автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Тепловые процессы при электролитическом производстве алюминия и их влияние на показатели электролиза

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ГАЗА

На правах рукописи

ПАНОВ Евгения Николаевич

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ- АЛЮМИНИЯ И И X ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ. ЭЛЕКТРОЛИЗА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических ааук

киев - т998

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Национальном техническом университете Украины "Киевский пояитезр"*ческий институт"

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук . КОСТЯКОВ

Владимир Николаевич

Доктор технических наук, НИКИТЕНЙО

профессор ■ Николай Иванович.

Доктор технических наук ШОРО •

Леонард Станиславович

Ведущая организация: Украинский научно-исследовательский и проектный институт титана (НИИТиган), .г.Запорожье.

Защита диссертации состоится с^^Лг^^^ jgögr

б часов на заседании специализированного ученого совета Д.50.03.01 в Институте газа НАЙ Украины по адресу: 252II3, г.Киев-113, ул.Деггяревская, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института газа HAH Украина.

Автореферат разослан "¿2-0 " ^ccClA-stuX^ 1998г.

Ученый секретарь специализированного .ученого совета доктор технических наук,

профессор В.Я.КОНЮХ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ01Й

• /. ' -

Акту а л ь н о с т ь п р о б л е м. ы.' Алюминия в настоящее время получают в. основном эле1ггролизом криолито-глинояемнкх солеи в специальных теплотехнологическадс агрегатах г электролизерах, а для послздуш?эголитья изделий га него или ириготоа-лвкия сплавов применяются пламенные отражательные или нлэкгрические, печи-.

"Актуальной задачей для элюмкешвой отрасли является снижение себестоимости получаемого алвмшия, что. определяется узеличенизч сроков йлунйы электролизеров к .точея и- умеяызэяием уд&лыгых расходов потребляемой электрической энергии на процесс злоктролиза при-получении аломиния-сырца, приготовления и литья изделия из алюминия или его сплавов. .■

■ Срок службы электролизера во многом определяется качеством проведения его обжига*после капитального ремонта и обеспечения в период эксплуатации оптимальной формы рабочего пространства, т.е.. оптимальных- размеров заданного слоя гарниссажа.

. Оценка качества обкига и режима эксплуатации з,яектролизеров. невозможна без анализа соответствующих . этим процессам энергетических балансов и температурных полой в конструкционных ■ элементах,-электролите и твердых образованиях. 1

При расчете • энергетических балансов и исследованиях температурных • полог в электролизерах наибольшее, предпочтение, отдается методам математического моделирования. Известны ряд разработок по моделирования температурных полай в электролизерах, однако в них отсутствует комгшксшй подход, который охватывал бы все стадии работа электролизера, начиная от его обжига и заканчивая остановкой за капитальный ремонт. В этих работах таюш отсутствует единый' подход по выбору значимых технологических параметров, влияющих на • тепловые процессы- при обжиге и

эксплуатации электролизеров, не учитываются зависимости тошгфуличеста свойств матеш&лов от температуры и их пропитки расплавами, отсутствует зксгари. .знталькая проверка предлагаемых иетодих.*

. Тема диссертации связана с производством цветных мвталлоз и ориентироэзнз на потребности ■ получения алюминия-сырца ; электролизом расплавлении* со^эи, приготовления и летья алюминия' и его сплавов.

Цель работы. С помощью методов математического моделирования и экспериментов исследование тепловых процессов, протекающих в алюминиевых электролизерах к шчах ' литейного производства.

Оснозные задачи, работы. .

- Исследование тепловых процессов при обжиге электролизеров, разработка метода управления обжигом.

Иссдэдованиэ тепловых процэссов 1фи эксплуатации алектролизеров.

- Разработка /зтадак ~л спределэы'в тагпофизических своаств конструкционных и футеровочныс материалов электролизеров.

- Разработка методов составления и расчета энергетических балансов злэктролйзеррв и гачеа лигв£ного производства.

Научная, новизна. Рэшенш комплексной задачи-определения темпэратурно-тепловь'х условия работы алюминиевьс: электролизеров и гочеи литейного производства с помощью методов катематическогэ моделирования и экспериментального, исследования температурных• полой и энергетических балансов.

Основные научные : рез у л ь т а т. ы, к о т о р ы о защищающей в раббте:

'-кожизкенш подход к модолиров?Еик • температурных полей, в. . .■адэетрй^оераз чф'л обжкге и вреж/ио и ;шсспд:»атада;;, •;

-методики и пакеты прикладных программ Пркмеййтельво к перс чайным ЭВМ дяя расчета температурных яслей' й г£ряисса.:лых процэссов в элэ/тролиэврах;

-температурные режимы проввдйййй обжига электрслй&ерой при различных способах его осуществлеййй!

• -безразмерные ураВйоаия для расчета температур йодййУ при обжиге алвкгролйЭйров различных тйпов;

-соотношений для уетайойлэййя огтгимМЬны* . potófei* параметров При ocxotrej

-методики м natí&tK Прикладных программ " tío jrpBJieitto процессом обжига элймролиайро&д

. -йаучао-обоснойанная методика составления, naketu гфйклздных программ и результаты расчеТой энергётическйх балансов э.1ектроЛйзеров при я* эксплуатации i

-результаты экстргмейтальйога ййр^дальнтм тёйЛоф1Шзесккк свойств углэграфитй и фугаровочйУХ Ма1вриалоз Катодам устройств;

-методика' и резу.&таты оШШШгации конструкций катодных : ггрояств по тепложюляШонйЫм характеристикам;

-методика Я йййвт Программ расчета энергетических балансов миксеров;

-методика V. программа конструкторского расчета ограждений миксеров ' (3 учетом нроШтхй расплавом алюминия ф.угеровочно-■тешгаизоЛяциошшх Мат&рйёЛов.

Практическая Ц вйн о с т ь и реализация • результатов. Работа проводилась в период с 19в4г. по 1995г. Програшэ йсвледований формировалась на различных этапах в соответствий с коорджационяыми планами Министерства цейтйоя металлургий СССР (Целевая программа то экономии топливно-энергетических ресурсов йа 1986-90гг., программа (Ю15-85-233"С" tiо усойеркеяствсвзнию конструкции

алюминиевых глактролдаеров с верхним тскоподаодом, программа 1ЭП5 ; по оптимизации технологических параметров процесса электролиза и др.), ûo программе ГКЩ ССС° 0.С9.07. 1 (№ госрегистрзции ' 01600006525) "Создание электролизеров с OK на силу тока до 200 г кА..1387-91 г.г., по планам НИР ■ и ОКР ■ Братского, Красноярского, Таджикского, Запорожского алюминиевых ; заводов (здесь ж© проводились экспериментальные исследования).

Развиты и, 'совершенствованы методики математического моделирования температурных полег в.электролизерах.

Разработаны пакеты прикладных программ для управления процессами; обжига электролизеров, . расчетам Бвэроетических балансов электролизеров и шчоя литейного производства. .

. Получены оптимальные технологические, ■ режимные ,5 и температурные параметры обжига электролизеров.

Развита метод*-ча оттдазации конструкции катодных устройств электролизеров по теплоизоляционным характеристикам.

Получен комплекс данных по теплофизическим • свойствам конструкционных и (".-терозочыых материалов электролизеров. •

Разработанные пакеты прикладных программ по расчетам температурных полей «.энергетических хзраетеристик при обжиге, управлении- процессами обжига ■ * электролизеров. расчетам энергетических балансов электролизеров и миксеров внесены на Братском, Красноярском, Запорожском алюминиевых заводах.

.Экономический аффект от внедрения разработок по управлению, процессами обжига составляет 141,4 тыс. руб. (е цэнах 1987 г.) и в части использования карбид-кремниевой футеровки - 63450 домаров ОНА <285 нлз. руб. РФ в ценах октября 1995 г.). .

Апробация р g б о 1 ы. Материалы диссертации докладывались на 71 Мевдународаом•симпозиуме по алюминию в ' ЧССР (г.Банска-Быстрзда, 1938 г.), III Всесоюзной научно-технической

кс феропцик "Мвтроло1 ичэское обеспечений текгоратурных и тепклризических измврь^ие в области . высота темшратуо (г.Харьков, 1988 г.),'. республиканской конференции "Теория и. практика тепловой работы металлургических пенея" (г. Днепропетровск, 1988 г.), ' «ездународноа научно-технической кенфорэтдш молоди7. учо.гых и епоцгалистоз "Производство глинозема, алюминия и легких сплавов" (г.Ленинград, I09D г.), международной конференции "Научно-тохничвсюя прогресс в металлургии логких металлов" (г.Ленинград, 1991 г.). Украинской научно-технической конференции "Проблем. иккенерной экологии" (Крым, пос.Малый Маяк, 1892- г.), - Всэукраинсхой научной конференции "При-зрение вычислительной техники, математичесхсгс моделирования и математичоских методов в научных исследованиях" (г.Львов, IW05 г.); ■ научно-технических советам ВАМИ (г.Ленинград), Братского, Красноярского, . Таджикского ;i Запорожского алюминиевых заводов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в ZZ печатных работах, получено в. авторских свидетельств и I патент 'на изобретения.

Структура и объем р s б о т и. Диссертация состоит из .введения, пяти глаБ, заключения, списка использованной литераторы из 171 наименования и приложений. ■ Работа содержит ¿63 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 19 таблиц и 48 страниц приложения.

Бо введении обосновывается актуальность и сформулирозана цель работы.

. В первой г л ; в о рассматриваются конструкции электролизеров, взаимосвязь электрохимических и тепловых процессов .при производства алюминия, . влияние , последних за показатели электролиза. .Анализируются тепловые оежимы при

различных способах обжига электролизеров. Рассматриваются метода составления энергет?*ческих балансов электролизеров и , печой лзггеаного производства. Сисгем. газированы литэрзтуршэ данные по тепло^изич^ским свойствам электролитов, конструкционных и футеровочных, материалов электролизеров. Сформулирована программа исслодованкй дксс&ртац/онног работы.

Вторая, г "л г в а посвящена разработке методик математического моделирования ; температурных лодза • катодных устройств при обжиге..,- Приведены методики и результаты экспериментального иеслодовавия твлюпэтурньа: полре при обжиге нз промышленныг зльктролизерах. Дань: результата обобщения эксгрримёнтальиыг данных- -по ' температурным полчх в вида безразмерных уравнений. . Рассмотрены методики расчета энергетических характеристик цри обжиге электролизеров и . способы. управления црсцес змк обжшз.

В третьей главе приведены мотодики математического моделирования гзрниссажадс процессов, • включакнцие расчеты тевдературых. полги в электролизере и форму рабочего пространства ' ванны. Дгаы ' результаты экспериментальных исследований . и численных экспериментов по моделированию температурных пааэа. и ОРИ. ванны. Рэгульта^ч. число иных экспериментов приводятся для электролизеров с прямыми и наклонным« борггагШ катодных устройств, различной га тешюизолясиэг и" влиянием на гетературныо Поля и ФРП ванны технологических параметров процэссз электролиза.

Ч е т в е р. т а я глава посвящонэ экспериментальному исследованию тешофизических свойств, .конструкционных . и футерозочньз материалов слектрол> 1зеров. Приводятся '." опис?~ие эксгяриаювтальных установок, методики исследований и полученные результаты., Дана .^годюст и. результаты -аттмизашм. конструкции

катодных. устройств по твплоигсшшдоаным характеристикам.

В пятоа г *авв приведены методики составлен. л к расчета энергетических балансов электролизеров я шчеа лигеяпого производства. Приведены методики и результаты экспериментального определения тепловых потерь на промышленных электролизерах. Даны результата натурных испытанна и расчетов анергетичесгсих балансов электролизеров и миксеров.

В • заключении сформулированы основные въеоды по результатам работы.

В 'приложении приведены расчеты погрешностей при промышленных и лабораторных исследованиях. Даны результаты экспериментальных исследований тепловых потерь, . натурных ксгыгзния и расчетов' 'энергетических балансов электролизеров. Приведены также документы о внедрения результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Важнейшей технологической операцией для вновь строящихся элоктролигэроь щи капитального ремонта .действующих после окончания стрлигельно-мснтажных работ реляотся их обнос, основная задача которого - коксование углеродистых швов подины, пригрев хатодшх я анодных устройств до температур * близких к эк«п.чуатащонньм.

Для оценки качества проведения обжига, наиболее правильным является выделение тох основные показателей, которые поодак/гся количественно* оцейхе, а именно:

- необходимая средняя конечная температура подины и на периферии, при которой обеспечивается полное кокксование набивных швов;

- глубина спекания межблочных и периферийных швов;

- продолжительность процесса обжига, определяемая экономическими

1С

показателями;

- затраты тс-шива иди элэктрсэвэртют па процесс обжига;

- сро.. службы электролизера между капитальными ремонтами.

■ Для прогнозирования температурных режимов и упразления процессами обжига' наюолое надежными являются методы математического моделирования. ' •'.-■•

Ь диссертации решена задча по расчету температурных полег в любом горизонтальном сечпнии подины, которая рассматривается как плоская пластинэ с. внутренними источниками теплоты, ост обкит ведется пропусканием.электрического тока через слой алюминия .(на кегалта) или коксовой мелочи. Нестационарное дифференциальное уравнение теплопроводно ста для этого случая имеет ввд

аН «' Г зг") о г ат! в Г аГ1

— - — — + — 1чт>— + — РК1')—!

ву (_ ау аг

ог. ех [ <5х

I

+ ч'х.у.г.т) а)

• где Н - энтальпия; г - время с начала обжига; Х(Т) -^-еплопроводаость материала катода; Т - температура; х, у, - г -координаты; У. ■»)•-' плотность внутренних источников Теплоты.

Уравнение (I) приведено к конечным, разностям и его решение выполнено на ЭВМ для двухмерной и трехмерной координатных сеток.

Площадь подины разбивается па узлы, количество которых соответствует количеству анодных штырей для электролизера

Изменение энтальпии е конечных разностях ,для каждого расчетного узла вычисляется по формуле '

T1

ah4- j p(T) cm es (<!)

Ti

где p(T) - плотность и C(T) - теплоемкость материала подины; Т, и Tj - температуры в узловой точке в расчетный и предыдущий моменты времени.

Теплофизические свойства материала подины (р, С, х) приняты в зависимости от температуры по .литературным данным.

Плотность внутренних источников теплоты в расчетных: узлах (qvl) определяется в зависимости от способа обжига.

■ Граничные условия задавались: при обжиге электролизеров на металле (двумерная задача) - I рода; при обжиге электролизеров с самообшгающкмися аксдэми на коксовой мелочи и обжиге, элеетролизеров на металле (трехмерная задача) - III рода.

Начальное • распределение температур (Тна,): при обжиге, электролизеров на металле - принималось по значению, поденному при заливке з'ванну металла перед подключением электролизера а цепь серии; при обжиге электролизеров с обожжеными анодами -равным температуре окружающей среды.

Численным методом решена также зьдача по моделированию температурных полей поданы при заливке в вапну алюминия (оожиг на металле).Одномерное "дифференциальное уравнение теплопроводности в этом случае приводится к конечным разностям и решается на ЭВМ для областей полуслоя металла, кзтода к теплоизоляции. При этом для области полу слоя металла в выражение для определения изменения энтальпии [уравнение.вида (2)3 входит эффективная теплоемкость

»X»

металла <Срм), учитывающая теплоту кристаллизации (г), т.е.

С * С +----(3)

ри ри

ам/г«0 "в .

Экопбрнмонтальнш ьсслздопания температурных ползя катодных устройств проведены на I? промышленных элетролизерах, отличавшихся конструкцией ан~дсв (сэмсобжигащиеся и обожженные) и способами обжига (на' металле, с формовкой нового анода, электролите, коксовой мелочи и алюминиевой стружке при пропускании электрического тока, пламенный нагрев продуктами сгорания).

Дая удобства сопоставления и анализа полученных результатов, практически для всех электролизеров была использована единая методика размещения датчиков температуры в теле катода и экспериментального измерения температур. ,

Датчиками температуры служили специалыи изготовленные хромелъ-аломелевые термопары с диаметром термоэлектродов 0,5 "мм, изолированные высокотемпературное кремдезэмноа нитью. Горячие • спаи термопар помешались в чехлах из нержавеющей стали. Общее.' количество датчиков температуры, .устанавливаемых в катодном устройстве, составляло от 28 до 100 на один электролизер.

Кгк пример, на рйс.1 представлена схема размещения термопар в.одаог из сечений катодного устройства электролизера.

Измерения температур проводились на пргяжении всего, периода обжига через каждые 1...2 ч. В экспериментах также измерялось начальное напряжение на ванне (при обжиге ' с подводом электрической энергиипадение напряжения з моменты измерения температур, токррзспределение пс анодным штырям,, и катодным блюмсам (сб)!мг электролизеров с сакооГшгэюашися анодами на

Рис. I. Схема размещения термопар в одном из

сечений катодного устройства1электролизера С-

металле), /ила тока (электролизеры с обоиганными анодами).

Сравнительные, данные по сбжгу катодных устройств электролизеров с самэобжигэюшимкся анодами приведены в табл.1.

В качестве примера на рис.2 представлено температурное поле катода на глубине 24С мм от поверхности полины дая электролизера № I на конец ебкига. Здесь же приведено рдсчетное температурное поле, полученное на ЭВМ по разработанной программе дая двухмерной модели. Экстарзкетгалыше и расчетные температурные ■ поля удовлетворительно согласуется между собой.

На рис.?., 4- представлены зависимости изменения средних теммлерятур катодов и средних скоростей их нагрева от времени при различных способах обжига исследованных элекгролжэров.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что , при обжиге на металле необходимая средняя температура катода (шага 703"С) и шриферияпых швов (не ниже 450°С>, а таккз равномерный' птогрев подины ■ (минимальный коэффициент неравномерности температурного поля) будут обеспечены при продолжительности обжига ВО ..100 ч. При этом напряжение на ванне должно изменяться линейно от.4,5...4,7 В до 3 В, а .скорость нагрэва должна быть постоянной и лежать в пределах 6.. .7 град/ч. '

Обжиг продуктами сгорания жидкого- ш газообразного ■ топлива (пламенный) характеризуется высокими скоростями нагрева катода е начальный момент времени, неравномерностью температурного поля в плане _ юдины, низкими средаикм течпературагди катода в конце обкига.

Обжиг электролизеров с обожженными анодами ведется С пунтированием натрузки. Это обеспечивает почти идеальную скорость нагрева катода в. пэрзые cjnat обжига. Однако дая исключения локальных перегревов подиеы необходимо производить отключение анодов с повышенной токовой нагоузкой (на осеойэюэ контроле .токорзспроделен<ш по аролгм к те?«:сргт.у^ам поверхности поджзы).

Сравнительные характеристики о5жига катодных устройств исследованных электролизеров с самообжищклциммся анодами

Табли а 1

Hovtep элзкт-рол.1-зера Способ обжига ПроДолжи-тель-ность обжига т,час Сила тока серии 1,кА ■ ■ Напряжение при обжиге и,В Средняя температура подины в конце обжига Минимальная и максимальная температуры по дины -1 "С ТемпераТура поверхности периферий-Т1ЫХ швов чоа» Среды е-квадратичное отклонение локальных теипера-тур от средних с,'С Коэффициент неравномерности температурного поля к,

1 На металле 30 ISO 6,0-2,4. 500 230-700 340-580 136 0,272

2 Тот яке 72 • 150 4,5-3,0 600 350-840 350-650 106 0,177

3 Тот же 120 150 4,4-2,8 700 350-840 350-650 217 0,31

4 Тот же 140 150 6,6-2,4 710 350-900 170т380 128 0,18

5 Тот же 115 150 6,0-3,3 705 470-940 360-680 17G 0,25

6 С фарцовкой анода ие 150 - 3,4-1,0 504 ЗС0-980 350-400 78 0,155

7 Тот я-.е 130 175 3,8-1,6 500 ¿60-640 300-510 110 0,22

8 Пламенный (2 форсунки) 1Ь 150 • 212 300-680 80-112 70 0,53

9 Тот же (4 форсунки) 13,0 150 - 328 £1-480 200-230 106 0.32 /

10 ' На двухслойной расплаве 64 150 7.5-3,0 718 313-374 310-800 104 j 0,145 t 1

И На коксовой мелочг 72 150 1,0- S.9 4G4 136-1100 136-1100 200 0,43

Рис. 2..Температурное голе катода^электролизер?. №1 в конце обжига /Т - 50 ч./ на металле.

Рис. 3. Изменение средних температур катодов при обжиге:

I — 13 — номера исследованных электвсли-эерсЕ; 14- "идеальный" обжиг.

Рис; 4. Изменение средьих скоростей нагрева катодов при обжиге:

I - 5 - электролизеры с самообжигающимися анодами / I - пламени 2 - на металле; 3-е формовкой анодч; 4 - на двухслойном, распхаве; 5 - ча коксовой мдлочи/; б - элек-тротт'/.эеры с обогюкенньми анодами; 1 - "идеальный об:*;иг".

Экспериментальные данные по температурным полям катодов девяти исследованных электролизеров обобщены в безразмерной фор^ч относительно средней температуры подины <е> и температуры поверхностей периферийных швов (еп в ):

- для электролизеров с самообжигашимися анодами (см. рис.5)

. , 0,628

в = 1,524 • 10"а То (4)

- для электролизеров с обожженными анодами

» = 1,32-10 '3|То<1 /1)]0>" (б)

вп.«, = 1.2-ГО"*< О^/Го)"0'85 (в)

где Ео - число Фурье; 1е и I - соответственно сила тока серии и действительная сила тока, проходящая через электролизер; Ц,, - безразмерный тепловой поток для каждой подовой секции.

Безразмерные числа, входящие в уравнения (4М6) вычисляются из следующих выражении

.ХАТ - А0

0 е -- . |-0в -- . П - -:-

От с р 1 ^ 1е лии

где гт - средняя температура подивы (гт при расчете в) или темторатура поверхности периферийного шва (1;г1 при рсчете епв); I - определяющий размер; Ат. - промежуток времени с начала ■ обжига; О,. - количество подведенной тешюты в процессе обжига (О,.- для всего электролизера при расчете в и 0Г1 - для рассматриваемой подовой секции при расчете опв); 1Н1 - сила тока в блюмсе соответствующей подовой секции; ли и ли - соответственно текущее

4.0

3.5

3.0

2.5 1

2.0

1.5 |

1.0

0.5

© ю-

0.0 | I I I I I п

О

1

1111111

т, ii i i i ii

*•••* - эле* ооооо — элек

□а□□□ — элек дддлд _ элек

М11М111

гролиэер N5 гролиэер N7

гролизер N4 гролигер N1

М11М111

Рис. 5. Зависимость безразмерной средней температуры подины (&) от числа Фурье (/£) для электролизеров с самообяситающимися анодами.

м

о

тонне напряжения и начальное напряжение при обжито.

Количество по две: эиноа теплоты в процессе обливга определяется го формулам

1^ = 1 ди Аг <*г 1 " V Ат

Тепловое состояние электролизера при обжиге, учет затрат энергии на .этот процесс могут бьггь оценены на основании энергобаланса, уравнение которого имеет вий

Я,»« ^ + Ч, «>

где 0„ОЛ,-. подведенная теплота; ЕО^.г теплота, аккумулированная подиной, анодом и цоколем; тепловые потери.

Величина 0„ЛЛ, определяется из выражения вида (7), а аккумулированная теплота - по формула

. 0.., - 41 <га>

где V, - объем подины, анода#и цоколя соответственно.

Потеря теплоты с наружных поверхностей (С^ > определяются как сумма тепловых потерь конвекцией (О,) и излучением (0л) по известным зависимостям.

Дяя получения распределения температур в конструкционных элементах (гт1) численным методом решено дифференциальное нестационарное уравнение теплопроводности с . внутренними источниками теплоты вида (I) для центрального поперечного сечения электролизера при изменении температуры по координатам х и у.

С помощью разработанной программы на персональной ЭВМ рассчитываются температурные поля, средние температуры элементов:

<7> (0)

подины ип). периферии подины (гпп), анода (^>, цоколя а

также потоки аккумулированное этими элементами теплоты (0^ п;, ; суммарной их величины и тепловые потери <Ц,вт) для

любого момента времени. В качестве примера для одного . из злэкгролизеррв яти зависимости представлены на рис.в.

К одной из задач управления процессом обжига относится выбор режимных параметров (оптимальная продолжительность, скорость изменения падения напряжения для электролизеров с самообжигающимися анодами, соотношение между силой тока серии и текущим ее вначением - для электролизеров с обожженными анодами).

В результате обработки экспериментальных данных по обжигу электролизеров с самообжигапцимися анодами на металле была получена завкск .ость (см. ряс .7), которая использована для определения скорости изменения падения напряжения в процессе обжига («ми, В/ч) в зависимости от выбранного начального напряжения (дОя, ъ), т.е. •

ми = 8,73 'Ю"3 Аии (II)

: Представленная на рис.8 зависимость (0^/0,.) = Шо/е) для электролизеров с обожженными анодами использована дяя определения времени с начала обжига (Ат). щи котором необходимо отключать все шунты-реостаты и весь ток 'серии пропускать через электролизер. Полученное значение лт = 31 ч. '

Управление процзсссм обжига на металле электролизеров с самообжигаицимися анодами в заводских условиях такие производится ш разработанным трем пакетам прикладных прогрэмм < "Обжиг электролизера", "Баланс энергии при обжиге", "Температурные шля при.обжиге"), которые отлажены е производственных .условия: и внедрены на одном из алюминиевых заводов России.

Температура, С ■ Ш8 808 608

403

288 0

к-«

ы.

О).

8 20 40 60 80 100 Время д: Тепловайпаток, кВт

258

?98

150

100

58 в

г<з.. 1

V

V

4

8 20 49 68 88 108 Время, Ч-

Рис. б. Зависимости средних температур /а/ и энергетических характеристик /б/ электролизера К'З от времени с начала обжига.

0.45'——I-1-1

~1 » ¿»0.40---т---г---

___1 Ш.

т^"-*"1( ♦ ••««( - электролизер N5;

1-папI оовоо1 - »ле#троли«р N4;

ОТ 0.20\ ^гл^^ЯффотиЭДГ ПГ.

—.1—1—1—1.—

0.05№ ■ I аР—«—0-

0.00 111м1|||1имп11||ип1111 |»|111||||||м1п1|[|||||1|1|||1111|11||пн1||1|||^мт1

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Рис. 7. Зависимое» ¿еэраамеркого комплекса"

от величины отношение ( ]Ц/в ) для электролизеров о сыгообжигающимнса анодами.

I I I I

. 1 ♦••♦«7 - электролизер N5} I ооаощ - электролизер N4: I ^ГЛ^^ЯффОТиЭДГ ПГ.

J___1___1---I.

I 1

I

. и___

I

«!■» -о-

I

1|||И|||||1|1||||||||||||11|||||||||1|||||И1||||||||||И||1||||||||ЧН|||||||1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Я/в

1ПИ11

птт 18

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

: Яак/Ят 1 1

• \> ,

*

1 1

;

; _ «пак^оп : - ТТ 1 ттгггг1 пари ЯП 14-17. , ■ ■ . ; ПЁ/© 1 Г 1-П I"Т Г 1 I П 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 |-

500

700

900

1100

Рис. 8. Зависимость безразмерного комплекса (Яаж/Чт) от величины

отношения (¿2/0) для электролизеров с. обожженными анодами

При промышленном получении алюминия расход электрической энергга р электролизерах связан с • протекающими при электролизе реакциями и с потерями теплоты в. окружающую срэду. Оценку эффективности электролизера можно Сделать на основе анализа энергетического баланса.

НаиЗолее трудоемкой частью при составлении балансов является расчет тепловых потерь с различных поверхностей электролизера в окружающую среду, особенно это относится к бортовым поверхностям катодного кожуха. На величину теплопотерь существенное влияние оказывают термические сопротивления гзрниссажа и настыли. Последние образуются на внутренних боковых стенках и подине и определяют форму рабочего пространства ванны (ФРП).

Недостаточность практических сведений, необходимых. для расчета теплопотерь и определэния ФРП ванны требовали постановки ; исследования по изучению температурных полей в электролизерах.

В диссертационной рзбоТе решена задача по моделированию ; температурных полей и ФРП ванны, которая проводилась да. ; ограниченных элэментов бортовых поверхностей катодов и для всего электролизера.

В первом случае рассматривается перенос теплоты в пристенном слое электролита, гарниссаже и бортовом блоке по одномерной и двухмерной моделям.

Одномерная модель. Для слоя электролита (1), перенос теплоты в котором осуществляется .теплопроводностью и излучением, дифференциальное уравнение имеет вид

«5ТЛ ОЕ^Х,^)

X. (Т. ) - + --(12)

. 1 1 ах «х

где Е - лучистая плотность теплового потока. Для двухфазной области переохлажденного слоя электролита <2>

«1

от

о ОХ

дифференциальное уравнение

Л,

ат„

Лг

а ох

х, (Т, ,*.«:,))

ЛГ2 «Ejix.Ijj)

лс

ах

(13)

где ^ - удельная теплота фазового перехода электролита; *(Г) - доля твердой фазы в эл ггролите.

В гарниссаже и бортивом блоке теплообмен описывается, уравнени (1) с учетом (<эГ/<9у) = (tfl/ot) = 0 и qv=0.

Лучистая плотность теплового потока определяется из • следующего выражения

S(X,*> . га j J &v{x,n) - I" <x.#i)]A» ф 6v (14)

iv 'I о

где *>т - область прозрачности среда; Ь - толщине сЛоя; -интенсивность излучения для левой (+) и правой (-) областей; к -косинус угла между направлением координатной оси и излучения; *> -длина волны.

Решение уравнений (12), (13) выполнено на ЭВМ методом конечна разностей, в результате получено температурное поле, координаты подвижных. границ, скорость их движения, г также тепловые поток! на границах областей.

Двухмерная м о д е л ь. Предполагаем, что в Области электролита происходит интенсивное перемешивание расплава. Тогда дифференциальное уравнение, описывающее перенос теплота в ней, имеет вид

«»(pjCjTj)

-+ aivtPjWC,^ )= (L./iXjgrad Т))

где V - скорость движения расплава, . '.

Лучистая составляющая учитывается поправочными коэффициентами, вводимыми в теплопроводность расплава. (это относится и для двухфазно« области).

. Теплообмен в двухфазной области описывается уравнением

*

С2Р2 - :« -

2 От 01

где г - размер по нормали, к граница области.

Для областей гарниссажа и бортового блика используется уравнение вида 'I) с учетом ек/ог - 3 и = О,

Решон"е этой задачи также выполнено численным методом.

Экспериментальные исследования темпэратурных полей в бортовой футеровке катода проводились для электролизера с обожженными анодами на силу тока .175 кА по сшциально установленным в ней ■ термопарам. Одновременно . осуществлялись замеры темгоратур и плотностей теплового потока на наружных поверхшкгях катодного кожуха, а также снималась ФРП ванны. Проведенные исследования показали, что существующая толщина гарниссажа недостаточна для надежной защиты внутренней . поверхности бортовых блоков от воздействия электролита. Для нормальной работы электролизера толщина гарниссажа должна быть равной 10...15 см, т.е. в 2 - 3 раза больше существующей.

Задача по моделированию температурных полей и ФРП для всего электролизера решена для стационарных условий его работы при • конструкции катодных устройств с прямыми и наклонными бортами. В поперечном сечении . электролизера с самообжигающимися анодами выделяются слвд/шив расчетный области: анод, МНР, уоталл, корка, гарнкссаж-настыль, подовый блок, блюмс, борг, четыре слоя

от

<1в)

футеровки цоколе. Пола те.мшратур такой сложной (ооцрякенкоя) области . описано ■ двухмерным стационарным . уравнение« теплопроводности в»вда (I) при аН/'Лг = о и «ХГ/^г = 0, для решения которого и'люльауется метод граничных элементов (МГЭ).

После интегрирования даЗфэретщиальногз уравнения получено слоцущае граничное интегральное уравнение

0(чШ<) + |т(х)чжС<,х)С-<х) + |ч„<х) Тж(?,х)сШ(х>=

' . • г .г -

= [ч(х)1ж«»х)аг(х> (17)

J

г

где Г - граница области; о - область; <,х - фиксированная и переменная координаты области; С«) - коэффициент формы.

Разработанный пакет программ расчета температурных полей в поперечном с&чёнии электролизера и ФИ! ванны базируется на задании геолетряческих размеров, . тешофизических свойств материалов с учетом зависимости " их от темпера гуры и электрически: парам( гроз. ' .

Численные эксперименты на персональной ЭВМ проведены для электролизеров с' 'прямыми и наклонными бортами с типовсй футеровкой'цоколя при изменении гроюиега наряжения. На . рис.9, например, Гфиведено температурное поле для' электролизера с прямыми бортами Н2. сщу тока 156 кк.

. Выложены'татжэ численные эксперименты по расчету теплового состйяни»; электролизеров при кзмононии материалов цоколя катода и в зависимости от режима питания электролизеров пмноземом. По .полученным результатам в диссертации сделаны соответствующие ■ ВЫВОДЫ-

Л Для исследования тепяофизических свойств. конструкционных и

Pi-

ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА i

I = 156 кА Urp = 4.23 В Ее = 1.19 В dUxnp = 2.03 в dUa.= 0.63 В ' 6'JK = 0.379 В

t_3rt = 964 'С

t_cp.no».анод.массы = 13? 'С П_ср.поэ.«нод.массы = 1.41 кВт/кв.н

t_cs.So4.no». анода q_cp.eoK.noB. анода

t_cp.п.корки и коп. q_oP.n.KoPKM н коп.'

t_oP•п.борта катода s 18S *С а_сэ.п.воота катода =2.36 кВт/кв.м

t_cn.бок.нов.цоколя = G8.4 'С q_0P.60K.nüB.цоколя = 0.823 г.Вт/кв.н

t_cP.n.AHMU» катод« = 51.2 'С Я_ср.п.днии^к катод* = 0.53 кВт/к».м

Ниниклкная толщина гарнисажа

8r = JJ.139 м Длина настыли (от псрм<э. шиа) - 0.59 м

- 230 'С м

= 2.51 кбт/хв.м ю

= 154 'С = 2.79 'кВт>х«.'м

геплоизоляционшя материалов разрабатывались соответствующие методики и сооружались экспериментальные установки.

температуропроводность углеграфиг» исследовали в интерзале 20.. ЛОисГС на установке, реализующей метод мгновенного источника теплоты. Рабочий узел устанозкч состоит из графитовых блоксв-эталонов, исследуемых образцов материалов, нагревателей, систем измерении',' контроля и регулирования температуры. Тоыгаратуропроводность рассчитывалась по формуле

¿2 Г I [г° 1 5 ' г * 0 2ч

а = - I +•- ■1 + — ——

К/ ( 2 т 12 г

ВС.Х ВЧК

где «* - толщина обтзазца; г - время наступл кия максимума

кЯьк *

температуры; т0 - продолжительность импульса мощности.

• Температуропроводность . исследованного углегрзфита уменьшается с ростом температуры, его анизотропность также влияет на температуропроводность.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов определяли на двух' установках: з интервале 5С.. .400*0 , - на стандартном изяиретеле ИГ-х-400, реализующем метод динамического калориметра; в интервале 300...9С0°С .- на специально созданноа установке, реализующее сллн из стационарных мете ;ов. Расчет \ проводился по известным уравнениям при измеренной толщине образца (<5), перепаде температур на нем (М;) и вычисленной плотности теплового потока . При этом на горвой установке' величина q определялась по тепловой ■. проводимости эталонной пластинки, а на второй относительным методом по измеренному распределению температур в эталоне из нержавеющей.стали. Неодномерность .валового потока на

учитывалась поправочным коэффициентом, полученном численными экспериментами. на ЗВМ при обработке опытных даннга по эталонному материалу (фтористому литию).

Исследования теплопроводности проведены цчя исходаого к отработанного шамота, диатомита, а также отсова и отходов кварцита, керамзита. Кэ р/с.ГО, например, приведены экспериментальные данные по зависимости теплопроводности отработанного

шамота

=

2363 - 2774 кг/м ) от температуры.

: Х,Вт/(м* С) •

• • • • • • ■ • - • 1 «• г « " < «

- • 1 • » « » ' •• •

"И Т'ГТГГТ'Г'Н Ч 1 1 1 1 М 1 1 1 1 1 Г 1 1 I Г 1 м(Г г 1 1 ; . 1 С, С мм

Рис.10. Теплопроводность глрэботанного шамота

Анализ подучегопл экспериментальных данных покаэьшзот, что теплопроводность отходов футеровки и теплоизоляции выше; . чем у исходаьлс материалов, что объясняется пропиткой этих материалов . фтсристими солями к алюминием; Такке -для всех' исследованных материалов наблюдается .увеличение теплопроводности с" ростом температуры.

Погрешность ■ определения ' тешгофи?ических. ■ свойств исслэдоваяпьп материалов не лрешззет. 7 %.

4

Проведанные натурные измерения тепловых потерь с наружных поверхностей -катодного . кожуха показали, что в процесса эксплуатации электролизеров они ' увел—пшаются по сравнению с расчетными. Причинами этого является разрушение углегрэфитовой футеровки, прогагпса теплоизоляционных материалов и уверение их теплопроводности, рост теплопотерь приводит к уменьшению производительности электролизеров ч снижению эффективности их работы. Одним из способов уменьшения тепловых потерь, т.е. приближения их к расг?тным, является оптимизация конструктивных характеристик футеровки и теплоизоляции боковых • стэнок электролизера. Для дальнейшего , развития и совершенствования существующих- способов выбраны. те, которые связаны с конструированием футеровки и теплоизоляции из' материалов с различной теплопроводность». . .

Для определения переменно« толщины изоляции по длине боковой стенки получено следующее выражение

I + (0,6 + 3,92Хи1)1п[^-}] <а9->

Ь = 6" аз и»

где - проектная толщина изоляции; хи> - теплопроводность принятого материала изоляции; тц и qp действительная (измеренная) и расчетная плотности теплового потока.

Величина • вычисляется из уравнения теплопередачи относительно плотности теплового штока.

Дгн обеспечения расчетной плотности теплового потока ) необходимо, з ззвисшостй от величины д., выполнять теплоизоляцию толщиной лца переменных размеров в сечении, изменяя также толщизу угольной футеровки (йгр). с таким условием, чтобы величина (■5Г11\6и,) -выдерживалась постоянной.

Для расчета переменной теплопроводности и последующего

выбора соответствующие материалов теплоизоляции, размещаемых по гориметру шахты электролизеров, получено следуюцео уравнение

-Xя -о,

ил из -1

X. -------(20)

ЧИ^и, + 0Д«Х^> - Аи^

где х" в - теплопроводность проектного материала теплоизоляции; дг - разность температур электролита и окружающего воздуха.

В работе даны примеры практической реализации предложенных разработок относительно толщины и теплопроводности теплоизоляции для электролизеров с обожженными анодами на силу тока 175 кА.

Систематизированная в . диссертационной работе; методика составления энергетических балансов электролизеров базируется на подходах, реализуемых в ВАМИ (Пряхин Г.С. и др.>.

Приходные статьи энергобаланса включают: 1>. теплоту, подведенную от электрической энергии постоянного тока (О»»); 2). теплоту, выделяющуюся за . счет реакции вторичного окисления алюминия <0.т.сж >; 3). использованную теплоту анодных газов (Ол г); 4). теплоту, выделяемую .при окислении' анода кислородом воздуха 5). теплоту, выделяемую при нейтрализации ^.С в

глиноземе (0,,^ 0>.

К расходным ' статьям энергобаланса относятся следующие затраты теплоты: 1Ь на разложение глинозема (Ор; 2). на нагрев анода (0»н).; 3). на реакцию Будуара (Ц,-); 4>. на нагрев, и' плэвлэнив криолита (0,р); 5). на нагреЕ и разложение фторидов алюминия (0Х1Р), а также потери теплоты в окружающую следу (0П).

Для. упрощения представления результатов расчета введено обозначение (0пов) . *'- "энергия побочных процессиз", которая

относится в расходную часть баланса, т.е.

<и - + 0д1Р2- <Цо <21)

■ Дяя проектируемого алекгролжзвра определяйте ^ тепловые потери по разности приходных и расходных частей баланса , распределив затем которые между к:годным и анодным узлами (на основании эксплуатационных характеристик электролизеров), переходят к конструированию футеровки и определению .межполюсного расстояния. Основная цель теплового расчета Проектируемого алектролиээрз - достижение оптимального профиля гарниссажа. Для действующих электролизеров те плоттера с конструктивных элементов катодаого хояуха <0^,4 и анодного узла (0П ^) определяются экспериментально, затем . вычисляются теплопотери через верх электролизера из соотношения 4« далее теплопотери

с анодными газами ш г= С^ ^

Последующий анализ баланса состоит в выявлении резервов оптимизац.л распределения тепловых потерь по ъмак электролизера за счет усовершенствования его' теплоизоляции и изменения геометрических параметров, подзоре оптимальных значений МП? и силы тока, опредежнкс степени интенсификации и - К.П.Д. процесса электролиза.

Разработанная в диссертации методика и соответствующая программа расчета тепловых потерь конструктивными элементами электролизера. базируется на задании геометрических размеров, температур поверхностей стенок и окружающего воздуха и степени черноты поверхностей. Расчет ведется по известным из теплообмена соотношениям с учетом переноса теплоты конвекцией и излучением.

Экспериментальные измерения теплой« потерь проведены на 15 электролизерах различных конструкция для катодного и анодного узлов и верха электролизеров.

3 результате обобщения . экспериментальных .денных доя различных поверхностей кзтодаого кожуха получены зависимо ста вида q я А + В М;, где А и В - постоянные коэффициенты, Аг — разность температур наружной поверхности ип) и окрукапцэго воздуха (Х ),

Для поверхностей катодного кожуха (продольные и торговые стенка, Лшюы, дшщэ, обсртовочный лист) обследованных электролизеров в диссертации приведены сравнительные данные по тепловым потерям. Наибатоэ тешгонапряженными участками катодного кожуха являются его верхний пояс и бдомсн, я нзиЗалеэ высокиэ тегшзпотерк характерны для продольных тэнок (42.. .49 % от общих).'

Нзиболее теплонгпряженными элементами анодного узла электролизеров с самообжигапдимися анодами являются поверхности газосборного колокола, а для верха электролизеров с оболганными анодами - нижняя и верхняя часть укрытия.

Разработанный пакет ' программ '. "БАЛАНС ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА* позволяет выполнять автокатазированный расчет знергетичесга.. балансов на ПЭВМ для проектируемых и эксплуатируемых электролизеров.

По результатам проведенных измерений технологических и электрических параметров II'промышленных электролизеров зыполнены расчеты ¡а энергетических балансов. В табд.2 в качестве примера приведен баланс одного'из электролизеров с обожженными анодами и верхним тскоподаодом на силу тог.а 175 кА. .

Анализ полученных данных по энергобалансом показывает, что ,дяя всег обследованных электролизеров полезные затраты . энергии в пересчете на натяжение составляют , 2.15...2,18 В и лежат в пределах 46,7...53,2 а тепловые потери —от 46,8 до 53,3 % . ст полуденной энергии. .

• . СрэЕпение полученных экспериментальных данных обследованных

Энергетический баланс электролизера с обожженными анодами и верхним токошдродрм на сил) тока 176 кА

Таблица 2

ПРИХОД Э ' Е Р Г И И

Наименование статьи прихода » | Значение статьи

Вольт •кБт

|1. Элэктроанэргид 3,98 688,58 87,5

- деоул. тепяста в:аноде 0,39 87,47 3,6

- джоул. теплота в электролите 1,577 272,88 .34,7

- джоул. теплота ь катоде 0,33 57,09 '

- шренапря&ание реакции 0,403 09,6Э 8С9

- напрянгенш разложения 1.-19 205,88 28,1 ,

- аяо/.щь» эффекты 0.09 15,57 2.0

2. Вторичное окисление тлшиеия С, 181 31,32 4,0

3. Окисление анода воздухом 0,023 3,95 0,5

4. Ксшдьз. тепюта анодных ¡азов 0,325 ез,п 8,С

■ Всего приход 4,548 .788,96 100

РАСХОД Э..Н Е Р Г И И

Наименование статьи расхода • Значение статьи

Вольт кВт %

I. Электрохимический процесс 1.887 328,21 41.7

2. Нагрев и расггоорбнио глинсзвма 0,18Т 33,05 4,2

3. На1г*зв чнодов 0.С49 8,51 1,1.

4. Реакцит Будуара ^.027 4,67 0,6

5. ГМочшо процессы 0,004. 0,74 0.1

е. Тепловые потеси 2,38 ■ 411,78 52,3

- катоддач кожухом 1.155 . 25,4

верхом злэюпслиззра и е систему г^зоотооса 1,225 .211,87 26,9

Вещего расход 4,548. ■ ?ве,9в 1СО

эдектолизероя с данными энергобаланса электролизеров фирмы "Алясюис" на силу тока [83 кА позволило сделать рад практических ..рекомендация по улучшения технологического процесса электролиза.

3 диссертационной работе систематизированы. методика . составдэния энергетических балансов миксеров, служащих . дая приготовления и литья алшипиэво-марганцэвых сшзвов.

Для миксера-копклънккя. например, х приходным . статьям относятся: теплота,. вносимая с заливаемым расплавом; выделяющаяся от электрических нагревателей и индуктора МГД-даремешиватвля. К расходным статьям относятся теплота, затрачиваемая на плавлэаж твердых компонентов к нагрев их дс работал температуры; тепловой эффект образования шлака, включая потери сплава со шлаком; ' теплота, уносимая из миксера выливаемым рзсгыавом ' и потер? теплоты е окружающую среду.

Характерными потерями теплоты для этого миксера являются тешгапотери через наружные' ограждающие поверхности (боковые стенки, подину и свод); через форкамеры и откфстия в стенках; с удаляемы?"! из миксера газами; с . открытой поверхности кармана заливочного и с водса, охлаждающей индуктор МГД-гереаешиватэля.

Для расчета тепло потерь через нар'ткнью стенки разработана программа, реализующая метод ' последовательных приближения температур нзрунаых поверхностей с учетом теплопроводности материалов от температуры и пропитки футеровки расплазом. Эта ке программа используется и дая конструкторского расчета ограадения, кри этом имеется возможность производить оптимальный • ЕЬйор матерчглоь и толцин футеровки и теплоизоляции. ' -

Потери теплоты чэрез открытые форкамеры, отверстия,; кармгн зали^чяыа расочитъоаптся ш иг-вестшм ' в^рашнилм передачи теплоты излученкем/ а с удэяяомкми из миксзрз газами и водой ., охлэждащ'ег индуктор МГД пфекеаивзтзлл .. - по соответству.•ощим

38

. г

уравнениях твидового баланса.

3 работе • выполнены расчеты знергетических балансов миксера-копшьникэ и раздаточного емкстьь по 50 т, служагда для приготовления и лигья алюмиаиэво-марггндовых сплавов типа АМГ-2. Полученные результаты проанализированы. . дата ряд тактических рекомендация по ул>чшевию технологических показателей 1Ц)лготов-аения сплавов в электрических печах косвенного нагрева.

ВЫВОДЫ

1.Впервые численными методами с использованием ПЭВМ решены задачи по математическому моделированию температурных полай в различных плоскостях. катодных устройств при их обитав дяя слэктролизе]юв с самообьлггющимисй л обожженными анодами. Для электролизеров с самообжигающимкся анодами таюи разработаны методики расчетов температурных полей ь центральном поперечном сечении и энергетических характеристик при обжиге.

2.Впервые разработаны пакеты прикладных программ для прогнозирования температурных поле« поданы и длительности продесса обжата в заводских условиях, для расчета энергетических характеристик и управлэнин процессии обжига электролизеров.

3.Выполнены экспериментальные исследования температурных поле* гадины в процессе сбжига и пускэ большого количества азэктрслизерув". Даны пракгичслаю рекомендации по соэерэечспвованио способов обжига. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются с расчетными темшрааургслги полями. •

4.Впервые выполнено обобщение. полученных экспериментальных данных по температурным полям при обжиге в безразмерной форме от^ос/то.чьчс средние температур подин и темлератур поверхностей

периферийных швов.

Полнены уравнения дли определения оптимальных параметров при обжига (продоляппельность, скорость изменения падения напряжения на ванне и др.).

5.Разработаны методики математического моделирования и пакеты пршладаых программ для расчета температурных полей и ФРП ванны для ограниченных элементов бортовых гавврхноггеа катодов и для всего электролизера в процессе эксплуатации.

Выполнены численные и нггурные эксперименты по исс-гадовангао температурных па лей в электролизере и 4. Л ванны. Рекомендуемая оптимальная толщина . гзрнйссажа в процессе эксплуатации электролизера должна быть равной 10... 15 см.

Проанализировано влияние на темторгтурнке поля и (РП ■•ванны конструкции катодных устройств Упрямые и наклонные, борта), геометрических характеристик электролизеров, электрически!' и технологических параметров процесса электролиза, теплофизических свойстз применяемых для футеровки цоколя катода материалов.

6. Проведена' экспериментальные -. исследования температуропроводности углвграфита И. • теплопроводности теплоизоляционных материалов катодных устроасп в интервала 20... 1000°С. Псгрезпссть проведения исследовании-не превышает ? %.

7.Разработаны методшеи и пакеты прикладных программ для расчета тепловых потерь конструкционными элементами электролизеров и миксеров <литье алюминия и приготовленье сплавов), оптимального, выбора материалов и 'конструктивных размеров футеровки и теплоизоляции миксеров.

Я.Разработаны методики и пакеты прикладных прс рамм для расчетов энергетических балансов электролизеров и миксеров.

. Проведены натурные измерения техяожгичесхих и электрических

параметров большого количества проиыдлэнных ажктролиз-эров, для которых рассчитаны энергетически» балансы. Дэны практические рекомендации по улучшению конструкция электролизеров и оптимизации процесса электролиза.

Выполнены расчеты энергетических балансов миксеров, служащих для приготовления и .литья алюминиево-мзрганщвых сплавов". Даны рекомендации по шчтешго темгоратурно-тепловых условий работы этих г рагатов.

•9.Выполнена оптимизация конструкции катодных устройств электролизеров по теплоизоляционным характеристикам. Получены соответствующие уравнения для определения необходимой, с точки зрения создания оптимальной ФРП ванны, переменной толщины тепловой изолящш при выбранной ее теплопроводности (материале) и переменой теплопровода. ста материалов при постоянной толщине изоляции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих . работах:

I Панов E.H., Никифоров O.A., Тепляков Ф.К. Исследование температурных режимов сбжигз электролизеров С 8Б после капитального рзмонта // Сб. научных трудов ВАМИ. - Л., IP87. с .11-14.

2.Панов Ё.К.,• Пряхин Г.С., Кукшик А.П., Кононов М.К. Тепловое поле катодного узла алюминиевого электролизера с обожжонныки анодами // Цв. металлы. 1989. - №1. - с.56-59.

3.Панов' E.H., ТешшкоЕ O.K., Даниленко C.B., Никифоров С.А. Оптимизация температурного реяима обжига на металле катодных устройств алюминиевых электролизеров С 8Б // Цв. металлы. - 1988.

N12. -с.40-43.

4.Панов E.H., Боженко М.Ф., Тепляков Ф.К., Дэниленко C.B., .Зверев ю.А. Обобщэнньо уравнения для oi ре деления режимных

параметров обжига катодов алюминиезых электролизеров и особенно та обжига с формовкой анода.// Цв.металлы. - 1991. - №4.

- с.20-24.

Б.Панов E.H., Боженко М.Ф., Даииленко C.B., Кукшш А.П. Обобщенные уравнения для определения режимных параметров обжига алюминиевых электролизеров с обожженными анодами // Цв. металлы.

- 1992. - N7. - с.ЗО-ЗГ.

в.Пазов E.H., Боженко М.Ф., Данилелко C.B., 1едляков • Ф.К. Обобщенные уравнения для расчета ' температур периферийных швов катодов алюминиевых электролизеров при их обжиге на металле // Цв. металлы. - J993. - №Г. - с.34-3в,

7.Панов E.H., Кукшин А.П. Моделирование бортевых гарниссажей в алзоминиевых электролизерах // Цв. металлы. - 1989. - W8. - -С.52-56.

в.Дкблин B.C., Пряхин Г.С., Панов S.H., Кукшин A.n., Петров Д. С. Энергетические балансы электролизерог с обоккэшташ гнодеяпг // Ив. металлы. - 1990. - №4. - с^53>-5А*

Э.Е.нов E.H., Боженко К.Ф,„ Дашшште Карвзцки» A.ff. Изучение тепловых условий работы' миксера» вместимостью- 5С?г доот приготовления и литья злхшниэввд сплэвсв- // Ц&.. ¡летami. - 1995..

- ffl. - С. 43-45»

10.nafoa E.H.,, Никифоров С.Л.„ К&ши» А.П. , Исследование-текпоратуроприводности- катодшж материалов апоминигвыг электролизеров: в, интервале- температур 300-Г100' К // Те*.. .докагЛП Всеесгазк... конференции по метрологии-.. - Харьков* 1986» - 2 с.

11.Пано& S.Mv^ Демиетвич Дарзадытаг. Викорйстаняя мятоду. граничил* е-чементГв при. «лоделгааян! теплообмену з алюм1Левих " елэкгослГзерзх//- 2&т доповГдей Всеупра1нсыюг яэуковог конференцГг. по- астосузанаэ: обчьелювальног техн!ки, математкчного модзловелня та. математичких метсд!в . у ■ наукови?"

■ ■ г ..■..-.''•; . 42

доод1даеньях. - Льв1в, 1935,' 4 с,

12.А.с. 1640206 СССР, 0 26 с 2/08. атектролиэар джя ■ получения алюминия / Е.Н.Панов, . М.Ф.Боженко, А.П.Кукшин, Ф.КЛешяков. -Опубл. 7.04.91. Бюл. №13.

13.А.с, 1696595 СССР С 25 с 3/08. способ изготовления теплоизоляции борта алюминиевого электролизера ./Е.Н.Панов, М.Ф.Боженко, А.1ЙКукпщн, O.K.Тепляков. - Опубл. 7.12.91. Бил. ff 46.

•14.А. с-.' I78526I СССР С 25 о 3/08. Способ обжига- алюминиэвых электролизеров / Е.Н.Гйнов, М.Ф.Боженко, Ф.К.Тепляков, С.В.Дашшнко, Б.С.ДЛлин. - Опубл. 30.09.92. Бюл. №36,

. 15.Патент РФ С 25 с З.Об.Способ обжета,алюминиевых аяекгролизероа с обожженными анодами. / Е.Н.Панов, М.ф.Божешю, С.В.Даниленко. - 503Ï44V/Q2; Положительное решение от 25.06.82.

.'■'/ ANNOTATION \.

Panov Ye. N. Heat Prtpcesses At the Eluet-rolytic»l Production

of the" Aluni ni uni anc* their Influence ory the Electrolysis Inde; «s.

Thesis for the lector of the techni cal sciences . degree

Competition of the Speciali ty. 05.14.04, - Industrial Hoat

s ...

Engineering- Institute of the Gas of the N*3 of Ukraine, Kiev,

isse. ■ • . . •

. Publi sherd -in the 29 references theoretic»! and experimental results of "the »luminium el octroi yzer s engineering indexes inve=tiya.tlons' at the start-up burning regimes, working processes, burning control and working space fondation of Lhe electrolytic baih au well as the heat and temperature operating conditions of the electric furnace for foundary aluminium production are defened in this Thesis. Obtained scientific results were put down of the engineering.désignés developement of the structures as well as the

»1 atroyaers »r>d aluminium foundiry electric furnaces heat rerjtmos, aptimi zation.

АНН01АШЯ

Панов E.H. Тепловые процессы при электролитическом, производстве алюминия и их влияние на показатели электролиза.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических . ааук по специальности 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика. Институт газа HAH Украины, Киев, 1996.

Защищаются изложенные в 29 научных . работах результаты теоретических и экспериментальных исследования энергетических характеристик алюминиевых электролизеров при их обжиге и в процессе эксплуатации,.управлению процессов обжига и формирования рабочего пространства ванн, а также температуряо-тешговых . условий рзбота электретеских печея литейного алюминиевого производства. Полученные научные результаты. легли в основу инженерных разработок, связанных . с усовершенствованием конструкций и оогшизациея тепловых режимов электролизеров и печея литейного производства. .

Ключевые ллова: электролизер, обжиг, гарниссаж, энергобаланс, математическая модел, теплофизические свойства, миксер.

Подписано к печати 28.02. (996г.формат 60x04/16

Бумага офсетная. Усл.-печ.лист.г^.уч.-иэд.лист 2,0.

Тираж 50. Заказ 87. Цена договорная.

Полиграф, уч-к Института электродинамики НЛН Украины

252057, Киев-57, проспект Победы,5&