Архипов Александр Геннадьевич. Влияние конструктивных и технологических параметров на целостность подины алюминиевых электролизеров при обжиге

brief description

Архипов, Александр Геннадьевич. Влияние конструктивных и технологических параметров на целостность подины алюминиевых электролизеров при обжиге : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.02 / Архипов Александр Геннадьевич; [Место защиты: Ур. федер. ун-т имени первого Президента России Б.Н. Ельцина].- Красноярск, 2013.- 214 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/743

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
"Сибирский федеральный университет"
Архипов Александр Геннадьевич
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ НА ЦЕЛОСТНОСТЬ ПОДИНЫ
АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПРИ ОБЖИГЕ
Специальность
05.16.2 - Металлургия черных, цветных и редких металлов
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
04201453345
На правах рукописи

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор П.В. Поляков
Красноярск - 2013

2
ВВЕДЕНИЕ 5
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ: 5
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: 6
МЕТОДЫ АНАЛИЗА: 8
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ: 8
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ: 9
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: 10
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 12
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА 12
1.2. ЗАДАЧИ ОБЖИГА 18
1.3. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОБЖИГА И ПУСКА 19
1.3.1 Обжиг с формовкой анода 20
1.3.2 Обжиг на жидком металле 20
1.3.3 Обжиг на двухслойном расплаве 21
1.3.4 Обжиг на жидком электролите 22
1.3.5 Обжиг на коксовой крупке 22
1.3.6 Обжиг электрическими панелями 28
1.3.7 Пламенный обжиг 28
1.4. ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ ПРИ ОБЖИГЕ И ПУСКЕ,
ПОСЛЕПУСКОВОМ ПЕРИОДЕ 32
1.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ ОБЖИГА, ПУСКА,
ПОСЛЕПУСКОВОГО ПЕРИОДА 36
1.6. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЖИГА И ПУСКА, ПОСЛЕПУСКОВОГО
ПЕРИОДА 42
1.7. КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОГО ОБЖИГА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ
ЦЕЛОСТНОСТИ подины 49
1.8. Выводы 52
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ 54
2.1. УРАВНЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТАХ ОБЖИГА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ 54
Граничные условия 61
2.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРИ ОБЖИГЕ НА
КОКСЕ 71
2.2.1 Создание конечно-элементной модели 71
2.2.2 Свойства материалов футеровки и кожуха 74
2.2.3 Задание начальных и граничных условий 78
2.2.4 Адаптация термоэлектрической модели обжига на коксе 81
2.3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПЛАМЕННОМ ОБЖИГЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТИВНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ 88
2.3.1 Создание конечно-элементной модели 88
2.3.2 Физико-механические свойства материалов 90

з
2.3.3 Задание начальных и граничных условий 90
2.3.4 Адаптация тепловой модели пламенного обжига 91
2.4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПЛАМЕННОМ ОБЖИГЕ С
УЧЕТОМ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА 92
2.4.1 Создание конечно-элементной модели 96
2.4.2 Физико-механические свойства материалов 97
2.4.3 Задание начальных и граничных условий 98
2.4.4 Адаптация тепловой модели пламенного обжига 99
2.5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И
ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ КАТОДНОГО УСТРОЙСТВА 104
2.6. Выводы 108
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДОВОЙ МАССЫ И КОКСОВОГО ПОРОШКА 109
3.1. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ ПОДОВОЙ МАССЫ .109
3.2. Пючность и МОДУЛЬ УПРУГОСТИ ПРИ СЖАТИИ ПОДОВОЙ МАССЫ 118
3.3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОДОВОЙ МАССЫ 122
3.4. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ И УСАДКА ПОДОВОЙ МАССЫ 124
3.5. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОДОВОЙ МАССЫ 126
3.6. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КОКСОВОЙ КРУПКИ 129
3.7. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОКСОВОГО ПОРОШКА ... 130
3.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ «КОКСОВАЯ КРУПКА -
ПОДОВЫЙ БЛОК» 131
3.9. Выводы 133
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ ПРИ ОБЖИГЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ НА КОКСЕ 135
4.1. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА
ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ПОДИНЫ ПРИ ОБЖИГЕ 137
4.2. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НДС
КАТОДНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ОБЖИГЕ 148
4.3. Выводы 166
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПРИ ПЛАМЕННОМ ОБЖИГЕ 168
5.1. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С-8Б 168
5.2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ВАННЫ С8Б 172
5.3. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАМЕННОГО ОБЖИГА И
КОНСТРУКЦИИ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ПОДИНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ 175
5.4. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НДС
КАТОДНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПЛАМЕННОМ ОБЖИГЕ 186

4
5.5. Выводы 199
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ 203
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 206

bibliography

5.5. Выводы
1. На базе разработанной компьютерной модели проведены расчеты температурного поля и напряженно - деформированного состояния электролизеров С-8Б, ШПВВ, ШПБМ при Зх вариантах пламенного обжига с использованием эффективных коэффициентов теплопроводности.
2. Результаты расчета НДС катодного устройства при разных вариантах обжига показало следующее:
а) при температурном поле, соответствующем замерам на электролизерах БРАЗА, возникает опасность отрыва продольных периферийных и межблочных швов от торцов блоков, а также образования трещин, направленных поперек периферийных швов;
б) при увеличении температуры обжига продольных периферийных швов (по сравнению с исходным вариантом) повышается опасность отрыва швов от блоков и образования поперечных трещин в периферийных швах;
в) закрытие периферийных швов и защита бортовых блоков от нагрева приводят к заметному снижению опасности отрыва швов от блоков и образования трещин в швах;
г) конструкция катодного устройства не оказывает принципиального влияния на вышеуказанные явления, несколько меняются только значения напряжений.
3. Причиной увеличения опасности отрыва швов от блоков и образования трещин в швах при повышении температуры обжига продольных периферийных швов являются:
а) Коксование подовой массы вокруг блюмсов зажимает их и препятствует выскальзыванию в окна. Большее расширение

200
блюмсов по длине по сравнению с подиной при их защемлении продольным периферийным швом или бровкой приводит к отрыву межблочных и периферийных швов от торцов блоков;
б) большее расширение блюмсов в поперечном направлении по сравнению с расширением затвердевшего продольного
периферийного шва вокруг блюмса приводит к образованию поперечных трещин в швах.
4. На базе разработанной компьютерной модели проведены расчеты
температурных, газодинамических полей и напряженно-
деформированного состояния электролизера с обожженными анодами на силу тока 300 кА. Рассчитано 7 вариантов, для определения влияния технологии и материалов на целостность подины после обжига.
5. По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:
а) засыпка ПТА до края анода приводит к изоляции части поверхности торцевого ПБ, большому перепаду температуры в торцевых блоках и низкой температуре торцевых периферийных швов. Все это вызывает большие растягивающие напряжения в крайних блоках и их разрушение;
б) полное исключение засыпки в ПТА приводит к перегреву торцевой стенки катодного кожуха и большой её деформации. Из-за возникающего большого изгиба торцевой стенки возникает опасность появления продольных трещин в шапочке торцевого периферийного шва или отрыва шапочки от карбидкремниевых плит;
в) полное исключение засыпки в ПБА приводит к сильному перегреву продольных стенок катодного кожуха и их большому изгибу и подъему подины, что в свою очередь приводит к опасности раскрытия межблочных и периферийных швов.

201
При одинаковом расходе топлива при открытых ПБА и ПТА значительно снижается температура подины, вследствие большого ухода тепла в борта;
г) применение графитизированных ПБ и графитовых с содержанием
графита 100% существенно не улучшает обжатие подины при правильной технологии обжига, но вероятно, улучшает её при не оптимальной технологии.
Другим преимуществом при использовании 100% графитовых блоков является более равномерный нагрев подины по высоте блока. При такой же температуре поверхности подины среднеобъемная температура подины стала на 100°С выше, что оказывает положительное влияние на показатели пуска электролизера.
д) сокращение времени обжига с 64 до 50 часов с увеличением интенсивности обжига после 35 часов в 1,5 раза и плавным увеличением до 1,67 раза к концу обжига не приводит к каким-либо ухудшениям целостности подины в конце обжига по сравнению с 64 часовым графиком. Однако из-за худшего прогрева подины увеличение интенсивности обжига отрицательно скажется при пуске ванны.
6. Для уменьшения опасности нарушения целостности подины рекомендуется следующее:
а) борта электролизера и периферийные швы должны быть изолированы от прямого контакта с газовоздушной средой для предотвращения их перегрева. Для этого ПБА и ПТА должны быть полностью засыпаны материалом с низкой теплопроводностью, например, оборотным или флотационным криолитом;

202
б) поверхность крайних подовых блоков должна полностью контактировать с газовоздушной средой, для этого при засыпке ПТА можно использовать подставку из теплоизоляционных плит или картона, которые должны упираться в анод и начало шапочки торцевого шва, а на них засыпан флотационный или оборотный криолит;
в) большее время обжига с периодом насыщения в конце, когда температура поверхности подины не растет, а растет температура внутри подины, предпочтительней с точки зрения лучшего нагрева подины по высоте;
г) применение более высокотеплопроводных подовых блоков приводит к лучшему прогреву подины по высоте, а также снижает возможные отрицательные последствия для целостности подины при ошибках в технологии обжига;
д) потай в подовых секциях необходимо выполнить из податливого материала с низким сопротивлением деформациям сжатия для возможности компенсации температурного расширения блюмсов вдоль длины;
е) необходимо уменьшить сопротивление скольжению блюмсов в продольном периферийном шве и бровке путем обертки или смазки блюмсов антифрикционным материалом, не выгорающим при высоких температурах.