживания вакуумных камер и др. Комплекс для МЛЭ в зависимости от технологических задач может быть укомплектован различным количеством специализированных модулей, соединенных между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля в другой без нарушения вакуума.

Тенденции развития разработок в направлении создания установок для МЛЭ связаны с все более широким применением встроенного аналитического оборудования и автоматизацией технологического процесса, что позволяет улучшить воспроизводимость свойств выращиваемых эпитаксиальных структур и создавать сложные многослойные структуры. Аналитическое оборудование комплекса представлено в модуле ПАП встроенным оже-спектрометром и ионной пушкой для очистки подложек и оже-профилирования. Каждый из блоков ЭПС и ЭПМ содержит масс-спектрометр для контроля остаточных газов и молекулярных пучков и дифрактометр отраженных быстрых электронов для контроля структуры и морфологии эпитаксиальных слоев в процессе роста. Помимо вакуумно-механической системы в комплекс входит автоматизированная система управления технологическим процессом, позволяющая независимо и одновременно управлять технологическими процессами, как под контролем оператора, так и в автоматическом режиме.

Заключение

Тонкие пленки широко используются в технике в качестве износо-, коррозионностойких, антифрикционных, защитно-декоративных и др. покрытий. Широкое применение они нашли в оптике (поляризационные фильтры, светоделители, просветляющие и др. покрытия) и в электронной промышленности при производстве приборов и интегральных микросхем (омические контакты, токоведущие дорожки, изготовление конденсаторов, устройства на магнитных пленках, полупроводниковые эпитаксиальные пленки).

Для решения широкого круга задач тонкопленочной технологии разработаны различные методы генерации потока осаждаемого вещества, основанные на механизмах термического испарения (резистивное, электронно-лучевое, импульсное лазерное, электродуговое) и ионного распыления (катодное, магнетронное, высокочастотные) в несамостоятельном разряде и автономными источниками. Проведенный анализ физических процессов, лежащих в основе каждого метода, позволяет выбрать наиболее эффективный метод для решения конкретной технической задачи и может быть использован при разработке новых комбинированных систем генерации плазмы.

Литература

Епифанов Г. И., Мома Ю. А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА: Учебное пособие для вузов. – М.: Советское радио, 1979. – 352 с.

Вакуумное нанесение пленок в квазизамкнутом объеме. М., «Советское радио», 1975, 160 с./ Ю. З. Бубнов, М. С. Лурье, Ф. Г. Старос, Г. А. Филаретов.

Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб. Пособие для ПТУ. Кн. 6. Нанесение пленок в вакууме / Минайчев В. Е. – М.: Высш. шк., 1989. – 110 с.: ил.

Ефимов И. Е. и др. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. Учеб. Пособие для вузов. М: «Высш. школа», 1977. – 416 с. с ил.

Карпенко Г. Д., Рубинштейн В. Л. Современные методы генерации осаждаемого вещества при нанесении тонкопленочных покрытий в вакууме. Минск: БелНИИНТИ, 1990 – 36 с.

Костржицкий А. И., Лебединский. Многокомпонентные вакуумные покрытия. –М: «Машиностроение»,1987 – 207 с.

Бутовский К. Г., Лясников В. Н. Напыленные покрытия, технология и оборудование. – Саратов.: «Саратовский госуд. техн. университет»,1999 – 117 с.

Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. – М.: «Металлургия», 1992 — 431 с.

О.С.Трушин, В.Ф.Бочкарев, В.В.Наумов. Моделирование процессов эпитаксиального роста пленок в условиях ионно-плазменного напыления.//Микроэлектроника, 2000, том 29, №4, стр. 296-309

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Сущность процесса электролиза криолитоглиноземного расплава

1.2 Виды сырья для получения алюминия и требования к ним

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Свойства и состав промышленного электролита

2.2 Влияние факторов и примесей

3. КПВО

3.1 Корректировка электролита CaF2

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления улучшения использования основных фондов

и производственных мощностей

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

5.2 Электробезопасность

5.3 Техника безопасности при обслуживание ванн

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Таблица. Влияние МПР на корректировки, на свойства электролита

6.2 Схема. Требования к электролиту

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Сущность процесса электролиза криолитоглиноземного расплава

Современное произв6дство алюминия основано на электро­литическом разложении глинозема (Al20)) с выделением на катоде металлического алюминия, а на аноде — газообразных продуктов электролиза. Процесс электролиза криолитоглиноземных расплавов можно произвести в электролитической ячейки.

Все содержимое ячейки размещается в керамическом тигле. Со стороны дна установлена графитовая пластина, к которой подведен отрицательный полюс от источника постоянного тока (ка­тод). В верхней части ячейки помещается угольный анод, к которо­му подведен положительный полюс источника тока. Анод погружа­ется в расплавленный электролит, роль которого заключается, во-первых, в образовании токопроводящей среды между катодом и анодом, во-вторых, в растворении глинозема.

Последний фактор весьма важен, т.к. он позволяет раство­рить порошковый оксид алюминия в жидкой фазе, где становится возможным его электролитическое разложение. В электролите Al20) диссоциируют на положительные ионы алюминия (катионы) и отри­цательные кислородсодержащие ионы (анионы). Ниже слоя элек­тролита размещается расплавленный алюминий , фактически вы­полняющий роль катода.

Присоединим ячейку к положительному и отрицательному полюсам источника тока и в цепи появится прямой электрический ток, т.е. поток электрических зарядов. В металлических проводниках и графите ток переносится за счет электронов (проводники 1-ro ро­да), а в жидких электропроводящих средах (электролитах) — за счет ионов (проводники Н-го рода). Проводники 1-гo рода, подводящие ток к электролитам, называют электродами.

Электрический ток, проходящий через электролит, вызывает в электролите химические изменения. Этот процесс носит название электролиза. В нашей ячейке на катоде появляются избыточные электроны, которые захватываются катионами алюминия и при­водят к его восстановлению по реакции

AI3+ + 3е-= Аl

На аноде происходит поглощение электронов от отрицатель­но заряженных анионов. В суммарном виде анодная реакция может быть записана в следующем виде:

Образовавшийся на катоде алюми­ний, будучи по удельному весу тяжелее электролита, накапливается на дне ячейки и в последующем выполняет функции катода. Углекислый газ за счёт взаимодействия с углеродом анода частично восстанавливает­ся по реакции С02 + С = 2СО и свободно удаляется от анода в систему газоотсоса.

Образовавшийся на катоде алюми­ний, будучи по удельному весу тяжелее электролита, накапливается на дне ячейки и в последующем выполняет функции катода. Углекислый газ за счёт взаимодействия с углеродом анода частично восстанавливает­ся по реакции С02 + С = 2СО и свободно удаляется от анода в систему газоотсоса.

Добавим к этому, что в качестве электролита алюминиевой ячейки повсеме­стно используется криолит, имеющий фор­мулу смеси двух солей 3NaF· AIF3 или в суммарном виде NазАlF6

Криолит в расплавленном состоянии хорошо растворяет и достаточно электропроводен для использования в элек­тролизе. Электролит по удельному весу легче металла, поэтому он находится над поверхностью алюминия в виде расплавленного слоя.

В таком виде способ производства алюминия электролизом глинозема в расплаве криолита был изобретен одновременно двумя ерами П.Эру (Франция) и Ч.Холлом (США) в 1886г. и до на д настоящего времени в принципе сохраняется неизменным.

Агрегат для промышленного производства алюминия носит название алюминиевого электролизера или алюминиевой ванны. В инструкцию электролизера заложены те же основные принципы, что в элементарной ячейке. Содержимое электролизера — расплавленный электролит и алюминий находятся в ванне, ограниченн­ый угольной подиной и бортовой футеровкой. Ниже подины размещена футеровка из огнеупорного и термоизоляционного материалов. Ток в подину проводится с помощью стальных стержней (блюмсов), соединенных с катодной ошиновкой. Через анодную ошиновку ток проводится к анодному устройству и непосредственно к угольным анодам. Анод находится в полупогруженном состоянии в электролите, расстояние между анодом и расплавленным алюминием носит название междуполюсного расстояния (МПР)

1.2 Виды сырья для получения алюминия и требования к ним

Глинозем АI2Оз является основным исходным материалом в производстве алюминия. Рудной базой для производства глинозема служат преимущественно бокситы, а также нефелины, алуниты и некоторые другие глинозёмсодержащие руды.

Можно назвать несколько опреде­ляющих требований к качеству глинозёма:

— повышенная скорость растворения в электролите и доста­точная адсорбционная (поглащающяя) активность поверхности от­носительно летучих фтористых соединений;

— хорошая текучесть при возможно меньшем пылении;

— удовлетворительные теплофизические свойства.

В промышленных условиях следует стремиться к макси­мальному совмещению этих свойств в используемом глинозёме.

Также глинозем подразделяется на следующие типы:

— мучнистый (пылевидный);

— с пониженной степенью кальцинации (слабопрокаленный);

— песчаный (крупнозернистый).

Второй тип глинозема производится для некоторых отечественных предприятий с учетом использования его в установках «сухой» очистке газа.

Скорость растворения являются наиболее значимым показателем качества глинозёма. Промышленный опыт пока­зывает, что узкий диапазон частиц глинозёма +45-100 мкм со сдвигом крупности ближе к 100 мкм И содержание a-А12Оз не более 10% (остальное ‘У- А12Оз) обеспечивают хорошую смачи­ваемость и удовлетворительную скорость растворения глино­зёма в электролите.

Это достигается за счёт большого содержания в глинозёме частиц y-АI2Оз, имеющих развитую ультрапористую структуру, дос­таточно большую удельную поверхность (более 60-80 м2/г), опреде­лённую методом гелиевой адсорбции или сокращенно «по БЭТ», и высокую степень насыщения структуры не скомпенсированными химическими связями. Особенно велико их химическое сродство к фтору, что и придаёт им свойства повышенной растворимости в электролите. Химическое сродство глинозёма· к фтору проявляется также в эффективном улавливании фтористых соединений в сухой газоочистке.

Не менее важным свойством глинозёма является его способ­ность образовывать устойчивую корку на поверхности электролита. Мягкая, но достаточно плотная корка с хорошим сцеплением частиц образуется при использовании глинозёма с теми же характеристика­ми по содержанию a-А12Оз и класса менее 45 мм, которые указаны выше для песчаного глинозёма.

Такая корка хорошо пропитывается электролитом и содер­жит больше глинозёма, легче поддаётся разрушению при обработке электролизёров и при ударе пробойника АПГ, чем корки, образую­щиеся при использовании мучнистого глинозёма. Следует также от­метить, что устойчивая корка образуется при условии, когда глино­зем хорошо смачивается электролитом. Мучнистый глинозём, в от­личие от песчаного, смачивается значительно хуже, и корка состоит преимущественно из застывшего электролита, поверх которого на­ходится глинозём. Прочность такой корки очень высока.

Теплопроводность и объёмная плотность глинозема играют большую роль в тепловом балансе электролизёра, в том числе в регулировании тепловых потерь через глинозёмную засыпку или ук­рытие анодного массива у электролизёров ОА, в поддержании ста­бильного уровня электролита и защите боковых поверхностей анода от окисления.

Текучесть глинозёма определяется в основном грануломет­рическим составом материала, а также содержанием в нём а- АI2Оз. Материалом с хорошей текучестью можно считать глинозём с по­ниженной степенью прокалки. Он имеют крупность зерна более 45 мкм, высокую степень однородности гранулометрического соста­ва и угол естественного откоса 30-400. Однако в наибольшей степе­ни требованию высокой текучести удовлетворяет песчаный глинозем, содержащий фракцию < 45 мкм не более 10% и а- А12Оз в пре­делах 5%, с углом естественного откоса менее 350.

Глинозёмы со слабой текучестью и углом естественного откоса >40-450 комкуются при контакте с электролитом. Образовав­шиеся комки обволакиваются электролитом и, имея больший удель­ный вес, оседают через границу металл-электролит, образуя осадок.

Кроме того, на электролизёрах ВТ глиноземы с плохой текучестью при перемещении анода зависают, образуя пустоты, но которым воздух проникает до боковых граней анода и окисляет их. Однако если текучесть глинозема будет слишком велика, то надежное укры­тие анодов будет затруднено, что особенно важно для электролизё­ров с обожженными анодами.

Потери глинозема за счет уноса с анодными газами в виде пыли зависят, главным образом, от его гранулометрического состава (от содержания фракции менее 10-20 мкм), от технологии обработки электролизёров, настройки АПГ и частоты анодных эффектов. Сум­марные потери мучнистого глинозёма составляют 17-25 кг/т алюми­ния, что на ~ 10-15 кг/т выше по сравнению с результатами для пес­чаного глинозёма.

В глинозёме, используемом для производства алюминия, должно содержаться минимальное количество соединений железа, кремния, тяжелых металлов с меньшим потенциалом выделения на катоде, чем алюминий, т.к. они легко восстанавливаются и перехо­дят в катодный алюминий. Нежелательно также присутствие в гли­нозёме избытка оксидов щелочных металлов, поскольку они всту­пают во взаимодействие с фтористым алюминием электролита по реакции

3 Na20 + 2 АlFз = 6 NaF + Аl2Оз

разлагают его и тем самым нарушают установленное криолитовое отношение. Для восстановления к.о. требуется корректировка элек­тролита фтористым алюминием, что удорожает стоимость первич­ного алюминия. В случае содержания Na20 в глинозёме 0,3 % и бо­лее при работе на кислых электролитах начинается наработка из­лишнего количество электролита, который необходимо периодиче­ски сливать из ванны.

Для расчёта количества АIFз (Сфа, кг), требуемого для кор­ректировки электролита, можно пользоваться формулой И.П. Гупало

Сфа = 2 т (К1-К2) /С (2 + Ю)К2

где: К1 и К2 — к.о. электролита соответственно до и после корректировки; т — масса корректируемого электролита, кг; С — со­держание АIFз в промышленной соли фтористого алюминия, доли ед.

Эта формула с соответствующими коэффициентами на со­став сырья, срок службы электролизёра, температуру электролита JI др. служит основой существующих методик расчета корректирую­щей дозы фтористого алюминия.

По химическому составу глинозём должен соответствовать приведенным в ГОСТ 30558-98 «Глинозём металлургический».

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для по­лучения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими­ческому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов.

Нефелин Na(AlSiO) — минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти.

Алунит (квасцовый камень) KAl (SO) (OH) — минерал белого, се­рого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O. Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

Фтористые соли

Для наплавления электролита — основной среды, в которой протекает процесс электролиза, используется криолит. Выпускае­мый в промышленности технический криолит должен соответство­вать требованиям ГОСТ 10561-80.

Выпускаемый отечественной промышленностью криолит отличается пониженным криолитовым модулем (т.е. пониженным отношением NaF:AIF3). Это помогает поддерживать при переплавке такого криолита достаточно низкое криолитовое отношение в элек­тролите.

Кроме технического криолита на предприятиях, имеющих систему мокрой газоочистки, используют регенерированный крио­лит, который поступает в виде смеси с флотационным криолитом и носит название смешанного. Это так называемый вторичный крио­лит. В нём контролируют содержание фтора, натрия, серы, углерода и влаги.

В качестве основного модификатора электролита алюми­ниевых ванн используется соль A1F3. С помощью этой добавки ком­пенсируются потери фтора из-за улетучивания A1F3 и поддержива­ется заданное криолитовое отношение. Технический фтористый алюминий должен соответствовать условиям ГОСТ 19181-78 .

Фтористый натрий применяется после пуска электролизёров как компенсация соли NaF, которая теряется в результате пропитки угольной футеровки. Эта соль выпускается согласно ТУ 113-08-586-56. В высшем сорте содержится 97%, в первом сорте — 95% NaF. На практике как Источник натрия чаще всего используют соду.

Другие добавки (фтористый кальций, фтористый магний и кальцинированная сода) выпускаются по техническим условиям, согласованным производителем и пользователем.

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Свойства и состав промышленного электролита

Важное свойство электролита — его вязкость в расплавлен­ном состоянии от вязкости электролита зависят такие процессы, как усреднение концентрации глинозема, скорость отстаивания электролита от капелек металла, удаление пузырьков анодного газа из междуполюсного зазора и т.д. Повышенную вязкость следует считать недостатком электролита того или иного состава. Вязкость резко снижается с ростом температуры перегрева электролита, од­нако такое снижение вязкости нельзя считать приемлемым, т.к. оно сопровождается неблагоприятными последствиями, характерными для перегретых электролитов. Более приемлем вариант снижения вязкости электролита путём корректировки его состава.

Вязкие электролиты удерживают повышенное количество частиц взвешенного металла («металлический туман») и пузырьков анодного газа, их удельная электропроводность соответственно снижается. Аналогичным образом воздействует углерод, попадаю­щий в электролит в виде пены и плохо отделяющийся из вязких электролитов.

Отметим также, что наибольшая вязкость при температуре электролиза (≈= 2-3 сП) имеет место для чистого криолита при к.о. 3,0. При корректировке состава электролита в сторону избытка или недостатке AlF 3 вязкость расплава довольно резко снижается.

В мировой практике многие годы сохраняется устойчивая тенденция к снижению криолитового отношения и ведению техно­логии электролиза на все более кислых электролитах. Избыточное количество фтористого алюминия в электролите повышается до 8­-14% (по массе), что соответствует к.о. = 2,15-2,45. Суммарным ре­зультатом «закисления» электролитов можно считать повышение выхода по току и снижение удельного расхода электроэнергии на тонну произведенного алюминия.

В то же время для работы на кислых электролитах необхо­димо выполнить целый ряд предварительных условий. К ним можно отнести: применение систем автоматического питания глинозёмом, использование «песчаного» глинозема, работу на низких зеркалах металла, применение «сухой» очистки газов, а также решение про­блем по упорядочению магнитных и газодинамических процессов в электролизерах, особенно при увеличении их единичной мощности.

Электролит — это среда, в которой протекают основные элек­трохимические превращения в алюминиевой ванне. К составу элек­тролита выдвигается целый ряд обязательных условий.

Во-первых, электролит должен растворять необходимое ко­личество глинозема, достаточное для ведения электролиза как ми­нимум до поступления новой порции глинозема; все добавки пони­жают как растворимость глинозёма, так и скорость его растворения, что нежелательно, т.к. способствует образованию осадков;

Во-вторых, электролит должен быть электропроводен, так как в узком зазоре междуполюсного пространства не должно быть боль­шого падения напряжения и соответственно выделения избыточного количества тепловой энергии; в противном случае возможен пере­грев электролита и снижение выхода по току.

В-третьих, температура плавления электролита должна быть относительно невысокой, что снизит тепловые потери и энергетиче­ские затраты на электролиз.

В-четвертых, состав электролита должен быть стабилен, а потери его за счет разложения и перехода части материала в газовую фазу минимальными.

В-пятых, электролит должен отвечать целому ряду дополни­тельных требований, а именно: иметь низкую вязкость, достаточное межфазовое натяжение на границе с расплавленным алюминием, не пропитывать и не разрушать футеровку электролизера.

В наибольшей степени этим требованиям отвечает расплав­ленный криолит 3NаF·АlFз, представляющий собой основной компонент электролита современного электролизера. Путем корректи­ровки его состава по соотношению NaF:AlF3, а также введением ря­да модифицирующих добавок технологам удается достичь опти­мального состава электролита и получить ожидаемый результат при электролизе. Несмотря на многолетние усилия исследователей найти какой-либо подходящей замены криолиту не удалось.

В химически чистом криолите молярное отношение NaF:AIF3 равно трем, а само оно носит условное название криолито­вого отношения (к,о.). Электролит на основе химически чистого криолита при к.о., равным 3, называется нейтральным. Если к.о. бо­лее 3, Т.е. имеется избыток NaF, то такой электролит называется ще­лочным. Напротив, электролит с избытком фтористого алюминия и к.о. ниже 3 называют кислым.

Добиться получе­ния электролита с оптимальными свойствами можно вводя в состав электролита избыток AlF 3, этим можно улучшить це­лый ряд его свойств. Прежде всего, избыток фтористого алюминия снижает растворимость в электролите алюминия, а это предотвра­щает окисление его анодными газами и способствует повышению выхода по току, Растворимость алюминия в чистом криолите со­ставляет 0,08%, а в электролите с к.о. = 2,1 предельная концентрация снижается до 0,035%, Т.е. более чем в 2 раза.

Если температура плавления чистого криолита равна 1010°C, то за счет снижения к.о. до 2,2-2,4, а также одновременного введе­ния других добавок и растворенного глинозема это значение удается снизить до 930-9450С, а электролиз вести при температуре 950­9550С. При этом важна не только абсолютная температура начала кристаллизации (или плавления) электролита, но и величина пере­грева, так как растворимость металла быстро снижается по мере уменьшения перегрева электролита. Под перегревом понимается разница между реальной температурой электролита в ванне и темпе­ратурой его кристаллизации. Если удается вести электролиз с пере­гревом электролита относительно начала кристаллизации на 8-100С, то это дает существенное повышение выхода по току.

Плотность кислых электролитов снижается по мере роста содержания в них АlFз, что создает лучшие условия для разделения жидкого алюминия и электролита. Так, если плотность жидкого алюминия составляет около 2,3 г/см3, а чистого криолита — 2,1 г/см3, то разница в удёльных весах равна 0,2 г/см3. Со снижением к.о. до 2,2 эта разница возрастает до — 0,26 г/см3.

Добавка фтористого алюминия, также как и ряда других фторидов, повышает межфазовое натяжение на границе металл-­электролит, обеспечивая тем самым более надежное разделение двух жидких фаз.

Однако избыток фтористого алюминия в электролите имеет и заметное негативное влияние. В кислых электролитах снижается как абсолютная растворимость глинозема, так и скорость этого рас­творения, что приходится компенсировать организацией более час­той подпитки электролизеров и использованием специальных сортов глинозема с активированной структурой. Так, если в чистом криоли­те растворимость А12Оз равна 12,4% (по массе), то при к.о. = 2,2 она снижается на 1,5%.

Аналогичным образом изменяется и электропроводность электролита. При таком же снижении криолитового отношения электропроводность уменьшается с 2,87 до 2,25 Ом·1см·1, поэтому для предотвращения перегрева электролита в узкой зоне междупо­люсного пространства значение МПР приходится уменьшать, ком­пенсируя общий рост омического сопротивления.

В процесс е электролиза под влиянием высоких температур происходит частичное разрушение структуры криолита с образова­нием летучих веществ. Это подтверждается тем обстоятельством, что основной составляющей парогазовой фазы над поверхностью электролита является соединение NаF·АIFз, в котором содержание AIF 3 значительно больше, чем в электролите.

В результате потерь при электролизе преимущественно фто­ристого алюминия криолитовое отношение электролита постепенно возрастает. Часть улетучившихся фтористых солей удается уловить, регенерировать в системе газоочистки и вернуть в электролизеры, однако потери AIF3 в количестве 12-25 кг из расчета производства 1 т алюминия необходимо восполнять свежим фтористым алюминием.

Следует отметить, что из-за большой летучести фтористого алюминия вводить его в электролит нужно таким образом, чтобы избежать прямого попадания в расплав.

2.2 Влияние факторов и примесей

Регулирование криолитового отношения не является единст­венным способом улучшить свойства электролита. Для этих целей в промышленности применяют модифицирующие добавки, наиболее распространенными из которых можно назвать соли CaF2, MgF2 и, значительно реже, LiF.

Фторид кальция CaF2 всегда присутствует в электролите, по­скольку естественным источником этой соли служит оксид кальция СаО, содержащийся в виде примеси в глиноземах. Оксид кальция, попадая в электролит и вступая во взаимодействие с фтористым алюминием по реакции

3СаО + 2AIF3→3CaF2 + AlzOз, переходит во фторид кальция.

За счет естественного поступления концентрация CaF2 в электролите поддерживается на уровне 2-4%, а за счет искусствен­ного введения может быть повышена до 5,0-8,0%. Соль CaF2 умень­шает температуру кристаллизации электролита и соответственно температуру электролиза, увеличивает межфазовое натяжение на границе электролит — жидкий алюминий, но несколько уменьшает растворимость алюминия в электролите.

Первые два фактора благоприятно воздействуют на резуль­таты электролиза. В то же время отмечается и негативное влияние CaF2 на свойства электролита: снижается не только растворимость глинозема в электролите, но и скорость его растворения, возрастает плотность, снижается электропроводность. Поэтому верхний предел по содержанию CaF2 целесообразно установить на уровне 5,0-8,0%. Следует также учесть, что более высокое содержание фтористого кальция грозит образованием осадков и настылей на подине элек­тролизера.

Другая модифицирующая добавка — фторид магния MgF2 попадает в электролит преимущественно из глинозёма в виде оксида магния. Однако количество его в виде сопутствующей примеси в сырье, как правило, невелико. Переход MgO во фторид происходит по аналогии с оксидом кальция.

Действие MgF2 во многом аналогично соли CaF2, но прояв­ляется оно сильнее. Так, например, добавка 1 % (по массе) CaF2 сни­жает температуру плавления электролита на 30С, а 1 % MgF2 при­мерно на 50С. Поэтому введение этого модификатора возможно только при чистых подинах и устойчивых уровнях электролита. В противном случае неизбежно затвердевание осадков в подовые на­стыли и нарушение процесса электролиза, падение уровней электро­лита.

Содержание фтористого магния в промышленных электро­литах, как правило, фоновое, т.е. только за счёт естественного по­ступления с сырьём, и не превышает 0,5-1,5%. Введение этой соли достаточно рискованно из-за возможности образования подовых на­стылей, резких изменений уровня электролита. В последние годы эта соль в качестве добавки используется довольно редко. Рекомендованное суммарное содержание CaF2 + MgF2 не должно превышать 8-9%.

Фторид лития LiF является наиболее сильной модифици­рующей добавкой к электролиту в части снижения температуры на­чала кристаллизации и повышения электропроводности. В электро­лит вводится до 3-4% солей лития (в пересчете на LiF). Каждый процент LiF снижает температуру кристаллизации на ~ 100C и уве­личивает электропроводность на 3%. Добавка литиевого модифика­тора вносится, как правило, в виде карбоната лития Li2СОз, который взаимодействует с фтористыми соединениями электролита с образо­ванием фторида лития и глинозема.

Чаще всего введение в электролит солей лития рассматри­вают как способ повышения производственной мощности серии электролиза с минимальными затратами.

Основным препятствием широкого использования литиевой соли можно считать ее высокую стоимость и относительно низкие объемы производства. Кроме того, небольшие количества металли­ческого лития, образующиеся в процессе электролиза и попадающие в катодный металл, негативно сказываются на некоторых свойствах алюминия, в частности, на последних стадиях проката листа и фоль­ги.

Весьма существенно воздействует на свойства электролита и растворенный в нем глинозем. Электролит с 3 и 5% растворенного глинозема имеет температуру начала кристаллизации соответственно на 16 и 280С ниже, чем у чистого криолита. Существенно снижа­ется плотность электролита. Растворенный глинозем изменяет удельное электрическое сопротивление электролита, повышает его вязкость. Так, при введении в криолит 10% глинозема вязкость рас­плава возрастает на ~ 23%. Что касается электрического сопротив­ления электролита, то при повышении концентрации А12Оз от нуля до 3,5% оно снижается. Дальнейшее повышение концентрации А12Оз вызывает рост удельного сопротивления.

3. КПВО

3.1 Корректировка электролита CaF2

Состав электролита регламентируется рабочей технологической инструкцией.

Составляющие электролита обладают неодинаковыми свойствами и при соприкосновении с расплавом ведут себя по-разному, поэтому их загружают в электролизер различными способами.

Во всех случаях предпочтительнее вводить компоненты электролита в виде брикетов или гранул. Следует помнить, что попадание в расплав холодных или увлажненных компонентов приводит к выбросу расплава.

Кусковой оборотный электролит загружают по периметру шахты ванны преимущественно в местах со слабой настылью, не допуская попадания кусков под анод.

Необходимые добавки загружают после обработки электролизера на поверхность электролита, предварительно присыпанную горячим глиноземом, и засыпают основным количеством глинозема, что обеспечивает их постепенное прогревание и предохраняет от улетучивания.

Разовая загрузка любых компонентов электролита зависит от мощности электролизера и строго регламентируется. Как правило, она не превышает 70 кг. Частота введения компонентов зависит от изменения уровня и состава электролита.

Одним из широко применяемых в настоящее время прогрессивных методов загрузки фтористых солей для поддержания уровня электролита является питание электролизеров шихтой из предварительно заготавливаемой смеси глинозема и фтористых солей.

При работе по этому методу возможно снизить расход фтористых солей, так как они поступают в электролит более равномерно и предварительно прогретыми до высоких температур на корке электролита.

Корректировку состава электролита CaF2 (фтористым кальцием) проводят, как правило, одни раз в месяц на основании данных химического или спектрального метода анализа электролита.

Расчет количества корректирующего вещества кандидат технических наук И. П. Гупало приводит следующие формулы.

Фторид кальция CaF2 всегда присутствует в электролите, по­скольку естественным источником этой соли служит оксид кальция СаО, содержащийся в виде примеси в глиноземах. Оксид кальция, попадая в электролит и вступая во взаимодействие с фтористым алюминием по реакции

3СаО + 2AIF3→3CaF2 + AIzО3з, переходит во фторид кальция.

За счет естественного поступления концентрация CaF2 в электролите поддерживается на уровне 2-4%, а за счет искусствен­ного введения может быть повышена до 5,0-8,0%. Соль CaF2 умень­шает температуру кристаллизации электролита и соответственно температуру электролиза, увеличивает межфазовое натяжение на границе электролит — жидкий алюминий, но несколько уменьшает растворимость алюминия в электролите.

Первые два фактора благоприятно воздействуют на резуль­таты электролиза. В то же время отмечается и негативное влияние CaF2 на свойства электролита: снижается не только растворимость глинозема в электролите, но и скорость его растворения, возрастает плотность, снижается электропроводность. Поэтому верхний предел по содержанию CaF2 целесообразно установить на уровне 5,0-8,0%. Следует также учесть, что более высокое содержание фтористого кальция грозит образованием осадков и настылей на подине элек­тролизера.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления улучшения использования основных фондов и производственных мощностей

Трудно переоценить народнохозяйственное значение эффек­тивного использования основных фондов и производственных мощностей. Решение этой задачи означает увеличение производ­ства необходимой обществу продукции, повышение отдачи со­зданного производственного потенциала и более полное удовле­творение потребностей населения, улучшение баланса оборудова­ния в стране, снижение себестоимости продукции, рост рента­бельности производства, накоплений предприятия.

Более полное использование основных фондов и производст­венных мощностей приводит также к уменьшению потребностей в вводе новых производственных мощностей при изменении объема производства, а следовательно, к лучшему использованию прибы­ли предприятия (увеличению доли отчислений от прибыли в фонд потребления, направлению большей части фонда накопления на механизацию и автоматизацию технологических процессов и т.п.).

Улучшение использования основных фондов означает также ускорение их оборачиваемости, что в значительной мере способствует решению проблемы сокращения разрыва в сроках физического и морального износа, ускорения темпов обновления основных фондов.

Наконец, эффективное использование основных фондов тесно связано и с другой ключевой задачей современного периода эко­номической реформы — с повышением качества выпускаемой продукции, ибо в условиях рыночной конкуренции быстрее реали­зуется и пользуется спросом высококачественная продукция.

Успешное функционирование основных фондов и произ­водственных мощностей зависит от того, насколько полно реали­зуются экстенсивные и интенсивные факторы улучшения их ис­пользования.

Экстенсивное улучшение использования основных фондов и производственных мощностей предполагает, что, с одной стороны, будет увеличено время работы действующего оборудования в календарный период, а с другой, — повышен удельный вес действующего оборудования в составе всего обору­дования, имеющегося на предприятии.

Важнейшими направлениями увеличения времени работы обо­рудования являются:

— сокращение и ликвидация внутрисменных простоев оборудова­ния путем: повышения качества ремонтного обслуживания обору­дования, своевременного обеспечения основного производства ра­бочей силой, сырьем, материалами, топливом, полуфабрикатами;

— сокращение целодневных простоев оборудования, повышение коэффициента сменности его работы.

Важным путем повышения эффективности использования ос­новных фондов и производственных мощностей является умень­шение количества излишнего оборудования и быстрое вовлечение в производство неустановленного оборудования. Омертвление большого количества средств труда снижает возможности прироста производства, ведет к прямым потерям овеществленного труда вследствие их физического износа, ибо после длительного хране­ния оборудование часто приходит в негодность. Другое же оборудо­вание при хорошем физическом состоянии оказывается мораль­но устаревшим и списывается с физически изношенным.

Хотя экстенсивный путь улучшения использования основных фондов и производственных мощностей использован пока не полностью, он имеет свой предел. Значительно шире возможности интенсивного пути.

Интенсивное улучшение использования основных фондов и производственных мощностей предполагает повышение степени загрузки оборудования в единицу времени. Повышение интенсивной загрузки оборудования может быть достигнуто при модернизации действующих машин и механизмов, установлении оптимального режима их работы. Работа при оптимальном режиме технологического процесса обеспечивает увеличение выпуска про­дукции без изменения состава основных фондов, без роста численности работающих и при снижении расхода материальных ресурсов на единицу продукции.

Интенсивность использования основных фондов повышается также путем технического совершенствования орудий труда и совершенствования технологии производства, путем ликвидации «узких мест» в производственном процессе, сокращения сроков достижения проектной производительности техники, совершен­ствования научной организации труда, производства и управле­ния, использования скоростных методов работы, повышения ква­лификации и профессионального мастерства рабочих.

Развитие техники и связанная с этим интенсификация процес­сов не ограничены. Поэтому не ограничены и возможности ин­тенсивного повышения использования основных фондов и про­изводственных мощностей.

— Существенным направлением эффективности использования производственных мощностей является совершенствование структуры основных производственных фондов. Поскольку увеличение выпуска продукции достигается только в ведущих цехах, то важно повышать их долю в общей стоимости основных фондов. Увеличение основных фондов вспомогательного производства ведет к росту фондоемкости продукции, так как непосредственного увеличения выпуска продукции при этом не происходит. Но без пропорционального развития вспомогательного производства ос­новные цехи не могут функционировать с полной отдачей. Поэтому установление оптимальной производственной структуры основных фондов на предприятии — важнейшее направление улучшения их использования.

Крупный резерв повышения фондоотдачи — быстрое освоение вновь вводимых мощностей. С этой целью капитальные вложения должны выделяться под запланированный прирост продукции с учетом мер по улучшению использования действующих мощнос­тей, а также их технического перевооружения и реконструкции.

Исходя из этого следовало бы опережающими темпами гото­вить и проводить общегосударственную стратегию реконструкции народного хозяйства, создавать условия для интенсивных инвес­тиций в производство, выдерживать курс на динамичную структурную перестройку, быстро заменяя отжившие технологии, про­изводства и комплексы новыми, конкурентоспособными, гибки­ми, высокоавтоматизированными.

— В современных условиях появился еще один фактор, обусловливающий повышение эффективности использования основных фондов и производственных мощностей. Это развитие акционерной формы хозяйствования и приватизация предприятий. В обоих слу­чаях трудовой коллектив становится собственником основных фондов, .получает возможность реально распоряжаться средствами производства, включая самостоятельное формирование производственной структуры основных фондов, а также прибылью предприятия, что позволяет увеличивать целевое инвестирование.

Выводы

1. Основные производственные фонды, состоящие из зданий, сооружений, машин, оборудования и других средств труда, участ­вуют в процессе производства длительное время, сохраняя при этом свою натуральную форму, а их стоимость переносится на изготавливаемый продукт постепенно, по частям.

2. Основные фонды являются материально-технической базой производства. От их объема зависят производственная мощность предприятия и уровень технической вооруженности труда.

3. Производственная мощность предприятия — это максимально ­возможный выпуск продукции при использовании всех резервов производства.

4. В процессе эксплуатации основные фонды подвергаются физическому и моральному износу, что оборачивается для предпр­иятия значительными потерями.

5. Уменьшить потери износа основных фондов можно путем их использования, повышения уровня основных показателей — ­фондоотдачи, коэффициента сменности, коэффициента использования производственной мощности.

6. Улучшить эти показатели можно за счет научно-технического прогресса, совершенствования структуры основных фондов, сокращения всевозможных простоев оборудования, совершенствования прои­зводства и труда, развития новых форм хозяйствования.

7. Наряду с прибылью основной источник совершенствования основных фондов предприятия — амортизационные отчисления.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

Выделяющиеся в атмосферу корпуса газообразные вещества воздействуют на обслуживающий персонал и создают возможность профессионального заболевания. Поэтому содержание таких соединений в атмосфере рабочей зоны строго лимитировано, а их предельно допустимые концентрации приведены ниже:

Существенное влияние на условия труда в корпусах оказывает выделение тепла от электролизеров, в результате чего в летний период температура на рабочих местах, особенно в одноэтажных корпусах и при многорядном расположении ванн, не редко превышает 50 0С, а зимой практически не отличается от наружной температуры вследствие большого воздухообмена.

Влажность воздуха на рабочих местах определяется влажностью наружного воздуха.

Отдельные технологические и ремонтные операции, проводимые в цехе, сопровождаются значительным шумом, который воздействует на органы слуха и на организм в целом.

Выполнение некоторых операций (работа на самоходных машинах по обслуживанию ванн, при использовании переносных машин по забивке штырей на ваннах с БТ, пневмоинструмента и пр.) связана с воздействием вибрации на рабочего. Эти факторы не являются постоянно действующими и при нормальном состоянии техники и технологии не превышают допустимых норм.

Характерная особенность электролитического производства алюминия — термическое воздействие и, как следствие, ожогов тела человека. Ожоги возможны при расплескивании расплава из ванны под воздействием выделяющихся газов, при работе по выливке и переливке жидкого металла, при соприкосновении с раскаленными частями технологического оборудования и инструмента и пр.

Использование значительных количеств различных химических веществ не исключает возможность отравления организма работающих и получения профессионального заболевания.

Перемещение большого количества сырья, инструмента, готовой продукции и отходов производства, выполняемого с помощью различных подъемных и транспортных устройств, связано с потенциальной опасностью непреднамеренного наезда на человека, опрокидывания, обрыва и падения груза, что также представляет опасность для здоровья.

Наиболее опасным производственным фактором в корпусе является возможность поражения человека электрическим током, так как практически все части электролизера имеют значительный потенциал (до 850 В) по отношению к земле или заземленным предметам. Кроме технологической электроэнергии в корпусе имеются линии переменного тока, от которых питаются различные транспортные машины (краны, МНП), а также сети, обслуживающие электродвигатели, установленные на электролизерах. Поэтому при нарушениях правил электробезопасности всегда имеется возможность поражения человека электрическим током. Кроме того, в цехе эксплуатируются большое количество трубопроводов, находящихся под давлением, применяются баллоны со сжиженными газами, что также может стать источником травматизма.

Несмотря на применяемые меры по улучшению условий труда у работников электролизных цехов, в отдельных случаях возникают профессиональные заболевания, и основным из них является флюороз, который вызывается отложением солей фтора в костях. Наиболее часто флюороз выражается в поражении суставов, желудочно-кишечного тракта, зубов и печени. У рабочих, длительно контактирующих с пеком, могут возникнуть различные кожные заболевания. Постоянное совершенствование техники и технологии производства алюминия приводит к снижению риска профессионального заболевания.

5.2 Электробезопасность

Рассмотрим основные вопросы электробезопасности в цехах электролиза. Как уже было сказано выше, эдектролизы соединяются последовательно в большие группы — (серии) и и подключаются к кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Число ванн на серии зависит от конструкции электролизера и величины напряжения, которое может обеспечить КПП, и достигает 200 шт. Все конструктивные инструменты электролизеров надежно изолированы от земли и заземленных конструкций. Но проведение технологических операций по обслуживанию ванн приводит к полным или частичным замыканиям ванн на землю и возникновению токов утечки, которые могут достигать значительных величин. Точки утечки проходят по подземным сооружениям (трубопроводы, железобетонные конструкции, оболочки кабелей и пр.), их выход во влажный грунт сопровождается электрохимической коррозией, которая разрушает вышеуказанные сооружения и способствует возникновению аварий. Нарушение изоляции электролизеров приводит к тому, что одновременное прикосновение к конструкциям, находящимся под протеканием электрического тока через тело человека. Сила тока выше 0,1 А является смертельной для человека, и поэтому безопасным считается напряжение не более 36 В, а в некоторых случаях (работа внутри металлических сосудов и пр.) допускается применением напряжения не более 12 В.

Лица не электротехнических специальностей могут обслуживать электрифицированные устройства (станки, переносные приборы и инструменты и пр.) только после производственного инструктажа, в том числе по электробезопасности.

Для защиты персонала от поражения электрическим током, протекающим по электролизерам, предусматриваются различные мероприятия.

Электрическая изоляция. Электролизные корпуса представляю собой сложные инженерные сооружения, и необходимость защиты людей от поражения электрическим током предопределяет необходимость разработки множества изоляционных узлов. Сложность заключается в том, что приходится изолировать от земли многотонные строительные конструкции.

Особую опасность представляет появление потенциалов земли на конструкциях шинного канала в одноэтажных корпусах при выполнении таких операций, как чистка каналов от пыли, сварочные работы при капитальном и текущем ремонтах катодных кожухов и ошиновки.

Стальные вентиляционные решетки, которые располагаются вдоль корпусов, укладываются на изоляционные прокладки. Катодные кожухи и ошиновка устанавливаются на конструкции с прокладками из электроизоляционного материала — чаще всего асбоцемента. Электролизеры от стен устанавливают на расстоянии не менее 4 м, а между рядами электролизеров расстояние должно быть не менее 7 м. Металлические перекрытия шинных каналов (рифленки) крепят одним концом к катодному кожуху, и поэтому они находятся под потенциалом ванны. Трубопроводы и газоходы устанавливают в корпусе на высоте более 3,5 м, и все трубопроводы и газоходы должны иметь электроизоляционные вставки через каждые 40 м, а газоходы каждой ванны соединяются с общим газоходом через электроизоляционную вставку.

Разделительные трансформаторы. Питание электродвигателей, установленных на конструкциях электролизера (механизмы подъема анодов, анодных рам и штор), осуществляется через разделительные трансформаторы, у которых вторичная обмотка не заземлена. Это позволяет исключить попадание постоянного тока в сеть переменного тока, что могло бы привести к тяжелым авариям в питающих трансформаторах. Поэтому такие разделительные трансформаторы устанавливаются на две ступени: обеспечивающие потребителей в корпусе напряжением 380/220 В, а трансформаторы второй ступени — непосредственно в корпусе и к ним подключаются 4-8 электролизеров. При необходимости проведения ремонтных работ на электролизерах сварочные трансформаторы и другой электрифицированный инструмент подключается через эти же разделительные трансформаторы. В системах АСУТП смонтированы устройства, позволяющие фиксировать ухудшение электроизоляции между обмоткой двигателя и сетью постоянного тока.

Грузоподъемные механизмы мостовых кранов (крюки, штанги, механизмы на комплексных кранах) должны иметь тройную изоляцию от моста крана, который перемещается по не изолированным от земли подкрановым путям — рельсы, тележки изолируются от моста крана. Механизмы, установленные на тележки, изолируют от ее корпуса, и крюк изолируют от обоймы. Каждая ступень изоляции должна иметь сопротивление не менее 1,5 Мом, измененное переносным мегомметром напряжением 1000 В.

В процессе эксплуатации изоляция периодически очищается от пыли и грязи и ее состояние контролируется электрослужбой.

5.3 Техника безопасности при обслуживание ванн

Персоналу необходимо знать, что обслуживание ванн должно проводиться в исправной спецодежде и валенках, а работы, связанные с расплавом (пробивка корки, подгартывание глинозема, гашение анодных эффектов, выливка металла, переплавка холодного металла и пр.) должны выполняться в опущенной на лицо и надежно закрепленной шляпе с защитными очками. Все работы в корпусе ведутся в респираторе.

Обжиг и пуск электролизеров. В зависимости от способа пуска электролизеров (новых или после капитального ремонта), их типа (БТ, ВТ, ОА) и способа и способа обжига условия и безопасности труда в корпусе имеют свои особенности. При пуске новых серий с СОА главной особенностью являются резко повышенная загазованность погонами пека, образующаяся при формировании анодов. Объем работ при пуске новых серий всегда больше, а условия труда всегда хуже, чем при пуске ванн после капитального ремонта.

Перед пуском электролизеры тщательно проверяются всеми специалистами цеха — технологами, механиками и электриками. Пространство вокруг электролизера и шинные каналы очищаются от посторонних предметов и мусора, подготавливаются необходимый технологический инструмент, сырье и металлы, потребность в которых может возникнуть в период обжига и пуска (асбест, изоляционные прокладки, оборотный электролит, фториды и пр.).

Часто контроль над распределением тока по подине осуществляют путем определения величины тока, текущего по блюмсам, для чего открывают рифленки. Проводить такие замеры можно лишь под присмотром технологического персонала; после замеров шинные каналы должны быть закрыты, так как санитарно-гигиенические условия труда в этот период очень тяжелые, что повышает вероятность травматизма.

При пуске заливать металл и электролит в ванну значительно проще, так как не требуется формировать новый анод. Пуск таких ванн не отличается от пуска новых ванн, но подина и анод при пуске на жидком металле, особенно в зимнее время, должны быть прогреты с целью удаления влаги и предотвращения взрывов. В процессе пуска ванна должна быть огорожена, и весь персонал, не участвующий в операциях по пуску, должен быть удален за ограждения.

В послепусковой период меры безопасности не отличаются от требований для нормально работающих ванн.

Пробивка корки электролита является одной из основных операций по обработке ванны. В зависимости от типа электролизера для выполнения этой операции применяются те или иные машины.

Основная опасность при выполнении этих операций заключается в воздействии на человека высокой температуры, а также возможности ожогов в результате выброса электролита. Как показывает практика, в ходе этих операций происходят несчастные случаи из-за наезда машин на людей. Поэтому выполнять эти операции необходимо максимально внимательно и осторожно.

При съеме с поверхности электролита скопившейся пены необходимо пользоваться прогретым инструментом, а при оплескивании шумовкой боковой поверхности анода следует находиться сбоку от оплескиваемого места.

Питание ванн сырьем производится разными способами и с применением различных машин. При перевозке глинозема в машинах типа МРС или им подобных необходимо быть внимательным, чтобы не сбить людей, так как скорость машин достаточно высока; за 5 м. перед проездами, поворотами и обгона людей и транспорта необходимо подать звуковой сигнал.

Сырье на корку следует засыпать только при переднем ходе машины; движение задним ходом допускается только при разворотах, въезде и выезде из-под силоса или стоянки.

Свежий глинозем или другое сырье не следует загружать на открытую поверхность электролита, так как сырье может содержать влагу или быть холодным, что может привести к взрыву. Засыпать свежий глинозем необходимо на предварительно прикрытую поверхность старым глиноземом, опустив течку как можно ближе к корке во избежание пыления.

Питание ванн фторидами производится зачастую вручную по индивидуальному графику. В ходе этих операций следует помнить, что фториды могут содержать от 0,6 до 6,0 % влаги, и потому необходимо их надежно прогреть до подачи в расплав. Фториды следует засыпать на корку электролита и присыпать сверху глиноземом, что в значительной мере предотвращает возгонку и потери трифторида алюминия.

Переплавка оборотного электролита и “козлов”. Для поддержания оптимальных технологических параметров, а также для повышения технико-экономических показателей в ваннах переплавляют твердый алюминий в виде чушек или отходов линейного производства. Одной из распространенных операций является переплавка извинченных из демонтированной ванны бесформенных плит (козлов), содержащих алюминий и электролит. Извлеченные из подины после ее охлаждения водой “козлы” содержат влагу, и поэтому их переплавка требует соблюдения особых предосторожностей. Переплавка “козлов” осуществляется только со стороны среднего прохода корпуса и с применением специальной подставки, которая придает “козлу” наклонное положение. Подставка подвозится краном и устанавливается передними ногами на борт ванны. Затем подвозится “козел” и осторожно опускается на корку электролита для просушки и подогрева в течение смены. Далее мостовым краном “козел” осторожно опускается в расчищенный от корки электролит до его соприкосновения с подиной, прислоняется к подставке и надежно закрепляется на ней. После оплавления нижней части “козел” опускается ниже и вновь закрепляется на подставке. Электролизер, на котором плавится “козел”, должен быть огражден, и должны быть выставлены предупредительные плакаты.

Переплавка отходов литейного производства производится в ванне после их прогрева на борту ванны или на корке электролита. При переплавке отходов на ваннах с ОА целесообразно снять один анод.

Чистка шинных каналов может выполнятся только по письменному разрешению мастера смены и после проведения замеров напряжения между днищем, стенками и арматурой шинного канала и токоведущими шинами, результаты которых заносятся в специальный журнал. Чистку канала можно начинать при наличии напряжения не выше 36 В; в противном случае необходимо изолировать опасные места деревом, резиновыми ковриками и пр. Непосредственно чистку каналов ведет бригада в составе не менее двух человек, причем наиболее опытный электролизник назначается производителем работ — наблюдающим — и отвечает за соблюдение членами бригады мер безопасности. Необходимо помнить, что под слоем пыли может оказаться оголенная арматура. Запрещается чистить каналы на ваннах, которые могут дать течь расплава в шинный канал.

Выливка металла из ванны производится с помощью вакуум-ковша, в котором создается разрежение (450-600 мм ртутного столба) при его подключении к вакуум-линии или эжекторам. Количество выливаемого металла задается старшим мастером корпуса на основе замеров уровня металла в ванне. Выливка из ванн, расположенных в корпусе продольно, осуществляется со стороны среднего прохода корпуса, как правило, 1 раз в двое суток; на ваннах большой мощности при поперечном их расположении в корпусе вылива производится ежедневно в торце ванны.

Перед выливкой ванна отключается от АСУТП, измеряются уровни металла и электролита, и 5-10 мин. до выливки очищается летка для установки вакуум-носка, куски корки подтягиваются к борту, а с поверхности электролита тщательно снимается пена. Выливку металла выполняет выливщик, который проходит специальный инструктаж по правилам безопасности. Электролизник в процессе выливки следит за изменением напряжения и, опуская анод, поддерживает его на заданном уровне, не допуская увеличения более чем на 0,2 В. После окончания выливки летка закрывается глиноземом. При проведении этой операции никакие другие работы на ванне не выполняются, а посторонние лица удаляются от ванн.

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Таблица. Влияние МПР на корректировки, на свойства электролита

Таблица 1. — Влияние МПР при силе тока 100 кА

* С газами коксования, углеродом угольной пены, а также механические потери.

6.2 Схема. Требования к электролиту

Схема 1. — Требования к электролиту (по массе)

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Тарарин С.В. «Электролиз расплавленных солей», М.: Металлургия, 1982.

Борисоглевский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиратзутдинов Г.А., «Металлургия алюминия». М.: Металлургия, 1999.

Беляев А.И. «Металлургия легких металлов», М.: Металлургия, 1978.

«Цветные металлы» журнал №5, 1996.

Багров Н.М., Трофимов Г.А., Адреев В.В. «Основы отраслевых технологий: учебное пособие» СПБ. Издательство СПбГУЭФ 2006.

Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов, 2002.

Лахтин Ю.М. «Основы металловедения» — учебник для техникумов М.: Металлургия 1988.

Д. Парфенов «Обработка цветных металлов: борьба противоречий» — издание Аналитического центра «Национальная металлургия» 2004.

Уткин Н.В. «Цветная металлургия» — учебник для ВУЗов по специальности «Металлургия цветных металлов» Челябинск 1988.

Материалы международной конференции: «Металлургия лёгких металлов на рубеже веков. Современное состояние и стратегия развития» (3-6 сентября 2001г.).

1. Описание технологического процесса.

Современный процесс электролиза алюминия объединяет независимый промышленный процесс от природных глиноземсодержащих руд до чистого металла.

Поскольку механические свойства алюминия сильно зависят от небольших количеств примесей, важно, чтобы металл металлургических сортов являлся высококачественным. Производство чистого алюминия требует высокосортного глинозема и углеродных материалов.

Полный цикл алюминиевого завода приведен на рис.1.4. На заводе поступающая электроэнергия переменного тока непосредственно преобразуется в энергию постоянного тока высокого напряжения и подается к серии электролизеров, соединенных последовательно (рис.1.5). В этом случае ток серии поддерживается постоянным, хотя индивидуальное напряжение на каждом электролизере различно. Модернизация твердотельных выпрямительных систем привела к значительным изменениям в этой части алюминиевого производства. Размер выпрямителей не только уменьшился, но увеличился и КПД преобразования при одновременном снижении эксплуатационных затрат.

Рис.1.4 Блок-схема процесса производства алюминия из глинозема

Электролизер является нервным центром процесса в целом. Несмотря на варьирование их мощности между заводами, мощность каждого электролизера завода превышает 175 кА.

Основная электрохимическая реакция, протекающая в электролизере при температуре 960ОС представлена уравнением:

Al2O3(раствор) + 3С(тв) = 2Al(ж) + 3СО(г) (1.1)

Алюминий оседает на подине электролизера. Однако часть его растворяется в электролите, и транспортируется таким образом, что может быть окислена выделяющимся на аноде СО2 согласно реакции:

2Al(раствор) + 3СО2(г) = Al2O3(р-р) + 3СО(г) (1.2)

Но не только вторичная реакция приводит к снижению выхода по току. Следует также учитывать присутствие в анодных газах СО, что приводит к дополнительному расходу углерода на тонну произведенного металла.

Электролизеры в корпусах размещены продольно (рис.1.5) Используются многофункциональные краны, производящие загрузку глинозема в бункера электролизеров, выливку металла и замену анодов. Как видно из табл.1.2, электролизер на 150 кА в среднем производит более 1 тонны металла в сутки.

Выливка металла является одной из обычных операций, и выполняется ежесуточно переливом в транспортировочные ковши. Для стабильной работы необходимо, чтобы количество вылитого металла соответствовало по времени производительности электролизера.

Сегодня на заводе используются весы, которыми оснащены современные краны, поскольку точность предыдущих систем измерения зависела от качества замеров либо в выливном ковше, либо на электролизере.

Расплавленный металл извлекается из электролизера вакуум-ковшом (Рис124), и перевозится в другое отделение, где отстаивается в печи, или непосредственно перерабатывается. Если необходимо, металл может очищаться.

Концентрацию глинозема в алюминиевом электролизере необходимо поддерживать в ограниченных пределах. Количество добавок впоследствии может варьироваться и увязываться с частотой пробивания корки и подачи глинозема.

Если глинозем загружен с избытком, то это приводит к образованию осадков, а если в электролизере существует недостаток глинозема, анодная реакция сдвигается в сторону разложения фторидов, вызывая анодные эффекты, которые расстраивают технологию нормального процесса электролиза.

Вследствие задержки во времени аналитические методы определения концентрации глинозема не нашли широкого применения в контроле процесса питания электролизеров. Поэтому многие производители рассматривали регулярное наличие анодных эффектов как средство против избыточного питания ванн, несмотря на те неудобства, которые возникали в этом случае. Пока точечные питатели устанавливаются на электролизеры нового поколения балочные системы центрального питания являются, вероятно, наиболее широко используемым способом загрузки глинозема. Они работают с циклом длительностью 10-60 мин. Корка пробивается и погружается в расплав, пополняя содержание глинозема в электролите, тогда как заданное количество глинозема высыпается из бункера электролизера для образования разрушенной изолирующей корки. Существует тенденция к установке 3-5 точечных питателей на электролизере, срабатывающих более часто. Они загружают только 1-5 кг глинозема в заданном месте каждые 1-3 мин.

Поскольку потребление глинозема всегда близко к стехиометрическому отношению, его распределение и потребление в электролизере важно для эффективной эксплуатации, поскольку глинозем выполняет и ряд других функций. Он используется для защиты анодов от окисления воздухом, и в этом плане играет роль термоизолирующей засыпки для уменьшения тепловых потерь. Теплопроводность и угол естественного откоса в этом случае стали очень важными свойствами. Удельная поверхность (ВЕТ) глинозема также стала важной характеристикой, поскольку глинозем часто используется в качестве сорбента для улавливания выбросов из электролизера.

Необходимой составной частью электролита является криолит (Na3AlF6), который является наилучшим растворителем глинозема. Различные добавки к криолиту изменяют его физико-химические свойства и улучшают таким образом работу электролизера. Наиболее важными добавками, используемыми в промышленности являются фтористый алюминий (2-10 % масс.) и фтористый кальций (до 8 % масс.). Обе эти добавки снижают точку плавления электролита. В любом случае добавки к электролиту должны поддерживать его плотность ниже чем плотность жидкого алюминия, которая приблизительно составляет 2.3 г/см3 при 1000ОС. При этой температуре, содержании глинозема 5 % масс. и добавленном фториде алюминия плотность электролита составляет около 2.05 г/см3, демонстрируя таким образом близкую величину, и в дальнейшем, важность влияния состава электролита на его плотность.

Наиболее важными свойствами электролита являются:

точка замерзания

растворимость глинозема

плотность

электропроводность

давление паров

термодинамическая стабильность относительно глинозема

склонность к растворению электродных продуктов

смачиваемость анодов

Однако в целях краткого описания эксплуатации электролизера достаточно лишь сказать, что функцией электролита является физическое разделение полученного на катоде жидкого алюминия и выделяющихся на аноде оксидов углерода, а также обеспечение электролитического разложения глинозема.

По независящим от нас причинам катодным продуктом является жидкий алюминий, который помещается в углеродной ванне, обеспечивающей с ним электрический контакт. Хотя алюминий и углерод должны термохимически взаимодействовать при рабочей температуре электролизера, прямая реакция между ними значительно ограничена. Фактически, углерод является наилучшим промышленно используемым материалом применительно к катодной конструкции, исходя из учета цены и коррозионной стойкости.

Следует отметить, что углерод присутствует в ряде структурных форм, а необходимая структура и свойства катодного углерода отличаются от требований, предъявляемых к анодному углероду. Для катодов желательна плотная графитовая структура. Материал обычно меняет свойства при высокой температуре прокалки антрацита, а используемые для производства анодов нефтяные коксы могут быть модифицированы для получения заданных характеристик.

Стальные блюмсы вставляются в пазы в основании катодных блоков для снижения падения напряжения, обусловленного сопротивлением, давая таким образом неравномерное распределение в электролизере. Описание конструкции катода завершается угольными бортовыми блоками и теплоизолирующими материалами, такими как глинозем или огнеупорный кирпич, размещаемые под подовыми блоками и внутри стального кожуха в зависимости от конструкции электролизера. При эксплуатации электролизера катодная футеровка набухает и разрушается, приводя к выходу их строя катода — типичный срок службы катода составляет 1000-2000 суток.

Одной из основных проблем, присущих алюминиевому катоду является его движение под действием электромагнитных сил, что является результатом взаимодействия тока, проходящего через электролизер и магнитных полей, индуцированных током, протекающим через смежные проводники. Это движение зависит от конструкции электролизера и устройства токоподводящей ошиновки. Кроме последствий, вызванных движением металла, магнитные поля могут смещать и/или изгибать поверхность катодного металла. Циркуляция металла может привести к эрозии и разрушению бортовой футеровки, или способствовать взаимодействию между металлом и угольной подиной, ускоряя разрушение катода.

Существуют две основные конструкции расходуемых анодов — это аноды Содерберга и обожженные аноды. В первом случае в кожух-форму загружается твердый гранулированный углеродистый материал, который далее превращается в монолит вследствии пиролиза пека-связующего под действием тепла, выделяющегося в процессе электролиза. Обожженные аноды (Рис.) изготавливаются в специальных прокалочных печах, и содержат частицы углерода, связанные в твердой массе пеком. Эти аноды имеют преимущества из-за своей компактности, обеспечивают производство алюминия лучшего качества, что приводит к снижению расхода углерода, а также облегчает улавливание выбросов, полученных при обжиге анода.

Расходуемые аноды, используемые при производстве алюминия снижают требуемое напряжение на электролизере, и одновременно увеличивают разность напряжений разложения оксида алюминия и фторидов. И хотя алюминиевая промышленность часто представлялась как энергетически неэффективная отрасль, интересно отметить, что деполяризация на расходуемом аноде является одним из наиболее эффективных преобразований химической энергии среди любых промышленных процессов. Не будь его, требуемое напряжение было бы на 0.6 — 1В выше.

Таблица 1.2

Показатели работы электролизеров с обожженными анодами

* остальное СО

** в виде Na3AlF6 + AlF3

Округленные данные, приведенные в табл.1.2 дают обзор технико — экономических показателей индивидуальных производителей. Они имеют различные величины эффективности использования электроэнергии и анодного углерода. Величины потребления анодного углерода непосредственно зависят как от качества электродов (включая подбор сырья), так и типа защиты от окисления воздухом. Многие производители используют до 1% алюминия для напыления на аноды и защиты их от окисления. Во всех случаях важно также укрывать открывшиеся секции анодов глиноземом для уменьшения окисления.

В таблице 1.3 приведены типичные эксплуатационные характеристики промышленных электролизеров. В этой таблице сравниваются данные, характерные для лучших показателей технологии Содерберга и технологии обожженных анодов. Следует отметить, что величины любого из параметров не обязательно оптимальны. Пока все детали для наилучшей технологии не определены, общие энергозатраты для этих двух технологий составляют соответственно 12.7 и 12.4 кВтч/кг алюминия.

Как видно из рис.1.6, конструкция современного электролизера обычно включает укрытие, которое соединено с системой газоотсоса и газоочистки. Это позволяет сохранять окружающую среду в районе электролизной серии и снизить выбросы, отходящие от промышленной площадки. Дымососы обеспечивают эффективный газоотсос несмотря на невысокую герметичность электролизера. Отходящие газы содержат в основном двуокись углерода (поскольку основная часть моноооксида углерода сразу дожигается над электролитом), азот, кислород, фториды и мелкую глиноземную пыль. Для улавливания и возврата в производство фторидов и пыли разработаны различные способы. Укрытие является одним из четырех конструктивных доработок, используемых с 60-х годов. Другими являются вышеупомянутое автоматизированное питание глиноземом, использование угольных или графитовых блоков в конструкции катода и компенсация магнитных полей для стабилизации поверхности металла. Улучшенные показатели, приведенные в табл.1.3 являются следствием этих нововведений. Модернизация проводилась как модифицированием старых электролизеров, так и введением в строй новых.

Таблица 1.3

Технологические параметры работы электролизеров

1.5 Товарные марки алюминия

Рассмотрим технологию производства первичного алюминия, производство товарного продукта, ниже приводим его краткий обзор. Он варьируется от первичного алюминия до специальных сплавов, а легирующие добавки при производстве сплавов используются для придания алюминию специфических физических свойств. Обычно посторонние материалы оказывают вредное влияние на физические свойства, и поэтому они должны быть удалены из используемого сырья. Легирующие добавки обычно вводятся в виде высоко концентрированного алюминиевого сплава или чистого металла, что обычно выполняется на стадии переплава.

1.5.1 Чистый алюминий

Металл, произведенный непосредственно в электролизерах является относительно чистым (обычно он содержит более 99.8% алюминия) и мягким. Его можно использовать в тех отраслях, где механическая прочность не является критерием первостепенной важности. Большинство примесей переходят в алюминий из сырья (глинозема, анодного углерода и электролитных добавок), и в этом случае применительно к сырью существуют такие требования, как отсутствие в нем элементов, влияющих на дальнейшую обработку алюминия. Это особенно важно, когда алюминий прокатывается в тонкую фольгу, или волочится для получения проволоки. В этих случаях наличие примесей приводит к образованию включений, газовых пор и локальным изменениям механических свойств. Кроме производства фольги и проволоки, другими непосредственными способами обработки алюминия является листопрокат и штамповка. Небольшая часть металла перерабатывается в мелкодисперсный порошок для получения паст, используемых при покраске, для производства взрывчатых веществ и в пиротехнике.

2.Рассмотрение технологического процесса с точки зрения автоматизации.

Основное оборудование

За процессом электролиза алюминия следит система автоматизации процесса электролиза ТРОЛЛЬ.

Система автоматизации процесса электролиза алюминия представляет собой комплекс программно-технических средств. Названия ТРОЛЛЬ-5 и ТРОЛЛЬ-2000 относятся соответственно к оборудованию и программному обеспечению последнего поколения АСУ ТП электролиза алюминия фирмы ТоксСофт. Таким образом:

ТРОЛЛЬ-5 – блоки управления электролизерами АСУ ТП электролиза;

ТРОЛЛЬ-2000 – программное обеспечение АСУ ТП электролиза.

Разделение названий оборудования и программного обеспечения вызвано тем, что программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000 способно работать на всем спектре оборудования, производимого фирмой ТоксСофт начиная с 1994 года. Более того, ПО ТРОЛЛЬ-2000 построено таким образом, что к его верхнему уровню можно подключить любое оборудование распределенных централизованных систем автоматизации других производителей.

В настоящее время фирмой ТоксСофт установлено на разных заводах несколько поколении оборудования АСУ ТП электролиза:

ТРОЛЛЬ-5 – современная версия оборудования системы, установлено в Волгограде, Братске, Иркутске .

Новое программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000 может быть установлено на любой из перечисленных систем, вне зависимости от оборудования и объема внедрения.

Основу аппаратного обеспечения системы составляют блоки управления ТРОЛЛЬ-5, установленные в корпусе электролиза. Группа БУ соединена между собой по коаксиальному кабелю. Группы подключены по схеме «звезда» к концентратору сети корпуса (КСК), представляющего собой оптоволоконный хаб сети ArcNet. К концентратору подключается также и Контроллер тока и напряжения серии (КТНС), установленный на КПП, который производит замер и раздачу по блокам управления значения тока серии.

Концентраторы сети корпусов подключены по оптоволоконному кабелю к маршрутизатору системы ТРОЛЛЬ. Маршрутизатор устанавливается в помещении пультовой АСУ ТП. Там же установлены серверы системы: сервер реального времени (СРВ) и сервер базы данных (СБД). С одной стороны, серверы получают информацию от маршрутизатора системы. С другой стороны, серверы открывают доступ к данным из заводской сети. Любой компьютер, подключенный к сети предприятия, может иметь доступ как к данным в реальном времени (через СРВ), так и к накопленным данным, сводкам, отчетам (через СБД).

В базовую поставку системы ТРОЛЛЬ входит следующие компоненты:

Блоки управления ТРОЛЛЬ-5 – предназначены для управления двумя электролизерами, выполняют автоматическое технологическое управление, оперативное управление с панели, временное хранение и передачу информации по сети; устанавливаются в непосредственной близости от подключаемых электролизеров.

Технологическая сеть ArcNet – Технологическая сеть, предназначена для организации обмена данными между блоками управления и программно-техническими средствами верхнего уровня; физически представляет собой оптоволоконную сеть Arcnet, которая обеспечивает передачу информации с гарантированным временем доступа и отсутствие коллизий. По сравнению с предыдущими версиями системы не претерпела значительных изменений за исключением того, что в качестве транспортного протокола теперь используется протокол TCP/IP.

Контроллер тока и напряжения серии – предназначен для измерения тока и напряжения серии, передает данные по сети блокам управления нижнего уровня; устанавливается в помещении КПП.

Сетевое оборудование верхнего уровня – к сетевому оборудованию верхнего уровня относятся концентраторы сети корпуса и маршрутизаторы (роутеры). Концентратор сети корпуса объединяет оптоволоконные лучи технологической сети корпуса в единый кабель. Маршрутизатор объединяет технологические сети корпусов в единую технологическую сеть участка, цеха или завода и осуществляет маршрутизацию пакетов данных, циркулирующих из сети верхнего уровня в технологическую и обратно. В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное устройство, так и обычный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

Сервер реального времени – осуществляет сбор оперативной информации и предоставляет возможности оперативного дистанционного управления. Организует совместную работу всех компонентов системы.

Сервер базы данных – хранит архивную базу данных, обрабатывает запросы к ней со стороны различных клиентов, формирует сводки и отчеты.

Рабочее место (АРМ) системы – представляет собой персональный компьютер, подключенный к сети предприятия. На АРМе выполняется программа «клиент системы ТРОЛЛЬ», настроенный для конкретных целей использования (монитор оператора, АРМ старшего мастера, генератор сводок, АРМ руководителя и т.п.).

Подключение к БУ ТРОЛЛЬ

К блоку управления ТРОЛЛЬ-5, через специализированный разъем, по сети RS-485 подключаются различные датчики (возможно подключение исполнительных устройств). В основном это два типа оборудования:

Датчики, постоянно установленные на электролизерах. Например, датчик перекоса анодной рамы фирмы ТоксСофт. Датчик перекоса позволяет оперативно измерять угол перекоса анодной рамы, и соответственно автоматически выравнивать раму;

Датчики и исполнительные устройства системы централизованной раздачи глинозема. Система :ЦРГ разработки фирмы ТоксСофт требует всего одного-двух датчиков на электролизер. Существенно дешевле и надежнее использовать имеющеюся инфраструктуру ТРОЛЛЬ, чем создавать отдельное АСУ ТП для ЦРГ;

Переносные портативные приборы для разовых замеров. К таким приборам относятся разрабатываемые датчики температуры расплава и ликвидуса, а также датчик концентрации. При такой работе, прибор подключается к блоку управления ТРОЛЛЬ-5, в течении нескольких секунд БУ опознает прибор и по мере (и по окончании) работы получает данные из прибора, хранит и передает далее на верхний уровень.

Подключение в технологическую сеть

Для оборудования, которое работает на уровне группы ванн, корпуса или серии в целом, оборудование может быть подключено к технологической сети корпуса. К такому оборудованию относятся, например бригадный контроллер и шкафы работы с радиоприемниками крановых весов.

Подключение к верхнему уровню системы

Верхний уровень системы ТРОЛЛЬ-2000 построен так, что позволяет подключать к нему любую полностью или частично распределенную систему автоматического управления любыми технологическими процессами. В качестве расширения возможностей АСУ ТП электролиза нужно сразу к верхнему уровню системы подключить, например центральную заводскую лабораторию (ЦЗЛ). Информация с ЦЗЛ органически дополняет информацию алюминиевого производства о ходе технологического процесса.

Алгоритмы автоматического управления электролизером

Общие черты алгоритмов

Модель большинства алгоритмов нижнего уровня состоит из инициализации, определенных действий в течение некоторого времени и изменения цели управления (см. Error: Reference source not found) после выключения алгоритма.

Для всех алгоритмов изменение цели управления реализовано одинаково. В момент выключения алгоритма добавка к уставке напряжения скачком повышается на величину dUалг, в течение заданного времени T1алг она держится постоянной, а затем, в промежутке времени T2алг, линейно снижается до нуля. Таким образом, изменение цели управления представляет собой трапецию (см. рисунок), все параметры которой dUалг, T1алг и T2алг задаются с верхнего уровня системы и могут быть изменены даже для одного электролизера.

В случае наложения добавок к уставке напряжения из-за работы нескольких алгоритмов вступает в действие следующие правила приоритетности добавок:

Наиболее приоритетна добавка к уставке из-за замены штырей. Она аддитивна к любой другой добавке. Например, если в момент выключения режима выливки уставка была поднята после замены штырей, добавки суммируются

Добавки к уставке из-за ликвидации волнения, после обработки ванны и после выливки неаддитивны, то есть сумма добавок не изменяется. Изменяется лишь распределение этой суммы между различными добавками и, соответственно, характер изменения цели управления.

Ряд алгоритмов (например, автоматическое поддергивание кожуха) подразумевают возможность одновременного физического воздействия сразу на несколько электролизеров. Как правило, это нежелательно и для устранения такого эффекта в алгоритмы встроено свойство конвейерности, обеспечивающее разнос включения механизмов соседних ванн. Для примера рассмотрим то же поддергивание кожуха. Пусть оно должно происходить один раз в три часа и время поддергивания равно 5 секундам. Начало цикла конвейерного включения алгоритма будет установлено на 00:00, 03:00, 06:00 и т.д. Разнос между последовательными включениями будет равен 5сек*2=10сек. Теперь пусть в 04:15 одновременно была подача на электролизерах номер 1 и 2 (вполне возможная ситуация, если они простояли в ручном режиме более трех часов и одновременно были переведены в автомат). Время следующего поддергивания на электролизере 1 будет установлено на 06:00, а на электролизере 2 – на 06:00:10. Таким образом, следующие включения алгоритма на соседних ваннах уже будут разнесены по времени. Время разноса определяется номером электролизера, числом ванн в группе и максимальной продолжительностью воздействия. Пусть в рассматриваемом примере ванны секционированы по питанию двигателей в группы по 10 электролизеров. Тогда в момент начала цикла будут поддернуты кожухи на ваннах 1,11,21,31…, через 10 секунд – на ваннах 2,12,22,32… и т.д.

В других алгоритмах (регулирование МПР, срабатывание механизмов АПГ, …) принцип конвейера реализован несколько иначе, но основная идея – разнос одинаковых воздействий в группах электролизеров без необходимости наличия связи между блоками нижнего уровня, — остается той же самой.

Выливка

Алгоритм включается с панели блока ТРОЛЛЬ. В момент включения фиксируется цель управления выливки Uвыл. Она определяется следующим образом

Рассчитывается стандартная цель выливки U0выл, равная максимальному из величин: текущая цель управления или уставка напряжения плюс добавка к уставке после выливки.

Если среднее за минуту приведенное напряжение U60 существует, то в качестве Цели выливки Uвыл берется максимальное из значений U0выл или U60

Если не определено, то в качестве Цели выливки Uвыл берется максимальное из значений U60раб или U0выл

Если нет ни U60, ни U60раб, то в качестве Цели выливки берется стандартная цель U0выл.

Таким образом, если среднее за минуту напряжение меньше стандартной цели выливки, то берется стандартная цель, в противном случае – среднее напряжение.

В процессе выливки контролируется текущее напряжение U электролизера, равное среднему за 3 сек. приведенному напряжению или, если его нет, среднему за 3 сек. рабочему напряжению.

Как только в процессе выливки напряжение U превышает цель выливки, запускается подача анодной рамы вниз на время sTвыл. Если U опускается ниже цели выливки на заданную величину DU1выл, движение анодной рамы прекращается.

Во время выливки обеспечиваются звуковые сообщения в корпус по громкой связи “Остановите выливку – низкое напряжение на ванне” (текущее напряжение меньше нижней границы достоверности напряжения) или “Двигатели не успевают за выливкой” (разница между текущим напряжением и целью выливки стала больше заданного максимального значения dUmax).

Отключается режим выливки или с панели блока ТРОЛЛЬ или автоматически. Последнее происходит следующим образом: если продолжительность работы алгоритма превысила заданное время T1выл, то по громкой связи в корпус выдается звуковое сообщение “Слишком долгая выливка”. Через 5 минут после этого режим выливки отключается. Если выливка физически не окончена, то выливщику после выдачи предупреждения следует выключить и включить режим вновь.

После завершения выливки цель управления изменяется только при выполнении следующих условий:

За время работы алгоритма были автоматические подачи анодной рамы вниз (была реальная выливка)

На ванне нет анодного эффекта и с момента окончания последнего прошло больше заданного времени

Электролизер не находится в режиме поиска анодного эффекта

Изменение цели управления происходит с учетом правил приоритетности добавок к уставке (см. Общие черты алгоритмов). Кроме того, в случае, если была реальная выливка (см. выше) АПГ ванны в течение заданного времени T2выл переходит на работу по таймеру.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Величина и поведение добавки к уставке напряжения после выливки

Максимальное время выливки T1выл

Стандартное время подачи анодной рамы sTвыл

Границы изменения напряжения при выливке DU1выл и DUвыл

Время работы АПГ по таймеру после выливки T2выл

Замена штырей

Алгоритм включается с панели блока ТРОЛЛЬ одной из кнопок ЗАМЕНА-1 или ЗАМЕНА-2. В случае, если в этот момент на электролизере зафиксирован прогноз анодного эффекта (см. Прогноз анодного эффекта), для снижения вероятности возникновения анодного эффекта во время замены запускается Nапг усиленных циклов АПГ. После чего на все время замены автоматическая работа дозаторов АПГ запрещается. Кроме того, до выключения этого режима запрещены автоматические подачи анодной рамы.

Отключается режим или с панели блока ТРОЛЛЬ или автоматически. Последнее происходит следующим образом: если продолжительность работы алгоритма превысила заданное время T1зам, то по громкой связи в корпус выдается звуковое сообщение “Слишком долгая замена штырей”. Через 5 минут после этого режим замены отключается автоматически. Если замена физически не окончена, то после выдачи предупреждения следует выключить и включить режим вновь.

Если замена штырей продолжалась больше заданного времени T2рег, она считается состоявшейся. В этом случае после отключения режима замены штырей АПГ электролизера в течение T2зам работает по таймеру. Кроме того, сразу после отключения этого регламентного режима изменяется цель управления электролизера на величину dUзам. Возможен один из двух вариантов поднятия уставки, выбор из которых предоставляется заказчику:

Вариант 1: В зависимости от того, какой из режимов (ЗАМЕНА-1 или ЗАМЕНА-2) был включен, уставка повышается на фиксированную величину dU1зам или dU2зам

Вариант 2: В момент включения и выключения режима определяются значения среднего за 3 мин. приведенного напряжение U180нач и U180кон и рассчитывается разница между ними dU180 = U180кон — U180нач. Если эта величина лежит в пределах между dU1зам и dU2зам, то в качестве dUзам берется она, в противном случае dUзам приравнивается к максимальному или минимальному из значений dU1зам или dU2зам.

В любом варианте изменение уставки происходит с учетом правил приоритетности добавок к уставке (см. Общие черты алгоритмов).

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Величина и поведение добавки к уставке напряжения после замены штырей

Максимальное время замены штырей T1зам

Минимальное время регламентной операции T2рег

Время работы АПГ по таймеру после замены штырей T2зам

Автоматическое поддергивание кожуха

Алгоритм обеспечивает периодическое поддергивание кожуха электролизера. Параметры поддергивания – периодичность T1кож и время поддергивания sTкож задается с верхнего уровня. После того, как истечет таймер очередного поддергивания, и будут выполнены следующие условия

Кожух находится в аромате и не движется

Работа алгоритма разрешена

На ванне нет анодного эффекта и с окончания последнего АЭ прошло больше заданного промежутка времени

Выполняется подача кожуха вверх продолжительностью sTкож и перезапускается таймер очередного поддергивания с учетом принципа конвейера (см. Общие черты алгоритмов).

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Периодичность поддергивания кожуха T1 кож

Время поддергивания кожуха sTкож

Сопровождение обработок электролизера

Алгоритм предназначен для уменьшения подачи глинозема в ванну через АПГ после обработки электролизера, компенсации потерь тепла при растворении большой массы глинозема и запрещения излишних подач анодной рамы, связанных с резким изменением напряжения после обработки. Он включается автоматически, в соответствии с расписанием обработок конкретного электролизера. Таблица обработок электролизера рассчитывается нижним уровнем системы при получении от верхнего уровня команды “Изменилось расписание обработок корпуса”. Расписание обработок корпуса вводится оператором верхнего уровня в виде набора записей вида

Из полученного расписания обработок корпуса программа создает таблицу обработок для данного электролизера, которая в дальнейшем хранится на нижнем уровне. Например, из записи в таблице корпуса, содержащей информацию об обработке, идущей от 90-го до 60-го электролизера с 16:00 по 16:30 получится, что обработка 80-го электролизера должна начаться в 16:10.

Алгоритм начинает работу за время T3обр до номинального начала обработки. В этот момент АПГ ванны переходит на редкое питание по таймеру с коэффициентом зарежения Kобр (на столько увеличивается время между срабатываниями дозаторов) и одновременно изменяется цель управления электролизера на величину dUобр. Изменение уставки происходит с учетом правил приоритетности добавок к уставке (см. Общие черты алгоритмов).

После того, как алгоритм поддержания МПР отрегулирует напряжение электролизера к новой цели управления, за время T1обр до начала обработки запрещаются автоматические подачи анодной рамы. Этот запрет действует до времени T2обр после обработки.

После отработки алгоритма (через промежуток времени T4обр после начала обработки) АПГ ванны переходит в фазу голодания регулирования концентрации глинозема.

При включении алгоритма ликвидации МГД-нестабильности или возникновения анодного эффекта, работа алгоритма прекращается автоматически. При этом сбрасываются запрещение автоматических подач анода и повышение уставки, обусловленное алгоритмом.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Величина и поведение добавки к уставке напряжения после обработки ванны

Периоды запрещения автоматических подач анодной рамы до и после обработки T1обр и T2обр

Периоды перехода АПГ ванны на редкое питание до и после обработки T3обр и T4обр

Коэффициент зарежения питания после обработки Kобр

Минимальное время регламентной операции T2рег

В настоящее время алгоритм до конца не отлажен и в него могут быть внесены изменения и/или дополнения.

Поиск анодного эффекта

Алгоритм предназначен для того, чтобы периодически вызывать на электролизере анодный эффект. Он может быть включен вручную с панели блока ТРОЛЛЬ или с верхнего уровня системы или автоматически программой нижнего уровня. Последнее происходит через время (dTае-1час) после начала предыдущего анодного эффекта, где dTае – время между штатными анодными эффектами.

Работа алгоритма заключается в полном запрещении подачи глинозема в ванну через механизмы АПГ. Алгоритм завершается при возникновении на ванне анодного эффекта, после чего запрет АПГ снимается. Во время работы алгоритма происходит следующее:

Не изменяется цель управления после выливки и обработки электролизера

Не ликвидируется возникшая на электролизере МГД-нестабильность

Запрещается регулирование МПР вниз

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Промежуток времени между штатными анодными эффектами dTае.

Прогноз анодного эффекта

Алгоритм определения прогноза анодного эффекта работает постоянно за исключением времени анодного эффекта и периода T3прг после него. Он предназначен для контроля работы механизмов АПГ и предотвращения серии подач анодной рамы вниз (поддавливания ванны) непосредственно перед анодным эффектом. В состоянии прогноза анодного эффекта для всех алгоритмов запрещены автоматические подачи анодной рамы вниз.

Алгоритм устанавливает признак прогноза анодного эффекта, если в течение времени T1прг производная фильтрованного напряжения по времени (см. Error: Reference source not found) будет больше, чем DUпрг.

Прогноз сбрасывается при возникновении анодного эффекта или если в течение времени T2прг производная фильтрованного напряжения по времени будет меньше, чем DUпрг.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Время запрещения определения прогноза анодного эффекта после возникновения АЭ на ванне T3прг

Времена установления и сброса прогноза анодного эффекта T1прг и T2прг

Характерную величину производной напряжения DUпрг.

Сопровождение анодного эффекта

Состояние и продолжительность анодного эффекта фиксируется следующим образом. Считается, что на электролизере возник анодный эффект, если среднее за секунду рабочее напряжение Uраб на ванне превысит величину U1ае. Анодный эффект считается приостановленным, если Uраб станет меньше U2ае. Считается, что анодный эффект завершился, если анодный эффект приостанавливается на время, большее, чем dTае. При возникновении анодного эффекта

выполняются подряд N1ае усиленных циклов АПГ.

Отключаются все включенные регламентные режимы (выливка, перетяжка и выравнивание анодной рамы, замена штырей)

Отключаются алгоритмы сопровождения обработок электролизера, поиска анодного эффекта и ликвидации МГД-нестабильности

Сбрасываются изменения уставки, обусловленные работой всех алгоритмов, кроме алгоритма замены штырей

Если при возникновении анодного эффекта управление анодной рамой находится в автоматическом режиме, то программа выполняет подачу анодной рамы вверх максимальной длительностью sTае. Эта подача может быть и более короткой, т.к. если Uраб превысит величину U3ае, анодная рама останавливается.

После окончания анодного эффекта в течение времени T2ае АПГ работает по таймеру. Кроме того, на время T1ае запрещается автоматические подачи анодной рамы.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Параметры определения анодного эффекта U1ае, U2ае и dTае.

Число усиленных циклов АПГ N1ае, выполняемых при возникновении анодного эффекта.

Параметры автоматической подачи анодной рамы при возникновении анодного эффекта sTае и U3ае.

Время работы АПГ по таймеру после анодного эффекта T2ае

Время запрещения регулирования после АЭ T1ае

Работа АПГ по таймеру

Механизмы АПГ работают по таймеру, то есть подают в электролит одинаковые дозы глинозема через равные промежутки времени в случае, если одновременно

А) автоматическая работа АПГ не запрещена и не работает поиск анодного эффекта

Б) выполняется одно из следующих условий:

Когда работа алгоритма поддержания концентрации запрещена или невозможна (в течение времени, большего, чем T2конц отсутствует приведенное напряжение).

В фазе подготовки к началу основной работы алгоритма концентрации и фазе перехода от насыщения к голоданию.

Во время перетяжки анодной рамы, если она длится более чем T2пер

В течение T2ае после анодного эффекта

После выливки в течение времени T2выл

После замены штырей в течение времени T2зам

В течение периода редкого питания по таймеру до и после обработки ванны (см. Сопровождение обработок электролизера)

Кроме перечисленных условий есть возможность запустить режим питания по таймеру с панели блока ТРОЛЛЬ или с верхнего уровня системы. В этом случае он будет работать до тех пор, пока аналогичным образом не запустится другой режим работы АПГ (например, алгоритм поддержки концентрации) или не произойдет автоматический переход к алгоритму поиска анодного эффекта.

После окончания периода питания ванны по таймеру автоматически запускается алгоритм поддержки концентрации, если он не запрещен.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Время перехода на питание по таймеру при отсутствии приведенного напряжения T2конц

Время перехода на питание по таймеру после начала перетяжки анодной рамы T2пер

Время работы АПГ по таймеру после анодного эффекта T2ае, после выливки T2выл и замены штырей T2зам

Поддержание концентрации глинозема

Алгоритм поддержания концентрации глинозема в электролите запускается автоматически по истечении времени питания по таймеру, если алгоритм не запрещен. Также его можно запустить вручную с панели блока ТРОЛЛЬ или с верхнего уровня.

Алгоритм состоит из фазы подготовки к началу работы и трех основных фаз – голодания, насыщения и регулирования МПР (переход от насыщения к голоданию). Работа алгоритма начинается с фазы подготовки. Она заключается в работе обычного алгоритма регулировании МПР (см. Автоматическая ликвидация МГД-нестабильности).

В течение этой стадии АПГ работает по таймеру с базовым периодом tбаз. Стадия завершается, когда среднее за 3 мин. приведенное напряжение окажется в пределах мертвой зоны регулирования.

После этого происходит автоматический переход к фазе гарантированного голодания. При этом:

АПГ работает в полтора раза реже базовой частоты

Мертвая зона регулирования МПР расширяется до пределов от (Uцели – DU1конц) до (Uцели + DU2конц), причем при подаче вниз целью регулирования является не . Uцели, а середина верхней части мертвой зоны (Uцели + DU2конц)/2.

Гарантированное голодание через время T1гол переходит в фазу нормального голодания. В этой стадии:

Подачи анодной рамы осуществляются так же, как и при гарантированном голодании

Время между срабатываниями дозаторов АПГ tгол устанавливается в зависимости от производной фильтрованного напряжения. Если она отрицательна, то tгол = Kгол *tбаз, (Kгол больше 1.5), в противном случае — tгол = 1.5*tбаз

Нормальное голодание завершается только когда производная фильтрованного напряжения станет больше заданного значения Dгол. Алгоритм переходит в фазу гарантированного насыщения, в которой

Подачи анодной рамы осуществляются так же, как и при голодании

АПГ работает в два раза чаще tбаз.

Гарантированное насыщение через время T1нас переходит в фазу нормального насыщения. В этой стадии:

Подачи анодной рамы осуществляются так же, как и при голодании

Время между срабатываниями дозаторов АПГ уменьшается в Kнас раз.

Нормальное насыщение заканчивается через время (T2нас- T1нас) или раньше, если производная фильтрованного напряжения станет больше нуля. После этого алгоритм переходит в фазу регулирования МПР. В этой стадии изменяется поведение алгоритма регулирования МПР. Подачи анодной рамы выполняются по следующим правилам:

Если среднее за 3 мин. приведенное напряжение меньше нижней границы стандартной мертвой зоны (Uцели – dUмпр), то выполняется подача вверх, но в качестве цели регулирования берется середина нижней части мертвой зоны (Uцели — dUмпр/2)

Если разность между средним за 3 мин. приведенным напряжением и целью управления не больше dUмпр, то выполняется подача вниз, причем в качестве цели регулирования также берется середина нижней части мертвой зоны.

Если разность между средним за 3 мин. приведенным напряжением и целью управления будет больше dUмпр, то подача не выполняется, а устанавливается признак “Проверьте АПГ”.

АПГ работает по таймеру с базовым периодом tбаз

Смысл описанного выше изменения алгоритма поддержания МПР в фазе перехода от насыщения к голоданию сводится к следующему: Для того, чтобы в процессе работы алгоритма концентрации напряжение колебалось вокруг цели управления, его минимум должен находиться где-то в нижней части стандартной мертвой зоны. Условие отсутствия подачи вниз при слишком большой невязке связано с нежелательностью поддавливания ванны в случае длительного периода плохой работы АПГ. Оно является необязательным и может быть выброшено, если на конкретном заводе организована оперативная реакция персонала на предупреждения системы о возможных неполадках АПГ. Стадия завершается при выполнении одного из условий:

Фаза длится более Tпер (не удается отрегулировать МПР)

среднее за 3 мин. приведенное напряжение становится больше нижней границы стандартной мертвой зоны (Uцели – dUмпр) но не больше Uцели

Во время нахождения алгоритма в фазе регулирования МПР выставлен признак “Проверьте АПГ”

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Параметры изменения границ мертвой зоны регулирования при голодании и насыщении DU1конц и DU2конц

Коэффициент зарежения питания при голодании на правой ветви Kгол

Коэффициент учащения питания при насыщении Kнас

Производная завершения голодания DUгол

Время гарантированного голодания T1гол и насыщения T1нас

Максимальное время насыщения. T2нас

Максимальное время перехода от насыщения к голоданию Tпер.

Автоматическая ликвидация МГД-нестабильности

Алгоритм предназначен для автоматического гашения возникшей на электролизере МГД-нестабильности с помощью увеличения межполюсного расстояния. Он включается автоматически, если

На электролизере обнаружена МГД-нестабильность

Работа алгоритма разрешена

Управление анодной рамы находится в автомате

Не работает алгоритм поиска анодного эффекта

Не включен ни один из регламентных режимов (выливка, перетяжка и выравнивание анодной рамы, замена штырей)

С момента возникновения анодного эффекта прошло время большее, чем T3ае

В момент включения алгоритма:

Принудительно завершается алгоритм сопровождения обработки ванны

Сбрасываются добавки к уставке, обусловленные работой алгоритмов выливки и сопровождения обработки ванны

Устанавливается добавка к уставке, равная dU1вол. Если при этом цель управления (см. Error: Reference source not found) оказывается меньше, чем среднее за 3 мин. приведенное напряжение U180 плюс 0.5*dU1вол, то добавка к уставке устанавливается равной (U180 + 0.5*dU1вол)

Запускаются таймеры волнения на ванне Таймер-1 и отсутствия волнения на ванне Таймер-2

В процессе работы алгоритма эти таймеры используются следующим образом:

Если в данный момент на электролизере уровень волнения больший, чем A1вол, то таймер-1 включается, а таймер-2 приостанавливается.

Если в данный момент на электролизере уровень волнения меньше, чем A2вол, то таймер-1 приостанавливается, а таймер-2 включается.

Если таймер-1 накопил время большее, чем T1вол, то добавка к уставке повышается на dU1вол и оба таймера перезапускаются. При этом добавка к уставке ограничивается величиной dU4вол

Если таймер-2 накопил время большее, чем T2вол, то добавка к уставке уменьшается на dU2вол и оба таймера перезапускаются.

Алгоритм прекращает работу в случае,

если добавка к уставке уменьшится до нуля,

перевода управления анодной рамы в ручной режим,

включения любого из регламентных режимов,

запуска алгоритма поиска анодного эффекта

возникновения на электролизере анодного эффекта.

В последнем случае добавка к уставке напряжения, связанная с работой алгоритма, обнуляется скачком. Во всех остальных случаях она плавно опускается до нуля ступенями dU3вол через промежутки времени dT3вол.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Время запрещения ликвидации МГД-нестабильности после анодного эффекта T3ае

Уровни волнения, при которых происходит повышение и понижение цели управления A1вол и A2вол

Параметры повышения цели управления в процессе гашения волнения T1вол, dU1вол и dU4вол

Параметры понижения цели управления в процессе гашения волнения T2вол и dU2вол

Параметры понижения добавки к уставке после отключения алгоритма dU3вол и dT3вол

Поддержание межполюсного расстояния

Алгоритм работает постоянно и обеспечивает удерживание приведенного напряжения вблизи цели регулирования (см. Error: Reference source not found). Он выполняет все подачи анодной рамы электролизера за исключением подач при выливке, сопровождении анодного эффекта, перетяжке и выравнивании анодной рамы. Он заключается в периодической проверке отклонения среднего за три мин. приведенного напряжения с текущей целью управления и, если невязка для данных условий велика, подач анодной рамы. Сравнение происходит, если истекла пауза после предыдущей проверки и идет промежуток времени, отведенный для автоматических подач в группе данной ванне (см. Принцип конвейера в разделе Общие черты алгоритмов). При сравнении алгоритм рассчитывает невязку напряжения с целью управления и, в зависимости от того, какой алгоритм сейчас работает, выполняет подачу анодной рамы. Приоритетность рассмотрения работающих алгоритмов следующая:

Сопровождение анодного эффекта

Поиск анодного эффекта

Автоматическая ликвидация МГД-нестабильности

Поддержание концентрации глинозема

Все остальные

Если по условиям, специфичным для работающего алгоритма, требуется подача анодной рамы, то она выполняется только при выполнении следующих условий:

Управление анодной рамой электролизера не находится в ручном режиме, на ванне не включен ни один регламентный режим (перетяжка, выливка, замена штырей или выравнивание) и ванна не в капитальном ремонте, обжиге или пуске.

Есть приведенное напряжение

Цель регулирования и среднее за 3 мин. приведенное напряжение больше U1дост и меньше U2дост

Отклонение тока серии от номинального значения не превышает dIмакс

После анодного эффекта прошло время большее, чем T1ае

После предыдущей подачи анодной рамы (любой, включая ручную подачу) прошло более dTмпр

Автоматическая подача не запрещена каким-нибудь из работающих алгоритмов

Если анодную раму необходимо подавать, то вне зависимости от того, была ли она выполнена или запрещена одним из перечисленных выше условий, таймер паузы между проверками необходимости регулирования перезапускается на время T1мпр

Если в течение заданного времени Т3мпр алгоритм выполнит более чем N3мпр регулирований, то таймер паузы между проверками необходимости регулирования перезапускается на время аварийной паузы T2мпр и сообщение об ошибке передается на верхний уровень системы.

Изменяемые с верхнего уровня параметры алгоритма:

Минимальное время между двумя подачами анодной рамы dTмпр

Максимальное отклонение тока серии от номинального для возможности автоматического регулирования dIмакс

Границы достоверности напряжения для автоматического регулирования U1дост и U2дост

Время запрещения автоматического регулирования после анодного эффекта T1ае

Время стандартной T1мпр и аварийной T2мпр пауз между двумя проверками необходимости регулирования

Параметры ограничения числа регулирований Т3мпр и N3мпр

Дополнительное оборудование

Бригадный контроллер

Бригадный контроллер (БК) – новое уникальное средство для повышения качества управления и работы технологического персонала в корпусе электролиза.

БК представляет собой небольшой шкаф (примерно 360х310х210 мм) в исполнении IP55, устанавливаемый в помещениях «пятиминуток». На каждый корпус поставлется по 4 БК. Бригадный контроллер оснащен плоским 10-ти дюймовым цветным VGA дисплеем, стандартной 16-ти клавишной клавиатурой и небольшой сиреной для звукового оповещения.

БК выполняет следующие функции (только для тех ванн, которые относятся к данной бригаде):

сигнализирует (визуально и звуком) об анодных эффектах с указанием номера ванны;

звуком и визуально сигнализирует о нештатных ситуациях на ванне;

содержит и может отображать полную информацию о ваннах бригады, в частности: графики за смены, сутки и час, все основные уставки управления, сводки за смену и сутки по ваннам;

БК в реальном режиме отображает напряжения ванн (рабочее и приведенное, и в виде графика), волнения, вспышки, ток серии и другую информацию о процессе электролиза.

крановые весы

К дополнительному оборудованию относятся программное обеспечение и два шкафа для получения информации о выливках из приемников крановых весов. Полученная информация автоматически попадает на АРМы мастеров, операторов, в базу данных системы и в любые сводки, генерируемые системой.

Шкафы групповой сигнализации АЭ

В качестве дополнительного оборудования в состав системы ТРОЛЛЬ-5 входят шкафы групповой сигнализации анодных эффектов (САЭ), в состав которых входит звуковой сигнализатор (сирена). Поставляемые фирмой ТоксСофт шкафы САЭ, работая совместно с системой ТРОЛЛЬ, имеют то преимущество, что разным звуком сигнализируют о вспышках в разных бригадах.

Применение шкафов САЭ вместе с бригадными контроллерами позволяет минимизировать время реакции технологического персонала на нештатные ситуации и вспышки, тем самим, повышая показатели работы корпуса.

Другое оборудование

Кратко перечислим некоторое дополнительное оборудование системы, доступное уже сейчас, или в самом ближайшем будущем:

Пульт управления главными контакторами — силовых цепей в корпусе электролиза;

Датчик перекоса анодной рамы – постоянно установлен на анодной раме, измеряет угол перекоса рамы. Совместно с блоком управления обеспечивает автоматическое поддержание анодной рамы в горизонтальном положении;

Датчик температуры и ликвидуса, концентрации – переносной прибор, подключаемый к БУ ТРОЛЛЬ 5 на время определения характеристик электролизера;

Обнаружение «нуля серии» — оборудование на КПП, совместно с КТНС позволяет определить электролизер в серии, имеющий нулевое относительно земли напряжение.

Программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000

Программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000 серьезно отличается от своих предшественников. Ниже приведены важнейшие новшества.

Новая концепция построения ПО ТРОЛЛЬ-2000 предполагает наличие в системе одного АРМ оператора независимо от того, сколько корпусов (вплоть до 12-ти) включено в систему. Таким образом, при внедрении АСУ ТП ТРОЛЛЬ в масштабах цеха реально сократить количество компьютеров, выделенных непосредственно под систему, до трех – АРМ оператора, сервер реального времени и сервер базы данных.

Однако одно рабочее место – не предел. Система предусматривает подключение неограниченного количества клиентских рабочих мест, для которых доступна работа, как с архивной, так и с оперативной информацией, через заводскую сеть. В случае если заводская сеть доступна через Интернет, возможно полноценное подключение к системе удаленных пользователей.

Новое программное обеспечение предусматривает защиту от несанкционированного доступа к панели управления любого из блоков управления ТРОЛЛЬ-5. В случае несанкционированного доступа будет блокирована любая попытка дать команду на включение двигателей или запуск регламентных режимов. В системе предусмотрена индивидуальная парольная защита для каждого БУ.

Программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000 позволяет снимать, хранить и анализировать пусковые характеристики двигателей приводов анодной рамы и кожуха. Анализ пусковых характеристик позволяет с большой долей вероятности прогнозировать выход двигателей из строя и предсказывать характер неисправностей.

Программное обеспечение ТРОЛЛЬ-2000 поддерживает работу со всеми модификациями БУ ТРОЛЛЬ, выпущенными фирмой ТоксСофт, а также поддерживает работу со шкафами управления других производителей.

Краткий перечень некоторых нововведений и особенностей ПО ТРОЛЛЬ-2000:

Возможность одного оператора системы;

Унифицированная программа — реализация рабочего места пользователя системы;

Централизованное управление и администрирование системой ТРОЛЛЬ;

Работа АРМов как в локальных сетях, так и через Internet;

Объявления в корпусе с любого АРМа (в частности старшего мастера);

Индивидуальная парольная защита при входе в систему;

Защита от несанкционированного доступа к панели БУ;

Ведение учета работы с БУ;

Снятие пусковых характеристик и прогноз неисправностей двигателей;

Новое представление данных (3-х фазные диаграммы);

Использование технологии нейронных сетей при анализе данных и прогнозе и другое

Как и другие системы автоматизации, система ТРОЛЛЬ является двухуровневым и состоит из нижнего и верхнего уровней.

Нижний уровень – состоит из оборудования для управления объектами автоматизации (в частности, БУ ТРОЛЛЬ), технологической сети, объединяющей оборудование и маршрутизатора (моста), приводящего при необходимости все данные в TCP/IP сеть Ethernet, понятный верхнему уровню;

Верхний уровень – системы ТРОЛЛЬ-2000 в свою очередь делится на две части:

Серверы системы – обрабатывают данные, как реального времени, так и архивные. Предоставляют в сети общего пользования (заводская сеть, Интренет, Интранет) готовые к использованию данные. Серверы системы открыты по стандартным для индустрии технологиям: TCP/IP, CORBA, SQL.

Рабочие места – реализуют пользовательский интерфейс для работы с данными и управления объектами автоматизации. Доступ к данным и средства управления предоставлены службами серверов системы ТРОЛЛЬ-2000. Использование стандартных технологии публикации серверов позволяет АРМам работать в любой операционной среде и находится в произвольном месте глобальной сети.

3.Анализ состояния автоматизации на предприятии.

ТРОЛЛЬ-5 и ТРОЛЛЬ-2000 относятся соответственно к оборудованию и программному обеспечению последнего поколения АСУ ТП электролиза алюминия фирмы ТоксСофт.

4.Перспективы развития автоматизации.

Нововведения в блоке управления ТРОЛЛЬ-5

Блок управления ТРОЛЛЬ-5 конструктивно значительно переработан по сравнению с предыдущими версиями. БУ ТРОЛЛЬ-5 имеет модульную структуру, модули реализованы в виде максимально независимых блоков. Все модули объединены внутренней локальной сетью RS-485, что позволяет, во-первых, значительно повысить помехозащищенность, а во-вторых, упрощает внутренний монтаж блока управления и повышает его ремонтопригодность.

Блок клавиатуры и индикации выполнен в герметичном корпусе со степенью защиты IP54 и подключается к внутренней сети блока управления двумя проводами. Клавиатура имеет три степени защиты от случайных помех. Обмен с процессором ведется по последовательному помехозащищенному интерфейсу; клавиатура заключена в металлический корпус, экранирующий электромагнитные излучения и напряжение сканирования повышено до 10 В. Средства визуализации блока управления ТРОЛЛЬ-5 дополнены светодиодным алфавитно-цифровым двухстрочным дисплеем с высотой символа около 6мм, благодаря которому значительно упрощается работа с БУ для технологического и обслуживающего персонала.

В качестве силовых элементов управления приводами анодной рамы и кожуха используются магнитные пускатели. В качестве силовых автоматов используются автоматы с дистанционным взводом и отключением. Сами автоматы установлены на задней стенке, а кнопки дистанционного управления выведены на дверь БУ.

В БУ ТРОЛЛЬ-5 значительно расширено количество встроенных каналов ввода-вывода. Количество выходов для управления АПГ достигает 10 выходов на каждую ванну. К каждому выходу (1,25А, ~220В) можно подключить как управление дозатором, так и пробойником. К БУ можно подключить также концевые выключатели перемещения анодной рамы (по два выключателя на ванну);

Программное обеспечение блока управления ТРОЛЛЬ-5, наряду с ранее реализованными алгоритмами, поддерживает работу с датчиками перекоса анодной рамы и позволяет автоматически устранять перекос, поддерживает работу с разрабатываемым датчиком температуры электролита, а также позволяет управлять электролизерами с выносных пультов. Программное обеспечение ТРОЛЛЬ-5 автоматически измеряет и показывает на алфавитно-цифровом дисплее токи двигателей приводов анодной рамы и кожуха, а также, в случае необходимости, снимает пусковые характеристики двигателей. Информация о токах двигателей и пусковых характеристиках сохраняется в базе данных.

В БУ ТРОЛЛЬ-5 предусмотрено подключение датчика температуры электролита, а также иных внешних устройств через внешний пылезащищенный разъем.

Краткий перечень нововведений и особенностей в БУ ТРОЛЛЬ-5:

Модульное построение БУ;

Внутренняя шина RS-485 с подключением внешних устройств;

Новый модуль клавиатуры/индикации (герметизация, защита от помех);

Контроль температуры (датчики) в блоках управления;

До 10-ти выходов АПГ на ванну с возможностью раздельного управления;

Текстовая информация на панели БУ;

Оперативный по фазный замер и отображение токов двигателей анода и кожуха;

Подключение концевых выключателей перемещения анодной рамы

Сигнализатор открытия двери БУ;

Светодиодные индикаторы состояния БУ (красный –«Авария», зеленый – «Питания»);

Большие (70мм) индикаторы на панели БУ;

Индивидуальная парольная защита на БУ;

Прогноз неисправностей двигателей;

Возможность работы с датчиком температуры электролизера;

Возможность включения автоматического выравнивания анодной рамы;

Независимая сигнализация анодных эффектов;

Дистанционный (кнопки на двери) взвод расцепителей и отключение;

И другое…

БУ и другая автоматика находится на очень высоком уровне, постоянно совершенствуется и заменяется более надежным, новым оборудованием.

1.Функциональная схема автоматизации процесса.

Подключение к БУ ТРОЛЛЬ

БУ ТРОЛЛЬ-5 с электролизера снимается такие параметры как ток и напряжение, через специализированный разъем, по сети RS-485 подключаются различные датчики (возможно подключение исполнительных устройств). В основном это два типа оборудования:

Датчики, постоянно установленные на электролизерах. Например, датчик перекоса анодной рамы фирмы ТоксСофт. Датчик перекоса позволяет оперативно измерять угол перекоса анодной рамы, и соответственно автоматически выравнивать раму;

Датчики и исполнительные устройства системы централизованной раздачи глинозема. Система :ЦРГ разработки фирмы ТоксСофт требует всего одного-двух датчиков на электролизер. Существенно дешевле и надежнее использовать имеющеюся инфраструктуру ТРОЛЛЬ, чем создавать отдельное АСУ ТП для ЦРГ;

Переносные портативные приборы для разовых замеров. К таким приборам относятся разрабатываемые датчики температуры расплава и ликвидуса, а также датчик концентрации. При такой работе, прибор подключается к блоку управления ТРОЛЛЬ-5, в течении нескольких секунд БУ опознает прибор и по мере (и по окончании) работы получает данные из прибора, хранит и передает далее на верхний уровень.

Подключение в технологическую сеть

Для оборудования, которое работает на уровне группы ванн, корпуса или серии в целом, оборудование может быть подключено к технологической сети корпуса. К такому оборудованию относятся, например бригадный контроллер и шкафы работы с радиоприемниками крановых весов.

Подключение к верхнему уровню системы

Верхний уровень системы ТРОЛЛЬ-2000 построен так, что позволяет подключать к нему любую полностью или частично распределенную систему автоматического управления любыми технологическими процессами. В качестве расширения возможностей АСУ ТП электролиза нужно сразу к верхнему уровню системы подключить, например центральную заводскую лабораторию (ЦЗЛ). Информация с ЦЗЛ органически дополняет информацию алюминиевого производства о ходе технологического процесса.

4.Заказная спецификация.

Контроллер управления:

Используемый контроллер: Octagon MicroPC

Кол-во входов/выходов: 40 (аналог или дискрет)

Посадочных мест модулей в/в: 24

Процессор: не ниже Intel 386SX 25MHz

Оперативная память: не менее 1 Мбайт

Статическая память: не менее 128 Кбайт

Флэш память: на менее 512 Кбайт

Потребляемая мощность: не более 30 Вт

Блок управления:

Размеры (без ножек): 1600х600х500 мм

Цвет: промышленный серый или синий

Диапазон температур: -40 oC … +50 oC

Степень защиты: IP55

Потребление по 220В контроллера: не более 100Вт

Контроллер тока и напряжения серии:

Используемый контроллер: Octagon MicroPC

Процессор: не ниже Intel 386SX

Точность измерения: не хуже 0,2%

Размер: не более 1000х600х400 мм

Степень защиты: IP54

Потребляемая мощность: не более 30 Вт

АРМ Оператора и АРМ Мастера:

Конфигурация компьютера: не ниже P2 233, RAM 128MB, HDD 1,6GB

Дисплей: Samsung SyncMaster 17 дюймов или Samsung SyncMaster TFT 15 дюймов

Другие параметры: плата ATX, мышь

Операционная система: Windows 98

ПО визуализации: разработка ТоксСофт

Применяемые пакеты: GWM версии 4.2 или выше

Звуковая плата: SoundBlaster-совместимая

Сетевая плата БД: Ethernet 10/100 Mbps

Сетевой протокол НУ: TCP/IP

Сетевой протокол БД: TCP/IP

Компоненты технологической сети:

Используемая сеть: ArcNet, скорость 2.5 Мбит/сек

Оптволоконный кабель: ОКП-50-4

Кол-во жил оптоволокна: 4

Диапазон температур: -50 oC … +50 oC

Исполнение оптокабеля: для наружного монтажа

Коаксиальный кабель: RG-62 (стандарт ArcNet)

Оптотрансиверы: фирмы ISOTRON

Концентраторы: фирмы ISOTRON

Маршрутизатор системы «СПАЙДЕР»

Конфигурация компьютера не ниже Pentium III 750, RAM 128MB,

HDD 10GB

Дисплей Samsung SyncMaster 15 дюймов

Операционная система Linux

Сетевые платы сети нижнего уровня ArcNet

Сетевая плата верхнего уровня Ethernet 10/100 Mbps

Сетевой протокол TCP/IP

Сервер реального времени «СПАЙДЕР»

Конфигурация компьютера не ниже Pentium III 750, RAM 128MB,

HDD 10GB

Дисплей Samsung SyncMaster 15 дюймов

Операционная система: Windows NT Server 4.0

Сетевые платы Ethernet 10/100 Mbps

Сетевой протокол TCP/IP

Сервер хранимых данных:

Конфигурация компьютера: не ниже Pentium Pro, RAM 512MB,

HDD 100GB

Дисплей: Samsung SyncMaster 15 дюймов

Операционная система: Windows NT Server 4.0

Сетевые платы: Ethernet 10/100 Mbps

Сетевой протокол: TCP/IP

Формат хранения данных: InterBase

ПО базы данных: разработка ТоксСофт

Средство разработки: Delphi

Срок хранения архива: 3 года

Количество и типы сводок: не ограничено

Режим печати сводок: автоматический и ручной

Принтер:

Тип принтера печати сводок: лазерный, A4

Марка принтера: HP LaserJet 6L (или аналогичный)

5.2. Программное обеспечение и документация

Программа блока управления:

Язык разработки: Ассемблер, C++

Среда разработки: Borland C++, TASM

Операционная среда: Octagon ROM DOS 6.22 или выше

Сетевой протокол: TSL 1.2 или выше

Комплект поставки: Готовая EXE программа

Файлы окружения

Исходные тексты

Закрытое ПО в виде LIB модулей

Программа АРМ оператора и мастера:

Язык разработки: Ассемблер, C++

Среда разработки: Borland C++ 4.5, TASM

Операционная среда: DOS 6.22 + PowerPack 1.0

Графическая среда: GWM 4.2 или выше

Сетевой протокол НУ: TSL 1.2 или выше

Сетевой протокол БД: IPX/SPX или TCP/IP

Комплект поставки: Готовая EXE программа

Файлы окружения

Исходные тексты

Программа базы данных:

Язык разработки: Object Pascal

Среда разработки: Borland Delphi

Операционная среда: Windos NT + InterBase

Формат хранения: InterBase

Сетевой протокол БД: IPX/TSIPX

Комплект поставки: Готовая EXE программа

Проект для Delphi

Поставка программного обеспечения:

Инсталляционные копии

Исходные тексты программ с комментариями

Вид поставки: два компакт диска

Документация:

Техническое Задание 1 экз.

Техно-рабочий проект 2 экз.

Инструкция по эксплуатации 2 комплекта

в составе:

Инструкции по эксплуатации производителей оборудования

Руководство по работе с БУ

Руководство по АРМ оператора

Руководство по АРМ мастера

Руководство по техническому обслуживанию системы

Руководство программиста

Руководство инженера электронщика

Руководство по работе с базой данных

Техническая документация 2 комплекта

в составе:

Общесистемные решения

Организационное обеспечение

Математическое (алгоритмическое) обеспечение

Информационное обеспечение

Программное обеспечение

Описание базы данных