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


Исследование напряженного состояния подовых блоков алюминиевых электролизеров.

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

Срок службы алюминиевых электролизеров и удельный расход электроэнергии при электролитическом получении алюминия во многом зависят от конструкции и технологических параметров катодных секций. Существует два основных способа заделки блюмсов в катодные секции: заделка пастами; заливка чугуном. Нами исследовались характеристики напряженного состояния блоков при заделке блюмса с помощью паст. В качестве пасты использовалась холодно набивная подовая масса с различными добавками

Попытка исследования напряженно-деформированного состояния катодных блоков предпринималась ранее [I]. Однако, в указанной работе использовалась довольно грубая двумерная модель, в которой граничные условия на кромках блока ставились исходя из предположения о бесконечной протяженности подины в продольном направлении электролизера. Кроме того, для оценки вероятности возможного разрушения блока в зависимости от конфигурации блюмса использовалась упрощенная схема силового воздействия на блок со стороны блюмса, в которой контактное взаимодействие сводилось к приложению сосредоточенной силы к некоторой точке вертикальной стенки паза блока. При этом величина силы и точка ее приложения выбирались из неясных соображений.

Настоящее исследование свободно от указанных недостатков. Для анализа применялась двумерная механическая модель катодного подового блока, т. е. рассматривалась задача о плоской термоупругой деформации вертикального поперечного сечения блока, ортогонального блюмсу. Следует отметить, что катодная секция представляет собой композитную систему с ярко выраженными свойствами механической неоднородности: упругие модули и коэффициенты линейного температурного расширения входящих в нее материалов (стали, углеграфита и подовой массы) отличаются на порядки. Так, модуль Юнга углеграфитовой матрицы и спеченной подовой массы составляют соответственно 6,35·103 МПа и 1,0·103 МПа [1,2], в то время как модуль нормальной упругости стального блюмса равен 2.1·105 МПа. При этом предполагалось, что компоненты композита обладают свойствами упругости, однородности и изотропии. Кроме того, используемая механическая модель включала в себя условия идеального механического контакта (сцепления) материалов системы.

Вопрос о задании граничных условий на внешних кромках подового блока решался следующим образом. На первом этапе на основе результатов расчета всего катодного устройства электролизера определялось поле перемещений в подине в узлах укрупненной конечно-элементной сетки. На втором этапе c помощью процедуры интерполяции находились значения перемещений в граничных узлах измельченной сетки, подходящей для исследования концентрации напряжений вблизи угловых точек паза. Эти перемещения и принимались в качестве граничных условий задачи.

В качестве внешних нагрузок в задаче учитывались:

 

1. давление на верхнюю сторону блока со стороны металла и электролита;

2. объемные силы тяжести;

3. температурное поле, вычисляемое по тому же закону, что и в полной задаче для катода в целом с максимальной температурой подины 950°С,

4. "натриевая" температура, с помощью которой моделировалось разбухание подовых блоков, принимаемое равным 1%.

Вычислительная процедура проводилась на основе метода конечных элементов с использованием лицензионного программного пакета "ABAQUS". Рассматривались два вида катодных секций с блоками типа А (550х420 мм) и типа Б (820х420 мм) и различными сечениями блюмсов.

Для проведения сопоставительного анализа напряженного состояния подовых блоков рассматривались катодные секции с различной конфигурацией блюмсов. Во всех численных расчетах соблюдалось постоянство условий (одинаковое нагружение и одинаковые граничные условия на внешних кромках), в которых находятся катодные секции. Варьированию подвергалось лишь соотношение между шириной а и высотой b блюмса. Иными словами, исследовалась зависимость полей напряжений в подовых блоках от безразмерного геометрического параметра λ=b\а. Следовательно, значению λ=1 соответствует квадратное поперечное сечение блюмса, λ>1 (при фиксированной ширине блюмса а) - сечение, вытянутое вверх, а λ<1 (при фиксированной высоте блюмса b) - сечение вытянутое в горизонтальном направлении.

Полученные в результате расчетов данные свидетельствуют, что в окрестности внутреннего скругления паза подовых блоков наблюдается концентрация напряжений. В малой зоне скругления сосредоточены локальные области наибольших и наименьших по абсолютной величине напряжений, и поэтому имеет место наибольший градиент напряжений в теле блока. Именно из этой зоны концентратора напряжений начинается процесс разрушения блоков путем их растрескивания.

В соответствии с [2] в качестве константы материала - предела прочности на сжатие катодных блоков - принималась величина, равная 25 МПа. Исследование зон возможного разрушения базировалось на использовании критерия наибольшей интенсивности напряжений, удовлетворительно зарекомендовавшего себя при анализе разрушения материалов, происходящего путем сдвига [3]. Согласно этому критерию, разрушение материала происходит, если интенсивность напряжений превосходит предельно допустимую величину.

Рис. 1. Зависимость относительного градиента интенсивности напряжений в окрестности скругления полки паза от геометрии блюмса для блоков с поперечным сечением 550x420 ммРис. 2. Зависимость относительного градиента интенсивности напряжений в окрестности скругления полки паза от геометрии блюмса для блоков с поперечным сечением 820x420 мм

Количественные характеристики, определяющие относительный уровень концентрации напряжений в катодных блоках с различной геометрией паза, представлены графически на рис. 1 и 2 для блоков типа А и Б, соответственно. На этих рисунках даны зависимости от параметра λ относительного градиента интенсивности напряжений t в окрестности скругления паза, определяемого как отношение градиента интенсивности напряжений для блока с рассматриваемым сечением блюмса к величине этого градиента для блока с квадратным блюмсом. Поскольку вероятность разрушения тем выше, чем выше градиент напряжений, то данные графики позволяют сделать суждение о возрастании вероятности разрушения блоков при варьировании поперечных размеров блюмсов.

Из приведенных результатов вытекает ряд важных выводов. Для подовых блоков типа А (550х420 мм) среди всех рассмотренных конфигураций наилучшей является конфигурация с квадратным сечением блюмса. Это утверждение основывается на том, что при λ = 1 градиент интенсивности напряжений в окрестности концентратора является наименьшим по сравнению со всеми другими ситуациями (рис.1). Кроме того, в этом случае нижняя граница зоны разрушения, выходящая из района скругления паза, почти горизонтальна, и, следовательно, существует большая вероятность выхода распространяющейся магистральной трещины на вертикальную сторону блока. Среди трещин, выходящих из "угла" паза, наибольшую опасность представляют трещины, распространяющиеся в направлении верхней горизонтальной границы блока, поскольку их появление вызывает благоприятные условия для протечки электролита к блюмсам. С этой точки зрения появление в теле блока трещин, выходящих на его вертикальную границу менее опасно, поскольку приток электролита через них к блюмсу оказывается более затрудненным.

При возрастании параметра λ, т.е. при увеличении высоты блюмса, градиент интенсивности напряжений в окрестности "опасной точки" несколько увеличивается и, соответственно, увеличивается вероятность разрушения. Более того, увеличивается и вероятность выхода образовавшейся трещины на верхнюю горизонтальную поверхность катодной секции, поскольку граница зоны разрушения переходит в "вертикальное" положение.

Таким образом, с уменьшением расстояния между полкой паза и горизонтальной поверхностью блока превалирующими становятся более опасные трещины, распространяющиеся в вертикальном направлении. Этот результат согласуется с выводом работы [I], полученным на основе упрощенных оценок.

При уменьшении параметра λ, т.е. при увеличении ширины блюмса, градиент интенсивности напряжений в окрестности концентратора резко возрастает, что приводит к более резкому, чем в предыдущем случае, увеличению вероятности разрушения (рис. 1). В то же время нижняя граница зоны разрушения даже для достаточно вытянутых в горизонтальном направлении блюмсов не выходит на верхнюю горизонтальную поверхность блока. Это говорит о том, что в случае широких блюмсов риск образования более опасных трещин, развивающихся в вертикальном направлении, ниже, чем в случае блюмсов с большой высотой. Для блоков с широкими блюмсами более характерным является образование наклонных трещин.

Для катодных секций с укрупненными подовыми блоками (820х420 мм) ситуация несколько иная. Даже в случае блюмсов с квадратным поперечным сечением (210х210 мм) возможная зона разрушения, исходящая из вершины паза, целиком располагается над полкой паза, а с увеличением высоты блюмса немного сжимается, концентрируясь у вертикальной оси симметрии блока. Более того, с увеличением соотношения между высотой и шириной блюмса возрастает и градиент интенсивности напряжений (рис. 2), что говорит о возрастании вероятности разрушения. Приведенные результаты указывают на то, что для блоков этого типа соотношение между высотой блока и блюмса оказывается достаточно большим и приводит к появлению более опасного вида трещин.

При увеличении ширины блюмса зона возможного разрушения постепенно увеличивается и при некоторой ширине блюмса, сливаясь с областью высоких напряжений, исходящей со стенки паза, выходит на вертикальную сторону блока. Данная эволюция области разрушения при увеличении ширины блюмса указывает на тенденцию образования менее опасных трещин, распространяющихся в направлении вертикальной стенки секции, хотя вероятность их появления не слишком велика. Кроме того, следует иметь в виду, что при этом значительно возрастает градиент напряжений в окрестности "угловой точки" паза и, следовательно, вероятность разрушения блока путем образования того или иного вида трещин.

Представляет интерес сравнение напряженного состояния подового блока модели 550х420 мм и блюмсами 150х150 мм с используемыми на большинстве российских алюминиевых заводов блюмсами сечением 230х115 мм. В блоке с квадратным в сечении блюмсом 150х150 мм разрушение более вероятно будет происходить в результате образования "горизонтально" распространяющихся из вершины паза трещин, а в блоке с широким блюмсом 230х115 мм преобладающими будут являться более опасные наклонные или вертикальные трещины. Кроме того, в случае широкого блюмса возрастает градиент интенсивности напряжений в области скругления паза по сравнению с квадратным блюмсом почти на 20% и, соответственно, возрастает риск разрушения катодной секции. Отсюда вытекает, что для блоков 550х420 мм с точки зрения их прочностных качеств более предпочтительным является применение квадратных в сечении блюмсов 150х150 мм по сравнению с широко используемыми прямоугольными блюмсами 230х115 мм.

Рис. 3. Зависимость относительного градиента интенсивности напряжений в окрестности скругления полки паза от ширины подового блока(блюмс 150x150 мм)

С целью подбора оптимальных геометрических параметров катодной секции рассмотрено напряженное состояние подовых блоков для нескольких вариантов их ширины (при фиксированном сечении блюмса 150х150 мм). Результаты расчетов показывают, что с увеличением ширины блока происходит значительный рост концентрации напряжений в окрестности скругления полки паза, что приводит к возрастанию риска разрушения подового блока (рис. 3).

Таким образом, исходя из анализа напряженного состояния подовых блоков, можно утверждать, что подовые блоки с сечением 550х420 мм и блюмсами с сечением 150х150 мм позволяют создать условия для увеличения срока службы катодных устройств алюминиевых электролизеров.





Список литературы:

 

1. ЛАРСЕН Б., СОРЛЬЕ М. Анализ напряжений в подовых катодных блоках. // Light Metals, 1989, с.641-647.

2. ГАЛЕВСКИЙ Г.В., ЖУРАКОВСКИЙ В.М., КУЛАГИН Н.М., МИНЦИС М.Я., СИРАЗУТДИНОВ Г.А. Технология производства электродных масс для алюминиевых электролизеров. // Новосибирск, Наука, 1999, 295с.

3. КАЧАНОВ Л.М. Основы механики разрушения. // М., Наука, 1974, 312с.




РЕФЕРАТ

Срок службы алюминиевых электролизеров и удельный расход электроэнергии при электролитическом получении алюминия во многом зависят от конструкции и технологических параметров катодных секций.

Для анализа напряженно-деформированного состояния катодных секций применялась двумерная механическая модель катодного подового блока, т. е. рассматривалась задача о плоской термоупругой деформации вертикального поперечного сечения блока, ортогонального блюмсу. Для проведения сопоставительного анализа напряженного состояния подовых блоков рассматривались катодные секции с различной конфигурацией блюмсов.

Исходя из анализа напряженного состояния подовых блоков, можно утверждать, что подовые блоки с сечением 550х420 мм и блюмсами с сечением 150х150 мм позволяют создать условия для увеличения срока службы катодных устройств алюминиевых электролизеров.




designed by

Sagitta


ALCORUS ENGINEERING Ltd,
Copyright ©  2004-2019