автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности теплотехнологических процессов и установок для получения алюминия и его сплавов

На правах рукописи

ПЬЯНЫХ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

- 3 01 и 22иЭ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2009

003479021

Работа выполнена в Политехническом институте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук Скуратов Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Степанов Сергей Григорьевич

доктор физико-математических наук, профессор

Черемисин Александр Алексеевич

Ведущая организация:

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится «28» октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. акад. Киренского, 26, ауд. Ж-115.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат кандидатской диссертацией размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (http://www.sfu-kras.ru').

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660074, г. Красноярск ул. Киренского, 26, ПИ СФУ, Ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.099.07; факс (3912) 243-06-92 (для кафедры ТЭС); e-mail: boiko@krgtu.ru.

Автореферат разослан «28» сентября 2009 г.

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

Е.А. Бойко

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования энергоемких теплотехнологических установок алюминиевого производства с целью энергосбережения и получения конечного продукта требуемого качества.

Получение алюминия в электролизных ваннах является практически единственным промышленным методом его производства. При этом наиболее широкое применение на алюминиевых заводах России и за рубежом получили электролизеры с самообжигающимися анодами. Технико-экономические и экологические показатели электролизеров этой конструкции характеризуются достаточно низкими значениями и требуют дальнейшего повышения.

Не менее важной задачей отечественной промышленности является получение качественных сплавов на основе алюминия. В частности, для производства полуфабрикатов из автоматных алюминиевых сплавов требуется применение лигатур (промежуточных сплавов) системы А1-РЬ. Однако в настоящее время аппаратурное оформление технологии получения лигатур несмешивающихся компонентов системы А1-РЬ заданной структуры недостаточно отработано.

Разработка технических решений по усовершенствованию теплотехнологических установок для получения алюминия и его сплавов методами физического эксперимента является весьма трудной задачей. В связи с этим наиболее рациональным для исследования и совершенствования теплотехнологических процессов является применение совершенных математических моделей, базирующихся на фундаментальных уравнениях математической физики.

Объект исследования - электролизеры для получения алюминия и установки для гранулирования свинецсодержащего расплава на его основе.

Предмет исследования - процессы теплообмена при электролизе алюминия и гранулировании его расплавов.

Цель работы - повышение энергоэффективности, надежности работы и качества конечного продукта теплотехнологических установок для получения первичного алюминия и его гранулированных промежуточных сплавов на основе результатов расчетно-теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена.

Задачи исследования:

1. Для выявления энергосберегающего потенциала алюминиевого электролизера с самообжигающимися анодами усовершенствовать его математическую модель теплообмена, учитывающую особенности элементов конструкции и режимов работы.

2. Разработать математическую модель процесса теплообмена в установках для получения гранул расплава системы А1-РЬ, позволяющую прогнозировать качество получаемых промежуточных сплавов.

3. Выполнить расчетно-теоретические и экспериментальные исследования процессов теплообмена при электролизе алюминия и гранулировании расплава системы А1-РЬ.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации по повышению энергоэффективности и надежности работы алюминиевых электролизеров и процесса теплообмена при получении в промышленных установках гранул промежуточных алюминиевых сплавов с равномерным распределением включений свинца.

Научная новизна работы

1. Усовершенствована трехмерная математическая модель электролизера, учитывающая при анализе теплообмена токораспределение в его объеме, конструкции анодных штырей и футеровки, состав анодной массы.

2. Впервые разработана трехмерная динамическая математическая модель теплообмена при гранулировании металлических расплавов, учитывающая изменение нелинейных граничных условий и фазового состава охлаждающей среды в процессе движения капли различного размера и химического состава.

3. Установлена зависимость производительности электролизера с самообжигающимися анодами от формы токоподводящих элементов.

4. Определена скорость охлаждения капель расплава системы А1-РЬ различного размера и состава, необходимая для получения гранул с равномерным распределением включений РЬ.

Практическая значимость результатов работы

1. Предложена двумерная математическая модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая проводить инженерные расчеты температурных полей в его объеме.

2. Предложена форма анодных штырей, позволяющая, в сочетании с использованием коллоидной анодной массы, увеличить производительность электролизера при одновременном снижении затрат на электроэнергию.

3. Рекомендованы расчетные зависимости междуполюсного пространства (МПР) электролизера от величины образующихся воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух», обеспечивающие образование защитного слоя гарнисажа.

4. Рекомендованы режимные и конструктивные параметры работы промышленных теплотехнологических установок для получения высококонцентрированных свинецсодержащих алюминиевых гранул.

5. Научные и практические результаты работы используются при разработке технологии производства алюминия и его сплавов в НТЦ «Легкие металлы» и ООО «КРАМЗ», а также в Сибирском федеральном университете при подготовке студентов по специальностям «Энергетика теплотехнологии» и «Промышленная теплоэнергетика».

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели теплообмена и токораспределения в электролизере с самообжигающимися анодами и результаты численного исследования влияния режимных и конструктивных параметров на его тепловую работу.

2. Математическая модель теплообмена при гранулировании металлического расплава системы А1-РЬ и результаты численного и экспериментального исследования динамики его охлаждения.

3. Рекомендации по рациональным конструкции и режимным параметрам электролизеров с самообжигающимися анодами, позволяющие повысить их энергоэффективность и надежность работы футеровки.

4. Рекомендации по организации процесса охлаждения расплава системы А1-РЬ для получения в промышленных установках гранул лигатур требуемого по технологии качества.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе базирующихся на фундаментальных уравнениях математической физики современных методов анализа процессов теплообмена, а также сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными в ходе апробации расчетных моделей.

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации основные положения, теоретические результаты и выводы получены лично автором или при его непосредственном участии. При анализе результатов работы использовались консультации Г.В. Архипова, Я.А. Третьякова, А.Г. Архипова, В.Г. Бабкина и А.И. Черепанова.

Апробация работы проводилась на Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («XII Бенардосовские чтения»), Иваново, 2006; Международной научной конференции «Современные проблемы математического моделирования и вычислительных технологий - 2008», Красноярск, 2008; XII Международной научной конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2008; XIV Международной конференции-выставке «Алюминий Сибири-2008», Красноярск, 2008; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («XV Бенардосовские чтения»), Иваново, 2009; Всероссийском семинаре кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике, Красноярск, 2009.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 из списка рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов с выводами, заключения и библиографического списка из 112 наименований, изложенных на 111 страницах, включая 34 рисунка и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе представлен литературный обзор и анализ основных направлений исследования в области усовершенствования процессов и установок для производства алюминия и его сплавов.

Анализ работы электролизеров с самообжигающимися анодами выявил ряд проблем, существенно снижающих эффективность их работы. Это, прежде всего, значительное падение напряжения на теле анода, которое обусловлено малой площадью контакта штырей с токопроводящей анодной массой и имеет место при температурах выше 400 °С. Выявлено, что причиной выхода из строя электролизера вследствие интенсивного разрушения бортового блока и вытекания расплава из ванны является образование воздушных прослоек в пространстве между бортовым блоком и стальным кожухом, которые ухудшают тепло-отвод из рабочего пространства в окружающую среду. Обзор имеющихся мето-

дов расчета показал на необходимость создания математических моделей электролизера, позволяющих учесть влияние на показатели его работы геометрии штырей, состояния элементов конструкции и режимных параметров.

Обобщение литературных данных по способам получения отливок и лигатур из сплавов системы А1-РЬ показало, что в условиях атмосферного давления и низкой скорости охлаждения при затвердевании наблюдается ликвация свинца по плотности. Наиболее подходящим здесь является процесс гранулирования, который дает возможность получить в высоколегированных сплавах алюминия с легкоплавкими, практически нерастворимыми в алюминии и резко отличающимися по плотности компонентами (Sn, Pb, Cd, Bi) диспергированную гетерогенную структуру с равномерным распределением включений. Отработка рациональной конструкции установок для гранулирования расплавов связана с определением влияния ряда факторов, к которым, в первую очередь, следует отнести размеры гранул, состав и скорость их охлаждения. Однако в настоящее время процесс гранулирования имеет лишь приближенное аналитическое описание, что не позволяет провести детальный параметрический анализ и определить температурное поле кристаллизующихся капель расплава.

Теоретическим и экспериментальным исследованием процессов получения алюминия и его сплавов посвящены работы П.В. Полякова, В.И. Добатки-на, В.Г. Бабкина, В.И. Елагина, A Solheim, Н. A. Oye и др.

Рассмотрены современные методы численного анализа и программы для математического моделирования теплофизических процессов. Показано преимущество моделей, основанных на использовании численных методов конечных элементов и контрольного объема. Значительный вклад в развитие математического моделирования исследуемых процессов внесли: Г.В. Архипов, Я.А. Третьяков, А.Г. Архипов, E.H. Панов, V. Bojarevics, М. Dupuis, М. Flueck, J. Rappaz, Y. Safa, M.V. Romerio и др.

В заключение раздела сформулированы основные задачи исследований, проводимых в диссертационной работе.

Во втором разделе описаны математические модели, предложенные для описания тепловых и электрических полей в объеме электролизера, а также теплофизических процессов, протекающих при гранулировании металлических расплавов. Приведено сопоставление полученных результатов расчета с данными лабораторного и промышленного экспериментов.

Показано, что для наиболее полного описания влияния геометрии токо-подводящих элементов на производительность должна быть создана трехмерная математическая модель электролизера, в которой наряду с решением уравнения энергии необходимо решать уравнение электрического потенциала.

Для стационарных условий математическая модель теплового и электрического полей в электролизере (термоэлектрическая модель) состоит из трехмерного дифференциального уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты и уравнения распределения электрического потенциала: div(Á(T)VT) + а{Т) ■ (V<pf = 0; (1)

div(a(T]4<p) = 0, (2)

где Т - температура, К; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); ст -удельная электрическая проводимость 1/(Ом-м); ср - электрический потенциал, В.

Использовались следующие граничные условия: на поверхностях симметрии задавалась адиабатическая поверхность, а на внешних поверхностях граничное условие третьего рода с учетом лучистой составляющей теплообмена. На анодной штанге задавалась равномерно распределенная по сечению штанги плотность электрического тока, на катодной штанге - нулевой электрический потенциал, а на всех наружных поверхностях условие электроизоляции. Для материалов с анизотропными теплофизическими параметрами учитывалось изменение их значения от направления, все теплофизические параметры зависели от температуры. Влияние гидродинамики на теплообмен в расплаве учитывалось путем введения эффективных коэффициентов теплопроводности, значения которых принимались согласно данным промышленных экспериментов.

При построении конечно-элементной сетки в модели учитывались форма анодных штырей, теплофизические параметры анодной массы, термические и электрические контактные сопротивления в токоподводящих и токоотводящих частях, которые определяют неидеальный контакт поверхностей элементов электролизера.

Решение задачи проводилось с использованием численного метода конечных элементов при помощи программы АшуБ. Расчетная область, представляла собой четвертую часть объема всего электролизера С-8БМ, которая содержит 494749 элементов и 530972 узлов (рис. 1). Конечные элементы имели гексаэдрическую форму.

Рис. 1. Конечно-элементная сетка четвертой части электролизера

С целью апробации термоэлектрической модели были проведены промышленные эксперименты, в результате которых были определены температурное поле, электрический баланс, размеры гарнисажа и настыли. Сопоставление расчетного и измеренного электрического баланса представлено в таблице 1. В таблице 2 представлены расчетные и экспериментальные показатели работы электролизера, на рис.2 - расчетное температурное поле.

Из таблиц видно, что математическая модель позволяет получать результаты соответствующие действительным параметрам работы электролизера. По электрическому балансу совпадают практически все статьи. Такая же картина наблюдается и при сопоставлении температурного поля для измеренных и расчетных значений.

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные электрические балансы

Параметр Расчет Эксперимент

Сила тока, кА 183,6 183,6

Падение напряжения в аноде, В: - шина-штырь - штырь - контакт штырь-анод - тело анода 0,556 0,553

0,045 0,045

0,511 (сумма) 0,510 (сумма)

Падение напряжения в электролите, В: 3,487 3,49

Падение напряжения в подине, В: 0,384 0,391

Расход электроэнергии, кВт-ч/(т А1) 15730 15684

Таблица 2 - Показатели работы электролизера

Температура, °С: Расчет Эксперимент

- электролит в ПБА ванны 954 953

- продольной стенки (фланец) 177 140-160

- продольной стенки уровень расплава 389 330-386

- фланец торцевой стенки 221 225

- центр днища 72 70

- центр поверхности анода 120 114

- поверхность по периферии анода 65 78-97

Геометрия, мм:

- длина настыли по продольной стенке 180 200-400

- толщина гарнисажа по продольной стенке 76 90-140

- толщина гарнисажа по торцевой стенке 108 96

Для анализа влияния образовавшихся воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух» предложено использовать двумерную математическую модель теплообмена электролизера, где температурное поле футеровки и

расплава определяется согласно стационарного уравнения теплопроводности с учетом ортотропии среды, а также ее геометрических и теплофизических параметров:

дх,

Л(хиТ)~\ +

дх, ) дх-,

Л(х2,Г)

дТ

дх

+ qv(x,,x2) = О,

(3)

2 У

где qv - объемная плотность внутренних источников теплоты, задаваемая в МПР, Вт/м3.

Для расчета внутреннего источника теплоты использован подход, в котором исключается решение задачи электрического потенциала во всем объеме электролизера. Такой подход ранее был предложен E.H. Пановым. Тепловыделение задавалось равномерно распределенным в МПР, так как наибольшая мощность внутренних источников теплоты выделяется в этой области.

209.333 418.667 628

104.667 314 523.333

Рис. 2. Температурное поле:

а - общий вид; б - поперечное сечение

837.333

732.667

942

Граница раздела фаз «расплав - твердое тело» определялась в приближении Стефана, путем введения скачка теплопроводности:

[1г,Т<Т,

Здесь 7] - температура фазового перехода, К; Хт, КР - коэффициенты теплопроводности твердой и жидкой фаз соответственно, Вт/(м-К).

Расчетная область имела форму прямоугольника, представляющего собой конструкцию электролизера в поперечном сечении. На стыке слоев футеровки использовалось граничное условие четвертого рода, на внешних поверхностях - третьего рода с учетом лучистой составляющей, на оси симметрии - второго рода (адиабатическая поверхность).

Дискретизация уравнения (3) проводилась с использованием центрально-разностной равномерной сетки с шагом \ по направлению х, и шагом к2 по направлению х2. В результате была получена пятиточечная система нелинейных уравнений. Пятиточечный шаблон дискретизации дифференциального уравнения представлен на рис. 3.

л.ч+1

М)

0-1

Рис. 3. Центрально-разностный пятиточечный шаблон

Уравнение (3) в результате дискретизации принимает вид сеточного уравнения:

- а0- ■ T^j - by ■ TiJA + dy ■ Ту - aMj ■ TMJ - btj+] ■ TiJ+x = 0;

где Ni,N2 - количество узлов в расчетной области по горизонтали и по вертикали.

Решение сеточной системы уравнений (5) проводилось итерационным методом сопряженных градиентов с выбором сеточного оператора согласно методу приближенной факторизации.

С целью приведения криволинейной расчетной области задачи к регулярной был использован метод фиктивных областей. Этот метод подробно представлен в работах Самарского A.A., Вабищевича П.Н. Программа составлялась в среде Visual Studio 6.0 на языке С++.

Апробация разработанной математической модели проводилась путем сравнения полученных результатов расчета с данными промышленных опытов. Сравнение показывает на качественно правильный характер изменения температурных кривых, полученных расчетом. Значения расчетных температур и тепловых потоков на кожухе (на уровне поверхности раздела «металл-электролит») были близки к измеренным. Максимальное расхождение температур расплава вблизи бортового блока не превышало 3,0 %.

Разработанная математическая модель теплофизических процессов гранулирования расплава системы А1-РЬ представляет собой систему дифференциальных уравнений неразрывности, сохранения импульса и энергии. Уравнение

энергии включает члены, учитывающие внутреннее тепловыделение при фазовом переходе в расплаве капли в процессе кристаллизации и кипения воды, а также потери тепла на излучение с поверхности капли различного размера и химического состава. Влияние турбулентности учитывалось представлением мгновенных значений гидродинамических характеристик как суммы статистических средних значений и пульсационных составляющих. Таким образом, скорости в уравнениях движения являются усредненными по Рейнольдсу. д

—(р) + <Цу(ру) = 0; (6)

от

—(р V) + Ч(р V у) = ~^а<1{р) + У^г - руУ);

ОТ

г

дхдх.

2 Э^

3

от

(7)

(8) (9)

где р — плотность, кг/м ; V - скорость, м/с; р - давление, Па; ¡л - коэффициент динамической вязкости, Па-с; у' - пульсационная составляющая скорости, м/с; к — энтальпия Дж/кг; X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Ек -

внутреннее тепловыделение, Вт/м3; г - тензор вязких напряжений, Па; 8- -

символ Кронекера, 81; = 0(1 -ф =1.

Для замыкания уравнений (6)-(9) использовалась к-е модель турбулентности. Уравнения переноса для кинетической энергии турбулентности к, м2/с2, и ее диссипации £, м2/с3, имели следующий вид:

-(рк) + Ч(рук) = V от

Т(ре) + У(ру£) = V от

(г \

\\

\ \

А,

+ Р-ре-

М + —

\Л

е У

/

е е2

х л

(10)

(И)

Здесь Р - скорость генерации турбулентности, - турбулентная вязкость. Эмпирические константы имеют следующие значения: ак = 1, ае=\,Ъ, С, =1,44, С, =1,92.

Влияние образования пара на теплообмен учитывалось в приближении задачи Стефана. Теплофизические параметры воды и пара принимались в зависимости от температуры.

Расчетная область представляет собой цилиндр, на оси которого расположена сферическая гранула (рис. 4). На нижнем основании цилиндра была задана скорость движения гранулы как функция от времени, температура воды, а также нулевые значения кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации. На верхнем основании задавался нулевой градиент скорости и

температуры по вертикальной координате. На боковых поверхностях цилиндра задавалось условие скольжения и непротекания.

Численное решение задачи (6)-(11) проводилось методом контрольного объема с использованием программы Star-CD.

Для определения граничных условий был проведен лабораторный эксперимент. В результате обработки экспериментальных данных были получены значения мгновенной скорости движения капли расплава в водной среде.

Рис. 4. Расчетная область капли сплава

На рис. 5 показана лабораторная установка для гранулирования расплава системы А1-РЬ, состоящая из индукционной печи и водяной ванны. В основании тигля печи имелось отверстие, где формировалась капля расплава. Расстояние от отверстия до поверхности воды в ванне составляло 6 см. По мере движения капли в воздухе и далее водяной ванне протекал процесс охлаждения с последующей кристаллизацией и формированием гранулы.

Рис. 5. Лабораторная установка для получения гранул

Третий раздел посвящен расчетному исследованию влияния на тепловую работу электролизера С-8БМ конструкции анодных штырей, состава анодной массы и образования в процессе эксплуатации воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух».

С целью создания более ровного конуса спекания, уменьшения потерь энергии в теле анода, а также уменьшения выбросов вредных веществ, при перемещении токоподводящих элементов на верхний горизонт, были предложены новые конструкции токоподводящих штырей, расположенных по периферии самообжигающегося анода. Исследуемые конструкции токоподводящих штырей представляют собой токоподводы прямоугольного сечения различной площади. Также в связи с переходом к использованию на заводах коллоидной анодной массы, было принято решение о ее использовании в качестве анодного материала.

Численное исследование тепловых и электрических полей выполнялось для типовой конструкции электролизера с использованием анодных штырей диаметром 138 мм и сухой анодной массы, а также базовой конструкции и штырей прямоугольного сечения 300x60, 420x40, 540x30 с использованием коллоидной анодной массы.

Расчеты температурных полей во всех вариантах проводились с условием обеспечения температуры электролита в пространстве борт-анод (ГЕБА) - 957958 °С. Обеспечение требуемого значения температуры в ПБА осуществлялось за счет изменения в процессе расчета термоэлектрической модели величины МПР, которая задавалась с помощью разработанной на языке АРОЬ подпрограммы. На рис. 6 приведен результат расчета температурного поля для варианта с размером токоподводящих штырей сечением 540x30 мм, расположенных по периферии анода и коллоидной анодной массы.

О 211.111 422.222 633.333 844.444

105.556 316.667 527.778 738.889 950

В результате расчета тепловых и электрических полей в электролизере, для каждого исследуемого варианта были составлены тепловые и электрические балансы. Сравнительный анализ полученных результатов показал, что при замене анодного штыря диаметром 138 мм на плоский анодный штырь для обеспечения температуры в ПБА 957-958 °С необходимо увеличение МПР на 3 мм, при этом будет наблюдаться:

- снижение падения напряжения в аноде на 110 мВ;

- уменьшение тепловых потерь с поверхности штырей от 30,7 до 28,1 кВт (на 0,5 %), с анодной массы - от 25,9 до 22,3 кВт (на 0,7 %);

- увеличение тепловых потерь с анодного кожуха от 109,9 до И 1,6 кВт (на 0,8 %).

Выявлено, что производительность электролизера не зависит от размера сечения исследуемых плоских токоподводящих штырей. Однако, при использовании коллоидной анодной массы замена штырей базовой конструкции на плоские обеспечит увеличение производительности на 6 кг/сутки (0,45 %), а относительно базовой конструкции и сухой анодной массы на 28,4 кг/сутки (2,16 %).

Определено, что использование плоских штырей будет способствовать незначительному увеличению уровня конуса спекания в центре анода (4 см) и формированию более ровного конуса спекания за счет повышения его по периферии анода (в среднем на 2 см).

На основе тепловой модели проведена расчетная оценка влияния на температурное поле электролизера образовавшихся в процессе эксплуатации воздушных прослоек между бортовым угольным блоком и стальной стенкой кожуха. Относительное изменение толщины защитного слоя застывшего электролита от образовавшегося воздуха в пространстве между бортовым блоком и стенкой кожуха составляет примерно 0,1 см на 1 % содержания воздуха (рис. 7, а). Установлено, что в случае полного заполнения воздухом пространства между бортовым блоком и стенкой кожуха максимальная температура в рабочей области составляет примерно 1005 °С. Такой тепловой режим работы электролизера полностью исключает образование защитного слоя гарнисажа на боковых стенках и способствует интенсивному изнашиванию бортового блока. Поэтому для обеспечения защитного слоя гарнисажа в пределах 5... 15 мм необходимо выбирать значение МПР согласно зависимости представленной на (рис. 7, б).

О 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40

Содержание воздуха в уплотняющем слое. 96 Содержание воздуха в уплотняющем слое, %

а б

Рис. 7. Зависимость толщины гарнисажа (а) и МПР (б) от содержания воздуха в пространстве «бортовой блок - кожух»

Четвертый раздел посвящен проблеме гранулирования лигатур расплава системы А1-РЬ. С этой целью на разработанной математической модели теплообмена проведено численное исследование влияния на характер кристаллизации капли сплава А1-РЬ, свободно падающей в воздушной и водной среде, ее скорости охлаждения, размера и химического состава. Проведена также экспериментальная оценка структуры гранул, образующихся в результате высокоскоростного охлаждения.

Для решения задачи охлаждения капли расплава было первоначально определено ее температурное поле в момент соприкосновения с поверхностью воды. При расчете скорости движения капли не рассматривалось влияние силы трения капли с воздухом - скорость определялась из кинематического уравнения движения материальной точки, на которую действует только сила тяжести. Показано, что температура капли расплава за время ее свободного движения в воздухе уменьшится не более чем на 10 °С. На рис. 8 представлены температурные поля воздушной среды и капли расплава в процессе ее свободного падения.

Температурное поле в момент соприкосновения капли расплава с поверхностью воды использовалось как одно из начальных условий в расчете теплообмена между движущейся каплей и водой с использованием системы уравнений (6)-(11).

Рис. 8. Температурное поле воздушной среды и капли расплава диаметром 6 мм в момент времени 0,1 сек

На рис. 9 представлена экспериментально полученная на лабораторной установке (см. рис. 5) зависимость скорости движения капли в воде от времени. В опытах температуры участвующих в теплообмене сред составили, °С: воды -15, воздуха - 20, расплава системы А1-15РЬ в индукционной печи - 1100.

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Время движения капли в воде, с

Рис. 9. Зависимость скорости движения капли в воде от времени

Полиномиальная аппроксимация этой зависимости дает следующие уравнения (степень достоверности 0,999):

у(0 =

- 42414 • I6 + 34423 • - 66995 • -14671 • Р + 7587 • -1115-^ + 93,01, при ? < 0,375 с; - 44,83 ■ И +127,4 • г3 -108,4 • I2 + 6,738 • ? + 34,53, при (> 0,375 с.

(12)

Отметим, что зависимость (12) использовалась в качестве нестационарного граничного условия при моделировании процесса гранулирования.

Расчетная динамика температур в объеме капли в процессе ее движения в пароводяной среде показана на рис. 10. Для капли диаметром 4,5 мм, 6 мм и 7,5 мм средние за все время движения в воде скорости охлаждения соответственно равны, °С/с: 680, 393, 325. Однако, максимальные скорости охлаждения значительно отличаются от средних. В начальный период движения (0...0,2 с) капель диаметром 4,5, 6 и 7,5 мм в пароводяной среде, их скорости охлаждения составляют соответственно, °С/с: 1200, 800, 600.

Расчетами и экспериментом на лабораторной установке для гранулирования установлено, что для капли сплава А1-15РЬ размером 4,5 мм скорость охлаждения 680 °С/с достаточна для получения гранулы с равномерными включениями свинца. На основе полученных расчетных значений скорости охлаждения капли расплава А1-15РЬ определена требуемая для получения гранул минимальная высота водяной емкости, величина которой составляет 0,7 м.

Результаты микроскопического анализа (рис. 11), проведенного совместно с В.Г. Бабкиным и А.И. Черепановым, показали, что частицы свинцовой фазы четко выделяются на фоне алюминиевой матрицы, их распределение по по-

лю шлифа равномерно. Размер свинцовых включений не превышает 30 мкм, что говорит о достаточной скорости охлаждения капель расплава.

ч__

; \\\

\

1 ■V ~ 5

Время, с

Рис. 10. Зависимости температуры в объеме капли от времени движения в водяной среде: 1 - минимальная температура капли диаметром 4,5 мм; 2 - максимальная температура капли диаметром 4,5 мм; 3 - минимальная температура капли диаметром 6 мм; 4 -максимальная температура капли диаметром 6 мм; 5 - минимальная температура капли диаметром 7,5 мм; 6 - максимальная температура капли диаметром 7,5 мм.

Рис. 11. Структура гранулы размером 4,5 мм: а - х20; б - х 100

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Усовершенствована трехмерная модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая учесть при анализе энергоэффективности его работы токораспределение в его объеме, влияние геометрии анодных штырей, состав анодной массы и особенности конструкции футеровки.

2. Предложена двумерная математическая модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая проводить инженерные расчеты температурных полей в его объеме.

3. Впервые разработана трехмерная динамическая математическая модель теплообмена при гранулировании металлических расплавов, учитывающая изменение нелинейных граничных условий и фазового состава охлаждающей среды в процессе движения капли различного размера и химического состава.

4. Проведена оценка адекватности используемых математических моделей теплообмена и показано удовлетворительное согласие результатов моделирования с опытными данными на действующих электролизерах и лабораторной установке для получения гранул.

5. Установлена зависимость производительности электролизера с самообжигающимися анодами от формы токоподводящих элементов. Показано, что в результате использования анодных штырей плоской формы и коллоидной анодной массы производительность электролизера увеличится на 2,16 % (28,4 кг/сутки) при одновременном снижении расхода электроэнергии на 2,4 % (388 кВт-ч/т AI).

6. Установлено существенное влияние воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух» на толщину защитного слоя гарнисажа. Рекомендована расчетная зависимость величины междуполюсного пространства от толщины гарнисажа, обеспечивающая его образование.

7. Определена скорость охлаждения капель расплава системы А1-РЬ различного размера и состава, необходимая для получения гранул с равномерным распределением включений РЬ. Рекомендовано в промышленных теплотехно-логических установках вести процесс получения гранул размером 4,5 мм состава А1-15РЬ со скоростью охлаждения капель расплава не менее 680 °С/с.

8. Результаты исследований используются при разработке технологии производства алюминия и его сплавов в НТЦ «Легкие металлы» и ООО «КРАМЗ», а также в учебном процессе при подготовке специалистов по теплоэнергетическому направлению.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Скуратов, А.П. Численное исследование теплофизических процессов в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. — С. 230-233.

2. Скуратов, А.П. Расчетное исследование скорости охлаждения капли алюминиевого сплава в водной среде / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. - С. 233-235.

Публикации в журналах и сборниках трудов конференций

3. Скуратов, А.П. Математическое моделирование тепловых полей в тепло-технологических промышленных установках / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Тез. докл. XIV Международной научно-техничекой конференции: «Состояние и перспективы развития электротехнологии», ч.2. Иваново, 2007. - С. 33.

4. Скуратов, А.П. Математическое моделирование тепловых полей в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2007. - Вып. 15. - С. 161-164.

5. Скуратов, А.П. Расчетное исследование влияния режимных параметров на теплообмен в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. - Вып. 3(20).-2007.-С. 26-29.

6. Скуратов, А.П. Математическое моделирование процесса кристаллизации капли металлического расплава в водной среде / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Решетневские чтения: материалы XI междунар. науч. конф., посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева / под общ. ред. И.В. Ковалева; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2008. - С. 102.

7. Скуратов, А.П. Численное решение задачи течения и теплообмена электролита в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных, Т.А. Останина // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2008.-Вып. 17.-С. 56-60.

8. Бабкин, В.Г. Моделирование тепловых процессов при литье гранул высококонцентрированных сплавов системы Al-Pb-Bi и оптимизация их структуры // В.Г. Бабкин, А.П. Скуратов, А.И. Черепанов, A.A. Пьяных. Алюминий Си-бири-2008. - С. 284-291.

9. Скуратов, А.П. Численное исследование зависимости энергетических показателей алюминиевого электролизера от используемой анодной массы / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Тез. докл. XV Международной научно-техничекой конференции: «Состояние и перспективы развития электротехнологии», ч.2. Иваново, 2009.-С. 91.

10. Скуратов, А.П. Численное исследование теплофизических процессов при гранулировании алюминиевых сплавов / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных, В.Г. Бабкин, А.И. Черепанов // Тезисы докладов Всероссийского семинара кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике. Красноярск, 2009. - С. 97.

11. Скуратов, А.П. Увеличение энергоэффективности алюминиевого электролизера на основе математического моделирования / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных, С.Д. Скуратова // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2009. Вып. 5. - С. 163-168.

12. Скуратов, А.П. Повышение энергетической и экологической эффективности работы алюминиевого электролизера / А.П. Скуратов, A.A. Пьяных // Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, 2009. т. 14. № 6. - С.34-36.

с$/

Пьяных Артем Анатольевич Повышение эффективности теплотехнологических процессов и установок для получения алюминия и его сплавов

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 24.09.2009 г. Заказ №_£>£/_ Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Типография Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Введение.

1. Современное состояние проблемы работы теплотехиологиче-ских установок для получения алюминия и его сплавов и методы их расчета.

1.1. Обзор существующих конструкций электролизеров с самообжигающимися анодами и проблемы их работы.

1.2. Обобщение литературных данных по методам получения сплавов А1-РЬ.

1.3. Современные методы численного анализа теплотехнологических процессов.

1.4. Обзор существующих математических моделей теплотехнологических установок для получения алюминия и его сплавов.

1.5. Выводы и постановка задач исследования.

2. Разработка математических моделей процессов теплообмена в установках для получения алюминия и его сплавов.

2.1. Математические модели теплообмена в электролизере.

2.1.1. Разработка математической модели теплообмена и метод ее решения.

2.1.2. Совершенствование термоэлектрической модели электролизера и метод ее решения.

2.2. Разработка математической модели теплообмена при гранулировании алюминиевых сплавов и метод ее решения.

2.3. Апробация тепловой модели электролизера.

2.4. Апробация термоэлектрической модели электролизера.

2.5. Разработка лабораторной установки для приготовления лигатур системы А1-РЬ в гранулированном виде.

2.6. Выводы

3. Расчетное исследование тепловой работы алюминиевого электролизера С-8БМ.

3.1. Разработка предложений по рациональной конструкции анодных штырей.

3.2. Моделирование тепловых и электрических полей для различных конструкций анодных штырей.

3.3. Расчет энергетических балансов для исследуемых вариантов анодных токоподводов.

3.4. Расчетная оценка влияния воздушных прослоек в пространстве бортовой блок - кожух» на образование гарнисажа.

3.5 Анализ результатов.

Получение алюминия в электролизных ваннах является практически единственным промышленным методом его производства. При этом наиболее широкое применение на алюминиевых заводах России и за рубежом получили электролизеры с самообжигающимися анодами. Техникоэкономические и экологические показатели электролизеров этой конструкции характеризуются достаточно низкими значениями и требуют дальнейшего повышения.Не менее важной задачей отечественной промышленности является получение сплавов на основе алюминия. В частности, для производства полуфабрикатов из автоматных алюминиевых сплавов требуется применение лигатур (промежуточных сплавов) системы А1-РЬ. Однако в настоящее время аппаратурное оформление технологии получения лигатур несмешивающихся компонентов системы А1-РЬ заданной структуры недостаточно отработано.Разработка технических решений по усовершенствованию теплотехнологических установок для получения алюминия и его сплавов методами физического эксперимента является весьма трудной задачей. В связи с этим наиболее рациональным для исследования и совершенствования теплотехнологических процессов является применение совершенных математических моделей, базирующихся на фундаментальных уравнениях математической физики.Объектом исследования в настоящей работе являются электролизеры для получения алюминия и установки для гранулирования свинецсодержащего расплава на его основе.Предметом исследования являются процессы теплообмена при электролизе алюминия и гранулировании его расплавов.Цель работы является повышение энергоэффективности, надежности работы и качества конечного продукта теплотехнологических установок для получения первичного алюминия и его гранулированных промежуточных сплавов на основе результатов расчетно-теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена.Задачи исследования: 1. Для выявления энергосберегающего потенциала алюминиевого электролизера с самообжигающимися анодами усовершенствовать его математическую модель теплообмена, учитывающую особенности элементов конструкции и режимов работы.2. Разработать математическую модель процесса теплообмена в установках для получения гранул расплава системы А1-РЬ, позволяющую прогнозировать качество получаемых промежуточных сплавов.3. Выполнить расчетно-теоретические и экспериментальные исследования процессов теплообмена при электролизе алюминия и гранулировании расплава системы А1-РЬ.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации по повышению энергоэффективности и надежности работы алюминиевых электролизеров и процесса теплообмена при получении в промышленных установках гранул промежуточных алюминиевых сплавов с равномерным распределением включений свинца.Научная новизна работы: 1. Усовершенствована трехмерная математическая модель электролизера, учитывающая при анализе теплообмена токораспределение в его объеме, конструкции анодных штырей и футеровки, состав анодной массы.2. Впервые разработана трехмерная динамическая математическая модель теплообмена при гранулировании металлических расплавов, учитывающая изменение нелинейных граничных условий и фазового состава охлаждающей среды в процессе движения капли различного размера и химического состава.3. Установлена зависимость производительности электролизера с самообжигающимися анодами от формы токоподводящих элементов.4. Определена скорость охлаждения капель расплава системы А1-РЬ различного размера и состава, необходимая для получения гранул с равномерным распределением включений РЬ. Практическая значимость результатов работы: 1. Предложена двумерная математическая модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая проводить инженерные расчеты температурных полей в его объеме.2. Предложена форма анодных штырей, позволяющая, в сочетании с использованием коллоидной анодной массы, увеличить производительность электролизера при одновременном снижении затрат на электроэнергию.3. Рекомендованы расчетные зависимости междуполюсного пространства (МПР) электролизера от величины образующихся воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух», обеспечивающие образование защитного слоя гарнисажа.4. Рекомендованы режимные и конструктивные параметры работы промышленных теплотехнологических установок для получения высококонцентрированных свинецсодержащих алюминиевых гранул.5. Научные и практические результаты работы используются при разработке технологии производства алюминия и его сплавов в НТЦ «Легкие металлы» и ООО «КРАМЗ», а также в Сибирском федеральном университете при подготовке студентов по специальностям «Энергетика теплотехнологии» и «Промышленная теплоэнергетика».Основные результаты, выносимые на защиту: 1. Математические модели теплообмена и токораспределения в электролизере с самообжигающимися анодами и результаты численного исследования влияния режимных и конструктивных параметров на его тепловую работу.2. Математическая модель теплообмена при гранулировании металлического расплава системы А1-РЬ и результаты численного и экспериментального исследования динамики его охлаждения.3. Рекомендации по рациональным конструкции и режимным параметрам электролизеров с самообжигающимися анодами, позволяющие повысить их энергоэффективность и надежность работы футеровки.4. Рекомендации по организации процесса охлаждения расплава системы А1-РЬ для получения в промышленных установках гранул лигатур требуемого по технологии качества.Краткое содержание работы: в первом разделе представлен литературный обзор и анализ основных направлений исследования в области усовершенствования процессов и установок для производства алюминия и его сплавов.Во втором разделе описаны математические модели, предложенные для описания тепловых и электрических полей в объеме электролизера, а также теплофизических процессов, протекающих при гранулировании металлических расплавов. Приведено сопоставление полученных результатов расчета с данными лабораторного и промышленного экспериментов.Третий раздел посвящен расчетному исследованию влияния на тепловую работу электролизера С-8БМ конструкции анодных штырей, состава анодной массы и образования в процессе эксплуатации воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух».Четвертый раздел посвящен проблеме гранулирования лигатур расплава системы А1-РЬ. С этой целью на разработанной математической модели теплообмена проведено численное исследование влияния на характер кристаллизации капли сплава А1-РЬ, свободно падающей в воздушной и водной среде, ее скорости охлаждения, размера и химического состава. Проведена также экспериментальная оценка структуры гранул, образующихся в результате высокоскоростного охлаждения.

3.6. Выводы и рекомендации

1. Рекомендована плоская форма анодных штырей, позволяющая в сочетании с использованием коллоидной анодной массы увеличить производительность электролизера при одновременном снижении затрат на электроэнергию.

2. Расчетами установлено, что для обеспечения температуры в ПБА в пределах 957 - 958 °С при замене анодного штыря цилиндрической формы (диаметром 138 мм) на плоский необходимо увеличение МПР на Змм, при этом будет наблюдаться следующие эффекты: снижение падения напряжения в аноде на 110 мВ;

• увеличение уровня конуса спекапия в центре анода на 35. .40 мм;

• уменьшение тепловых потерь со штырей на 0,5 %, с анодной массы -на 0,7%;

• увеличение тепловых потерь с анодного кожуха на 0,8 %.

3. Выявлено, что производительность электролизера не зависит от размера сечения исследуемых плоских токоподводящих штырей. Однако при использовании коллоидной анодной массы замена штырей базовой конструкции на плоские обеспечит увеличение производительности на 6 кг/сутки (0,45 %), а относительно базовой конструкции и сухой анодной массы на 28,4 кг/сутки (2,16%).

4. Показано, что увеличение теплового потока через штырь при соответствующем увеличении периметра его поперечного сечения будет способствовать формированию более ровного конуса спекания в среднем на 20 мм. При этом образование естественной преграды за счет увеличения уровня конуса спекания от нижней кромки анодного кожуха обеспечит более надежную защиту от протекания жидкой массы в подколокольное пространство.

5. Установлено существенное влияние воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух» на толщину защитного слоя гарнисажа. Определено, что относительное изменение толщины защитного слоя застывшего электролита от образовавшегося воздуха в пространстве между бортовым блоком и стенкой кожуха составляет примерно 0,1 см на 1 % содержания воздуха.

6. Рекомендована расчетная зависимость величины междуполюсного пространства от толщины гарнисажа, обеспечивающая его образование в пределах 5. 15 мм и надежность работы футеровки.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ГРАНУЛ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СВИНЕЦСОДЕРЖАЩИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

4Л. Численное моделирование теплообмена при движении капли расплава в воздушной среде

Прежде чем попасть в водную среду, капля расплава свободно падает 6 см в воздухе. С целью определения краевых условий для задачи теплообмена капли расплава в водной среде необходимо определить температурное поле капли в конце ее движения в воздушной среде.

Как показали расчеты, температура капли за время движения ее в воздушной среде уменьшиться не более чем на 10 °С. Результаты расчета сведены в таблицу 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе расчетного и экспериментального исследования процессов теплообмена решена научно-техническая задача повышения энергетической эффективности и надежности работы электролизеров для получения алюминия и качества гранулированных сплавов на его основе, имеющая существенное значение для теории и практики совершенствования тепловых технологических процессов и установок промышленного производства, обеспечивающих сбережение энергетических ресурсов и улучшение качества продукции.

Апробация работы проводилась на Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («XII Бенардосовские чтения»), Иваново, 2006; Международной научной конференции «Современные проблемы математического моделирования и вычислительных технологий - 2008», Красноярск, 2008; XII Международной научной конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2008; XIV Международной конференции-выставке «Алюминий Сибири-2008», Красноярск, 2008; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («XV Бенардосовские чтения»), Иваново, 2009; Всероссийском семинаре кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике, Красноярск, 2009.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 из списка рецензируемых изданий, рекомендованных экспертным советом ВАК по энергетике.

Научные и практические результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Усовершенствована трехмерная модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая учесть при анализе энергетической эффективности его работы токораспределение в объеме, влияние геометрии анодных штырей, состав анодной массы и особенности конструкции футеровки.

2. Предложена двумерная математическая модель теплообмена электролизера с самообжигающимися анодами, позволяющая проводить инженерные расчеты температурных полей в его объеме.

3. Впервые разработана трехмерная динамическая математическая модель теплообмена при гранулировании металлических расплавов, учитывающая изменение нелинейных граничных условий и фазового состава охлаждающей среды в процессе движения капли различного размера и химического состава.

4. Проведена оценка адекватности используемых математических моделей теплообмена, и показано удовлетворительное согласие результатов моделирования с опытными данными на действующих электролизерах и лабораторной установке для получения гранул.

5. Установлена зависимость производительности электролизера с самообжигающимися анодами от формы токоподводящих элементов. Показано, что в результате использования анодных штырей плоской формы и коллоидной анодной массы производительность электролизера увеличится на 2,16 % (28,4 кг/сутки) при одновременном снижении расхода электроэнергии на 2,4 % (388 кВт-ч/т А1).

6. Установлено существенное влияние воздушных прослоек в пространстве «бортовой блок - кожух» на толщину защитного слоя гарнисажа. Рекомендована расчетная зависимость величины междуполюсного пространства от толщины гарнисажа, обеспечивающая его образование.

7. Определена скорость охлаждения капель расплава системы А1-РЬ различного размера и состава, необходимая для получения гранул с равномерным распределением включений РЬ. Рекомендовано в промышленных тепло-технологических установках вести процесс получения гранул размером 4,5 мм состава А1-15РЬ со скоростью охлаждения капель расплава не менее 680 °С/с. Гранулы размером 4,5 мм получаются при диаметре отверстия тигля 1,6 мм.

8. Результаты исследований используются при разработке технологии производства алюминия и его сплавов в НТЦ «Легкие металлы» и ООО «КРАМЗ», а также в учебном процессе при подготовке специалистов по теплоэнергетическому направлению (акты и справка прилагаются).

1. Троицкий, И.А. Металлургия алюминия / И.А. Троицкий, В.А Желез-нов. М.: Металлургия, 1984. - 348 с.

2. Борисоглебский, Ю.В. Металлургия алюминия / Ю.В. Борисоглебский, Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, Г.А. Сиразутдинов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -Н.: Наука, 2000.-438 с.

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

4. Буркат, B.C. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве алюминия / B.C. Буркат, В.А. Друкарев. СПб, 2005. - 275 с.

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

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

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

8. Добаткин, В.И. Структура сплавов монотектических систем при быстром охлаждении расплавов / В.И. Добаткин, В.И. Елагин, Г.А. Мудренко, P.M. Сизова // ИАН СССР, Металлы. 1979.- №1.- С. 105-111.

9. Горбунов, В.Г. Исследование возможности получения сплавов системы алюминий свинец с помощью ультразвука / В.Г. Горбунов // Ультразвук в машиностроении. — 1969. вып. 2. — С. 197-201.

10. Берзинь, В.А. Гравитационное разделение компонентов в жидкометал-личееких системах с областью несмешиваемости / В.А. Берзинь, Ю.М. Гельфгат, С.И. Семин // ИАН Латв.ССР, серия физ. и техн. Наук. 1980. -№2. -С. 21-31.

11. Ratke, L. Liquid immiscible alloys / L. Ratke, S. Diefenbach // Materials Science and Engineering. v. 15. - № 7-8. - p. 263-347.

12. Авраамов, Ю.С. Новые композиционные материалы на основе несме-шивающихся компонентов: получение, структура, свойства / Ю.С. Авраамов, А.Д. Шляпин. М.: МГИУ, 1999. - 206 с.

13. Ивашкевич, А.Г. Алюминиевый авотматный сплав 01103 / А.Г. Ивашкевич, Г.Е. Гольдбух, М.М. Рутман // Литейное производство. 1997. - №8-9. -С. 52-53.

14. Райнз, Ф. Диаграммы фазового равновесия в металлургии / Ф. Райнз. -М.: Металлургиздат, 1960. -376 с.

15. Мондольфо, Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Л.Ф. Мондольфо. М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

16. Батышев, А.И. Ликвация свинца в отливках из алюминиевых сплавов / А.И. Батышев, К.А. Батышев, С.В. Гольцова // Литейное производство. -2007.-№ 12.-С. 2-5.

17. Ивашкевич, А.Г. Получение автоматных сплавов / А.Г. Ивашкевич // Сб. Передовой производственный опыт. 1984. — №1. - С. 40-44.

18. Варга, И.И. Приготовление алюминиевых сплавов со свинцом / И.И. Варга // Литейное производство. 1997. - №8-9. - С. 53-54.

19. Markworth, A.J. Immiscible materials and alloys / A.J. Markworth, S.H. Gelles, J.J. Duga, W. Oldfield. Proc. 3-rd Space Processing Symp., NASARe-port, 1974.-p.1003.

20. Авраамов, Ю.С. Сплавы на основе систем с ограниченной растворимостью в жидком состоянии / Ю.С. Авраамов, А.Д. Шляпин — М.: Интерконтакт наука, 2002. 372 с.

21. Кошкин, В.И. Системы компонентов с ограниченной растворимостью в жидком состоянии / В.И. Кошкин // Перспективные материалы. — 2007. — №3. -С. 81-85.

22. Авраамов, Ю.С. Получение антифрикционных металлических композиционных материалов с помощью электроимпульсной обработки / Ю.С. Авраамов, В.И. Кошкин, В.А. Нижник, И.Б. Руденко, А.Д. Шляпин // Известия МГИУ. 2006. - №1. - С. 2-7.

23. Авраамов, Ю.С. Влияние электроимпульсной обработки на микро-структрные превращение в зоне контакта разнородных металлических веществ / Ю.С. Авраамов, В.И. Кошкин, В.Е. Панин, И.Б. Руденко, А.Д. Шляпин // Перспективные материалы. 2006. - №6. - С. 10-14.

24. Батышев, А.И. Антифрикционные алюминиевые сплавы со свинцом / А.И. Батышев // Литейное производство. 1997. - №8-9. - С. 50-51.

25. Батышев, А.И. Форма для литья с кристаллизацией под давлением /

26. A.И. Батышев, В.И. Безпалько, А.С. Любавин // Литейное производство. -1990.-№6. -С. 20.

27. Батышев, А.И. Литья с кристаллизацией под давлением / А.И. Батышев,

28. B.И. Безпалько, А.С. Любавин //Литейное производство. — 1995. №2. - С. 13-15.

29. Батышев, А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением / А.И. Батышев Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.: Металлургия, 1990. - 342 с.

30. Непрерывное литье алюминиевых сплавов: справочник / Г.В. Черепок,

31. C.В. Махов, Ю.М. Черновол. М.: Интермет Инжиниринг, 2005. - 512 с.

32. Засуха, П.Ф. Биметалический прокат / П.Ф. Засуха, В.Д. Корщиков, О.Б. Бухвалов, А.А. Ершов. М.: Металлургия, 1971. - 264 с.

33. Авраамов, Ю.С. Изменение структуры и свойств сплавов алюминия со свинцом в процессе пластической деформации / Ю.С. Авраамов, В.П. Фило-ненко, А.П. Груздов, А.Д. Шляпин // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. - №7. - С. 49-51.

34. Пат. 2208660 Российская Федерация, Способ покрытия стальной полосы антифрикционной порошковой смесью / В.Я. Буланов, Э.А. Пастухов, И.Э. Игнатов, Ю.В. Концевой; 2003, Бюл. №20. 690 с.

35. Концевой, Ю.В. Технология получения композитного антифрикцинно-го слоя на стальной ленте / Ю.В. Концевой, Н.А. Ватолин, И.Э. Игнатьев и др.// Сталь. 2003. - №12. - С. 69-70.

36. Пат. 2298590 Российская Федерация, Способ получения композиционных сплавов и устройство для его осуществления / Ю.В. Концевой, Н.А. Ватолин, И.Э. Игнатьев и др; 2007, Бюл. №13. 548 с.

37. Концевой, Ю.В. Способ получения антифрикционного сплава А1 — РЬ для изготовления подшипников скольжения / Ю. В. Концевой, И.Э. Игнатьев, Е.В. Игнатьева, Э.А. Пастухов, Н.А. Ватолин // Наука. Техника. Производство. 2007. -№10. - С. 55-56.

38. Игнатьев, И.В. Математическое моделирование движения жидкости в цилиндре, возбуждаемое поршнем-вибратором / И.В. Игнатьев, А.В. Киселев,

39. A.В. Долматов и др. // Расплавы. 2005. - №6. — С. 3-11.

40. Добаткин, В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы / В.И. Добаткин,

41. B.И. Елагин. М.: Металлургия, 1981. - 176 с.

42. Добаткин, В.И. Структура сплавов монотектических систем при быстром охлаждении расплавов / В.И. Добаткин // Изв. АН СССР, Металлы. -1979. №1. - С.43-45.

43. Самарский, А.А. Введение в численные методы / А.А. Самарский. М.: Наука, 1987.-288 с.

44. Бате, К. Численные методы анализа и метод конечных элементов / К. Бате, Е. Вилсон; пер. с англ, под. ред. А.Ф. Смирнова; М., Стройиздат, 1982.-448 с.

45. Трудоношин, В.А. Математические модели технических объектов / В.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова. -М.: Высшк. шк., 1986. 160 с.

46. Флетчер, К. Численные методы на основе метода Галеркина / К. Флет-чер; пер. с англ, под ред. В. ; П. Шидловского - М., Мир, 1988. - 352 с.

47. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2 т. Т. 1. / К. Флетчер; пер. с англ, под ред. В.П. Шидловского; — М., Мир, 1991. -504 с.

48. Швыдкий, B.C. Математические методы теплофизики / B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, B.C. Шаврин, учебник для вузов. М., Машиностроение, 2001.-232 с.

49. Патанкар, С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С.В. Патанкар; пер. с англ, под. ред. В.Д. Виленский; М., Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

50. Патанкар, С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / С.В. Патанкар; пер. с англ, под. ред. Г.Г. Янькова; М., Издательство МЭИ, 2003. - 312 с.

51. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика / П. Роуч; пер. с англ; М., Мир, 1980.-616 с.

52. Dupuis, М. Расчет энергетического баланса алюминиевого электролизера с использованием модели конечных элементов Ansys / М. Dupuis // Light Metals. 1998.-С. 409-417.

53. Dupuis, M. Thermo-electric analysis of aluminum reduction cell / M. Du-puis, I. Tabsh. // Proc.31 st. Annual conference of CIM, Light Metals section. -1992.-p. 55-62.

54. Dupuis, M. Cathode shell stress modeling / M. Dupuis, G.V. Asadi, C.M. Read, A.M. Kobos. // Light metals. 1991. - p. 427-430.

55. Dupuis, M. Thermo-Electric design of a 400 kA cell using mathematical models: a tutorial / M. Dupuis. // Light metals. 2000. - p. 297-302.

56. Dupuis, M. Thermal study of the coke preheating for Hall-Heroult cell / M. Dupuis // Proceeding of the 32nd conference on Light Metals, CIM. 1993. - p. 93100.

57. Dupuis, M. Evaluation of thermal stresses due to coke preheat of a Hall-Heroult cell / M. Dupuis, I Tabsh // proceeding of the ANSYS 6th Internation conference. 1994. - № 1. - С. 15-23.

58. Dupuis, M. Demonstration thermo-electric and MHD mathematical models of a 500 ka aluminum electrolysis cell: parti / M. Dupuis, Valdis Bojarevics, Janis Freibergs // Light metals. 2003. — p. 3-20.

59. Dupuis, M. Demonstration thermo-electric and MHD mathematical models of a 500 ka aluminum electrolysis cell: part2 / M. Dupuis, Valdis Bojarevics, Janis Freibergs // Light metals. 2004. - p. 453-459.

60. Захаров, B.H. Основы построения математической модели для анализа и выбора параметров обжига и пуска электролизера / В.Н. Захаров, В.Г. Хар-ченко, А.В. Овчинников // Цветные металлы. 1995. - № 2, - С. 37-40.

61. Харченко, В.Г. Основные принципы расчета катодных устройств / В.Г. Харченко // Цветные металлы. 1991. - № 1. - С. 26-29.

62. Харченко, В.Г. К совершенствованию конструкции катодных устройств алюминиевых электролизеров / В.Г. Харченко, В.Н. Самойленко, Р.В. Свобо4

63. Харченко, В.Г. Расчет усилий в катодном устройстве алюминиевого электролизера / В.Г. Харченко, П.Б. Бажанов // Цветные металлы. — 1985. — № З.-С. 50-54.

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

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

66. Харченко, В.Г. Влияние наклонной футеровки на работу подины катодного устройства алюминиевого электролизера / В.Г. Харченко // Цветные металлы. 1989.-№ 12.-С. 51-53.

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

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

69. Иванов, В.Т. Математическое моделирование электротепломассопере-поса в сложных системах / В.Т. Иванов, С.А. Щербинин. — Уфа: Уро АН СССР, 1991.- 196 с.

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

71. Самарский, А.А. Разностные методы для эллептических уравнений / А.А. Самарский, В.Б. Андреев. М.: Наука, 1976. - 352 с.

72. Arkhipov, G.V. Mathematical modeling of aluminum reduction cells in «Russian aluminum» company / G.V. Arkhipov // Light metals. 2004. - p. 473478.

73. Arkhipov, G.V. The Aluminum reduction cell closed system of 3D mathematical models / G.V. Arkhipov, A.V. Rozin // Light metals. 2005. - p. 589-592.

74. Архипов, Г.В. Применение математического моделирования при проектировании электролизера РА-300 / Г.В. Архипов, В.В. Пингин, В.В. Платонов, Я.А. Третьяков, А.Г. Архипов // Алюминий Сибири. 2004. - С. 34-42.

75. Третьяков, Я.А. Анализ конструкций алюминиевого электролизера методами компьютерного моделирования с целью улучшения показателей работы: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.16.02 / Третьяков Ярослав Алек-санрович. — Красноярск, 2004. 24 с.

76. Arkhipov, G.V. Simulation of cell thermoelectric field with consideration of electrochemical processes / .V. Arkhipov, V.V. Pingin, Y.A. Tretyakov, P.V. Po-lyakov // Light metals. 2007. - p. 327-337.

77. Третьяков, Я.А. Расчеты термоэлектрических полей электролизера с учетом электрохимических реакций / Я.А.Третьяков, Г.В. Архипов, В.В. Пингин // Алюминий Сибири. 2006. - С. 67-76.

78. Romerio, M.V. Determination and influence of the ledge shape on electrical potential and fluid motions in a smelter / M.V.Romerio, M. Flueck, J. Rappaz, Y. Safa // Light metals. 2005. - p.461-468.

79. Flueck, M. Influence of thermo-hydraulic fields on structural mechanics of reduction cells / M. Flueck, J. Rappaz, Y. Safa // Light metals. 2006. - p. 433439.

80. Панов, E.H. Технологические, энергетические и экономические аспекты перевода электролизеров на повышенную силу тока / Е.Н. Панов, А.Я. Карвацкий, Г.Н. Васильченко, М.Ф. Боженко // Алюминий Сибири. 2007. -С. 83-90.

81. Панов, Е.Н. Современные подходы к расчету энергетического баланса алюминиевого электролизера / Е.Н. Панов, А.Я Карвацкий, Г.Н. Васильченко, И.Л. Шилович, В.В. Билько // Алюминий Сибири. 2006. — С. 76-81.

82. Панов, Е.Н. Современные методы исследования физических процессов в энергоемких промышленных объектах / Е.Н. Панов, А .Я Карвацкий, Г.Н. Васильченко, И.Л. Шилович, и др. // Алюминий Сибири. 2008. - С. 135-142.

83. Книжник, А.В. К вопросу о построении численной модели температурного поля алюминиевого электролизера / А.В. Книжник, Ю.В. Богданов, Б.И.Зельберг // Алюминий Сибири. 2007. - С. 72-74.

84. Knizhnik, A.V. Application of mathematical methods to optimize aluminium production in pre-baked anode cells / A.V. Knizhnik, A.A. Kuzakov, B.l. Zelberg, V.V. Veselkov // Light metals. 2008. - p. 437-442.

85. Книжник, А.В. Разработка и применение численных методов для совершенствования производства алюминия / А.В. Книжник // Алюминий Сибири. 2008. - С. 111-114.

86. Jiaming, Zhu. The continuous development of SAMl's SY300 technology / Zhu Jiaming, Yang Xiaodong, Liu Yafeng // Light metals. 2008. - p. 275-280.

87. Эккерт Э.Р. Теория тепло- и массообмена / Э.Р. Эккерт и P.M. Дрейк; пер. с англ. под ред. А.В. Лыкова; — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 680 с.

88. Кутателадзе, С.С. Теплопередача при конденсации и кипении / С.С. Кутателадзе. М.-Л.: МАШГИЗ, 1952. - 232 с.

89. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1949. - 397 с.

90. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. —М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

91. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. — М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958.-418 с.

92. Кутепов, A.M. Химическая гидродинамика / A.M., Кутепов, А.Д. Полянин, З.Д. Запрянов, А.В. Вязьмин, Д.А. Казенин. М.: Квантум, 1996. - 336 с.

93. Фрик, П.Г. Турбулентность: модели и подходы / П.Г.Фрик; Пермский гос. техн. ун-т. Пермь: 1999. - 136 с.

94. Хинце, И.О. Турбулентность, ее механизм и теория / И.О. Хинце; пер.с англ. под ред. Г.Н. Абрамович; М.: Физматиз, 1963. — 680 с.

95. Панов, Е.Н. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Е.Н. Панов, Г.Н.Васильченко, С.В. Даниленко и др. -М.: Издательский дом «Руда и металлы», 1998. — 256 с.

96. Панов, Е.Н. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Е.Н. Панов, Г.Н.Васильченко, С.В. Даниленко и др. -М.: Издательский дом «Руда и металлы», 1998. 256 с.

97. Скуратов, А.П. Математическое моделирование тепловых полей в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. — 2006. Вып. 15. —С. 161-164.

98. Скуратов, А.П. Расчетное исследование влияния режимных параметров на теплообмен в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. -2007. Вып. 3(20) - С. 26-29.

99. Скуратов, А.П. Численное решение задачи течения и теплообмена электролита в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных, Т.А. Останина // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2008. Вып. 17. - С. 56-60.

100. Самарский, А.А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П. Н. Вабищевич. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.

101. Скуратов, А.П. Численное исследование теплофизических процессов в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. - № 1. - С. 230-233.

102. Скуратов, А.П. Численное исследование зависимости энергетических показателей алюминиевого электролизера от используемой анодной массы /

103. A.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Тез. докл. XV Международной научно-техничекой конференции: «Состояние и перспективы развития электротехнологии», ч.2. Иваново. 2009. — С. 91.

104. Скуратов, А.П. Увеличение энергоэффективности алюминиевого электролизера на основе математического моделирования / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных, С.Д. Скуратова // Вестник КрасГАУ. -2009. Вып. 5. - С. 163-168.

105. Скуратов, А.П. Повышение энергетической и экологической эффективности работы алюминиевого электролизера / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. -2009. -т. 14. -№ 6.-С. 34-36.

106. Скуратов, А.П. Расчетное исследование скорости охлаждения капли алюминиевого сплава в водной среде/ А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. - № 1. - С. 233-235.

107. Скуратов, А.П. Численное исследование теплофизических процессов при гранулировании алюминиевых сплавов / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных,

108. B.Г. Бабкин, А.И. Черепанов // Тезисы докладов Всероссийского семинара кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике. 2009. — С. 97.

109. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. — М.: «Высшая школа», 1967. 599 с.

110. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Су-комел. Изд. 4-е перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

111. Ривкин, С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С.Л. Ривкин, А.А. Александров. М.: Энергия, 1980. - 424 с.

112. Бабкин, В.Г. Моделирование тепловых процессов при литье гранул высококонцентрированных сплавов системы Al-Pb-Bi и оптимизация их структуры / В.Г. Бабкин, А.П. Скуратов, А.И. Черепанов, А.А. Пьяных // Алюминий Сибири 2008. 2008. - С. 284-291.

113. Зиновьев, В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах / В.Е. Зиновьев. — М.: Металлургия, 1989. 384 с.

114. Романков, П.Г. Гидромеханические процессы химической технологии / П.Г. Романков, Н.И. Курочкина. Ленинград: Химия, 1974. - 288 с.

115. Светозаров, В.В. Основы статистической обработки результатов измерений / В.В. Светозаров. М.: изд. МИФИ, 1983. - 40 с.

116. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

117. Сибирский федеральный университет» (СФУ)1. ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ1t'y«07» сентября 2009 г.

118. Декан ТЭФ, зав. каф. ТЭС д.т.н., профессор1. С.А. Михайленко1. СПРАВКАоб использовании НТЦ «Легкие металлы» результатов научно-исследовательских работ инженера Пьяных А.А.г. Красноярск29» мая 2009 г.

119. В период с 2007 по 2009 год в практике НТЦ были использованы следующие научные разработки:

120. Трехмерная математическая модель электролизера С-8БМ, учитывающая при исследовании теплообмена токораспределение в его объеме, конструкции анодных штырей и футеровки, состав анодной массы.

121. Двумерная математическая модель электролизера С-8БМ, позволяющая проводить экспресс-оценку тепловых полей в ванне и на поверхности футеровки.

122. Расчетные зависимости производительности электролизера с самообжигающимися анодами от формы токоподводящих элементов.

123. Рекомендации по повышению надежности работы футеровки электролизеров в процессе эксплуатации.

124. Директор НТЦ «Легкие металлы» д.х.н., профессор1. Поляков П.В.1. Утверждаю:1.J В.Г. Кокоулин 2009 г.л У ~~~1. Актпроизводственного опробования технологии изготовления слитков из алюминиевого деформируемого сплава 2007

125. Проведено опробование технологии изготовления слитков из сплава 2007.

126. Вклад соискателя Пьяных Артема Анатольевича заключается в разработке математической модели кристаллизации и определении оптимальных скоростей охлаждения при получении гранул лигатуры А1 РЬ.

127. Главный металлург ^ -~/>^Чеглаков В.В.