ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЦЕЛОСТНОСТЬ ПОДИНЫ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПРИ ОБЖИГЕ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Актуальность работы. Одной из основных причин преждевременного выхода из строя алюминиевого электролизера является нарушение целостности подины, и, как следствие, протек расплава к блюмсам и в цоколь ванны. Одним из главных факторов, влияющих на целостность подины (25% значимости, по данным Солхейма и Ойе) является технология обжига и пуска электролизера. Поэтому проблема выбора оптимального метода обжига и пуска электролизера является актуальной задачей для алюминиевой промышленности.
При создании технологии обжига необходимо с высокой точностью спрогнозировать, к чему приведут те или иные действия и технические решения. Большая стоимость электролизеров и длительный срок проверок правильности принятых технических решений исключают возможность выбора оптимальной технологии обжига новой конструкции или существующих электролизеров методом проб и ошибок, поэтому возникает необходимость компьютерного моделирования физических полей.
Применение компьютерного моделирования позволяет провести глубокий анализ влияния конструкции электролизера и технологии обжига на его физические поля и целостность подины при обжиге. Вышеперечисленные причины определили необходимость создания компьютерных моделей и методик расчета физических полей в электролизере при двух наиболее распространенных в алюминиевой промышленности России способах обжига.
В настоящее время существует ряд пакетов программ, таких как ANSYS, Star-CD и других, предназначенных для математического моделирования физических явлений. В связи с этим, становится актуальным применение этих пакетов для моделирования обжига алюминиевого электролизера. Создание объемных компьютерных моделей электролизеров при обжиге, разработка методик расчета температурного, электрического, газодинамического полей и напряженно-деформированного состояния (НДС) позволит провести детальный анализ технологии обжига электролизера, влияния тех или иных изменений в конструкции электролизера, в графике обжига, применение тех или иных технических решений на его температурное поле и целостность подины при обжиге.
Для проведения математического моделирования необходимо знать физико-механические свойства материалов. Особо стоит отметить влияние свойств подовой массы на целостность подины при обжиге, поэтому становиться актуальным измерение свойств подовой массы, а также изучение влияния скорости обжига на физико-механические свойства подовой массы.
Другой актуальной задачей является измерение свойств коксовой крупки, которая используется для электрического обжига электролизеров, т.к. в литературе данные о свойствах не встречаются, а для математического моделирования их знать необходимо.
Учитывая выше сказанное, проблема выбора оптимального метода обжига и пуска электролизера является актуальной задачей для алюминиевой промышленности.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является: повышение срока службы электролизеров за счет выбора оптимальных, с точки зрения целостности подины, технологии обжига на коксе и пламенного обжига электролизеров с помощью математического моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров при обжиге, с высокой точностью повторяющие геометрию действующих электролизеров;
2. На основе компьютерных моделей электролизеров разработать:
2.1. Методику расчета температурного и электрического полей в электролизере при обжиге на коксе;
2.2. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды путем использования эффективных коэффициентов теплопроводности;
2.3. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды и горения топлива путем решения задачи трехмерной газодинамики и сопряженного теплообмена;
2.4. Методику расчета напряженно-деформированного состояния катодного устройства при обжиге на коксе и пламенном обжиге;
3. Разработать методику определения контактного сопротивления «коксовая крупка - подовый блок»;
4. Провести экспериментальные исследования физико-механических свойств подовой массы и коксовой крупки, исследования влияния изменения режимов обжига на физико-механические характеристики подовой массы и исследования по определению удельного электрического сопротивления контакта «коксовая крупка - подовый блок»;
5. Провести расчеты температурных, электрических полей электролизера и напряженно-деформированного состояния катодного устройства с различной конструкцией и разным регламентом обжига на коксе и пламенного обжига, определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе.
6. Провести анализ выполненных расчетов. По результатам расчетов определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе и пламенного обжига.
Методы анализа. В процессе выполнения работы при помощи прикладных пакетов программ ANSYS и Star-CD, основанных на методе конечных элементов и методе контрольного объема соответственно, созданы компьютерные трехмерные модели действующих электролизеров. При помощи пакета ANSYS проведены расчеты температурного, электрического полей и напряженно-деформированного состояния электролизеров. При помощи пакета Star-CD проведены расчеты температурного поля электролизера, газодинамики и горения топлива в газовоздушной среде при пламенном обжиге. Проведено сравнение расчетных данных с практическими замерами температур и деформаций действующих электролизеров при обжиге. Проведена оценка температурных полей и целостности катодного устройства при обжиге рассмотренных электролизеров. При выполнении работ в рамках диссертации использованы положения теории теплопроводности, электропроводности, аэродинамики, термоупругости, металлургии алюминия, данные лабораторных испытаний, результаты практических замеров и справочные данные.
Исследования физико-механических свойств материалов проводились на лабораторных установках для исследования свойств материалов по аттестованным методикам.
Научная новизна работы.
• Создана методика расчета трехмерных температурных, электрических полей электролизера и НДС катодного устройства при обжиге на коксе, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.
• Создана методика расчета трехмерных температурных, газодинамических полей электролизера и НДС катодного устройства при пламенном обжиге, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.
• Выявлены закономерности зависимости температурного поля, целостности и обжатия подины электролизера при обжиге от таких параметров, как: конструкция и материалы катодного устройства, степень графитизации подового блока, время обжига, степень укрытия периферийных швов, диаметр анодных ниппелей и различных технических решений для улучшения качества обжига.
• При помощи компьютерного моделирования впервые выявлено, что причинами, вызывающими разрушения крайних подовых блоков при обжиге являются совокупность высокого температурного градиента и низкой жесткости торцевого периферийного шва и бровки.
• Установлено, что изменение скорости обжига подовой массы с 50 до 100 °С/ч в интервале температур 0-250°С не влияет на физико-механические свойства подо-вой массы, за исключением теплопроводности, которая уменьшилась в 1,2 раза при увеличении скорости обжига в интервале температур 0-250оС.
• Получены новые данные по физическим свойствам коксовой крупки и определено контактное сопротивление «коксовая крупка - подовый блок».
Практическая значимость и реализация работы. Разработанные методики и полученные результаты активно используются в Инженерно-технологическом центре компании РУСАЛ для разработки и отработки технологии обжига для разных типов электролизеров. На данный момент по результатам данной работы выполнено следующее:
1. Разработаны и запатентованы технические решения для устранения разрушения крайних подовых блоков электролизеров при обжиге на коксе, которые использованы на опытных электролизерах РА-300.
2. По результатам расчета изменен график подъема температуры подины во время обжига на коксе электролизеров С-190, С-255 3й и 4й серии ОАО "РУСАЛ Саяногорск" для снижения вероятности протеков расплава в цоколь электролизера после пуска. Внедрение изменений показало снижение количества протеков.
3. По результатам представленных в работе расчетов и рекомендаций изменена технология пламенного обжига электролизеров на ОАО "РУСАЛ Братск", что привело к снижению количества протеков расплава в цоколь в послепусковой период работы.
4. Представленные методики расчета использовались для разработки регламента пламенного обжига новых мощных электролизеров РА-300 и РА-400.
5. Результаты измерения физико-механических свойств подовой массы и кок-совой крупки используются в компьютерных моделях при проведении расчетов.
6. Проведены расчеты для выбора регламента подъема силы тока при сухом пуске электролизеров для алюминиевых заводов в Богучанах, Тайшете и АЗ АЬБСОК.
На защиту выносится.
• Эффективность и адекватность представленных методик расчета температурных, электрических полей, поля скоростей движения газовоздушной среды, прочностных расчетов, определения целостности подины и возможности нарушения целостности катодного устройства при обжиге электролизеров;
• Выявленные закономерности по влиянию конструкции электролизера и технологии обжига на температурное поле и целостность катодного устройства при обжиге;
• Причины и механизмы разрушения крайних подовых блоков и предложенные технические решения по устранению этих разрушений;
• Полученные результаты по физико-механическим свойствам подовой массы и коксовой крупки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на X Международной конференции «Алюминий Сибири - 2004», г. Красноярск, 7-10 сентября 2004г. На XI Международной конференции «Алюминий Сибири - 2005», г. Красноярск, 13-15 сентября 2005 г. На XIV Международной конференции «Алюминий Сибири - 2008», г. Красноярск, 10-12 сентября 2008 г. На 3 Международной конференции пользователей программного обеспечения САВБЕМ, г. Москва, 22-23 апреля 2004 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 патента на изобретение.
Структура работы. Материал диссертации изложен на 214 страницах, включая 48 рисунков и 23 таблиц. Работа состоит из литературного обзора, включающего 1 главу, изложения методики расчетов, включающего 1 главу, экспериментальной части, включающей 1 главу, расчетно-аналитической части, включающей 2 главы, выводов, списка используемых источников (87 наименований).
При создании технологии обжига необходимо с высокой точностью спрогнозировать, к чему приведут те или иные действия и технические решения. Большая стоимость электролизеров и длительный срок проверок правильности принятых технических решений исключают возможность выбора оптимальной технологии обжига новой конструкции или существующих электролизеров методом проб и ошибок, поэтому возникает необходимость компьютерного моделирования физических полей.
Применение компьютерного моделирования позволяет провести глубокий анализ влияния конструкции электролизера и технологии обжига на его физические поля и целостность подины при обжиге. Вышеперечисленные причины определили необходимость создания компьютерных моделей и методик расчета физических полей в электролизере при двух наиболее распространенных в алюминиевой промышленности России способах обжига.
В настоящее время существует ряд пакетов программ, таких как ANSYS, Star-CD и других, предназначенных для математического моделирования физических явлений. В связи с этим, становится актуальным применение этих пакетов для моделирования обжига алюминиевого электролизера. Создание объемных компьютерных моделей электролизеров при обжиге, разработка методик расчета температурного, электрического, газодинамического полей и напряженно-деформированного состояния (НДС) позволит провести детальный анализ технологии обжига электролизера, влияния тех или иных изменений в конструкции электролизера, в графике обжига, применение тех или иных технических решений на его температурное поле и целостность подины при обжиге.
Для проведения математического моделирования необходимо знать физико-механические свойства материалов. Особо стоит отметить влияние свойств подовой массы на целостность подины при обжиге, поэтому становиться актуальным измерение свойств подовой массы, а также изучение влияния скорости обжига на физико-механические свойства подовой массы.
Другой актуальной задачей является измерение свойств коксовой крупки, которая используется для электрического обжига электролизеров, т.к. в литературе данные о свойствах не встречаются, а для математического моделирования их знать необходимо.
Учитывая выше сказанное, проблема выбора оптимального метода обжига и пуска электролизера является актуальной задачей для алюминиевой промышленности.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является: повышение срока службы электролизеров за счет выбора оптимальных, с точки зрения целостности подины, технологии обжига на коксе и пламенного обжига электролизеров с помощью математического моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров при обжиге, с высокой точностью повторяющие геометрию действующих электролизеров;
2. На основе компьютерных моделей электролизеров разработать:
2.1. Методику расчета температурного и электрического полей в электролизере при обжиге на коксе;
2.2. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды путем использования эффективных коэффициентов теплопроводности;
2.3. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды и горения топлива путем решения задачи трехмерной газодинамики и сопряженного теплообмена;
2.4. Методику расчета напряженно-деформированного состояния катодного устройства при обжиге на коксе и пламенном обжиге;
3. Разработать методику определения контактного сопротивления «коксовая крупка - подовый блок»;
4. Провести экспериментальные исследования физико-механических свойств подовой массы и коксовой крупки, исследования влияния изменения режимов обжига на физико-механические характеристики подовой массы и исследования по определению удельного электрического сопротивления контакта «коксовая крупка - подовый блок»;
5. Провести расчеты температурных, электрических полей электролизера и напряженно-деформированного состояния катодного устройства с различной конструкцией и разным регламентом обжига на коксе и пламенного обжига, определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе.
6. Провести анализ выполненных расчетов. По результатам расчетов определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе и пламенного обжига.
Методы анализа. В процессе выполнения работы при помощи прикладных пакетов программ ANSYS и Star-CD, основанных на методе конечных элементов и методе контрольного объема соответственно, созданы компьютерные трехмерные модели действующих электролизеров. При помощи пакета ANSYS проведены расчеты температурного, электрического полей и напряженно-деформированного состояния электролизеров. При помощи пакета Star-CD проведены расчеты температурного поля электролизера, газодинамики и горения топлива в газовоздушной среде при пламенном обжиге. Проведено сравнение расчетных данных с практическими замерами температур и деформаций действующих электролизеров при обжиге. Проведена оценка температурных полей и целостности катодного устройства при обжиге рассмотренных электролизеров. При выполнении работ в рамках диссертации использованы положения теории теплопроводности, электропроводности, аэродинамики, термоупругости, металлургии алюминия, данные лабораторных испытаний, результаты практических замеров и справочные данные.
Исследования физико-механических свойств материалов проводились на лабораторных установках для исследования свойств материалов по аттестованным методикам.
Научная новизна работы.
• Создана методика расчета трехмерных температурных, электрических полей электролизера и НДС катодного устройства при обжиге на коксе, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.
• Создана методика расчета трехмерных температурных, газодинамических полей электролизера и НДС катодного устройства при пламенном обжиге, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.
• Выявлены закономерности зависимости температурного поля, целостности и обжатия подины электролизера при обжиге от таких параметров, как: конструкция и материалы катодного устройства, степень графитизации подового блока, время обжига, степень укрытия периферийных швов, диаметр анодных ниппелей и различных технических решений для улучшения качества обжига.
• При помощи компьютерного моделирования впервые выявлено, что причинами, вызывающими разрушения крайних подовых блоков при обжиге являются совокупность высокого температурного градиента и низкой жесткости торцевого периферийного шва и бровки.
• Установлено, что изменение скорости обжига подовой массы с 50 до 100 °С/ч в интервале температур 0-250°С не влияет на физико-механические свойства подо-вой массы, за исключением теплопроводности, которая уменьшилась в 1,2 раза при увеличении скорости обжига в интервале температур 0-250оС.
• Получены новые данные по физическим свойствам коксовой крупки и определено контактное сопротивление «коксовая крупка - подовый блок».
Практическая значимость и реализация работы. Разработанные методики и полученные результаты активно используются в Инженерно-технологическом центре компании РУСАЛ для разработки и отработки технологии обжига для разных типов электролизеров. На данный момент по результатам данной работы выполнено следующее:
1. Разработаны и запатентованы технические решения для устранения разрушения крайних подовых блоков электролизеров при обжиге на коксе, которые использованы на опытных электролизерах РА-300.
2. По результатам расчета изменен график подъема температуры подины во время обжига на коксе электролизеров С-190, С-255 3й и 4й серии ОАО "РУСАЛ Саяногорск" для снижения вероятности протеков расплава в цоколь электролизера после пуска. Внедрение изменений показало снижение количества протеков.
3. По результатам представленных в работе расчетов и рекомендаций изменена технология пламенного обжига электролизеров на ОАО "РУСАЛ Братск", что привело к снижению количества протеков расплава в цоколь в послепусковой период работы.
4. Представленные методики расчета использовались для разработки регламента пламенного обжига новых мощных электролизеров РА-300 и РА-400.
5. Результаты измерения физико-механических свойств подовой массы и кок-совой крупки используются в компьютерных моделях при проведении расчетов.
6. Проведены расчеты для выбора регламента подъема силы тока при сухом пуске электролизеров для алюминиевых заводов в Богучанах, Тайшете и АЗ АЬБСОК.
На защиту выносится.
• Эффективность и адекватность представленных методик расчета температурных, электрических полей, поля скоростей движения газовоздушной среды, прочностных расчетов, определения целостности подины и возможности нарушения целостности катодного устройства при обжиге электролизеров;
• Выявленные закономерности по влиянию конструкции электролизера и технологии обжига на температурное поле и целостность катодного устройства при обжиге;
• Причины и механизмы разрушения крайних подовых блоков и предложенные технические решения по устранению этих разрушений;
• Полученные результаты по физико-механическим свойствам подовой массы и коксовой крупки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на X Международной конференции «Алюминий Сибири - 2004», г. Красноярск, 7-10 сентября 2004г. На XI Международной конференции «Алюминий Сибири - 2005», г. Красноярск, 13-15 сентября 2005 г. На XIV Международной конференции «Алюминий Сибири - 2008», г. Красноярск, 10-12 сентября 2008 г. На 3 Международной конференции пользователей программного обеспечения САВБЕМ, г. Москва, 22-23 апреля 2004 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 патента на изобретение.
Структура работы. Материал диссертации изложен на 214 страницах, включая 48 рисунков и 23 таблиц. Работа состоит из литературного обзора, включающего 1 главу, изложения методики расчетов, включающего 1 главу, экспериментальной части, включающей 1 главу, расчетно-аналитической части, включающей 2 главы, выводов, списка используемых источников (87 наименований).
Выводы по измерению свойств:
• уменьшение скорости обжига подовой массы в интервале температур 0-250°С приводит к увеличению её теплопроводности. Теплопроводность подовой массы, обожженной до 250°С со скоростью нагрева 50°С/ч (режим 1), выше в 1,2 раза, чем при скорости нагрева 100°С/ч (режим 2);
• удельное электрическое сопротивление, расширение и усадка, прочность и модуль упругости не зависят от выбранных режимов обжига;
Выводы по обжигу на коксе:
• при соблюдении технологии обжига наибольшую опасность с точки зрения нарушения целостности подины во время обжига электролизера с подовыми блоками с 30% содержанием графита представляют растягивающие напряжения в крайних подовых блоках. При использовании 100% графитовых или графитизированных блоков опасность разрушения крайних подовых блоков значительно снижается;
• наиболее эффективным и технологичным способом снижения растягивающих напряжений в крайних подовых блоках и повышения качества коксования торцевого периферийного шва является сдвиг крайних анодов ближе к торцу;
Выводы по пламенному обжигу:
• вариант укрытия периферии, при котором ПБА засыпано полностью оборотным криолитом до границы продольный периферийный шов - подовый блок, а ПТА засыпано до границы торцевой шов - подовый блок является оптимальным с точки зрения сохранения целостности подины и расхода топлива;
• большее время обжига с периодом "насыщения" в конце, предпочтительней с точки зрения лучшего прогрева подины по высоте;
• применение более высокотеплопроводных подовых блоков приводит к лучшему прогреву подины по высоте, а также снижает возможные отрицательные последствия для целостности подины при отклонениях в технологии обжига;
• потай в подовых секциях необходимо выполнять из податливого материала, а также уменьшить сопротивление скольжения блюмсов в продольном периферийном шве и бровке для компенсации температурного расширения блюмсов вдоль длины.
• уменьшение скорости обжига подовой массы в интервале температур 0-250°С приводит к увеличению её теплопроводности. Теплопроводность подовой массы, обожженной до 250°С со скоростью нагрева 50°С/ч (режим 1), выше в 1,2 раза, чем при скорости нагрева 100°С/ч (режим 2);
• удельное электрическое сопротивление, расширение и усадка, прочность и модуль упругости не зависят от выбранных режимов обжига;
Выводы по обжигу на коксе:
• при соблюдении технологии обжига наибольшую опасность с точки зрения нарушения целостности подины во время обжига электролизера с подовыми блоками с 30% содержанием графита представляют растягивающие напряжения в крайних подовых блоках. При использовании 100% графитовых или графитизированных блоков опасность разрушения крайних подовых блоков значительно снижается;
• наиболее эффективным и технологичным способом снижения растягивающих напряжений в крайних подовых блоках и повышения качества коксования торцевого периферийного шва является сдвиг крайних анодов ближе к торцу;
Выводы по пламенному обжигу:
• вариант укрытия периферии, при котором ПБА засыпано полностью оборотным криолитом до границы продольный периферийный шов - подовый блок, а ПТА засыпано до границы торцевой шов - подовый блок является оптимальным с точки зрения сохранения целостности подины и расхода топлива;
• большее время обжига с периодом "насыщения" в конце, предпочтительней с точки зрения лучшего прогрева подины по высоте;
• применение более высокотеплопроводных подовых блоков приводит к лучшему прогреву подины по высоте, а также снижает возможные отрицательные последствия для целостности подины при отклонениях в технологии обжига;
• потай в подовых секциях необходимо выполнять из податливого материала, а также уменьшить сопротивление скольжения блюмсов в продольном периферийном шве и бровке для компенсации температурного расширения блюмсов вдоль длины.