Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
Теоретические основы и принцип действия алюминиевого электролизера 10
Устройство алюминиевого электролизера, основные причины выхода его из строя 14
Основные типы катодных устройств, применяемых в алюминиевой промышленности 24
Математические модели, используемые при расчетах электролизеров 28
Выводы к первой главе 37
Глава 2. Методики расчетов, представленных в работе и методы оценок технологических параметров электролизера .
Уравнения для расчета температурного поля и напряженно-деформированного состояния электролизера 39
Создание компьютерной модели электролизера 48
Построение модели 48
Задание свойств материалов 50
Физико-механические сгойства материалов 52
Граничные условия 66
Методика расчета температурного поля электролизера и оценки Формы рабочего пространства 67
Методика расчета напряженно-деформированного состояния и оценки целостности катодного устройства 68
Методика расчета электрического баланса 71
Методика расчета теплового баланса 75
Оптимальные значения исследуемых параметров работы алюминиевого электролизера 82
Выводы ко второй главе 85
Глава 3. Температурное поле, форма рабочего пространства и целостность катодного устройства с контрфорсным кожухом
Введение 86
Температурное поле и форма рабочего пространства электролизера при использовании футеровки различной конструкции 90
Целостность катодного устройства при использовании футеровки различной конструкции 96
Выводы к третьей главе 102
Глава 4. Температурное поле и форма рабочего пространства шпангоутных электролизеров и целостность их катодных устройств
Введение 104
Электролизер с наклонными продольными стенками 107
Электролизер с полунаклонными продольными стенками 115
Электролизер с вертикальными продольными стенками 122
Анализ факторов, влияющих на разрушение шпангоута 129
Выводы к четвертой главе 136
Глава 5. Сравнительный анализ температурных полей, формы рабочего пространства и целостности катодных устройств различных типов электролизеров
Введение 139
Сравнительный анализ температурных полей и формы рабочего пространства электролизеров 140
Сравнительный анализ напряженно — деформированного со стояния и целостности катодных устройств 147
Выводы к пятой главе 155
Заключение по работе 157
Список использованных источников 161
- Устройство алюминиевого электролизера, основные причины выхода его из строя
- Методика расчета температурного поля электролизера и оценки Формы рабочего пространства
- Целостность катодного устройства при использовании футеровки различной конструкции
- Электролизер с полунаклонными продольными стенками
Введение к работе
Процесс получения алюминия электролитическим способом сложен, он протекает при температуре около 960С в агрессивной среде, вследствие этого электролизер подвержен воздействию многочисленных факторов, способных нарушить его работу.
При проектировании новой конструкции электролизера необходимо с высокой точностью прогнозировать его поведение, знать температурное поле, форму рабочего пространства, тепловой, электрический балансы, и деформации, возникающие в катодном устройстве для оценки возможности разрушения футеровки и кожуха. Большая стоимость электролизера и длительный срок проверок правильности принятых технических решений исключают возможность проектирования новой конструкции методом проб и ошибок, поэтому возникает необходимость поиска других методов. Один из наиболее перспективных — метод компьютерного моделирования физических полей. Применение компьютерного моделирования позволяет провести глубокий анализ влияния конструкции электролизера на его физические поля, технологические показатели работы и срок службы. Вышеперечисленные причины определили необходимость создания компьютерных моделей электролизеров, наиболее распространенных в алюминиевой промышленности России.
В настоящее время существует ряд пакетов программ, таких как COSMOS/M, ANSYS и других, предназначенных для математического моделирования физических явлений. В связи с этим, становится актуальным применение этих пакетов для моделирования работы алюминиевого электролизера. Создание объемных компьютерных моделей электролизеров, разработка методик расчета температурного и электрического полей, электрического и энергетического балансов, а также определения ФРП, позволит провести детальный анализ работы электролизера, влияния тех или
5 иных изменений в конструкции электролизера на его технологические параметры. Разработка модели и методики расчета напряженно-деформированного состояния катодного устройства позволит оценить прочностные характеристики конструкции, степень обжатия подины, и в конечном итоге, срок службы электролизера.
Цель работы и задачи исследования:
Целью работы является;
Разработка методик расчета температурного, электрического поля электролизера и напряженно-деформированного состояния катодного устройства на основе компьютерных моделей электролизеров, созданых в пакетах программ, предназначенных для математического моделирования физических процессов. Разработка методик расчета теплового и электрического балансов с использованием результатов термоэлектрического расчета;
Количественная и качественная оценка влияния свойств теплоизоляционных, огнеупорных материалов, подового блока, конструкции футеровки катодного устройства и катодного кожуха на технологические параметры, температурные поля, форму рабочего пространства, деформации, целостность подины и возможность разрушения катодного устройства;
Выполнить оптимизацию конструкции угловой части шпангоута с целью увеличения срока службы катодного устройства шпангоутного типа;
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров, с высокой точностью повторяющие конструкции действующих электролизеров;
На основе компьютерных моделей электролизеров разработать методику температурных и прочностных расчетов; методику определения формы рабочего пространства электролизера, целостности подины и возможности разрушения катодного устройства, методику расчета теплового и электрического балансов;
Провести расчеты физических полей действующих электролизеров, протестировать модели электролизеров;
Провести расчеты термоэлектрического поля и напряженно-деформированного состояния электролизера с изменением конструкции футеровки и катодного кожуха;
Выполнить прочностные расчеты угловой части шпангоута с различными вариантами его конструкции и предложить мероприятия по улучшению конструкции шпангоута катодного кожуха;
Провести полный анализ всех выполненных расчетов.
Выдвинуть предложения и рекомендации по увеличению показателей работы электролизера
Методы анализа:
В процессе выполнения работы при помощи прикладных пакетов программ COSMOS/M и ANSYS, основанных на методе конечных элементов, были созданы компьютерные трехмерные модели действующих электролизеров. При помощи этих пакетов были проведены расчеты температурного, электрического полей и напряженно-деформированного состояния электролизеров. Проведено сравнение расчетных данных с практическими замерами температур, деформаций и технологических параметров работы действующих электролизеров. Проведена оценка формы рабочего пространства, технологических параметров, тепловых и электрических балансов, целостности катодного устройства рассмотренных электролизеров. При выполнении работ обозначенных диссертацией, были использованы положения теории теплопроводности, электропроводности, термоупругости, металлургии
7 алюминия, данные лабораторных испытаний, результаты практических замеров и справочные данные.
Научная новизна работы:
Впервые рассчитано и изучено напряженно-деформированное состояние катодного устройства алюминиевого электролизера в зависимости от технологических параметров его работы.
Впервые расчетным путем получено объемное температурное и электрическое поле алюминиевого электролизера с учетом технологических параметров работы,свойств расплава и формирования настыли и гарнисажа.
Впервые проведена количественная оценка зависимости температурного поля, напряжения, формы рабочего пространства, целостности и обжатия подины электролизера от таких параметров как: конструкция и материалы цоколя и бровки катодного устройства, степень графитизации подового блока и типа катодного кожуха.
При помощи инструмента компьютерного моделирования впервые выявлены причины и механизм разрушения шпангоутов и предложены технические решения по устранению этих разрушений.
Практическая значимость и реализация работы:
Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Представлены технические решения по модернизации футеровки катодных устройств действующих электролизеров, позволяющие увеличить срок службы и улучшить технико-экономических показатели работы электролизеров. На БрАЗе внедрены конструкции футеровок, выполненные согласно предложениям и рекомендациям, выдвинутым в диссертации, отмечено улучшение показателей работы этих электролизеров.
Разработаны технические решения по оптимизации конструкции шпангоутных кожухов с целью устранения разрушения шпангоутов и увеличения срока службы электролизеров с шпангоутными катодными устройствами. Все вновь пускаемые электролизеры шпангоутного типа на заводах компании РУСАЛа (на данный момент 480 электролизеров) в своей конструкции предусматривают внутреннюю накладку шпангоута, предложенную в данной диссертации.
Разработан инструмент, позволяющий методами компьютерного моделирования провести оценку эффективности принятых технических решений при модернизации действующих и проектировании новых электролизеров. Данный инструмент активно используется в ООО «ИТЦ» компании РУСАЛ. При помощи данного инструмента были решены такие задачи как: унификация конструкций электролизеров С-8БМ, С-8Б, ШПВВ, ШПБМ; повышение силы тока на электролизерах С-8БМ на 10%, С-255 на 10%. При активном использовании данного инструмента разработана конструкция катодного устройства мощнейшего электролизера в России на силу тока ЗООкА РА-300.
В настоящее время на Красноярском, Братском и Саяногорском алюминиевых заводах внедрены конструкции футеровок, спроектированных при помощи расчетов, проведенных по методике, предложенной в диссертации. Результаты внедрения конструкции футеровки показывают улучшение технологических параметров работы электролизеров.
На защиту выносятся:
Эффективность и адекватность представленных методик расчета термоэлектрических полей, прочностных расчетов, расчетов теплового и электрического балансов, определения формы рабочего пространства, цело-
9 стности подины и возможности нарушения целостности катодного устройства;
Полученные результаты оценки качественного и количественного влияния конструкции катодного устройства на показатели работы электролизера.
Причины и механизм разрушения шпангоутов и предложенные технические решения по устранению этих разрушений
Выводы по сравнительному анализу температурных полей, формы рабочего пространства, целостности катодного устройства и технологическим параметрам работы электролизеров с контрфорсным катодным устройством С-8БМ, шпангоутным катодным устройством с вертикальными, полунаклонными и наклонными стенками.
Апробация работы._Материалы диссертации докладывались на VII Международной конференции «Алюминий Сибири — 2001», г. Красноярск, 11-13 сентября 2001г. На IX Международной конференции «Алюминий Сибири - 2003 »,г. Красноярск, 9-11 сентября 2003 г.
Публикации._По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, 4 тезиса докладов, получен 1 патент и имеется решение о выдачи 1 патента.
Структура работы ._Материал диссертации изложен на 170 страницах, включая 48 рисунков и 23 таблиц. Работа состоит из литературного обзора, включающего 1 главу, методики расчетов, включающей 1 главу, рас-четно-аналитической части, включающей 3 главы, выводов, списка используемых источников (105 наименований).
Устройство алюминиевого электролизера, основные причины выхода его из строя
При производстве алюминия электролитическим способом используются различные типы электролизеров с обожженными анодами и самообжигающимся анодом [2- 5], но независимо от типа анода и катодного кожуха цель и конструкция футеровки катодного устройства практически одинаковы для всех типов электролизеров. Отличие заключается в габаритных размерах футеровки и материалах, применяемых в ней. В данной работе рассматриваются температурное поле и напряженно-деформированное состояние катодного устройства, поэтому большого значения, какой вид анода используется, нет. Все дальнейшие модели были построены и рассчитаны как электролизеры с самообжигающимся анодом.
1. Ошиновка представляет собой катодные и анодные алюминиевые токоподводы, предназначенные для подачи электрического тока в электролизер, а также для связи группы электролизеров в серию. От конструкции ошиновки в значительной степени зависит работа электролизера, так как ее конструкция очень сильно влияет на электромагнитное поле электролизера. При неправильно спроектированной конструкции может наблюдаться МГД нестабильность, что приведет к сбоям в работе электролизера.
2. Штыри - это стальные стержни, установленные в тело анода и соединенные с ошиновкой анода. Предназначены для равномерной подачи электрического тока в обожженную часть анода, а также для удержания анода.
3. Анодный кожух необходим для удержания анодной массы и формирования твердого анодного тела, а также для регулирования тепловых полей по телу анода. Кроме того, анодный кожух является платформой для крепления различных агрегатов, предназначенных для обслуживания электролизеров.
4. Анодная масса необходима как один из основных реагентов в процессе электролиза. Она представляет собой смесь из двух компонентов, прокаленный кокс-наполнитель и пек, используемый как связующее. Процентное содержание этих компонентов: меняется в зависимости от типа анода (жирный, полусухой и сухой). При нагревании массы происходит коксование связующего, а при температуре выше 700С получается монолитный, прочный и хорошо электропроводный материал.
5. Газосборный колокол предназначен для сбора и отвода газов, выделяющихся в процессе электролиза.
6. Корка - Сплав застывшего электролита с глиноземом. Корка образуется в процессе электролиза и выполняет роль утеплителя катодной ванны.
7. Глиноземная засыпка. Она предназначена для естественной фильтрации отходящих газов, для уменьшения утечки газов из колокола, а также для утепления электролизера.
8. Электролит. Основная функция электролита — среда, в которой возможен электролитический процесс с выделением алюминия на катоде. Электролит представляет собой расплав криолита (с криолитовым отношением 2,3 — 2,7) и глинозема (с процентным содержанием 2-8% масс), кроме того, в электролит обычно добавляют различные добавки, такие как MgF2, CaF2, LiF и т.д. При прохождении электрического тока через слой электролита происходит выделение Джоулева тепла. Именно это тепло и является основным нагревателем электролизера до рабочей температуры. Из всего перечислен 17 ного выше следует, что основными и необходимыми свойствами при выборе электролита являются теплопроводность, электропроводность, плотность, вязкость, поверхностное натяжение и т.д. Толщина слоя электролита между подошвой анода и зеркалом анода называется межполюсное расстояние, обычно оно составляет 55-65 мм, а общий уровень электролита 160 - 220 мм;
9. Алюминий - металл для получения которого собственно и ведется электролиз. В электролизере поверхность расплавленного алюминия является непосредственно катодом. Уровень метала для ванн с самообжигающимся анодом обычно составляет 30 - 50 см.
10. Катодный кожух - металлическая конструкция, которая может быть нескольких видов, которые будут описаны в следующей главе. Кожух предназначен для содержания футерующих материалов в строгом порядке, он может быть использован в течение нескольких кампаний. Основное требование к кожуху - это жесткость, необходимая для достаточного обжатия подины при сравнительно небольшом весе.
11. Бортовой блок изготавливается из жаростойкого и высокостойкого к расплаву материала (углерод, 8ІС). Функциями бортовых блоков являются: предотвращение проникновения расплавленного алюминия и электролита к катодному кожуху; теплоизоляция ванны в боковых направлениях; создание огнеупорной поверхности внутри ванны для образования гарнисажа.
12.Гарнисаж - Замерзший электролит, толщину и форму которого регулируют искусственно, так как он и настыль являются необходимыми элементами работающего электролизера. Основной функцией гарнисажа является предотвращение прямого контакта бортовых блоков с жидким электролитом, предотвращая тем самым разрушение бортовых блоков. Другой функцией гарнисажа является регулирование за счет своей толщины тепловых потерь электролизера через боковые стенки.
13.Подина - наиболее важная часть катодного устройства. Подина представляет собой строго уложенные подовые блоки, разделенные между собой швами толщиной 40 мм или приклеенные друг к другу. Подовый блок - это блок из углеродного материала, обладающего высокой электропроводностью и жаростойкостью, внутри которого помещен металлический стержень (блюмс), необходимый для отвода электрического тока. Межблочный шов изготавливается из подовой массы, утрамбованной в межблочное пространство. Он необходим для соединения блоков между собой и создания монолитной подины в процессе обжига и пуска электролизера.
14. Блюмсы - стальные стержни, заделанные в пазы подовых блоков и предназначенные для отвода электрического тока из ванны.
15. Периферийный шов находится между подиной и бровкой катодного устройства. Представляет собой утрамбованную подовую массу. Как и межблочный шов, он предназначен для компенсации температурного расширения подовых блоков и для создания монолитности подины;
16. Подушка (или барьер) располагается под подовыми блоками и прикрывает цоколь катода. Функцией барьера является предотвращение попадания расплава в цоколь катода. Барьер может быть различного устройства: стальной лист; барьерный материал, который при взаимодействии с расплавом создает твердую, не проницаемую для электролита прослойку и т.д. Другой важной функцией подушки является выравнивание поверхности для укладки подовых блоков.
17. Огнеупорный материал находится под подушкой поверх теплоизоляционного материала и в бровке катодного устройства. Огнеупорные кирпичи укладываются в два-три слоя, обычно это шамотный кирпич, обладающий относительно низкой теплопроводностью и высокими огнеупорными свойствами. Этот материал необходим для защиты теплоизоляционного материала от воздействия высоких температур и компонентов расплава, проникающих через подину.
18. Теплоизоляция обладает плохой стойкостью к компонентам расплава, поэтому теплоизоляционный материал укладывается ниже огнеупорного материала в два или три слоя кирпича и предназначен для уменьшения тепловых потерь электролизера. В качестве теплоизолятора обычно используется пенодиатомит, реже силикат кальция, вермикулит.
19. Шамотная крошка засыпается на днище катодного кожуха слоем, толщиной 20-30 мм, иногда также по периметру ванны между стенкой кожуха и бортовой футеровкой. Этот слой предназначен для создания ровной поверхности, которая необходима при укладке теплоизоляционных кирпичей или плит по мере возможности.
Методика расчета температурного поля электролизера и оценки Формы рабочего пространства
Первоначальный расчет температурного поля после создания модели, присвоения свойств материалов и определения граничных условий, выдает температурное поле близкое к действительному, но все таки с некоторым отличием. Для понимания причин отличия расчетного и реального температурных полей электролизера, рассмотрим расчетную математическую модель. Модель учитывает такие факторы, как выделение тепла за счет прохождения электрического тока, свойства материалов (их нелинейность и анизотропность), потерю теплоты электролизером посредством конвективной теплоотдачи и лучеиспускания. Однако, не учтены эффекты, связанные с магнитной гидродинамикой. При движении расплава и жидкого алюминия присутствует массоперенос вещества, что увеличит скорость доставки более горячих масс к периферии катода. В результате этого явления температурное поле электролизера будет отличаться от расчетного значения. Поэтому, чтобы учесть эффекты, связанные с магнито-гидродинамикой, в компьютерную модель вводятся эффективные коэффициенты, увеличивающие теплопроводность расплава и жидкого алюминия. Подбор этих коэффициентов ведется до тех пор, пока после очередного расчета температурного поля результаты этого расчета не совпадут с реальными данными действующего электролизера. Для идентичных конструкций (одинаковая шахта, одинаковая конструкция ошиновки и т.д.) достаточно подобрать значение этих коэффициентов один раз, и они будут пригодны для всех остальных вариантов, это было проверено по многократным расчетам. После получения достоверной картины производится последний уточненный расчет температурного поля электролизера. В результате этого расчета погрешность составляет 0,1%. По результатам температурного расчета можно получить следующие данные: распределение температуры в модели электролизера; распределение потенциалов; форму рабочего пространства. Определение формы рабочего пространства происходит следующим образом: 1. Температурное поле масштабируется таким образом, чтобы изотерма ликвидуса электролита 940С четко прослеживалась на модели. В диссертации эта линия показана как граница красного и желтого цвета. 2. На модели, где показана форма рабочего пространства, выделяются границы подины, периферийного шва, бортового блока и анода. 3. Производится замер длины настыли под проекцией анода, толщины гарнисажа в необходимых местах. Данные температурных моделей используются при следующих расчетах. 2.4. Методика расчета напряженно-деформированного состояния и оценки целостности катодного устройства Так как производится расчет напряженно-деформированного состояния не электролизера, а его катодного устройства, то анодное устройство вместе с кожухом, ошиновка, глинозем, корка, электролит, алюминий и гар-нисаж с настылем удаляются. В полученную модель четвертой части катодного устройства закладывается температурное поле, полученное в предыдущем расчете. Задаются свойства и граничные условия, необходимые для это 69 го вида расчетов. Величина натриевого расширения, как уже упоминалось выше, закладывается в коэффициент температурного расширения. Производится расчет напряженно-деформированного состояния катодного устройства. По результатам этого расчета можно получить следующие данные: напряжения в катоде (как главные, так и любые его составляющие); деформации, наблюдаемые в модели катода (как результирующие, так и любые его составляющие). По результатам расчета напряженно-деформированного состояния можно определить возможность разрушения катодного устройства, возможность нарушения целостности подины и многие другие параметры. Под целостностью катода понимается следующее: соблюдается целостность подины. Она хорошо обжата со всех сторон и нет раскрытия межблочных и периферийных швов; нет разрушений футеровки; катодный кожух сохраняет свою целостность, нет трещин и разрушений в катодном кожухе.
Катодное устройство алюминиевого электролизера, как уже было сказано, включает в себя большое количество разнообразных материалов. Для того чтобы оценить целостность катодного устройства, необходимо рассмотреть возможность разрушения этих материалов, используя критерии прочности. Однако материалы имеют различную структуру, поэтому для оценки возможности их разрушения нужно применять и разные критерии прочности.
Если рассматривается возможность разрушения катодного кожуха, тогда используется критерий Мизеса. По мнению авторов [95], для пластичного материала, имеющего примерно одинаковый предел прочности на растяжение и сжатие, критерий Мизеса наиболее точно определяет возможность разрушения. Согласно теории прочности Мизеса наступление в деформируемом теле опасного пластического состояния наступает тогда, когда потенциальная энергия деформации, связанная с изменением формы достигает опасного значения. Условие прочности при этом имеет вид: оэкв= -р-7( Г - ?г)г + ( 2 - сг,)2 + Оз - т,)г й [а] (46) При оценке целостности подины и возможности разрушения подовых блоков и швов, используется критерий прочности О. Мора. Условие прочности, по гипотезе Мора, имеет вид: Q - - -ffs Eff] (47) Видно, что эта гипотеза учитывает то, что углеродные материалы имеют различную прочность на сжатие и на растяжение. Поэтому возможность разрушения углеродных материалов в диссертации оценивалась по критерию прочности О. Мора. Методика оценки возможности разрушения катодного кожуха, деформаций катодного устройства и нарушения целостности подины выглядит следующим образом: ? На дисплей компьютера выводятся результирующие напряжения, действующие в катодном кожухе. ? Подробно изучается напряженное состояние катодного кожуха, если существуют зоны, в которых действующие напряжения превышают 220 МПа, то стальной кожух переходит в пластическое состояние (рассмотрен случай для стали 3, которая чаще всего используется), а придел прочности составляет 360 МПа. Присутствие таких зон говорит о возможности разрушения катодного кожуха в этих местах.
Целостность катодного устройства при использовании футеровки различной конструкции
Полученные температурные поля электролизера С-8БМ, которые были рассмотрены в прошлой главе, использовались для дальнейшего расчета напряженно-деформированного состояния катодных устройств электролизеров и определения их целостности. Четыре конструкции футеровки цоколя, рассматриваемые в этой главе, были подробно описаны раньше. Все расчеты напряженно-деформированного состояния катодного устройства С-8БМ и всех конструкций, которые рассмотрены в диссертации, были произведены с учетом следующих моментов: свойства всех материалов, для всех электролизеров полностью идентичны и приведены во второй главе; граничные условия одинаковы для всех моделей; катодные кожуха опираются на подкатодную балку либо посредством «стульчика», если он предусмотрен конструкцией, либо на расстоянии 1650 мм от центра на крайнюю балку днища; при расчетах напряженно-деформированного состояния всех вариантов было учтено натриевое расширение подового блока, давление на катодное устройство расплавленного алюминия и электролита. Деформации катодных устройств электролизера С-8БМ приведены в таблице 14. Катодное устройство с исходным вариантом футеровки обладает продольными деформациями 40,1 мм (рисунок 18а). Как видно из таблицы 14 исходный вариант цоколя и цоколь 2 варианта имеют практически одинаковые продольные деформации, а варианты 3 и 4 с дифференцированной футеровкой имеют меньшие продольные деформации. В поперечном направлении деформации всех вариантов практически одинаковы, но небольшое увеличение наблюдается у третьего варианта (рисунок 19а). Большие деформации в поперечном направлении способствуют уменьшению обжатия подины катодного устройства и к раскрытию периферийного шва. Необходимо, чтобы подина электролизера была хорошо обжата, иначе расплав может через трещины в швах протечь в цоколь катодного устройства. Такие протеки нарушают нормальную работу электролизера и могут привести к преждевременному отключению электролизера. Подробно этот вид технологического нарушения рассмотрен в первой главе. Как видно из рисунков 21 и 22 подина катодного устройства исходного варианта обладает хорошим обжатием как в продольном, так и в поперечном направлениях. Видно, что напряжения, возникающие в подине и в периферийном шве, не имеют положительных значений (то есть нет растягивающих напряжений), а сжимающие напряжения не превышают 20МПа (то есть не произойдет разрушения материала от чрезмерного сжатия). Подъем подины исходного варианта составляет 37,3 мм. Вертикальные деформации приведены на рисунке 20 и в таблице 14, видно, что исходный вариант обладает самым низким подъемом подины, а прогиб центральной балки составляет всего 1,7мм.
Направление деформации Зона деформации Значение параметров для ванны С-8БМ с различной конструкцией футеровки цоколя катодного устройства 2ШБ(Россия)+ЗПД (Россия) 2ШБ (Россия )+2ПД(Россия)+1SUPERПООЕ(Skamol) Дифференцированная футеровка цоколя сприменением ШБ(Россия)+Уipl2(Skamol)+ VllOO(SkamoI) Дифференциро ванная футеровка цоколя с применениемШБ(Россия)+Vip]2(Skamol)+VI100 (Skamol), ПБкороче на 100 мм Продольные, мм Верх середины торцевой стенки 40,1 40,8 36,3 37,0 Низ середины торцевой стенки 6,6 5,5 4,5 3,8 Поперечные, мм Верх середины продольной стенки 33,2 32,8 34,9 32,6 Низ середины продольной стенки 2,6 2,3 2,4 2,0 Вертикальные, мм Верх центра подины 37,3 37,5 40,4 42,2 Середина центральной балки днища 29,4 29,5 32,8 34,7 Угол центральной балки днища 27,7 28,7 28,0 29,9
Применение в качестве нижнего ряда кирпичей SiCa с повышенной теплоизоляционной способностью привело к понижению температуры днища. Понижение температуры днища незначительно повлияло на деформации катодного устройства, однако, все-таки наблюдаются изменения. Продольные деформации, представленные на рисунке 186, увеличились на 0,7 мм и составили 40,8 мм. Поперечные уменьшились на 0,4 мм и составили 32,8мм. Подъем подины увеличился на 0,2 мм и составил 37,5 мм. Прогиб центральной балки днища уменьшился и составил 0,8 мм. Обжатие подины, как видно из рисунков 21-22, осталось практически таким же в продольном направлении и лишь немного ухудшилось в поперечном.
Третий вариант конструкции футеровки цоколя катодного устройства показал, что продольные и вертикальные деформации значительно отличаются между катодными устройствами с классической и дифференцированной футеровками. В продольном направлении деформации этого варианта уменьшились, по сравнению с исходным вариантом, на 3,8мм (рисунок 18в) и составили 36,3 мм. Поперечные деформации увеличились на 1,7 мм и составили 34,9 мм. Большие изменения произошли в вертикальных деформациях. Из рисунка 20в и таблицы 14 видно, что подъем подины увеличился на 2,9 мм и составил 40,4 мм, прогиб центральной балки составил 2,8 мм, что на 1,1 мм больше, чем у исходного варианта.
В исходном варианте цоколя на продольные и торцевые стенки действуют нагрузки от давления подины (температурное и натриевое расширение) и от давления шамота (температурное расширение). Компенсатором расширения подины является кирпич пенодиатомита, специально предусмотренный в конструкции бровки, а компенсатора расширения шамота нет. Поэтому суммарная сила расширения подины и шамота действует на стенки кожуха на уровне шамота. В результате применения дифференцированной футеровки кирпичи вермикулита, обладающие низким модулем упругости, проходят вдоль стенок кожуха на уровне шамота и являются в этом случае компенсаторами для температурного расширения шамота. Температурное расширение шамота компенсируется, и давление его на стенки кожуха снижается. В этом случае происходит смещение сил, действующих на стенки кожуха, вверх, что приводит к резкому увеличению подъема подины.
В последнем варианте рассматривалось влияние увеличения ширины периферийного шва и дополнительного утепления угловой части кожуха на его напряженно-деформированное состояние. Как показали результаты расчетов, деформации этого варианта близки к деформациям предыдущего варианта. Результаты расчета представлены на рисунках 18г-21г и в таблице 14. Катодное устройство с этой конструкцией футеровки обладает наибольшими вертикальными деформациями, прогибом центральной балки днища и наибольшим обжатием подины.
Электролизер с полунаклонными продольными стенками
В качестве электролизера с полунаклонными стенками была взята компьютерная модель электролизера с вертикальными стенками ШПВВ и переделана угловая часть продольной стенки. Была разработана объемная модель этого электролизера и проведен расчет его температурного поля. « Данные замеров температур катодного устройства электролизера с ка тодным устройством шпангоутного типа и полунаклонными продольными стенками отсутствуют. Были рассмотрены такие же варианты футеровки, как и в электролизере с наклонными продольными стенками. В таблице 18 представлены результаты температурного расчета всех вариантов футеровки цоколя для электролизера этого типа. Таблица 18. Результаты температурных расчетов электролизера с катодным устройством шпангоутного типа и полунаклонными продольными стенками Шпангоутный электролизер с полунаклон ными продольными стенками его катодного Параметр измерения устройства 2ШБ+ЗПД 2ШБ+2П 2ШБ+2 2ШБ+2 Д+SiCa Hipor +SiCa Hipor +SiCa+ ПБ Практи- Расчет- ческие ные 100% С Межполюсное расстояние, мм О 69 67 64 66 Рабочая температура электролита, С Т 959,6 960 960 959 Длина настыли под анодом, мм С 483 407 355 615 Минимальная толщина гарнисажа, мм У ПО 123 132 115 Температура центра продольной стенки,С: Т выше блюмса на 790 мм с 211 211 210 271 выше блюмса на 530 мм в 248 246 242 304 выше блюмса на 90 мм У 249 246 239 305 Температура днища в центре, С ю S5 66 49 48 Температура под подушкой, С т 907 922 933 927 Температура под 2-м рядом ШБ, С 847 877 902 896 Температура под 2-м рядом ПД, С 500 658 532 529 Температурное поле и форма рабочего пространства исходного варианта представлены на рисунках 23 6-2 8а. Расчетная рабочая температура электролита исходного варианта электролизера составляет 959С. Основные результаты расчета температурных полей всех вариантов футеровки приведены в таблице 18. Видно, что наблюдается такая же картина, как и у электролизера с наклонными продольными стенками. В связи с этим результаты расчетов этого электролизера рассмотрены кратко. На рисунке 28 показана форма рабочего пространства исходного варианта электролизера. Видно, что электролизер с футеровкой исходного варанта обладает наибольшим межполюсным расстоянием - 69 мм, по сравнению с остальными вариантами. Ми 117 нимальная толщина гарнисажа этого варианта составляет 110 мм, а длина настыли под проекцией анода составляет 483 мм.
На рисунке 286 представлена форма рабочего пространства электролизера с применением второго вида конструкции футеровки (с применением SUPER-1100Е). Межполюсное расстояние в электролизере уменьшилось на 2 мм и составило 67мм, толщина гарнисажа увеличилась на 13 мм и составила 123 мм, а длина настыли под анодом уменьшилась на 76 мм и составила 407 мм. Температура продольных стенок в среднем осталась без изменений, а температура днища снизилась на 19С и составила 66С.
Форма рабочего пространства электролизера с третьим вариантом футеровки представлена на рисунке 2 8 в. В этом случае было рассмотрено утепление цоколя катода при помощи материалов с высокой теплоизоляционной способностью HIPOR и SUPER-1100Е и влияние такого утепления на форму рабочего пространства.
Межполюсное расстояние в электролизере уменьшилось на 5 мм, по сравнению с исходным вариантом, и составило 64 мм, минимальная толщина гарнисажа составила 132 мм. Длина настыли уменьшилась на 128 мм по сравнению с исходным вариантом, и составила 355 мм под проекцией анода. Температура продольной стенки не изменилась, температура днища снизилась на 36 С и составила 49 С.
Анализ результатов температурных расчетов последнего варианта показал, что применение графитизированного подового блока, также как и в прошлом случае, приводит к увеличению межполюсного расстояния на 2 мм и длины настыли под проекцией анода до самого большого значения 615мм. Толщина гарнисажа снизилась на 17мм. Такой эффект можно объяснить повышением теплопроводности блока, что приводит к увеличению тепловых потерь через бока электролизера. Это также приводит к увеличению температуры стенок примерно на 50-60С. Температуры цоколя катодного устройст 118 ва не меняются. Форма рабочего пространства этого электролизера представ лена на рисунке 28г.
Рисунок 28. Форма рабочего пространства электролизера с катодным устройством шпангоутного типа и полунаклонными продольными стенками с цоколем: а) 2ШБ+ЗПД (российского производства); б) 2ШБ+2ПД (российского производства) + SiCa SUPER-1100 Е (Scamol); в) 2ШБ (российского производства) + 2 HIPOR (Skamol)+ SiCa SUPER-1100 E (Scamol); г) 2ШБ (российского производства) + 2 HIPOR (Skamol)+ SiCa SUPER-1100 E (Scamol)+ подовый блок графитизирован
Деформации катодных устройств электролизера шпангоутного типа с полунаклонными продольными стенками приведены в таблице 19. Катодное устройство с исходным вариантом футеровки цоколя обладает продольными деформациями 33,4 мм. Как видно из таблицы 19, все рассмотренные катодные устройства имеют практически одинаковые продольные деформации, отличается только вариант с применением подового блока с содержанием 100% графита. Такая же картина наблюдается и в поперечном направлении: для исходного варианта поперечные деформации составляют 40,4 мм. Как видно из рисунков 29 и 30а, подина катодного устройства исходного варианта обладает хорошим обжатием в продольном направлении. В поперечном направлении обжатие подины не очень хорошее, хотя периферийный шов и сжат, однако, на поверхности подины наблюдаются растягивающие напряжения. Подъем подины исходного варианта составляет 39,5 мм. Вертикальные деформации, представленные в таблице 19, показывают, что исходный вариант обладает большим подъемом подины, чем катодное устройство с наклонными стенками, а прогиб центральной балки составляет максимальное значение среди всех вариантов 25,1мм.
Применение в качестве нижнего ряда кирпичей SiCa, имеющих меньшую теплопроводность, чем пенодиатомит, приводит к понижению температуры днища. Понижение температуры днища незначительно повлияло на де 120 формации катодного устройства. Продольные деформации практически не изменились. Поперечные деформации также практически не изменились и составили 40,5 мм. Подъем подины увеличился на 0,4 мм и составил 39,9 мм. Прогиб центральной балки днища немного уменьшился и составил 24,9 мм. Обжатие подины, как видно из рисунков 29-30, осталось практически таким же и немного улучшилось в поперечном направлении.
Третий вариант конструкции футеровки цоколя катодного устройства показал следующие результаты. Продольные деформации составили 33,4 мм, а поперечные 40,4 мм. Подъем подины практически не изменился и составил 40,1 мм. Прогиб центральной балки днища составил 24,6 мм. Обжатие подины, как видно из рисунков 29-30, осталось практически не изменилось в продольном направлении и улучшилось в поперечном.
Как видно из таблицы 17 и рисунков 29 и 30, продольные деформации в катодном устройстве с полунаклонными продольными стенками и графити-зированными подовыми блоками уменьшились на 8,8 мм и составили 24,6 мм. Поперечные снизились на 11 мм, по сравнению с исходным вариантом, и составили 29,4 мм, а вертикальные составили 32,5 мм. Прогиб центральной балки уменьшился на 8,4 мм и составил 16,5 мм.
