автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Анализ конструкций алюминиевого электролизера методами компьютерного моделирования с целью улучшения показателей работы

Третьяков Ярослав Александрович

Анализ конструкций алюминиевого электролизера методами компьютерного моделирования с целью улучшения показателей работы

05.16.02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на\к

Красноярск - 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессиональною образования РФ «Красноярской Государственной академии цветных металлов и золота»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент, Архипов Геннадий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, Проворова Ольга Геннадьевна.

кандидат технических наук. Дектерев Александр Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «Саяногорский алюми-

ниевый завод»

Защита состоится « 28 » июня 2004 г. В 12 °° часов в ауд. 102а на заседании диссертационного совета Д 212.095.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования РФ «Красноярская Государственная академия цветных металлов и золота» по адресу: 660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95. Тел. (3912) 34-51-83, факс (3912) 34-63-11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГАЦМиЗ. Автореферат разослан мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ:

Процесс получения алюминия электролитическим способом сложен, он протекает при температуре около 960°С 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 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 рас-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I

С. Петербург ОЭ МО*Лжт

Ф

чета 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 шпангоутно-го типа;

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров, с высокой точностью повторяющие конструкции действующих электролизеров;

2. 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;

3. Провести расчеты физических полей действующих электролизеров. протестировать модели электролизеров;

4. Провести расчеты термоэлектрического поля и напряженно -деформированного состояния электролизера с изменением конструкции футеровки и катодного кожуха;

5. Выполнить прочностные расчеты угловой части шпангоута с различными вариантами его конструкции и предложить мероприятия по улучшению конструкции шпангоута катодного кожуха;

6. Провести полный анализ всех выполненных расчетов.

7. 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 алюминия, данные лабораторных испытаний, результаты практических замеров и справочные данные.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

• Впервые рассчитано и изучено трехмерное напряженно-деформированного состояния катодного устройства алюминиевого электролизера в зависимости от технологических параметров его работы.

• Впервые рассчитано температурное и электрическое поле алюминиевого электролизера с учетом технологических параметров его работы, свойств расплава и формирования настыли и гарнисажа

• Впервые проведена количественная оценка влияния 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.

2. 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 в своей конструкции предусматривают внутреннюю накладку шпангоута, предложенную в данной диссертации.

3/ 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 самого мощного 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, целостности 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 2003г.

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 I главу, методики расчетов, включающей 1 главу, расчетно-аналитической части, включающей 3 главы, выводов, списка используемых источников (105 наименований).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен небольшой обзор теории электролитического получения алюминия, рассмотрены основные принципы электролиза, приведены основные химические реакции, подробно рассмотрено устройство электролизера Содерберга, приведено описание и назначение каждого элемента его конструкции. Проведен анализ основных причин выхода электролизера из строя и приведены способы решения этих проблем; рассмотрены основные типы катодных устройств, их конструкции и распространенность в мире.

Сделан анализ литературы по существующим математическим моделям процесса, рассмотрены основные пакеты программ, предназначенные для математического моделирования физических процессов. Рассмотрены существующие модели электролизеров, выполненные в этих пакетах. Проведена оценка преимуществ и недостатков, рассмотренных математических моделей, а также выявлено наиболее перспективное направление в области освоения пакетов и создания в этих пакетах моделей электролизеров. Был показан ряд проблем, которые были решены при по-моши компьютерного моделирования процесса электролиза.

Выявлено слабое развитие подобного моделирования в России, отсутствие методик и работ по моделированию термоэлектрического и напряженно-деформированного состояния электролизера. В связи с этим было принято решение создания моделей действующих электролизеров в пакетах программ COSMOS/M и ANSYS и дальнейший термоэлектрический и прочностной расчеты этих электролизеров. Для чего было необходимо разработать методики расчетов термоэлектрических полей, напряженно-деформированною состояния, оценки формы рабочего пространства, целостности подины и расчетам теплового и электрического балансов.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматриваются методики расчетов, проведенных во время написания диссертации. В начале второй главы представлены основные уравнения теории теплопроводности, теории электропроводности и уравнения теории термоупругости Расчет термоэлсктричс-

ских полей и напряженно-деформированного состояния в пакетах программ COSMOS/M и ANSYS проводится по представленным уравнениям методом конечных элементов.

Уравнения электрического поля постоянного тока в проводящей неподвижной среде

div(ANç) = О,

(1)

где (р - потенциал [В];

Л - удельная электрическая проводимость 1/ом*м;

Уравнение стационарной тетопроводности с учетом работы диссипации энергии при прохождения эчектрического тока:

div(k grad T)+X(grad <p)2=0

(2)

где Т - температура, К;

ср - удельная теплоемкость, Дж/(ктК); р - плотность жидкости или материала, кг/мЗ; к -теплопроводность, Вт/(мК); I - время, с;

Уравнения теории термоупругости

' 2

du, ôu

C.V.. дх.

дх1 J' н а2 Е,- =-|[(1 + М)Од -MKSld)5,i] + a(T-T0)5lj +

' у

(3)

где Сту - тензор механических напряжений, Па; f, - объемная сила, Н/м3; Е„

- тензор деформации; и, - перемещения в направлении осей координат X,, м. Е - модуль упругости (Юнга), Па; ц - коэффициент Пуассона; а - коэффициент термического линейного расширения, 1/К; 8у - символ Кронекера (5,/= 1 при ¡=_|, (5и=0 при Д - оператор Лапласа; - линейное расширение материалов футеровки при взаимодействии с компонентами расплава.

Далее рассматриваются этапы создания и проведения термоэлектрических и прочностных расчетов моделей действующих электролизеров.

В пакете программ COSMOS/M создаются объемные модели электролизеров.

Созданная модель разбита на множество элементов (порядка 80000), при этом геометрия модели подробно повторяет данные чертежей, а соответственно и действующего электролизера. Созданная компьютерная модель включает следующие конструктивные элементы:

• кожух катодного устройства;

• футеровка катодного устройства;

• кожух анодного устройства и геометрию анодного тела;

• уровни алюминия и электролита (взятые с действующих электролизеров);

• настыль и гарнисаж (задается область вероятного образования этих элементов, а в результате расчетов формируется граница);

• корку и глиноземную засыпку (толщины и геометрия берутся с действующих ванн).

Для того чтобы получить достоверную картину распределения температурных полей и величины напряжений и деформаций, необходимо точно знать свойства материалов, присутствующих в модели, а также их зависимость от температуры. После построения компьютерной трехмерной модели задаются свойства всех материалов, присутствующих в электролизере

Свойства материалов футеровки, стали, электролита и анодного тела были взяты либо по литературным данным, либо по проведенным измерениям. Измерения проводились на измерительном комплексе (ИК-4) в лаборатории ООО НТЦ«ЭЛТЕР». Комплекс ИК-4 позволяет проводить исследование таких свойств как теплопроводность, электропроводность, натриевое расширение, усадка, прочность на сжатие и модуль упругости.

В построенной модели учтено изменение свойств материалов в результате их пропитки компонентами расплава. Натриевое расширение учитывается при задании свойств материалов путем введения дополнительного расширения, закладываемого в термическое. При расчетах напряженно-деформированного состояния происходит разделение на пластичные и непластичные материалы.

Во второй главе приведены свойства материалов, применяемых в расчетах: глинозем, анодная масса, электролит, корка, настыль, гарнисаж, подовые и бортовые блоки, подовая масса, огнеупоры, теплоизоляционные материалы и карбидкремниевые плиты, и свойств этих материалов в зависимости от температуры.

После создания геометрии модели и задания необходимых свойств задаются граничные условия. При расчетах температурного поля

задаются коэффициент конвективной теплоотдачи, степень черноты излучаемого тела, температура окружающей среды и сила тока.

При расчете напряженно-деформированного состояния используется температурное поле, полученное от температурных расчетов и ограничения перемещений. Так как происходит расчет четвертой части катода, то на плоскостях сечения задается условие симметрии. В том месте катодного кожуха, где он опирается на опорную раму, задается ограничение перемещения в вертикальном направлении.

После создания модели, задания свойств материалов и граничных условий, компьютерная модель готова к расчетам.

Далее во второй главе приведены методики расчетов, проведенных в диссертации, которые кратко могут быть описаны следующим образом:

Методика термоэлектрического расчета электролизера и оценка формы рабочего пространства. Задаются свойства материалов, зависящие от температуры, производится расчет температурного поля в пакете программ COSMOS/M. 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 излучения. Чтобы учесть эффекты, связанные с магнитной гидродинамикой, в компьютерную модель вводятся эффективные коэффициенты, увеличивающие теплопроводность электролита и жидкого алюминия. Погрешность при расчетах составляет меньше 1%. По результатам температурного расчета можно получить распределение температуры в модели электролизера и форму рабочего пространства.

Определение формы рабочего пространства происходит следующим образом:

1. Температурное поле масштабируется таким образом, чтобы изотерма ликвидуса электролита четко прослеживалась на модели.

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 и толщины гарнисажа.

Далее проводится перевод модели электролизера и рассчитанного температурного поля из COSMOS/M в пакет программ ANSYS, где затем проводится дополнительный расчет электрического поля, в результате чего получаем распределение потенциалов, необходимое для дальнейшего расчета электрического баланса.

Методика расчета напряженно-деформированного состояния и оценки целостности катодного устройства. В модель катодного устройства закладывается температурное поле, полученное в предыдущем расчете; задаются свойства и граничные условия, необходимые для этого вида расчетов. Величина натриевого расширения, как уже упоминалось выше, закладывается в коэффициент температурного расширения. В пакете программ COSMOS/M проводится расчет напряженно-деформированного состояния катодного устройства.

По результатам этого расчета можно получить следующие данные:

• напряжения в катоде (как эквивалентные, так и любые его составляющие);

• деформации, наблюдаемые в модели катода по всем направлениям;

По результатам расчета напряженно-деформированного состояния можно определить возможность разрушения катодного устройства и нарушения целостности подины.

Возможность разрушения катодного кожуха, оценивалась по критерию Мизеса. 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:

1

-fT2)"' +(СГ2 +(<»'j ~a*)' ^f^I

(4)

При оценке целостности подины и возможности разрушения подовых блоков и швов, используется критерий прочности О. Мора. Условие прочности, по гипотезе Мора, имеет вид:

(V

Подробно изучается напряженное состояние катодного кожуха. Присутствие зон, где напряжения превышают предел пластичности, говорит о возможности разрушения катодного кожуха в этих местах.

Для оценки целостности подины изучается напряженное состояние катодного устройства в различных направлениях действия главных напряжений. Если в периферийных и межблочных швах наблюдаются на-

пряжения, превышающие предел прочности на растяжение или на сжатие, то в этих зонах возможно нарушение целостности подины.

Методика расчета электрического баланса. Расчет электрического баланса по компьютерной объемной модели дает возможность путем изменения электрических свойств материалов электролизера прогнозировать влияние этих свойств на напряжение и расход электроэнергии.

Была написана специальная программа EBALANCE, позволяющая рассчитывать электрический баланс электролизера, пользуясь компьютерной моделью, созданной в COSMOS/M, и электрическим полем этой модели, рассчитанным в ANSYS. Методика расчета электрического баланса при помощи EBALANCE может быть описана следующим образом.

Конструкция электролизера делится на три зоны: анодный узел; электролит; катодный узел. В данном электрическом балансе рассмотрено падение напряжения при помощи объемной модели именно в этих трех зонах. Такие статьи падения напряжения, как обратная ЭДС, падение напряжения от анодных эффектов, падение напряжения в ошиновке электролизера и в общесерийной ошиновке, были рассчитаны по эмпирическим формулам, представленным в диссертации.

Расчет падения напряжения в зонах компьютерной модели можно описать следующим образом:

• Находится средний потенциал верхнего конца анодных штырей:

Z™»

-гД = ■ ^.В (6)

где ф| - потенциал узла вошедшего в выделение В, К- общее количество узлов выделения.

• Аналогичным образом происходит расчет среднего потенциала подошвы анода, потенциал на зеркале металла, рабочей поверхности подины и потенциал на концах блюмсов. Получаем средние потенциалы в верхней части анодных штырей подошвы анода зеркала металла , рабочей поверхности подины концов блюмсов

• Зная средние потенцихпы, находим падение напряжения в исследуемых зонах по формулам:

(7)

(8) (9)

Далее проводится расчет обратной ЭДС, падения напряжения от анодных эффектов, падения напряжения в ошиновке электролизера и в общесерийной ошиновке. Затем проводится расчет рабочего, греющего и среднего напряжений электролизера и удельного расхода электроэнергии. Составляется сводная таблица электрического баланса расчетного электролизера.

Методика расчета энергетического баланса. Энергетический баланс составляется при помощи рассчитанных температурного и электрического полей, исследуемого электролизера. Данный баланс связывает воедино результаты расчетов температурного и электрического полей объемной модели и стандартные расчетные формулы теплового баланса.

В профамме Excel была составлена пршрамма для расчета энергетического баланса электролизера, основные статьи которого рассчитываются следующим образом.

По результатам электрического баланса рассчитывается приход энергии в электролизер от электрического тока и от сгорания анода.

Энергия, поступившая в электролизер, расходуется на разложение глинозема; тепло, теряемое с вылитым алюминием; тепло, унесенное с отходящими газами, и потери тепла с конструктивных элементов. Все выше приведенные стати расхода энергии, кроме потерь с конструктивных элементов рассчитываются по эмпирическим формулам с учетом результатов электрического баланса.

Для расчета потерь энергии в виде теплоты с конструктивных элементов в окружающую среду была написана специальная программа TBALANCE, которая позволяет определять тепловой поток, снисходящий с каждого элемента объемной компьютерной модели. Расчет тепловых потерь с конструктивных элементов проводится после расчета температурного поля электролизера на объемной модели.

После расчета всех статей прихода и расхода энергетического баланса, энергетические потоки сводятся в таблицу в численном и процентном виде.

В заключении второй главы были рассмотрены оптимальные значения исследуемых параметров работы алюминиевого электролизера, такие как рабочая температура электролизера; температура цоколя катодного устройства; температура электролита; температура катодного кожуха; межиолюсное расстояние; толщина гарнисажа и длина настыли; целостность подины и катодною кожуха, а также деформации катодного уст-poйства.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматриваются температурное поле, технологические параметры работы электролизера, форма рабочего пространства и целостность катодного устройства контрфорсного типа.

Наибольшее распространение в России получили электролизеры С-8Б и С-8БМ. В диссертации была рассмотрена наиболее распространенная конструкция этих электролизеров- С-8БМ.

Эта конструкция была взята за основу по следующим причинам:

• повышенный интерес к этой конструкции в силу ее широкой распространенности;

• выполнено большое количество практических замеров температур электролизера и деформаций его катодного устройства.

По чертежам анодного и катодного устройств С-8БМ, применяемых на КрАЗе, разработана объемная модель электролизера и проведены расчеты его физических полей.

Наибольший интерес, с точки зрения экономики, представляет собой улучшение технологических параметров электролизера без переделки конструкции катодного кожуха. Таких результатов можно добиться путем уменьшения тепловых потерь электролизера. Наиболее просто уменьшить эти потери усовершенствованием конструкции футеровки цоколя или применением материалов с меньшей теплопроводностью и с лучшей стойкостью материалов к компонентам расплава. Поэтому было рассмотрено влияние конструкции футеровки цоколя и материалов на температурные поля электролизера С-8БМ, его технологические показатели, форму рабочего пространства, напряженно-деформированное состояние и целостность катодного устройства. Были рассмотрены четыре варианта электролизеров С-8БМ с различной конструкцией футеровки.

Полученные температурные поля электролизера С-8БМ использовались для дальнейшего расчета напряженно-деформированного состояния катодных устройств и определения их целостности.

Все расчеты напряженно-деформированного состояния катодного устройства С-8БМ и всех конструкций, которые были рассчитаны в диссертации, были произведены с учетом следующих моментов:

• свойства всех материалов для всех электролизеров полностью идентичны;

• граничные условия одинаковы для всех моделей;

• катодные кожуха опираются на опорную раму посредством «спльчи-ка», если он предусмотрен конструкцией, либо на расстоянии 1650 мм от центра крайними балками днища;

• при расчетах напряженно-деформированного состояния всех вариантов были учтены натриевое расширение подового блока, давление на катодное устройство расплавленного алюминия и электролита.

Расчеты проведенные в третьей главе позволили сделать некоторые выводы, основные из которых следующие:

1. Замена нижнего ряда кирпичей пенодиатомита на 8Юа позволяет уменьшить межполюсное расстояние, длину настыли, снизить температуру днища. Это приводит к снижению тепловых потерь электролизера, к увеличению рабочей поверхности подины, к уменьшению напряжения электролизера и увеличению выхода по току.

2. Использование дифференцированной футеровки совместно с применением теплоизоляционных материалов с повышенной стойкостью и меньшей теплопроводностью позволило значительно уменьшить межполюсное расстояние, снизить температуру цоколя электролизера, значительно уменьшить длину настыли под проекцией анода. Однако, расчеты показывают, что применение такой футеровки приводит к резкому уменьшению обжатия подины как в продольном, так и в поперечном направлении, наблюдается увеличение подъема подины электролизера.

3. .Дальнейшее утепление периферийной части дифферейцированной футеровки катодного устройства и увеличение ширины периферийного шва приводят к незначительным изменениям температурного поля электролизера, его формы рабочего пространства и напряженно-деформированного состояния катодного устройства.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены электролизеры шпангоут-ного типа с вертикальными, лолунаклонными и наклонными стенками катодного кожуха. Было изучено влияние конструкции футеровки электролизера, каждого из вышеперечисленных типов, на температурное поле, технологические показатели работы, форму рабочего пространства и целостность катодного устройства. Также рассмотрено влияние степени

• графитйзации подового блока на вышеперечисленные параметры.

На алюминиевых заводах (КрАЗ и БрАЗ) внедрены электролизеры шпангоутного типа с вертикальными и наклонными стенками. У каждого Типа катодного устройства есть свои преимущества и недостатки. В четвертой главе рассмотрены шпангоутные электролизеры с тремя типами катодных устройств:

• с наклонными продольными стенками, на примере электролизера ЭЮ;

• с вертикальными продольными стенками (ШПВВ);

• с полунаклонными продольными стенками (ШПВН).

Конструкция с полунаклонными продольными стенками полностью идентична катодному устройству с вертикальными стенками кроме угловой части днища и продольных стенок.

Как и в предыдущей главе, для анализа влияния конструкции футеровки на шпангоутные катодные устройства было решено использовать материалы фирмы Skamol, обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами и высокой стойкостью к компонентам расплава. Отличия в ниже рассмотренных мо'делях заключается в конструкции футеровки. Было рассмотрено по четыре варианта каждой из конструкции шпангоутного типа электролизеров.

1. Исходный вариант. Конструкция цоколя этого варианта состоит из 2-х рядов кирпичей шамота (ШБ-5) и 3-х рядов пенодиатомитовою кирпича российского производства (ПД-400).

2. Применен материал на основе SiCa. Устройство цоколя состоит из 2-х рядов кирпичей шамота (ШБ-5), 2-х рядов пенодиатомитового кирпича российского производства (ПД-400) и 1-го ряда кирпича SUPER-1100E. В остальном этот вариант полностью идентичен исходному.

3. Применен диатомовый кирпич фирмы Skamol. Конструкция цоколя состоит из 1 ряда кирпичей SUPER-1100Е (фирмы Skamol), 2-х рядов кирпичей HIPOR и 2-х радов шамотного кирпича российского производства (ШБ-5).

4. Такой же вариант конструкции цоколя, как вариант №3, но подовый блок графитизирован и содержит 100% графита.

По чертежам катодного устройства электролизера марки ЭЮ, применяемого на КрАЗе, разработана объемная модель этого электролизера и проведены необходимые расчеты. Объемная модель шпангоутного электролизера с вертикальными стенками была выполнена аналогично применяемым на БрАЗе электролизерам ШПВВ. В качестве электролизера с полу наклонным и стенками была взята компьютерная модель электролизера с вертикальными стенками ШПВВ и переделана угловая частью продольной стенки. Переделке подвергся только угол между днищем и продольными стенками цоколя катодного устройства.

В процессе эксплуатации электролизера в катодном кожухе возникают опасные зоны, в которых действующие напряжения превышают предел текучести или предел прочности стали. Превышение действующими напряжениями предела текучести стали наиболее опасно в тех зонах, 1де имеются сварные швы. Расчеты напряженно-деформированною состояния и практика эксплуатации ванн со шпангоутными кожухами показали, что наиболее опасной зоной является угловая часть шпангоута - зона перехода днища в продольную стенку. В этих зонах возможно образова-

ние и развитие трещин, которые приводят к разрушению шпангоутов кожуха, к ослаблению обжатия подины, нарушению ее целостности, и, в конечном счете, выходу из строя ванны.

Существует мнение, что одной из причин образования трещин в шпангоутах является градиент температуры в шпангоуте и листах стенки и днища. Однако, расчеты показывают, что градиент температуры в кожухе без давления подины на продольные стенки приводит к возникновению очень низких напряжений в углах шпангоутов и не может сам по себе привести к разрушению. При отсутствии влияния градиента температуры в кожухе (КТЛР кожуха задан 0, т.е. нет температурного расширения кожуха), но при давлении подины на продольную стенку из-за температурного и натриевого расширения подины напряжения в углах шпангоута достигают предела текучести стали. Кроме того, при отсутствии расширения кожуха напряжения в углах шпангоутов больше, чем при наличии температурного расширения кожуха. Для уменьшения напряжений был проведен анализ напряженно-деформированного состояния угловой части шпангоута с различными конструктивными изменениями.

В результате была спроектирована и рассчитана конструкция угловой части шпангоута, в которую были внесены изменения, приводящие к снижению действующих напряжений ниже 200 МПа.

Была спроектирована и предложена оптимальная конструкция угловой части шпангоута с использованием внутренней накладки, приваренной к кожуху электрозаклепками, и вариант без наличия внутренней накладки.

По работе, проведенной в четвертой главе, можно выделить следующие основные полученные выводы:

1. Результаты анализов показали, что влияние конструкции футеровки на температурные поля и напряженно-деформированное состояние различных конструкций шпангоутных электролизеров имеет одинаковый характер воздействия.

2. Применение материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами приводит к утеплению цоколя катодного устройства и к улучшению ТЭП работы электролизера, однако нельзя допускать чрезмерного утепления цоколя т.к. это приведет к увеличению скорости пропитки цоколя компонентами расплава.

3. Для обеспечения целостности подины необходимо для каждого проектируемого варианта катодного кожуха и футеровки предусматривать конструкцию компенсаторов температурного и натриевого расширения подины.

4. Графитизированный подовый блок обладает высокой теплопроводностью, что приводит к увеличению тепловых потерь через стенки катода

и, как следствие этого, происходит увеличение межполюсного расстояния на 1-2 мм, большое увеличение длины настыли и увеличение температуры продольных стенок. За счет уменьшения натриевого расширения графити-зированного подового блока происходит уменьшение обжатия подины катодного устройства и уменьшение деформаций. Для электролизера с графитизированными подовыми блоками неприемлемо применение кон-стр>кции футеровки электролизера с антрацитовыми подовыми блоками. Сочетание такой футеровки и графитизированных подовых блоков приведет к потере целостности катодного устройства, протекам расплава в цоколь и к преждевременному выходу электролизера из строя.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ был проведен сравнительный анализ температурных полей, технологических параметров работы электролизеров, формы рабочего пространства и целостности катодных устройств четырех типов электролизеров.

Влияние конструкции катодного кожуха на вышеприведенные параметры, рассмотренное в этой главе, представляет огромный научный и практический интерес. Для сравнительного анализа были взяты исходные варианты всех четырех конструкций электролизеров и приведены к полной идентичности всех параметров кроме конструкции кожуха.

При помощи прикладного пакета программ COSMOS/M были созданы компьютерные модели четырех электролизеров, отличающихся друг от друга исключительно катодным устройством. Для оценки влияния на характеристики электролизеров, а именно конструкции кожуха, при расчетах были предприняты следующие меры:

• расчеты всех моделей проводились с одинаковыми свойствами материалов;

• одинаковая температура окружающей среды;

• по возможности одинаковое конструктивное исполнение футеровки;

• одинаковые габаритные размеры катодного устройства;

• одинаковые размеры шахты, расстояния борт-анод, уровни металла и электролита;

• одинаковая токовая нагрузка 158 кА

Результаты тепловых расчетов показали хорошую сопоставимость расчетных температурных полей с реально наблюдаемыми в электролизере. Из полученных расчетов следует, что наибольшими по длине настылями обладают ванны с наклонными бортами, и с переходом продольной стенки от наклонной к вертикальной происходит уменьшение длины настыли. Электролизер контрфорсного типа С-8БМ обладает наименьшей длиной подовой настыли под проекцией анода. Толщина гарни-

сажа в ванне С-8БМ больше, чем в шпангоутных ваннах. Межполюсное расстояние является наибольшим для электролизера со шпангоутным катодным устройством и наклонной стенкой кожуха, а электролизер контр-форсного типа С-8БМ имеет наименьшее значение межполюсного расстояния.

Таким образом, можно сказать, что при переходе от наклонной продольной стенки катодного кожуха к вертикальной наблюдается уменьшение величины межполюсного расстояния. Расчет температурного поля электролизеров показал, что распределение температур внутри электролизера в большей степени зависит от конструкции футеровки, чем от типа катодного кожуха, а максимальная температура самого кожуха увеличивается при переходе от вертикальной стенки к наклонной.

Для более детального изучения влияния конструкции катодного кожуха электролизера на его тепловые и электрические поля и на технологические показатели работы электролизера были проведены расчеты электрического и теплового балансов рассматриваемых электролизеров.

Анализ проведенных расчетов показал, что хорошо прослеживается связь между электрическим балансом, тепловым балансом и технологическими параметрами работы электролизера. Видно, что электролизер работающий с большим межполюсным расстоянием имеет большее среднее напряжение, большую теплоотдачу с конструктивных элементов и длинные настыли под проекцией анода.

После тепловых расчетов были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния катодных устройств и рассмотрена их целостность с учетом полученных температурных полей электролизеров.

Прочностные расчеты целостности четырех катодных устройств показали, что наиболее равномерное обжатие подины наблюдается у катодного устройства С-8БМ и шпангоутного катодного устройства с вертикальными продольными стенками. Наиболее обжатой в продольном направлении является ванна с наклонными бортами, сжимающие напряжения в подине, в этом случае, превышают 20 МПа, что может привести к разрушению подовых блоков. В поперечном направлении лучшее обжатие подины наблюдается у контрфорсного катодного устройства С-8БМ. Шпангоутные катодные устройства обладают большим изгибом, а следовательно большим развалом продольных стенок, все это ведет к тому, что у шпангоутных ванн обжатие подины в поперечном направлении слабее, чем у С-8БМ. В наклонной ванне обжатие самое слабое и возможно раскрытие периферийного шва.

Для того чтобы рассмотреть влияние конструкции только катодного кожуха на его деформации, были рассчитаны напряженно-деформированные состояния катодных кожухов рассматриваемых элек-

тролизеров. Анализ этих расчетов показывает, что наибольшей жесткостью обладает катодный кожух шпангоутного типа и наклонными стенками, эта конструкция наиболее нагружена. Жесткость катодного кожуха уменьшается с тенденцией перехода к вертикальной стенке. Катодный кожух С-8БМ и шпангоутный катодный кожух с вертикальными продольными стенками обладают максимальными, близкими по значению деформациями по всем направлениям.

Результаты расчета напряженно-деформированного состояния катодных устройств и отдельно катодных кожухов показали, что наблюдается некоторое качественное отличие между соотношением поперечных деформаций продольной стенки у катодных устройств и катодных кожухов. В большей степени это касается электролизера с наклонными стенками. Расчет напряженно-деформированного состояния катодного кожуха показал, что кожух с наклонными продольными стенками обладает наибольшей жесткостью и наименьшими деформациями, однако при расчете катодного устройства в целом, у катода с наклонными стенками наблюдаются наибольшие из всех вариантов поперечные деформации. Такая картина может быть объяснена влиянием на развал продольных стенок катода, термического и натриевого расширения подины. В наклонных катодных устройствах давление блоком на стенку кожуха происходит нижней частью подового блока, что при одном и том же расширении подины вызовет больший разворот продольных стенок, чем у катодов с вертикальными стенками.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Разработан инструмент компьютерного моделирования алюминиевого электролизера, показана высокая степень точности и адекватности результатов термоэлектрических и прочностных расчетов и высокая эффективность этого инструмента при анализе действующих и проектировании новых конструкций электролизеров.

2) Проведена 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;

3) Использование дифференцированной периферийной футеровки с применением теплоизоляционных материалов с повышенной стойкостью к компонентам расплава и меньшей теплопроводностью позво-.1ясг зплчшелыю уменьшить мсжполюсиос расстояние, сиилпь тем-

пературу цоколя электролизера, уменьшить длину настыли под проекцией анода. Однако, расчеты показывают, что применение такой футеровки приводит к резкому уменьшению обжатия подины как в продольном, так и в поперечном направлении, наблюдается увеличение подъема подины электролизера.

4) Применение в цоколе теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью и малой пропиткой компонентами расплава приводит к снижению температуры днища катодного кожуха, уменьшению длины настыли под проекцией анода, уменьшению межполюсного расстояния и снижению расхода электроэнергии.

5) Использование графитизированного подового блока приводит к увеличению межполюсного расстояния на 1-2 мм, большому увеличению длины настыли и увеличению температуры продольных стенок. За счет уменьшения натриевого расширения графитизированного подового блока происходит уменьшение обжатия подины катодного устройства и становится неприемлема конструкция футеровки с антрацитовыми подовыми блоками, так как будет наблюдаться нарушение целостности подины.

6) Был проведен анализ влияния конструкции шпангоута на его целостность, предложенная конструкция с внутренней накладкой работает на БрАЗе и на КрАЗе, показывает хорошие результаты.

7) Электролизер шпангоутного типа с наклонными продольными стенками катодного устройства имеет самые длинные настыли под проекцией анода, что говорит о нестабильности его формы рабочего пространства, что может привести к зарастанию ванны.

8) При переходе конструкции от наклонных стенок к вертикальным происходит уменьшение межполюсного расстояния, снижение напряжения на электролизере, уменьшение расхода электроэнергии, уменьшение минимальной толщины гарнисажа и уменьшение длины настыли под проекцией анода.

9) Электролизер контрфорсного типа обладает наименьшим межполюсным расстоянием и наибольшей минимальной толщиной гарнисажа.

10) Деформации катодного устройства уменьшаются по мере перехода от вертикальных продольных стенок к наклонным.

11) Градиент температуры по высоте шпангоута приводит к увеличению вертикального изгиба днища в поперечном направлении, а также к увеличению развала продольных стенок.

12) При одинаковой конструкции футеровки наименьшим обжатием подины в поперечном направлении обладает шпангоутное катодное устройство с наклонными стенками. В этой конструкции происходит чрезмерное обжатие подины в продольном направлении, и существует

большая вероятность раскрытия периферийного шва в поперечном направлении, а, следовательно, эта конструкция наиболее подвержена нарушению целостности подины. 13) Для сохранения целостности подины необходимо для каждого катодного устройства индивидуально разрабатывать конструкцию компенсаторов температурного и натриевого расширения.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Архипов Г.В., Пингин В.В., Третьяков Я.А. Температурные поля напряженно-деформированное состояние и целостность подины катодных устройств с различными кожухами // Труды международного семинара «Алюминий Сибири 2001» Сентябрь 2001 г. Красноярск, 2001.

2. Третьяков Я.А., Борисов В.И., Гребнев СП., Архипов А.Г. Унификация электролизеров с самообжигающимся анодом с применением математического моделирования // Труды международного семинара «Алюминий Сибири 2003» Сентябрь 2003 г. Красноярск, 2003.

3. Архипов Г.В., Третьяков Я.А., Платонов В.В., Архипов А.Г. Применение математического моделирования для модернизации и разработки электролизеров САЗа. ТЭВ «Русского Алюминия», №6 март 2004 г. Красноярск, 2004.

4. Архипов Л В., Третьяков Я.А. Математическое моделирование физических полей в алюминиевых электролизерах: Монография / Под ред. В.И. Быкова, B.C. Злобина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 264 с.

5. Бурцев А.Г., Третьяков Я.А. Анализ напряженно-деформированного состояния анодной рамы с целью снижения ее массы -Экологические проблемы горно - металлургического комплекса: Сборник-материалов Всероссийской научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост.: Сувейзда В.В.; Министерство Образования РФ, КРО НС «Интеграция», КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2000. -260 с.

6. Третьяков Я.А., Бурцев А.Г. Анализ напряженно-деформированного состояния катодного кожуха и выбор оптимального варианта конструкции шпангоута - Экологические проблемы горнометаллургического комплекса: Сборник материалов Всероссийской научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост.: Сувейзда В.В.; Министерство Образования РФ, КРО НС «Интеграция», КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2000. - 260 с.

7. Бурцев А Г., Архипов Г.В, Третьяков Я.А., Анализ напряженно - деформированного состояния катодного устройства на силу тока 120 кА для корпуса АВЧ. Разработка катодного кожуха для элскгроликтрон

корпуса АВЧ с уменьшенной массой - Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сборник научных трудов / под общей редакцией д.т.н., проф. Стацуры В.В. Красноярск, 2000. 733 с.

8. Третьяков Я.А., Архипов Г.В., Бурцев А.Г., Оптимизация конструкции штырьевого крана с целью уменьшения его веса - Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сборник научных трудов / под общей редакцией д.т.н., проф. Стацуры В.В. Красноярск, 2000. 733 с,

9. Получен патент №221480 «Внутренняя накладка шпангоута катодного кожуха» по заявке №2002119106 от 15.07.2002г.

10. Имеется решение о выдачи патента «Торцевая стенка катодного кожуха» по заявке №2002130212 от 10.11.2002г.

Отпечатано н ГПП КК «Сибирь» п/у ГУИМиЗ Заказ .V» Тираж 100 экз.

»14 24a

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Теоретические основы и принцип действия алюминиевого

4 электролизера

1.2. Устройство алюминиевого электролизера, основные причины выхода его из строя

1.3. Основные типы катодных устройств, применяемых в алюминиевой промышленности

1.4. Математические модели, используемые при расчетах электролизеров

1.5. Выводы к первой главе

Глава 2. Методики расчетов, представленных в работе и методы оценок технологических параметров электролизера.

2.1. Уравнения для расчета температурного поля и напряженно-деформированного состояния электролизера

2.2. Создание компьютерной модели электролизера

2.2.1. Построение модели

2.2.2. Задание свойств материалов

2.2.3. Физико-механические сгойства материалов

2.2.4. Граничные условия

2.3. Методика расчета температурного поля электролизера и оценки Формы рабочего пространства

2.4. Методика расчета напряженно-деформированного состояния и оценки целостности катодного устройства

2.5. Методика расчета электрического баланса

2.6. Методика расчета теплового баланса

2.7. Оптимальные значения исследуемых параметров работы алюминиевого электролизера

2.8. Выводы ко второй главе

Глава 3. Температурное поле, форма рабочего пространства и целостность катодного устройства с контрфорсным кожу-♦ хом

3.1. Введение

3.2. Температурное поле и форма рабочего пространства электролизера при использовании футеровки различной конструкции

3.3. Целостность катодного устройства при использовании футеровки различной конструкции

3.4. Выводы к третьей главе

Глава 4. Температурное поле и форма рабочего пространства шпангоутных электролизеров и целостность их катодных устройств

4.1. Введение

4.2. Электролизер с наклонными продольными стенками

4.3. Электролизер с полунаклонными продольными стенками

4.4. Электролизер с вертикальными продольными стенками

4.5. Анализ факторов, влияющих на разрушение шпангоута

4.6. Выводы к четвертой главе

Глава 5. Сравнительный анализ температурных полей, формы рабочего пространства и целостности катодных устройств различных типов электролизеров

5.1. Введение

5.2. Сравнительный анализ температурных полей и формы рабочего пространства электролизеров

5.3. Сравнительный анализ напряженно - деформированного состояния и целостности катодных устройств

5.4. Выводы к пятой главе

Актуальность работы:

Процесс получения алюминия электролитическим способом сложен, он протекает при температуре около 960°С 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 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:

1. Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров, с высокой точностью повторяющие конструкции действующих электролизеров;

2. 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;

3. Провести расчеты физических полей действующих электролизеров, протестировать модели электролизеров;

4. Провести расчеты термоэлектрического поля и напряженно-деформированного состояния электролизера с изменением конструкции футеровки и катодного кожуха;

5. Выполнить прочностные расчеты угловой части шпангоута с различными вариантами его конструкции и предложить мероприятия по улучшению конструкции шпангоута катодного кожуха;

6. Провести полный анализ всех выполненных расчетов.

7. 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 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.

2. 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.

3. 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, целостности 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 работььМатериалы 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 2003г.

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).

5.4. Выводы к пятой главе

Анализ тепловых расчетов, формы рабочего пространства и технологических параметров электролизеров четырех различных конструкций позволяет сделать следующие выводы:

1. Шпангоутный электролизер с наклонными продольными стенками имеет самые длинные настыли под проекцией анода, следовательно, наименьшую рабочую площадь подины, наибольшую вероятность зарастания ванны и наибольшую магнитогидродинамическую нестабильность;

2. При переходе конструкции катодного кожуха от наклонных стенок к вертикальным происходит уменьшение межполюсного расстояния, снижение напряжения на ванне, уменьшение расхода электроэнергии, уменьшение минимальной толщины гарнисажа и уменьшение длины настыли под проекцией анода;

3. Электролизер контрфорсного типа обладает наименьшим межполюсным расстоянием и наибольшей минимальной толщиной гарнисажа.

Анализ результатов прочностного расчета катодных устройств позволяет сделать следующие выводы:

1. Наибольшими деформациями обладает шпангоутное катодное устройство с вертикальными стенками;

2. Наибольшей жесткостью и наименьшими деформациями обладает катодный кожух с наклонными продольными стенками, однако катодное устройство с этим кожухом обладает наибольшими поперечными деформациями в связи с давлением на кожух расширяющейся подиной нижней частью подовых блоков.

3. Деформации в продольном и вертикальном направлениях катодного устройства шпангоутного типа уменьшаются по мере перехода от вертикальных продольных стенок к наклонным;

4. Градиент температуры по высоте шпангоута приводит к увеличению изгиба днища выпуклостью вверх, а также к увеличению развала продольных стенок.

5. Худшим обжатием подины в поперечном направлении обладает шпангоутное катодное устройство с наклонными стенками. В этой конструкции происходит чрезмерное сжатие подины в продольном направлении и недостаточное обжатие в поперечном направлении, что может привести к раскрытию продольных периферийных и торцевых межблочных швов.

6. Для улучшения обжатия подины в нижней части периферийной футеровки необходимо наличие компенсатора температурного и натриевого расширения подины.

7. Для сохранения целостности подины катодных устройств необходимо разрабатывать конструкцию кожуха и футеровки с учетом их взаимного влияния на температурные поля и напряженно-деформированное состояние.

Заключение по работе

В диссертационной работе была подробно рассмотрена конструкция электролизера, предназначение и устройство основных элементов электролизера, основные существующие типы катодных устройств их конструкция, область применения и распространенность.

Была показана целесообразность применения компьютерного моделирования для расчета физических полей и напряженно-деформированного состояния. Проведен анализ существующих методов математического моделирования и математических аппаратов, предназначенных для этого.

Разработана методика расчета тепловых и электрических полей по объемной компьютерной модели электролизера в среде программ COSMOS/M и ANSYS, методика расчета напряженно-деформированного состояния катодного устройства алюминиевого электролизера. Были разработаны методики составления электрического и теплового балансов по результатам термоэлектрических расчетов объемных моделей электролизеров.

Были проведены термоэлектрические расчеты электролизеров и прочностные расчеты целостности катодных устройств следующих электролизеров:

• электролизер контрфорсного типа С-8БМ;

• электролизер шпангоутного типа с наклонными продольными стенками катодного устройства;

• электролизер шпангоутного типа с полунаклонными продольными стенками катодного устройства;

• электролизер шпангоутного типа с вертикальными продольными стенками катодного устройства.

Был проведен анализ влияния конструкции цоколя катодного устройства и применения графитизированных подовых блоков на температурные поля, форму рабочего пространства, технологические параметры электролизера и целостность катодных устройств. Рассмотрено влияние конструкции угла шпангоута на его целостность. Проведен сравнительный анализ влияния конструкции катодного кожуха на тепловые поля, форму рабочего пространства, технологические параметры работы электролизера, деформации катодного устройства, обжатие и целостность подины катода.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан инструмент компьютерного моделирования алюминиевого электролизера, показана высокая степень точности и адекватности результатов термоэлектрических и прочностных расчетов и высокая эффективность этого инструмента при анализе действующих и проектировании новых конструкций электролизеров.

2. Использование дифференцированной периферийной футеровки с применением теплоизоляционных материалов с повышенной стойкостью к компонентам расплава и меньшей теплопроводностью позволяет значительно уменьшить межполюсное расстояние, снизить температуру цоколя электролизера, уменьшить длину настыли под проекцией анода. Однако, расчеты показывают, что применение такой футеровки приводит к уменьшению обжатия подины, как в продольном, так и в поперечном направлениях, наблюдается увеличение подъема подины электролизера.

3. Применение в цоколе теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью и малой пропиткой компонентами расплава приводит к утеплению цоколя катодного устройства. При этом происходит следующее:

• снижение температуры днища катодного кожуха;

• уменьшение длины настыли под проекцией анода;

• изотерма ликвидуса электролита 940°С опускается ниже подового блока;

• уменьшение межполюсного расстояния и снижение расхода электрнергии.

4. Анализ результатов температурных и прочностных расчетов электролизера с использованием графитизированного блока позволяет сделать следующие выводы:

• Графитизированный подовый блок обладает высокой теплопроводностью, что приводит к увеличению тепловых потерь через стенки катода, вследствие этого происходит увеличение межполюсного расстояния, большое увеличение длины настыли и увеличение температуры продольных стенок.

• За счет меньшего натриевого расширения графитизированных подовых блоков происходит уменьшение обжатия подины катодного устройства и уменьшение деформаций по всем направлениям.

• При использовании графитизированных подовых блоков недопустимо применение конструкции периферийной части футеровки, аналогичной конструкции футеровки электролизера с антрацитовыми подовыми блоками. Сочетание такой периферийной футеровки и графитизированных подовых блоков приведет к потере целостности катодного устройства.

5. Был проведен анализ влияния конструкции шпангоута на его целостность, предложенная конструкция с внутренней накладкой работает на БрАЗе и на КрАЗе, показывает хорошие результаты.

6. Шпангоутный электролизер с наклонными продольными стенками имеет самые длинные настыли под проекцией анода, следовательно, наименьшую рабочую площадь подины, наибольшую вероятность зарастания ванны и наибольшую магнитогидродинамическую нестабильность;

7. При переходе конструкции катодного кожуха от наклонных стенок к вертикальным происходит уменьшение межполюсного расстояния, снижение напряжения на ванне, уменьшение расхода электроэнергии, уменьшение минимальной толщины гарнисажа и уменьшение длины настыли под проекцией анода;

8. Наибольшими деформациями обладает шпангоутное катодное устройство с вертикальными стенками;

9. Наибольшей жесткостью и наименьшими деформациями обладает катодный кожух с наклонными продольными стенками, однако катодное устройство с этим кожухом обладает наибольшими поперечными деформациями в связи с давлением на кожух расширяющейся подиной нижней частью подовых блоков.

10.Деформации в продольном и вертикальном направлениях катодного устройства шпангоутного типа уменьшаются по мере перехода от вертикальных продольных стенок к наклонным;

11 .Градиент температуры по высоте шпангоута приводит к увеличению изгиба днища выпуклостью вверх, а также к увеличению развала продольных стенок.

12.Худшим обжатием подины в поперечном направлении обладает шпангоутное катодное устройство с наклонными стенками. В этой конструкции происходит чрезмерное сжатие подины в продольном направлении и недостаточное обжатие в поперечном направлении, что может привести к раскрытию продольных периферийных и торцевых межблочных швов.

13.Для улучшения обжатия подины в нижней части периферийной футеровки необходимо наличие компенсатора температурного и натриевого расширения подины.

14.Для сохранения целостности подины катодных устройств необходимо разрабатывать конструкцию кожуха и футеровки с учетом их взаимного влияния на температурные поля и напряженно-деформированное состояние.

Предложения по модернизации катодного устройства

1. С целью уменьшения степени пропитки теплоизоляционных материалов целесообразно использовать конструкцию цоколя с применением Зх рядов огнеупорного материала и 2х радов теплоизоляции, вместо 2х рядов огнеупорного материала и Зх радов теплоизоляции. Это позволит уменьшить максимальную температуру в теплоизоляции, снизить скорость пропитки компонентами расплава и увеличить эффективность работы цоколя на поздних сроках работы электролизера.

2. Для увеличения тепловых потерь электролизера при работе на высоких плотностях тока целесообразно использовать шпангоутные катодные устройства, а в конструкции футеровки необходимо уменьшить толщины температурных зазоров в бортовой футеровке, использовать материалы с большей стойкостью к компонентам расплава, разутеплить бровку, уменьшить толщину теплоизоляционного слоя, а также использовать барьеры против пропитки электролитом.

3. С целью минимизации тепловых потерь электролизера при работе на традиционной плотности тока целесообразно использовать контрфорсную конструкцию катода, а в футеровке в качестве теплоизоляции необходимо использовать материалы с пониженной теплопроводностью (например на основе силиката кальция), необходимо утеплять бровку и уменьшить скорость пропитки цоколя путем применения барьерных материалов.

4. Для уменьшения вертикальных деформаций катода необходимо обеспечить как можно меньшую разницу температуры по высоте продольной стенки путем дополнительного оребрения в верхней части стенок. Это целесообразно при работе на высоких плотностях тока так как тепловые потери с конструкции увеличатся.

5. Для улучшения обжатия подины и минимизации деформаций катода необходимо в конструкции футеровки катода предусмотреть компенсатор температурного и натриевого расширения подины и огнеупорного материала. Толщина, высота и материалы компенсатора должны быть подобраны для каждой конструкции электролизера индивидуально.

6. Для увеличения срока службы шпангоутных катодов, а именно для предотвращения зарождения и развития трещин в углу шпангоута необходимо в углах шпангоута между его ребром и внутренним листом кожуха поместить накладку и перенести угловые ребра жесткости ближе к углу на эту накладку. Это необходимо для перераспределения напряжений и ликвидации опасных зон, в которых происходит зарождение трещин.

1. Ю.В. Борисоглебский, Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, Г.А. Сразут-динов. Металлургия алюминия: Учеб. для вузов. -2-е изд. -Н.: Наука, 2000.-438с.

2. А.Н. Курохтин. Электролизеры с боковым токоподводом.-М.: Металлургия, 1973 .-88с.

3. Н.А. Троицкий, В.А. Железнов. Металлургия алюминия.- М.: Металлургия, 1984.-348с.

4. К. Шенинг, Т. Гранде, О-Я. Сильян «Материалы для футеровки катодных кожухов алюминиевых электролизеров», «Light Metals», 1999г.

5. В.В Славин и др. О механизме разрушения боковой футеровки алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1980, -№8. -с. 34-37.

6. В.В. Славин, М.Л. Блюштейн и др. Пути увеличения сроков службы мощных алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1977, -№1, -с. 3133.

7. А.Е. Баженов, М.Е. Дынкин, A.M. Цыплаков. О некоторых причинах преждевременного ремонта алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1981. -№12.- с. 67-69.

8. М.Е Дынкин, А.Е. Баженов, A.M. Цыплаков. Прогнозирование срока службы алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1982. -№4. -с. 56-59.

9. О.А. Бектасов, Н.А. Оленцевич, И.Н. Сергеев. О сроке службы алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1982. -№2. -с. 47.

10. В.А. Евменов, В.И. Заливной, П.В. Поляков и др. О долговечности мощных алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом// Цветные металлы. -1984. -№4. -с. 41-44.

11. В.Г. Харченко, Ю.А. Матвеев. Методологические аспекты проблемы срока службы алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1986. -№9. -с. 56-58.

12. В.Н. Деревягин, B.C. Кужель. О влиянии обжига — пуска на срок службы катода// Цветные металлы. -2001. -№11. -с. 63-65.

13. P. Vaunghan, R. Voller. Modelling of dynamic ledge heat transfer// Light Metals. -1997. -p. 309-316.

14. М.Сорли, X.A. Ойя. Виды разрушения катода и их предотвращение при процессах электролиза алюминия// фирма «Элкем» и Норвежский технологический институт. :Норвегия., перевод №108/89.- Ленинград: -1989.

15. В.В. Славин, Е.К. Федорова. О повышении стойкости набивных швов в подине алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1979. -№ 11.-с. 55-57.

16. Г.А. Потылицын, В.В. Истягин. О стойкости подины алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1986. -№ 8. -с. 42-44.

17. Д.Л. Белицкус. Влияние состава и интенсивности обжига на материал шва в алюминиевых электролизерах// Цветные металлы. -1995. -№ 7. -с. 40-44.

18. M.Sorlie, Н.Оуе. Cathodes in aluminum electrolysis. 1994. -p. 408. Перевод: П.В.Поляков.-1995.

19. М.Б. Рапопорт. Влияние термических факторов на стойкость подины алюминиевых электролизеров// Труды ВАМИ. -1957. -N 39. -с.337-356.

20. М.Б. Рапопорт, В.Н. Самойленко, Н.М. Мальцева. Влияние физико-химических процессов, протекающих в угольной подине алюминиевого электролизера, на деформацию катодного кожуха// Известия ВУЗ. -1962. -N 2. -с. 81-87.

21. М.В. Dell. Reactions in Hall Smelting Cell Potlining// Metallurgical transactions B. -№15B. -1984. -p. 277 280.

22. Ю.Д. Лозовой, В.А. Аносов, В.А. Кузнецов. О формировании бортовых настылей на торцевых (поперечных) сторонах катодного устройства алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1984. -№4. -с. 38-40.

23. В.А. Евменов, Б.И. Аюшин, В.А. Крюковский и др. О причинах разрушения бортовой футеровки на мощных электролизерах// Цветные металлы. -1988. -№5. -с. 52-54.

24. М.П. Петухов. О конструкции электролизера// Цветные металлы. -1997. -№4. -с. 45-46.

25. М.Л. Бобков, Ю.М. Колужский. Алюминиевая промышленность Канады. -Л.; Наука, 1970. -112с.

26. А.П. Репко, В.П. Романов, И.М. Шулепов, В.Я. Бабич. О работе катодного кожуха мощного алюминиевого электролизера в начальный период эксплуатации//Цветные металлы. -1973. -№9. -с. 16-18.

27. Ю.В. Борисоглебский и др. Расчет и проектирование алюминиевых электролизеров. -Л.; Наука, 1981. -78с.

28. Эбот Витерли. Catode Service Life Estimation Through maximum likelihood techniques// Light Metals. -1986. -№7. -p. 11-17

29. Z Bassuny, M.M. Ali. Side lining effects on thermal behavior of pre-baked aluminum cell// Light Metals. -1999. -p. 359 364.

30. В. Новацкий. Теория упругости. -M.: Мир, 1975. -864 с.

31. Л.А. Исаева, Ю.Г. Михалев, П.В. Поляков. Физико-химические свойства глинозема и эффективность работы АПГ7/ технико-экономический вестник БрАЗа. -№6. -с. 34-37.

32. В.Н. Захаров, В.Г. Харченко, А.В. Овчинников. Основы построения математической модели для анализа и выбора параметров обжига и пуска электролизера// Цветные металлы. -1995. -№2, -с. 37-40.

33. В.Г. Харченко. Основные принципы расчета катодных устройств// Цветные металлы. -1991. -№1. -с. 26-29.

34. В.Г. Харченко, В.Н. Самойленко, Р.В. Свобода. К совершенствованию конструкции катодных устройств алюминиевых электролизеров// Цветные металлы. -1980. -№9. -с. 38-43.

35. В.Г. Харченко, П.Б. Бажанов. Расчет усилий в катодном устройстве алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1985. -№3. -с. 50-54.

36. В.Г. Харченко. О влиянии конструктивных и технологических факторов на работу катодного устройства алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1985. -№4. -с. 44-47.

37. В.Г. Харченко, С.А. Дмитриев, М.Е. Дынкин. Пути повышения стойкости подины алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1985. -№12.-с. 33-38.

38. В.Г. Харченко. Влияние наклонной футеровки на работу подины катодного устройства алюминиевого электролизера// Цветные металлы. — 1989. -№12.-с. 51-53.

39. С.А. Щербинин. Исследование физических процессов в алюминиевом электролизере с самообжигающимся анодом на математической модели// цветные металлы. -1995. -№-7. -с. 33-35.

40. В.Т. Иванов, С.А. Щербинин. Математическое моделирование элек-тротепломассопереноса в сложных системах. — Уфа: Уро АН СССР, 1991. -196 с.

41. С.А. Щербинин, Ю.А. Курашев. Исследование физических процессов в алюминиевом электролизере с самообжигающимся анодом на математической модели// Цветные металлы. -1973. -№ 7. -с. 33-35.

42. С.А. Щербинин. Численное исследование физических процессов в алюминиевом электролизере// Цветные металлы. -1990. -№2. -с. 38-40.

43. D. Vogelsang, Ch. Droste, М. Segatz and I. Eick. Modernization Concept// Light Metals 1997. -p. 233 238.

44. M. Dupuis and I. Tabsh. Termo-electric Analysis of Aluminum Redaction Cell// Proc. 31 st. Annual conference of CIM, Light Metals section. -1992. -p.55-62.

45. M. Segatz and D. Vogelsang. Effect of Steel Parts on Magnetic Fields in Aluminium Redaction CellII Light Metals.-1991. -p.393-398.

46. J.P. Antille, M.Givord, Y.KraehenbuehL.R.Von Kaenel. Effects of current increase on aluminium reduction crlls// Light Metals. -1995. -p.315-321.

47. D. Vogelsang, Ch. Droste, M. Segatz and I. Eick. Retrofit of Sqderberg Smelter at Alusaf Bayside Plant Part 1: Conceptual design and Engineering// Light Metals . -1996. -p. 327 - 333.

48. Д. Фогельзанг. Применение методов интегрированного моделирования для реконструкции алюминиевых заводов// 4-й Австралийский техн. Семинар для работников алюминиевой промышленности. -25-30 октября 1992.-с. 641-643.

49. М.Сегатц и С.Дросте. Анализ Магнитогидродинамической нестабильности в электролизере для производства алюминия// Лайт Металз 1994. -с. 313-322.

50. A.Valles, V Lenis. Prediction of ledge profile in hall-heroult cells// Light Metals . -1995. -p. 309 313.

51. J.A. Ferreira. Retrofit of Sqderberg Smelter at Alusaf Bayside Plant -Part 2: Start-up and operation of pilot plant// Light Metals. -1996. -p. 335 338.

52. M. Dupuis. Расчет энергетического баланса алюминиевого электролизера с использованием модели конечных элементов ANSYS// Light Metals. -1998. -с. 409 -417. Перевод: Е.П. Кофман. 1999.

53. Jean-Michel DREYFUS, Laurent JONCOURT. Erosion Mechanisms in smelters equipped with graphite blocks a mathematical modeling aprproachII Light Metals. -1999. -p.199-206.

54. B.T. Иванов, Ф.В. Лубешев, A.C. Деркач, В.Г, Меркурьев. Электрические и тепловые расчеты поля в электролизерах. -М.: Наука, 1978. -с. 367.

55. А.С. Деркач, В.Т. Иванов, В.П. Ланкин, В.Г. Меркурьев. Производство алюминия. -Л.: ВАМИ, 1976. -№5. -с. 51.

56. A.M. Цыплаков. Дис. на соискание уч. ст. канд. тех. наук. -Л.: ВАМИ, 1966.

57. В. Sulmont, G. Hudault.// Light Metals. -1978. -№ 1. -p. 73.

58. A.Furman.// Light Metals. -1980. № 1. -p. 87.

59. В.Т. Иванов, B.A. Крюковский, П.В. Поляков, С.А. Щербинин. // Электрохимия. -1987. -№ 23. -с. 620.

60. В.Т. Иванов, М.С. Масютина. Методы решения прямых и обратных задач электрокаротажа. -М.: Наука, 1983. -143 с.

61. А.А. Самарский, В.Б. Андреев. Разностные методы для элептиче-ских уравнений. -М.: Наука, 1976. -352 с.

62. В.Т. Иванов, В.А. Крюковский, П.В. Поляков, С.А. Щербинин // Электрохимия. -1987. № 23. -с. 1560.

63. В.Т. Иванов, В.А. Крюковский и др. Расчет теплового поля алюминиевого электролизера// Цветные металлы. -1987. -№7. -с. 39-40.

64. В.Т. Иванов, В.А. Крюковский и др. Проверка достоверности результатов расчета теплового и электрического полей алюминиевого электролизера// Цветные металлы. —1987. -№6. -с. 35-38.

65. М. Dupuis, G.V. Asadi, С.М. Read, A.M. Kobos. Cathode Shell Stress Modelling// Light metals. -1991. -p. 427 430.

66. A. Meghlaoui, Y.A. Mohammed, L. Tikasz. Adaptation of an Electrolytic Cell Model in Static and Dynamic Models// Light metals. -1998. -p. 403 -408.

67. J. Bos, G. Bouzat, J.S. de Verdiere, B. Feve, J.C. Rotger. Numerical Simulation, Tools to Design and Optimize Smelter Technology// Light metals. -1998.-p. 393-401.

68. D. Maharaj, J. Imery, J. ZarateLazarde. Investigation on Early Cathode Failure// Light metals. -1991. -p. 483 487.

69. M. Dupuis. Thermo-Electric Design of a 400 kA Cell using Mathematical Models: A Tutorial// Light Metals. -2000. -297-302.

70. G.R. Peltier and G.E. Stockman. Cathode Preheat and Startup Temperatures and Bottom Block Displacements// Light Metals. -1989. -p.185-190.

71. M. Dupuis. Thermal Study of the Coke Preheating for Hall-Heroult Cell// Proceeding of the 32nd Conference on Light Metal, CIM. -1993. -p.93-100.

72. M. Dupuis and I. Tabsh. Evaluation of Thermal Stresses due to Coke Preheat of a Hall-Heroult Cell// Proceeding of the ANSYS® 6th International Conference. -1994. -№1. -c. 15-23.

73. M.R. Dunn, Q.M.I. Galadari. An Analysis of the Electric Preheat Technique based on the Start-Up of the CD200 Prototypes at Dubai Aluminum Co. Ltd// Light Metals. -1997. -p.247-251.

74. H.O.Yang, N Urata, C.M. Read. Реакция алюминиевого электролизера на постепенные изменения в рабочих условиях, измерения и динамическое моделирование// Light Metals. —1998. -с. 349 -357. Перевод: Е.П. Кофман.

75. A. Potochnik, V. Principles of Design of Aluminium Electrolysis Cells. Magnetohydrodinamics in Process Metallurgy TMS Annual- Meeting, San Diego, California, March 1 - 5, 1992.

76. P. Davidson, R. Boivin. Hidrodynamics of aluminium reduction cells. Magnetohydrodynamics in Process Metallurgy TMS Annual Meeting, San Diego, California, March 1-5, 1992.

77. Ю.Г. Михалев Криолитовое отношение, свойства электролита и показатели электролиза. Сборник лекции, 1999 г, Красноярск.

78. П.В., Поляков Л.А., Исаева Исследование физико-химических свойства глинозема и его поведение в электролите алюминиевого электролизера// Отчет по договору №052. Красноярск

79. Е.Н. Панов, Г.Н. Васильченко, С.В.Даниленко, А.Я.Карвадский и др. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства. -М:. 1998. -256с.

80. В.Д. Лазарев. Состав, свойства и технология приготовления анодной массы// сборник лекций, высшие алюминиевые курсы, 17-21 мая. -1999. -доклад №5.

81. К. Шенинг, Т. Гранде, О-Я. Сильян. Материалы для футеровки катодных кожухов алюминиевых электролизеров// Light Metals. 1999г.

82. Х.А. Ойя. Катоды:. Лекция на Российских курсах по алюминию. — Красноярск: КГАЦМиЗ, 1998г.

83. М.Я. Минцис, А.В. Поляков, Г.А. Сиразутдинов. Электрометаллургия алюминия, Н.: Наука, 2001. - 216 с.

84. B.C. Семенов, Г.В. Форсблом и др.// Тр. ВАМИ.-Л., 1971, С. 63.

85. Ф.С.Каплан, Л.М. Аксельрод. Теплофизические и термомеханические свойства теплоизоляционных и огнеупорных материалов, применимых в футеровке электролизеров.//ТЭВ «Русского алюминия», №4.2003.

86. S. Е. Gustafsson. Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials. Rev. Sci. Instrum. 62, 1991,797-804.

87. T.Log,S. E. Gustafsson. Transient plane source (TPS) technique for measuring thermal transport properties of building materials// Fire and Materials. -1995. -№19. -p. 43-49.

88. F. B. Andersen, J. Mikkelsen. Thermal conductivity measurements of cathode insulation material// Light Metals. -2000. -p.429-435.

89. Рикке Вэйбель. Старение огнеупорных материалов катода в алюминиевых электролизерах// Skamol Information. -2002. -p. 1-13.

90. Rikke Weibel. Cathode Refractory Materials //Krasnoyarsk Aluminium Conference. -September 2002.

91. Б.Я. Литовский, H.A. Пучкевич, Теплофизические свойства огнеупоров: Справочник.-М.:Металлургия, 1982. -152с.

92. Б.С. Громов, Е.Н. Панов, Г.Н. Васильченко, М.Ф.Боженко, А.Я.Карвадский, И.Л. Шилович. Обжиг и пуск алюминиевых электролизеров. -М:.Издательский дом «Руда и металлы», 2001. —336с.

93. Сорле М., Ойя Х.А. Катоды в алюминиевом электролизере.- 2-е изд./ Пер. с англ. П.В. Поляков.- Красноярск: Краснояр. Гос. ун-т, 1997. -460с.

94. К. Шенинг, Т. Гранде, О-Я. Сильян «Материалы для футеровки катодных кожухов алюминиевых электролизеров», «Light Metals», 1999г.

95. Архипов Г.В. Расчеты на прочность катодных устройств алюминиевых электролизеров// IV Высшие алюминиевые курсы: Сб. лекций. — Красноярск, 2001.

96. В.И.Смирнов, В.И. Петухов, П.В.Поляков, Ю.В.Куликов, Н.С.Михалицин, В.Н.Тихомиров. Особенности работы электролизеров со шпангоутными кожухами// Цветные металлы. -1991. -№6. -с. 34-36.

97. Заметры температур электролизеров С-8Б, и Шпангоутного типа на БрАЗе, 1998г.

98. Замеры температур и ФРП электролизеров С-8БМ и Шпангоутного типа с разной конструкцией стенки на КрАЗе.

99. В.И. Савинов, М.П. Петухов. Дальнейшая модернизация электролизного производства ОАО КрАЗ// ТЭВ ОАО КрАЗ. -1997. -№12. -с 31-32.

100. Ю.В. Борисоглебский. Расчет и проектирование алюминиевых электролизеров. -Л:. 1981. 78с.

101. Оптимизация конструкций анодных кожухов и катодных устройств, условий соединения блюмса с блоком. Отчет по НИР для ОАО "БРАЗ", Научный руководитель Архипов Г.В. 1995г.

102. А.А. Костюков, И.Г. Киль, В.П. Никифоров, Г.Е. Вольфсон и др. Справочник металлурга по цветным металлам. «Металлургия». Москва, 1971 г, 559с.

103. Поляков П.В., Архипов Г.В., Фризоргер В.К., Соколов А.Е. Электролизер Содерберга: физико-механические свойства «конуса спекания» промышленного анода// Современные тенденции в развитии металлургии алюминия. Санкт-Петербург. 2001. с. 109.

104. В.Г. Терентьев, P.M. Школьников, И.С. Гринберг, А.Е. Черных, Б.И. Зельберг, В.И. Чалых. Производство алюминия. -И.: Папирус-APT, 1998. -350с.

105. Директор Департамента ^гг^^^веюспективных разработ —ОсЮ^Инженерпо1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

106. Предоставлен для защиты кандидатской диссертации)

107. Внедрение этих методик расчета физических полей алюминиевого электролизера в ООО «ИТЦ» показало их высокую эффективность и адекватность получаемых результатов.

108. Директор по обеспечению npoiюминиевыиргеевич20041. АКТ ВНЕДРЕН