Исследование напряженно-деформированного состояния шпангоутных катодных кожухов в зависимости от параметров футеровки

С.Н.Ахмедов, В.В.Тихомиров, Б.С.Громов, Р.В.Пак

Срок службы алюминиевых электролизеров в существенной мере зависит от выбора геометрических размеров и свойств материалов, используемых в конструкциях катодных устройств. Взаимное влияние конструктивных элементов футеровки (подовых блоков, боковых блоков, швов в подине, бровки, цоколя, блюмсов) и элементов кожуха (фланцевого листа, обечайки, шпангоутов, торцовой обвязки) определяют характер процессов, происходящих при обжиге и эксплуатации электролизеров.

На стадии обжига, напряженно-деформированное состояние шпангоутных кожухов определяется в первую очередь температурным расширением подовых блоков, блюмсов, цоколя, элементов самой металлоконструкции, а также усадкой швов при коксовании. В ходе эксплуатации превалирующими становятся напряжения, обусловленные внедрением в подовые блоки щелочных металлов (натрия, калия, лития) и давлением, вызванным кристаллизацией расплавленных солей в порах и трещинах.

Многофакторность влияния различных параметров на прочность конструкции требует последовательного решения задачи оптимизации катодных устройств. Первым этапом оптимизации может быть определение напряженно-деформированного состояния катодных кожухов при варьировании геометрических параметров и механических свойств конструкционных элементов.

Несмотря на имеющиеся публикации, посвященные конечно-элементному анализу прочностных свойств катодных кожухов алюминиевых электролизеров [1, 2, 3], вопрос остается малоизученным.

С точки зрения механики деформируемого твердого тела катодный кожух представляет сложную пространственную систему сочлененных тонких пластин. Материал кожуха (сталь) принимается однородным и изотропным и находится под действием нагрузок в упругопластическом состоянии (эффект упрочнения стали в первом приближении можно не рассматривать).

Футеровка же катода является трехмерной существенно неоднородной композиционной средой. Механические свойства футеровочных материалов могут различаться на порядки (например, упругие модули карбида кремния и подовой массы). Существенная особенность компьютерного моделирования футеровки состоит в том, что ее отдельные компоненты находятся в контактном взаимодействии. На поверхностях раздела различных материалов возможно нарушение идеального механического контакта, т.е. полного сцепления материалов, и образование неизвестных заранее областей скольжения, сцепления и отрыва. Иными словами, неидеальность механического контакта допускает возможность взаимных смещений компонентов футеровки как относительно друг друга, так и относительно кожуха. Последствия этих смещений проявляются в том, что в футеровке образуются полости и места расслоения материалов, через которые могут происходить протечки расплава и электролита. Поэтому учет в механической модели катодного устройства контактного взаимодействия футеровочных материалов является обязательным.

Однако, произвести учет контакта на всех имеющихся границах раздела фаз не представляется возможным. В механической модели катода были выделены следующие, с нашей точки зрения, основные пары компонентов катода, между которыми осуществлялось контактное взаимодействие, допускающее взаимное проскальзывание материалов, их слипание или расслоение: подовые блоки - цоколь, подовые блоки - блюмсы, бортовая футеровка - блюмсы и бортовая футеровка - стенки кожуха.

Кроме того, механическая модель катодного устройства включала в себя еще ряд специфических свойств. Подина катода моделировалась единой плитой. Контактное взаимодействие между отдельными подовыми блоками, которые считались однородными и изотропными, не учитывалось. Натриевое расширение материала подины принималось равным 1% и имитировалось дополнительным однородным температурным полем [4]. Необходимым моментом механической модели катодного устройства является учет демпфирующих свойств материалов футеровки [4]. Фактор демпфирования может быть учтен путем введения нелинейных свойств для отдельных компонентов футеровки. Известно, что некоторые из применяемых материалов, например, силикат кальция, имеют достаточно низкий предел прочности на сжатие, по достижении которого не сопротивляются приложенной нагрузке и разрушаются. В этом случае механическая модель материала должна быть такова, чтобы допускать рост деформаций при постоянном уровне напряжений. Другие материалы, например, жаропрочный бетон, как показывают эксперименты, проявляют пластические свойства в условиях их сильного сжатия. Благодаря таким свойствам компоненты футеровки осуществляют компенсацию давлений, возникающих при натриевом расширении подовых блоков, и предохраняют катодный кожух от чрезмерного нагружения.

В качестве примера рассматривалось типичное катодное устройство средней мощности, рассчитанное на силу тока 130 кА и имеющее составной катодный кожух шпангоутного типа. Бортовая футеровка катода выполнена из угольных блоков.

Для оценки напряженно-деформированного состояния катодного кожуха использовалась следующая система прочностных параметров [5]:

Анализ напряженно-деформированного состояния катодного устройства проводился по нескольким направлениям, в которых оценивались прочностные качества катодного кожуха в зависимости от различных параметров футеровки. При этом в каждом случае в математической модели менялся только один механический или геометрический параметр.

Исследование влияния длины подовых блоков
на прочностные характеристики катодного кожуха

В таблице 1 представлены зависимости максимальных значений интенсивности пластических деформаций и меры пластичности, характеризующей долю областей пластического течения в конструкции катодного кожуха, от длины подовых блоков. Уменьшение длины подовых блоков компенсировалось увеличением ширины периферийного шва, а все остальные параметры модели сохранялись. Приведенные данные свидетельствуют о том, что с уменьшением длины блоков происходит улучшение прочностных параметров всех элементов кожуха. Особенно заметно ослабевает интенсивность пластических деформаций на стенках кожуха. При уменьшении длины подовых блоков на 170 мм, т. е. менее чем на 10% его базовой длины, максимум интенсивности деформаций снижается почти в два раза. На скруглениях ребер шпангоутов подобное снижение достигает 24%. Однако, дальнейшее уменьшение длины подовых блоков является нецелесообразным, поскольку при этом существует опасность, что периферийный шов не будет закрыт слоем настыли, и увеличится вероятность протечки расплава.

Зависимость прочностных параметров элементов катодного кожуха
от длины подовых блоков

Исследование влияния модуля упругости подовых блоков на
прочностные характеристики катодного кожуха

Как следует из литературных источников, модуль упругости Е углеграфитовых блоков в зависимости от их состава колеблется в пределах от 6 10³ до 10 10³ МПа. При варьировании модуля упругости подовых блоков в указанном диапазоне, т.е. при увеличении его величины на 66%, прочностные параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние кожуха, увеличиваются, но в гораздо меньшей степени. Так, мера пластичности элементов металлоконструкции возрастает в пределах полутора процентов. Изменения максимальных значений интенсивности пластических деформаций в составных частях конструкции представлены в таблице 2. Наиболее существенное повышение (на 21%) этой величины наблюдается в обечайке.

Зависимость максимальной интенсивности пластических деформаций от модуля упругости подовых блоков

Зависимость максимальной интенсивности пластических деформаций
от модуля упругости подовых блоков

Таким образом, результаты компьютерного моделирования показывают, что повышение модуля упругости подовых блоков отрицательно сказывается на прочностных характеристиках катодного кожуха, поскольку оно приводит к возрастанию давления на стенки ванны со стороны футеровки.

Исследование влияния упругих свойств бортовых угольных блоков
на прочностные характеристики кожуха

Качество бортовых угольных блоков можно характеризовать модулем упругости Е, определяющим их жесткостные свойства. В численных расчетах рассматривались угольные блоки трех категорий:

Результаты численного моделирования прочностного поведения катода, имеющего бортовые угольные блоки указанных типов, приведены в таблице 3.

Зависимость прочностных параметров элементов катодного кожуха
от качества бортовых угольных блоков

Представленные данные показывают, что изменение качества бортовых блоков сказывается на прочностных параметрах рассматриваемых элементов кожуха по-разному. С улучшением качества блоков интенсивность пластических деформаций ε_m и мера пластичности µ_σ обечайки, бортовых листов и ребер опор уменьшается, что свидетельствует об улучшении прочностных качеств этих элементов. В то же время, на ребрах шпангоутов и торцевых поясах коробчатых балок происходит увеличение данных параметров и, следовательно, некоторое ухудшение их прочностных характеристик.

Таким образом, с точки зрения прочности кожуха выбор жесткостных свойств бортовых угольных блоков не является однозначным и требует своей оптимизации в совокупности с влиянием других параметров футеровки.

Исследование влияния высоты кирпичной бровки на прочностные характеристики кожуха.

Влияние высоты H_k кирпичной бровки на максимальные значения интенсивности пластических деформаций и меры пластичности элементов кожуха отражено на рис. 1. Расчеты проводились для моделей как с увеличенной, так и с уменьшенной по сравнению с базовой высотой слоя бортовых кирпичей. Приведенные данные показывают, что прочностные параметры различных элементов катодного кожуха реагируют на изменение высоты кирпичной бровки по-разному. Максимальная интенсивность пластических деформаций, определяющая вероятность разрушения таких элементов кожуха, как ребра шпангоутов, бортовые листы и ребра опор конструкции, при варьировании высоты бровки в пределах четырех рядов кирпичей изменяется не слишком сильно (в рамках 30 %). В тоже время, в обечайке изменение данного параметра более существенное (Рис. 1б). Значительные изменения областей пластичности происходят на ребрах шпангоутов, где увеличение слоя кирпичей на 268 мм вызывает уменьшение этих областей более чем в два раза. Следует отметить также, что в обечайке конструкции в отличие от других рассмотренных элементов при возрастании высоты кирпичной бровки происходит расширение зон пластичности металла (Рис. 1а). Таким образом, увеличение высоты кирпичной бровки, в общем, приводит к снижению прочностных параметров катодных кожухов, т.е. к улучшению прочностных качеств металлоконструкций.

Исследование влияния коэффициента линейного температурного расширения подовой массы на прочностные характеристики кожуха

Коэффициент линейного температурного расширения a подовой массы изменялся в достаточно широких пределах (от -2Ч10^-6 до 2.8Ч10^-6 1/град), соответствующих диапазону его значений в имеющихся источниках информации. При этом отрицательные значения коэффициента α соответствуют усадочным подовым массам, а положительные - расширяющимся. На рис. 2 представлены зависимости меры пластичности и максимальной интенсивности пластических деформаций элементов кожуха от величины коэффициента температурного расширения подовой массы. Приведенные результаты показывают, что при переходе от усадочных масс к расширяющимся массам происходит возрастание прочностных параметров у всех элементов конструкции. Варьирование в указанных пределах коэффициента α практически не отражается на напряженно-деформированном состоянии ребер шпангоутов. Однако максимум интенсивности пластических деформаций в обечайке кожуха при этом изменяется более чем в два раза. Таким образом, с точки зрения расчетного напряженно-деформированного состояния катодного кожуха применение усадочных подовых масс более выгодно, так как им отвечают меньшие по размеру области пластического течения элементов металлоконструкции и величины остаточных деформаций.

В тоже время практика эксплуатации электролизеров показывает, что, если усадочные явления при обжиге и пуске не соответствуют температурным расширениям подовых блоков, возможны протечки металла и электролита в периферийный шов и, как следствие, последующее сокращение срока службы электролизера. Это говорит о необходимости расчетной оптимизации температурных расширений подовых блоков с учетом усадочных явлений подовой массы.

Следует отметить, что все рассмотренные вариации геометрических и механических параметров футеровки очень слабо влияют на величины перемещений U_i контрольных точек кожуха, вызывая их изменения в пределах 2 - 3 мм, и, следовательно, не приводят к качественным изменениям в картине его деформированного состояния.

Проведенные исследования позволяют осуществить в первом приближении наиболее рациональный выбор варианта конструкции катодных устройств алюминиевых электролизеров и указать направления их оптимизации на основе расчетных методов и практического опыта.

Список литературы:

РЕФЕРАТ

Многофакторность влияния различных параметров на прочность конструкции катодного кожуха алюминиевого электролизера требует последовательного решения задачи оптимизации катодных устройств. Первым этапом оптимизации может быть определение напряженно-деформированного состояния катодных кожухов при варьировании геометрических параметров и механических свойств конструкционных элементов.

Проведенные исследования позволяют осуществить в первом приближении наиболее рациональный выбор варианта конструкции катодных устройств алюминиевых электролизеров и указать направления их оптимизации на основе расчетных методов и практического опыта.