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


Прочностные характеристики катодных кожухов шпангоутного типа алюминиевых электролизеров на различную силу тока.

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

В алюминиевой промышленности используются катодные кожуха различного типа, предназначенные как для электролизеров с самообжигающимся анодом, так и обожженным. При этом электролизеры с самообжигающимся анодом имеют катодные кожуха с днищем и без него. В последние десятилетия большое распространение получили шпангоутные катодные кожуха. Отличительной особенностью шпангоутных катодных кожухов является наличие металлической обечайки, внутри которой находится угольная футеровка и кирпичная кладка, и шпангоутов, которые снаружи стягивают стальную обечайку и являются усиливающими элементами конструкции.

Шпангоутные кожуха по своей конструкции также бывают разных типов: цельносварные шпангоутные, рамно - шпангоутные, составные.

Нами исследовались прочностные характеристики цельносварных шпангоутных кожухов и составных шпангоутных кожухов.

Шпанготный кожух рис.1 (а) (б)

На рис. 1а изображен цельносварной шпангоутный кожух (Патент РФ № 2051204). Стальную металлическую обечайку (1) охватывают приваренные к ней шпангоуты (2). Стенки обечайки могут быть вертикальными или наклонными. Торцовая обвязка кожуха (3) состоит из металлических листов различной конфигурации и толщины. Торцовая обвязка выполняется или путем крепления торцовых листов непосредственно к продольным стенкам или заведением их на крайние шпангоуты.

Характерной чертой составного шпангоутного кожуха (рис. 1б) является наличие приваренных по периметру обечайки кожуха двух фланцевых листов, соединяющих с помощью болтов верхнюю и нижнюю части кожуха (Патент РФ № 2082831).

При одной и той же конфигурации кожуха, составляющие его элементы, могут иметь различные геометрические параметры. Варьированием этих параметров можно достичь в определенном смысле оптимальной конструкции кожуха: минимальной по весу конструкции при заданных ограничениях на параметры напряженно-деформированного состояния кожуха или, наоборот, конструкции с наименьшей вероятностью разрушения при условии, что ее вес не превосходит некоторую величину.

В данной работе рассматриваются прочностные характеристики катодных кожухов, рассчитанных на силу тока от 105 до 210 кА. Моделирование напряженно-деформированного состояния катодных кожухов различных моделей проводилось с помощью современных компьютерных технологий (СAD-CAM-CAE технологий), ядром которых является вычислительный CAE (Computer Added Engineering) пакет ABAQUS (версия 6.2), основанный на методе конечных элементов.

Краткое описание конфигурации и основные геометрические параметры рассматриваемых моделей кожухов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики конструкций шпангоутных катодных кожухов
(для просмотра данной таблицы нажмите на ссылку)


При прочностном анализе принималось, что катодный кожух представляет собой тонкостенную пространственную пластинчатую систему, для которой возможно использование теории тонких пластин и оболочек. Как показывает практический опыт эксплуатации катодных устройств, в кожухе возникают необратимые деформации и, следовательно, его материал (сталь) находится в упругопластическом состоянии. В первом приближении считалось, что упрочнения материала не происходит, т.е. для стали принималась модель идеальной пластичности. По истечении пускового периода наступает стационарный режим работы катода, что дает возможность проводить исследование его напряженно-деформированного состояния в квазистатическом приближении при установившихся значениях температурных и силовых воздействий. Температурные поля металлоконструкций моделировались на основе экспериментальных замеров температур на работающих электролизерах. В качестве силовых воздействий учитывались объемные силы тяжести, а также давления на стенки ванны со стороны футеровки, которые считались равномерно распределенными и составляли 4 кг/см2 на продольной стенке и 12 кг/см2 на торцовой стенке. Такая достаточно грубая схема нагружения боковым давлением стенок кожуха используется в мировой практике [1,2]. В сочетании с методом "ретроспективного" проектирования, т.е. на основе сравнительного анализа с результатами, полученными для ранее исследованных кожухов, расчет конструкции по этой методике дает возможность оперативно провести экспертизу новой модели конструкции, выявить ее недостатки и указать пути ее совершенствования.

Оценка прочностных свойств катодных кожухов производилась по разработанной нами методике, приведенной в работе [3]. Результирующими расчетными параметрами являются: перемещение контрольных точек кожуха Uk (k = 1, 2, 3); мера пластичности µσ; интенсивность пластической деформации εi; мера разрушения конструкции µε.

Значения перемещений контрольных точек расматриваемых кожухов представлены в таблице 2. Сравнивая значения максимального прогиба торцовых стенок U1 и продольных стенок U2 можно отметить характерное явление - наличие "бочкообразности" кожухов в деформированном состоянии. Сопоставление величин перемещений контрольных точек кожуха позволяют сделать сравнение конструктивной "жесткости" проектируемых кожухов. Например, в конструкции кожуха А-3715 предусматривалось снижение веса металлоконструкции торцовой обвязки. Это привело к увеличению расчетного значения максимального прогиба торцовой стенки до 48,4 мм.

Таблица 2. Максимальные перемещения контрольных точек металлоконструкций шпангоутных катодных кожухов.

Максимальное перемещение, мм

Конструкция шпангоутного кожуха

А-2871

А-4401

А-2150

А-3715

А-3901

А-4158

А-4304

U1 (мм)

14.9

14.4

16.8

48.4

20.7

15.2

12.6

U2 (мм)

17.9

17.1

16.8

15.6

16.5

18.8

16.2

U3 (мм)

16.0

14.0

13.4

17.9

13.5

8.73

5.10

Параметры меры пластичности, характеризующие удельный вес областей пластичности в металлоконструкции и, следовательно, долю областей, имеющих остаточные деформации после снятия нагрузок (т.е. перед началом последующей кампании), вычислялись для всех элементов исследуемых кожухов. Некоторые результаты вычислений приведены в таблице 3. Как видно из таблицы, в зависимости от конструктивных особенностей ванн величины параметра пластичности для отдельных элементов могут значительно различаться. Например, для обечаек кожухов А-2871 и А-3901 это различие превышает 500%. В то же время, за исключением кожухов А-2871 и А-3715, значения меры пластичности для конструкций в целом отличаются не столь сильно.

Величины максимальных интенсивностей пластических деформаций в элементах рассматриваемой серии кожухов даются в таблице 4. Относительно малые значения этого параметра для торцовых поясов коробчатых балок металлоконструкций указывают на возможность некоторого уменьшения жесткости этих элементов путем изменения их габаритов и за счет этого снижения веса металлоконструкций. Кроме того, данные таблицы 4 показывают, что величина максимальной интенсивности пластических деформаций для конструкции в целом определяется ее значением на ребрах опор. Однако, поскольку в опорных стойках имеют место зоны сжатия, то угрозы их разрушения путем растрескивания не возникает. Наибольшее значение интенсивности пластических деформаций наблюдается на стенках ванны А-2871 и, следовательно, эта ванна имеет наибольшую вероятность разрушения.

Таблица 3. Мера пластичности конструкций шпангоутных катодных кожухов.

Элементы
конструкции

Мера пластичности, µσ (%)

А 2871

А 4401

А 2150

А 3715

А 3901

А 4158

А 4304

Обечайка

18.9

6.11

5.04

14.8

3.30

4.12

6.79

Торцовый пояс

3.45

4.11

1.50

42.2

12.0

9.90

0.985

Полки пояса

8.19

4.64

4.64

50.1

0.79

3.62

0.392

Ребро опоры

19.1

20.9

18.6

56.5

16.3

16.3

25.2

Кожух

8.88

3.41

3.54

13.5

2.75

3.39

3.81



Таблица 4. Максимальная интенсивность пластических деформаций конструкций шпангоутных катодных кожухов.

Элементы
конструкции

Максимальная интенсивность пластических деформаций, ε(%)

А-2871

А-4401

А-2150

А-3715

А-3901

А-4158

А-4304

Обечайка

1.02

0.094

0.222

0.762

0.068

0.044

0.138

Торцовый пояс

0.084

0.026

0.0053

0.914

0.0685

0.0448

0.026

Полки пояса

0.133

0.047

0.130

0.706

0.013

0.042

0.0

Ребро опоры

0.150

0.340

0.582

1.35

1.10

0.493

0.484

Кожух

1.02

0.340

0.582

1.35

1.10

0.493

0.484



Величины опасных зон пластичности, где интенсивность деформаций превышает 0.1% , в процентном отношении ко всей площади пластических областей представлены в таблице 5. Из таблицы видно, что в ряде случаев, хотя материал кожуха и переходит в пластическое состояние, но критическая деформация ε*= 0.1% не достигается, и параметр меры разрушения обращается в нуль. Наибольшие величины рассматриваемого параметра наблюдаются в кожухе А-3715 и, следовательно, данный кожух имеет наибольшую склонность к разрушению.

Таблица 5. Мера разрушения металлоконструкций шпангоутных катодных кожухов.

Элементы конструкции

Мера разрушения, µε(%)

А-2871

А-4401

А-2150

А-3715

А-3901

А-4158

А-4304

Обечайка

5.31

1.40

0.753

6.78

0.0

0.125

0.116

Торцовый пояс

0.323

0.0

0.0

20.1

0.0

0.0

0.0

Полки пояса

1.87

0.0

0.420

27.3

0.0

0.0

0.0

Ребро опоры

2.90

8.13

14.3

41.7

5.29

10.9

9.92

Кожух

2.26

0.65

0.89

6.67

0.493

0.378

0.242



Приведенный прочностной анализ серии катодных кожухов показывает эффективность предложенной системы параметров для количественной оценки их напряженно-деформированного состояния. На основе подобного анализа появляется возможность выбора наилучшей по прочностным качествам модели катодного кожуха.

Библиографический список

 

1. Wu Yonwei, Yao Shihuan. Optimum investigation on structure of aluminun reduction cell potshell.// Light Metals,1991, p. 431-434.

2. Hesham S. Sayed, Mohammad M. Megahed, Hamad H. Omar, Ismael M. Ismael. Assessment of cathode swelling pressure using nonlinear finite element technique.//Light Metals, 1996, p. 381-388.

3. Тихомиров В.В., Ахмедов С.Н., Громов Б.С. и др. // Цветные металлы. 20…. №….С…


РЕФЕРАТ

На основе конечно-элементной методики рассматривается напряженно-деформированное состояние серии катодных кожухов шпангоутного типа (цельносварных и составных) алюминиевых электролизеров, рассчитанных на силу тока от 105 до 210 кА. Предложена система параметров, отражающих прочностные свойства кожухов и позволяющая проводить сравнительный анализ, как базовых моделей металлоконструкций, так и их модификаций. Приведенные в работе количественные данные свидетельствуют об эффективности предложенной методики.




designed by

Sagitta


ALCORUS ENGINEERING Ltd,
Copyright ©  2004-2019