Статьи
English version
О компании
История
Руководство
Сотрудники
Разработки
Объекты
Наши публикации
Наши патенты
Контакты
Обратная связь


Особенности деформации футеровки катодных устройств алюминиевых электролизеров.

С.Н.Ахмедов, В.В.Тихомиров, Б.С.Громов, Р.В.Пак, А.И.Огурцов

Деформация угольной и огнеупорной частей футеровок катодных устройств алюминиевых электролизеров обуславливаются различными причинами:

 

- весовыми нагрузками элементов конструкции электролизеров;

- термическим расширением конструкционных материалов;

- проникновением в кристаллическую решетку катионов щелочных металлов (натрий, калий, литий);

- давлением кристаллизации компонентов расплавленного электролита и алюминия.

Деформация футеровки, возникает уже в процессе транспортировки электролизеров. Связано это с тем, что изготовление катодных устройств, как правило, производится в цехах капитального ремонта электролизеров. Затем катодные устройства транспортируются в корпуса электролиза. В случае монтажа электролизеров непосредственно в корпусах электролиза деформация могут возникать вследствие операций по установке и нивелированию катодных устройств на подкатодные балки или строительные конструкции. В данном случае деформации в основном связаны с перемещением подовых блоков и кирпичной кладки, следствием которых является образование трещин в подовой массе, используемой для герметизации швов между угольными элементами катодных устройств.

В процессе обжига подины катодного устройства происходит неравномерный объемный нагрев подовых блоков, блюмсов, швов, кирпичной кладки и кожуха. В зависимости от технологии обжига указанные элементы могут быть подвержены термическим ударам. Обжиг сопровождается выделением газов из подовой массы, усадкой при коксовании, что в свою очередь приводит к образованию зазоров между швами и подовыми блоками.

В процессе обжига электролизера в образующиеся микротрещины и видимые трещины проникает сначала расплавленный алюминий, а затем компоненты расплавленного электролита. Входящие в состав электролита фтористые соли имеют различную вязкость, плотность, электропроводимость, и поэтому их проникновение может быть избирательным в различные элементы футеровки. Проникая в поры и трещины, алюминий и электролит переходят в твердое состояние. Следствием этого фазового перехода является внутреннее давление кристаллизации в футеровочных материалах. Этот процесс имеет динамический характер, связанный с продвижением фронта пропитки вглубь материалов.

Во время эксплуатации электролизеров, восстанавливающийся вместе с алюминием на катоде натрий и другие щелочные металлы проникают вглубь подовых блоков и, трансформируя кристаллическую решетку углерода, создают условия для расширения подовых блоков. Этот процесс зависит от плотности катодного тока на отдельных участках поверхности подины, которые могут быть либо открыты, либо блокированы осадками глинозема, "настылями" или "коржами". Неравномерные поля напряжений внутри подовых блоков приводят к деформации всей подины или отдельных ее частей.

Различные коэффициенты термического расширения подовых блоков, блюмсов являются причиной дополнительных нагрузок и смещений подовых блоков вдоль продольной оси электролизеров.

В процессе эксплуатации наблюдаются прорывы алюминия и электролита в отдельных местах катодных устройств электролизеров. Деформации, которые возникают в этом случае, могут иметь аварийный характер.

Компьютерное моделирование позволяет дать качественную оценку возникающих в футеровке деформаций, которые определяются конструктивными характеристиками электролизеров и используемыми конструкционными материалами. Для анализа деформаций в футеровке была использована методика, основанная на методе конечных элементов [1]. Современные компьютерные технологии (САЕ технологии) дают возможность исследовать напряженно-деформированное состояние катодного устройства как трехмерной гетерогенной структуры, в состав которой входит не менее десятка различных материалов. Физические свойства используемых материалов, являющиеся входными данными для расчета, весьма разнообразны и могут изменяться в процессе электролиза. Трансформация свойств материалов обуславливается температурной зависимостью материальных констант, пропиткой углеродных материалов вследствие фильтрации расплава, а также возможными фазовыми превращениями. Так, например, свойства "зеленой" подовой массы существенно изменяются при ее спекании, когда происходит переход из аморфного состояния данного материала в твердое.

В установившемся режиме работы электролизера, т.е. после завершения всех переходных процессов в системе, физические константы материалов принимают некоторые определенные значения, которые, правда, могут варьироваться в зависимости от процентного состава входящих в них компонентов. Данное обстоятельство, а также погрешности, возникающие в экспериментальных данных, обуславливают некоторый разброс значений параметров, определяющих прочностное поведение используемых в катоде материалов. Сравнительный анализ различных источников информации позволяет указать диапазоны изменения физических параметров футеровочных материалов, которые представлены в таблице 1.

Механические свойства футеровочных материалов

Материал

Плотность
ρ·103(кг/мм3)

Коэффициент
линейного
температурного
расширения
α·106(1/град)

Модуль
Юнга
Е·10-4(кг/см2)

Коэффициент
Пуассона

Предел
прочности
на сжатие
(кг/мм2)

Углеграфит

1.5-2.0

2.4-3.7

6.1-8.5

0.25

2.2-2.9

Подовая масса

1.4-1.6

-2.0-2.8

1.0

0.1

1.4-1.9

Бетон жаропрочный

1.8-1.85

6.3-7.0

21.3-38.0

0.15-0.2

0.2-1.0

Кирпич шамотный

1.8-2.1

5.2-6.7

4.5

0.22

1.3-3.6

Силикат кальция

0.24-0.275

5.5

0.4-0.5

0.1-0.2

0.13-0.16

Карбид кремния

2.5-2.62

3.6-4.5

400-500

0.12

200-400



Для стали, применяемой в катодах электролизеров, известны зависимости материальных констант от температуры [2]. Эти данные приведены в таблице 2.

Зависимость механических свойств стали Ст3 и близких к
ней углеродистых сталей от температуры.

Температура
(°С)

Плотность,
ρ·103(кг/мм3)

Средний
коэффициент
линейного
температурного
расширения,
α·105
(1/град)

Модуль Юнга,
Е·10-4(кг/мм2)

Модуль сдвига,
G·10-4(кг/мм2)

Предел
текучести,
σ02(кг/мм2)

20

7.856

1.24

2.13

0.81

23

100

7.832

1.24

2.08

0.80

21

200

7.800

1.32

2.02

0.77

300

7.765

1.39

1.95

0.74

14.5

400

7.730

1.45

1.87

0.71

12.5

500

7.692

1.49

1.76

0.67

10.5

600

7.653

1.51

1.67

0.62

5.5

700

7.613

1.53

1.53

0.57

-



Температурное поле катодного устройства отличается существенной неоднородностью. В принципе, могут иметь место два метода задания температурного поля: расчетный, основанный на решении соответствующей тепловой задачи, и экспериментальный, базирующийся на результатах натурных замеров температуры на работающем электролизере. На этапе проектирования новой модели катода, вообще говоря, должен использоваться расчетный метод, обеспечивающий в целях дальнейшего проведения прочностного анализа вывод температуры в любой наперед заданной точке конструкции. При экспериментальном методе задания температурного поля возникает необходимость трехмерной аппроксимации дискретных данных замеров в контрольных точках катода. При этом аппроксимирующие функции должны удовлетворять определенным требованиям гладкости. Как показывает практика, вполне приемлемой является полиномиальная аппроксимация экспериментальных данных.

Для моделирования "натриевого" расширения углеграфита используется прием [3], основанный на приложении к подовым блокам дополнительного поля так называемой "натриевой" температуры. Величина этой псевдотемпературы ?TNa определяется уровнем "натриевой" деформации eNa углеграфита. При заданной величине "натриевой" деформации и в предположении о равномерности ее распределения по подине, дополнительно прикладываемая к подовым блокам "натриевая" температура находится по формуле

ΔTNa = εNa/α,

где: α - коэффициент линейного температурного расширения углеграфита.

Вычисления показывают, что при "натриевой" деформации порядка 1% "натриевая" температура почти в три раза превышает истинную максимальную температуру на рабочей поверхности подовых блоков.

Важной особенностью механической модели катодного устройства является учет контактных взаимодействий входящих в него компонентов. Введение в расчетную модель условий контакта на граничных поверхностях раздела фаз позволяет спрогнозировать образование зон расслоения материалов (образование полостей) как внутри футеровки, так и между футеровкой и кожухом. Кроме того, это дает возможность правильно (по крайней мере, в качественном отношении) смоделировать конфигурацию катода в деформированном состоянии. Варьирование геометрических и физических параметров расчетной модели и сравнительный анализ различных вариантов позволяет выявить тенденции изменения напряженно-деформированного состояния катодного устройства и на их основе сделать практические рекомендации по выбору оптимальной конструкции.

Результаты компьютерного моделирования на основе предложенной механической модели катодного устройства можно проиллюстрировать, на примере электролизера на 130 кА с обожженными анодами, имеющего цельносварной шпангоутный кожух. Для получения температурного поля катодного кожуха проводилась интерполяция экспериментальных данных, полученных в результате натурных измерений. Температурное поле футеровки катода задавалось на основе аппроксимации расчетных значений. В качестве величин материальных констант использовались их средние значения из диапазонов, указанных в таблице 1, а их зависимость от температуры не учитывалась в силу отсутствия подобных данных для большинства футеровочных материалов.

Рис. 1. Деформированное состояние модели катодного устройства (вид сбоку)

На рис. 1 изображено деформированное состояние четвертой части модели катодного устройства. В результате анализа механической модели выявляются закономерности, позволяющие прогнозировать состояние катодного устройства в установившемся режиме его работы.

Существенным моментом в выявленных закономерностях является подъем подовых блоков в центральной части катода. Этот подъем наблюдается как при использовании катодного устройства с "перевязкой" подовых блоков, так и со сплошными подовыми блоками. Важно, чтобы неизбежный подъем подовых блоков в центральной части, возникающий на начальной стадии обжига электролизера, не сопровождался образованием незаполненных полостей.

Частично это достигается тем, что между подовыми блоками и цоколем размещается сухая барьерная смесь (СБС) с толщиной засыпки 5…50 мм и состоящая из смеси огнеупорных порошков. Помимо основной функции - образования при пропитке электролитом тугоплавкого шлака с температурой плавления большей, чем у просачивающегося электролита, смесь порошков позволяет перераспределить профиль поперечного разреза засыпки, уменьшая его у периферийных швов и увеличивая в центральной части катодного устройства.

Механизм перераспределения нагрузок имеет и ряд плит из силиката кальция, устанавливаемый на дно катодного кожуха. Основная функция плит из силиката кальция - тепловая изоляция катодного устройства при обжиге, пуске и эксплуатации. В процессе электролиза, когда напряжения в плитах превысят предел прочности на сжатие, происходит разрушение силиката кальция, в результате которого он превращается в насыпной материал, имеющий свойства несжимаемой жидкости. Естественно, что этот процесс также способствует перераспределению нагрузок, уменьшая при этом возможность подъема подовых блоков в центральных частях подины электролизера.

Функцию демпфирования выполняют плиты из силиката кальция и при установке их вдоль продольных стенок катодного кожуха. Плиты устанавливаются до уровня верхней грани блюмсов. Над блюмсами располагается кирпичная бровка, на которую опираются бортовые блоки. Плиты из силиката кальция обеспечивают компенсацию деформации нижней части торцов подовых блоков. На верхнюю часть торцов подовых блоков, наоборот, необходимо передавать через кирпичную бровку усилия от катодного кожуха. Подобная конструкция позволяет создавать обжимающие усилия, которые замедляют подъем подовых блоков в центральных частях катодного устройства.

Рис. 2а. Деформация блюмсов в поперечном сеченииРис. 2б. Деформация блюмсов в плане

Важную роль в процессе деформации футеровки играют перемещения подовых блюмсов. Хорошо известно, что на электролизерах с нарушениями целостности подины концы блюмсов у катодных спусков имеют наклон вниз (к отметке "ноль"). Этот наклон тем больше, чем больше подъем подины. На рис. 2а показана характерная деформация блюмсов в поперечном сечении, а на рис 2б - деформация группы блюмсов в плане. Сдвиг блюмсов в сторону торцов катодного устройства особенно опасен. В этом случае крайние торцовые подовые блоки испытывают усиленное суммарное давление, вызванное продольными смещениями других блоков. В тоже время равномерное смещение крайних подовых блоков ограничено блюмсами, проходящими через окна металлоконструкции. Это приводит к тому, что торцовые подовые блоки оказываются под дополнительной разрушающей нагрузкой. Для предотвращения этого явления, увеличивают толщину плит из силиката кальция в торцах электролизеров, используются ступенчатые конструкции торцовых бровок, смещаются оси окон под блюмсы в катодных кожухах.

Рис. 3.  Деформированное состояние модели футеровки (вид сверху)

Характер деформации подины оказывает существенное влияние на перемещения и деформации бортовых угольных или карбидкремниевых блоков. Подовые блоки, воздействуя на нижнюю закрепленную в "колодце" часть бортовых блоков, создают усилия, которые приводят к отслоению верхних частей бортовых блоков от стенок катодного кожуха. На рис. 3 изображен вид сверху деформации футеровки, не стесненной фланцевым листом. Видно, что бортовые блоки, расположенные в углах катодного устройства, имеют значительные вертикальные смещения, которые приводят к эффекту "выталкивания" бортовых блоков в углах ванны.

В старых конструкциях кожухов контрфорсного типа этого явления не было заметно, поскольку использовалась бортовая угольная футеровка, интенсивно окисляющаяся кислородом воздуха и разрушающаяся в верхней части. На первых модификациях шпангоутных катодных устройств с карбидкремниевыми блоками, этот эффект "выталкивания" приводил к тому, что бортовые блоки выступали над застывшей коркой электролита, как по торцовым, так и по продольным стенкам катодных устройств. Разрушение выступающих частей обрабатывающей техникой или вручную ломами приводило к снижению срока службы электролизеров.

Для предотвращения негативных последствий "выталкивания" бортовых блоков необходимо использовать фланцевый лист, обладающий достаточной жесткостью. Вместо тонких стальных листов, которые ранее использовались как накладки на верхние плоскости бортовых блоков, в настоящее время используются жесткие коробчатые фланцевые листы или фланцевые листы из стали толщиной до 30 мм, которые с помощью болтов присоединяются к металлоконструкции катодного кожуха. Обжатие бортовой футеровки сверху является необходимым функциональным свойством, которым должна обладать металлоконструкция катодного кожуха.

Таким образом, выполненный методом математического моделирования анализ деформаций футеровки позволяет определить конструктивные решения и осуществить подбор материалов, необходимых для оптимальной разработки катодных устройств алюминиевых электролизеров.





Список литературы:

 

1. В.В.ТИХОМИРОВ, С.Н.АХМЕДОВ, Б.С.ГРОМОВ, Р.В.ПАК. "Обзор методов расчета прочностных характеристик катодных устройств алюминиевых электролизеров".// Цветные металлы, 2003, №2, стр. _____-

2. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Раздел II. Материалы в машиностроении. Том II-2. Стали. Чугуны. М., Машиностроение, 2001, стр.752.

3. Rolf R.L., Peterson R.W. Compressible insulation to reduce pot lining heaving in Hall-Herould cells.// Light Metals,1987, p. 209-213.





РЕФЕРАТ

Выполнен анализ характера деформации угольной и огнеупорной частей футеровки катодных устройств алюминиевых электролизеров. Методами компьютерного моделирования даны качественные оценки возникающих в футеровке деформаций и определены основные конструктивные решения и материалы для катодных устройств алюминиевых электролизеров.




designed by

Sagitta


ALCORUS ENGINEERING Ltd,
Copyright ©  2004-2019