Влияние конструктивных и технологических параметров на целостность подины алюминиевых электролизеров при обжиге тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Архипов, Александр Геннадьевич

• Архипов, Александр Геннадьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Архипов, Александр Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

Цель работы и задачи исследования:

Методы анализа:

Научная новизна работы:

Практическая значимость и реализация работы:

На защиту выносятся:

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Принцип действия алюминиевого электролизера

1.2. Задачи обжига

1.3. Основные способы обжига и пуска

1.3.1 Обжиг с формовкой анода

1.3.2 Обжиг на жидком металле

1.3.3 Обжиг на двухслойном расплаве

1.3.4 Обжиг на жидком электролите

1.3.5 Обжиг на коксовой крупке

1.3.6 Обжиг электрическими панелями

1.3.7 Пламенный обжиг

1.4. Причины нарушения целостности подины при обжиге и пуске, послепусковом периоде

1.5. Экспериментальные методы анализа условий обжига, пуска,

послепускового периода

1.6. Математические модели обжига и пуска, послепускового периода

1.7. Критерии оптимального обжига электролизера для сохранения целостности подины

1.8. Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ

2.1. Уравнения, используемые при расчетах обжига электролизеров 54 Граничные условия

2.2. Методика расчета термоэлектрических полей при обжиге на коксе

2.2.1 Создание конечно-элементной модели

2.2.2 Свойства материалов футеровки и кожуха

2.2.3 Задание начальных и граничных условий

2.2.4 Адаптация термоэлектрической модели обжига на коксе

2.3. Методика расчета тепловых полей при пламенном обжиге с использованием эффективных коэффициентов теплопроводности газовоздушной среды

2.3.1 Создание конечно-элементной модели

2.3.2 Физико-механические свойства материалов

2.3.3 Задание начальных и граничных условий

2.3.4 Адаптация тепловой модели пламенного обжига

2.4. Методика расчета тепловых полей при пламенном обжиге с учетом тепломассопереноса и горения топлива

2.4.1 Создание конечно-элементной модели

2.4.2 Физико-механические свойства материалов

2.4.3 Задание начальных и граничных условий

2.4.4 Адаптация тепловой модели пламенного обжига

2.5. Методика расчета напряженно-деформированного состояния и оценки целостности катодного устройства

2.6. Выводы

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДОВОЙ МАССЫ И КОКСОВОГО ПОРОШКА

3.1. Оборудование и методики измерения свойств подовой массы

3.2. Прочность и модуль упругости при сжатии подовой массы

3.3. Теплопроводность подовой массы

3.4. Термическое расширение и усадка подовой массы

3.5. Удельное электрическое сопротивление подовой массы

3.6. Теплопроводность коксовой крупки

3.7. Удельное электрическое сопротивление коксового порошка

3.8. Определение контактного сопротивления «коксовая крупка -подовый блок»

3.9. Выводы

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ ПРИ ОБЖИГЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ НА КОКСЕ

4.1. Влияние конструктивных и технологических факторов на температурное поле подины при обжиге

4.2. Влияние конструктивных и технологических факторов на НДС катодного устройства при обжиге

4.3. Выводы

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ ПОДИНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПРИ ПЛАМЕННОМ ОБЖИГЕ

5.1. Результаты расчета тепловых полей электролизера С-8Б

5.2. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния ванны С8Б

5.3. Влияние технологических параметров пламенного обжига и конструкции на температурное поле подины электролизеров

5.4. Влияние конструктивных и технологических факторов на НДС катодного устройства при пламенном обжиге

5.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние конструктивных и технологических параметров на целостность подины алюминиевых электролизеров при обжиге»

Введение

Актуальность работы:

Главной причиной преждевременного выхода из строя алюминиевого электролизера является нарушение целостности подины, и, как следствие, протек расплава к блюмсам и в цоколь ванны. Одним из главных факторов, влияющих на целостность подины, является технология обжига и пуска электролизера. Поэтому проблема выбора оптимального метода обжига и пуска электролизера является актуальной задачей для алюминиевой промышленности.

При создании технологии обжига необходимо с высокой точностью спрогнозировать, к чему приведут те или иные действия и технические решения. Большая стоимость электролизеров и длительный срок проверок правильности принятых технических решений исключают возможность выбора оптимальной технологии обжига новой конструкции или существующих электролизеров методом проб и ошибок, поэтому возникает необходимость компьютерного моделирования физических полей.

Применение компьютерного моделирования позволяет провести глубокий анализ влияния конструкции электролизера и технологии обжига на его физические поля и целостность подины при обжиге. Вышеперечисленные причины определили необходимость создания компьютерных моделей и методик расчета физических полей в электролизере при двух наиболее распространенных в алюминиевой промышленности России способах обжига.

В настоящее время существует ряд пакетов программ, таких как ANSYS, Star-CD и других, предназначенных для математического моделирования физических явлений. В связи с этим, становится актуальным применение этих пакетов для моделирования обжига алюминиевого электролизера. Создание объемных компьютерных моделей электролизеров

при обжиге, разработка методик расчета температурного, электрического, газодинамического полей и напряженно-деформированного состояния (НДС) позволит провести детальный анализ технологии обжига электролизера, влияния тех или иных изменений в конструкции электролизера, в графике обжига, применение тех или иных технических решений на его температурное поле и целостность подины при обжиге.

Для проведения математического моделирования необходимо знать физико-механические свойства материалов. Особо стоит отметить влияние свойств подовой массы на целостность подины при обжиге, поэтому становиться актуальным измерение свойств подовой массы, а также изучение влияния скорости обжига на физико-механические свойства подовой массы.

Другой актуальной задачей является измерение свойств коксовой крупки, которая используется для электрического обжига электролизеров, т.к. в литературе данные о свойствах не встречаются, а для математического моделирования их знать необходимо.

Учитывая выше сказанное проблема выбора оптимального метода обжига и пуска электролизера является актуальной задачей для алюминиевой промышленности.

Цель работы и задачи исследования:

Целью работы является:

повышение срока службы электролизеров за счет выбора оптимальных с точки зрения целостности подины технологии обжига на коксе и пламенного обжига электролизеров с помощью математического моделирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать компьютерные трехмерные модели электролизеров при обжиге, с высокой точностью повторяющие геометрию действующих электролизеров;

2. На основе компьютерных моделей электролизеров разработать:

2.1. Методику расчета температурного и электрического полей в электролизере при обжиге на коксе;

2.2. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды путем использования эффективных коэффициентов теплопроводности;

2.3. Методику расчета температурного поля электролизера при пламенном обжиге с учетом движения газовоздушной среды и горения топлива путем решения задачи трехмерной газодинамики и сопряженного теплообмена;

3. Разработать методику определения контактного сопротивления «коксовая крупка - подовый блок»;

4. Провести экспериментальные исследования физико-механических свойств подовой массы и коксовой крупки, исследования влияния изменения режимов обжига на физико-механические характеристики подовой массы и исследования по определению удельного электрического сопротивления контакта «коксовая крупка - подовый блок»;

5. Провести расчеты температурных, электрических полей электролизера и напряженно-деформированного состояния катодного устройства с различной конструкцией и разным регламентом обжига на коксе и пламенного обжига. Определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе.

6. Провести анализ выполненных расчетов. По результатам расчетов определить оптимальную с точки зрения целостности подины технологию обжига на коксе и пламенного обжига.

Методы анализа:

В процессе выполнения работы при помощи прикладных пакетов программ ANSYS и Star-CD, основанных на методе конечных элементов и методе контрольного объема соответственно, созданы компьютерные трехмерные модели действующих электролизеров. При помощи пакета ANSYS проведены расчеты температурного, электрического полей и напряженно-деформированного состояния электролизеров. При помощи пакета Star-CD проведены расчеты температурного поля электролизера, газодинамики и горения топлива в газовоздушной среде при пламенном обжиге. Проведено сравнение расчетных данных с практическими замерами температур и деформаций действующих электролизеров при обжиге. Проведена оценка температурных полей и целостности катодного устройства при обжиге рассмотренных электролизеров. При выполнении работ в рамках диссертации использованы положения теории теплопроводности, электропроводности, аэродинамики, термоупругости, металлургии алюминия, данные лабораторных испытаний, результаты практических замеров и справочные данные.

Исследования физико-механических свойств материалов проводились на лабораторных установках для исследования свойств материалов по аттестованным методикам.

Научная новизна работы:

1. Создана методика расчета трехмерных температурных, электрических полей электролизера и НДС катодного устройства при обжиге на коксе, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.

2. Создана методика расчета трехмерных температурных, газодинамических полей электролизера и НДС катодного устройства при

пламенном обжиге, позволяющая оценить влияние технологии обжига и конструкции электролизера на температурное поле и целостность подины.

3. Выявлены закономерности зависимости температурного поля, целостности и обжатия подины электролизера при обжиге от таких параметров, как: конструкция и материалы катодного устройства, степень графитизации подового блока, время обжига, степень укрытия периферийных швов, диаметр анодных ниппелей и различных технических решений для улучшения качества обжига.

4. При помощи компьютерного моделирования впервые выявлено, что причинами, вызывающими разрушения крайних подовых блоков при обжиге являются совокупность высокого температурного градиента и низкой жесткости торцевого периферийного шва и бровки.

5. Установлено, что изменение скорости обжига подовой массы с 50 до 100 °С/ч в интервале температур 0-250°С не влияет на физико-механические свойства подовой массы, за исключением теплопроводности, которая уменьшилась в 1,2 раза при увеличении скорости обжига в интервале температур 0-250°С.

6. Получены новые данные по физическим свойствам коксовой крупки и определено контактное сопротивление «коксовая крупка — подовый блок».

Практическая значимость и реализация работы:

Разработанные методики и полученные результаты активно используются в Инженерно-технологическом центре компании РУСАЛ для разработки и отработки технологии обжига для разных типов электролизеров. На данный момент по результатам данной работы выполнено следующее:

1. Разработаны и запатентованы технические решения для устранения разрушения крайних подовых блоков электролизеров при обжиге на коксе, которые использованы на опытных электролизерах РА-300.

2. По результатам расчета изменен график подъема температуры подины во время обжига на коксе электролизеров С-190, С-255 Зй и 4й серии ОАО "РУСАЛ Саяногорск" для снижения вероятности протеков расплава в цоколь электролизера после пуска. Внедрение изменений показало снижение количества протеков.

3. По результатам представленных в работе расчетов и рекомендаций изменена технология пламенного обжига электролизеров на ОАО "РУСАЛ Братск", что привело к снижению количества протеков расплава в цоколь в послепусковой период работы.

4. Представленные методики расчета использовались для разработки регламента пламенного обжига новых мощных электролизеров РА-300 и РА-400.

5. Результаты измерения физико-механических свойств подовой массы и коксовой крупки используются в компьютерных моделях при проведении расчетов.

6. Проведены расчеты для выбора регламента подъема силы тока при сухом пуске электролизеров для алюминиевых заводов в Богучанах, Тайшете и АЗ АЬ8СОК

На защиту выносятся:

• Эффективность и адекватность представленных методик расчета температурных, электрических полей, поля скоростей движения газовоздушной среды, прочностных расчетов, определения целостности подины и возможности нарушения целостности катодного устройства при обжиге электролизеров;

• Выявленные закономерности по влиянию конструкции электролизера и технологии обжига на температурное поле и целостность катодного устройства при обжиге;

• Причины и механизмы разрушения крайних подовых блоков и предложенные технические решения по устранению этих разрушений;

• Полученные результаты по физико-механическим свойствам подовой массы и коксовой крупки.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на X Международной конференции «Алюминий Сибири - 2004», г. Красноярск, 710 сентября 2004г. На XI Международной конференции «Алюминий Сибири - 2005», г. Красноярск, 13-15 сентября 2005 г. На XIV Международной конференции «Алюминий Сибири - 2008», г. Красноярск, 10-12 сентября 2008 г. На 3 Международной конференции пользователей программного обеспечения САББЕМ, г. Москва, 22-23 апреля 2004 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 патента на изобретение.

Структура работы. Материал диссертации изложен на 214 страницах, включая 74 рисунка и 16 таблиц. Работа состоит из литературного обзора, включающего 1 главу, методики расчетов, включающей 1 главу, экспериментальной части, включающей 1 главу, расчетно-аналитической части, включающей 2 главы, выводов, списка используемых источников (87 наименований).

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Принцип действия алюминиевого электролизера

Алюминий получают путем электролиза криолит-глиноземного расплава. Процесс ведется в алюминиевом электролизере. Используются различные типы электролизеров, которые можно разделить на 2 главные технологии: с обожженными анодами (ОА) и самообжигающимся анодом (СА) [1], но независимо от типа анода и катодного кожуха назначение и конструкция элементов электролизера принципиально одинаковы для всех типов. Отличие заключается в используемых материалах и габаритных размерах футеровки. В общем, устройство алюминиевого электролизера можно представить следующим образом (рисунок 1):

1. Ошиновка представляет собой катодные и анодные алюминиевые токоподводы, предназначенные для подведения электрического тока в электролизер от предыдущего электролизера в цепи, электролизеры могут быть соединены последовательно в серию, состоящую нескольких сотен электролизеров. Конструкция ошиновки в значительной степени влияет на работу электролизера, так как от ее конструкция является определяющим фактором, влияющим на электромагнитное поле электролизера. При неправильно спроектированной ошиновке может наблюдаться МГД нестабильность, что приведет к плохим показателям работы электролизера или к полной неспособности управлять электролизером.

2. Анодные штыри. В электролизерах с СА - это стальные стержни, установленные в тело анода и соединенные с анодной ошиновкой. Они предназначены для передачи электрического тока от анодной ошиновки в обожженную часть анода, а также удерживают анод на анодной раме. В электролизерах с ОА эту роль выполняют алюминиевые анодные штанги и стальные анододержатели, ниппели которых вставляются в специальные гнезда в теле анода и заливаются чугуном.

3. Анодный кожух в электролизерах с СА необходим для удержания анодной массы и формирования твердого анодного тела, а также его конструкция влияет на формирование теплового поля в теле анода. Кроме того, анодный кожух является платформой для крепления различных агрегатов, предназначенных для обслуживания электролизеров. В электролизерах с ОА анодный кожух отсутствует.

4. Анодная масса в электролизерах с С А является одним из основных реагентов в процессе электролиза. Она представляет собой смесь из двух компонентов, прокаленного кокса - «наполнитель» и пека, используемого как связующее. Процентное содержание этих компонентов: меняется в зависимости от типа анода (жирный, полусухой и сухой). При нагревании массы происходит коксование связующего, а при температуре выше 700°С получается монолитный, прочный и относительно высоко электропроводный материал.

В электролизерах с ОА аноды предварительно формируются и обжигаются в специальных печах обжига на заводах по производству ОА.

5. В электролизерах с О А анодный массив закрыт специальными укрытиями, и все газы поступают в балку-коллектор, которая также является и силовым элементом, на котором крепятся анодная ошиновка и аноды. Из балки-коллектора газы по специальным трубопроводам поступают в газоочистку.

В электролизерах с СА для сбора и отвода газов выделяющихся в процессе электролиза предназначен газосборный колокол.

6. Глиноземная или смешанная с дробленым электролитом засыпка в пространстве борт - анод и на обожженных анодах предназначена для уменьшения утечки газов и утепления электролизера.

7. Корка - сплав застывшего электролита с глиноземом. Корка образуется в процессе электролиза и выполняет функцию герметизации и утепления электролизера.

8. Электролит. Криолитоглиноземный расплав назначение, которого растворять глинозем и переносить электрический ток. В электролите протекает электролитический процесс с выделением алюминия на катоде. Криолитовое отношением расплава 2,2 - 2,7, глинозема 2-8% масс., кроме того, в электролит обычно добавляют различные добавки, такие как MgF2, CaF2, LiF и т.д. При прохождении электрического тока через слой электролита происходит выделение Джоулева тепла, которое является основным источника тепла в электролизере. Толщина слоя электролита между подошвой анода и границей раздела металл-электролит называется межполюсным расстоянием, которое обычно составляет 30-65 мм, а общий уровень электролита 150 - 220 мм;

9. Алюминий - расплавленный металл, для получения которого собственно и ведется электролиз. В электролизере поверхность расплавленного алюминия является непосредственно катодом. Уровень метала, обычно, составляет 20 - 50 см. Однако в современные конструкции работают с уровнем металла от 12 см.

10. Катодный кожух - металлический каркас, необходимый для установки футеровочных материалов. Основное требование к кожуху - это жесткость, необходимая для достаточного обжатия подины при сравнительно небольшом весе. Катодный кожух может быть нескольких типов, в настоящее время наиболее распространены кожуха двух основных типов: контрфорсный и шпангоутный.

11. Гарнисаж - замерзший электролит, являющийся главным огнеупорным слоем, защищающим стенки кожуха, он (и настыль) являются необходимыми элементами электролизера. Главная функция гарнисажа является предотвращение прямого контакта бортовых блоков с жидким электролитом, т.к. ни один промышленный материал не может долговременно противостоять расплавленному электролиту. Другой важной

функцией гарнисажа является регулирование тепловых потерь электролизера через боковые и торцевые стенки за счет изменения своей толщины.

12. Бортовой блок изготавливается из жаростойкого и стойкого (на протяжении относительно долгого промежутка времени) к расплаву материала (углерод, 81С). Главной целью бортовых блоков являются: предотвращение проникновения расплавленного алюминия и электролита к катодному кожуху во время пуска и послепускового периода; теплоизоляция бортов катодного устройства; создание огнеупорной поверхности внутри ванны для образования гарнисажа.

Рисунок 1. Схема устройства алюминиевого электролизера: а) электролизер с СА; б)

электролизер с ОА.

б)

Рисунок 1 (продолжение). Схема устройства алюминиевого электролизера: а) электролизер с СА; б) электролизер с ОА.

13. Подина - самая важная часть катодного устройства. Подина представляет собой наборную конструкцию, состоящую из угольных подовых блоков, разделенные между собой швами толщиной 30-50 мм или приклеенные друг к другу. Подовый блок - это блок из углеродного материала, обладающего относительно высокой электропроводностью и огнеупорностью, внутри которого помещен металлический стержень (блюмс). Межблочный шов набивается из подовой массы. Межблочные швы необходимы для создания монолитной и герметичной подины в процессе обжига и пуска электролизера.

14. Блюмсы - стальные стержни, заделанные в пазы подовых блоков чугуном или специальной набивной, углеродной массой и отводящие электрический ток из блоков к катодной ошиновке.

Обожженный анод

Штанга

Кронштейн

15. Периферийный шов находится между подовыми блоками и бортовой футеровкой катодного устройства и представляет собой утрамбованную подовую массу. Как и межблочный шов, набивается из подовой массы и предназначен для создания герметичной монолитной подины и компенсации температурного расширения подовых блоков.

Насыпная подушка (или барьер) располагается между подовыми блоками и огнеупорными кирпичами цоколя и выполняет функцию выравнивающего слоя и барьера для уменьшения или предотвращения проникновения компонентов расплава в цоколь. Барьерный материал при взаимодействии с диффундирующими через подину компонентами расплава создает твердую, не проницаемую или плохо проницаемую для электролита прослойку.

16. Огнеупорные кирпичи находятся под подушкой над теплоизоляционными материалами и в боковой футеровке катодного устройства. Огнеупорные кирпичи укладываются в два-три слоя, обычно это шамотный кирпич, обладающий относительно низкой теплопроводностью и высокими огнеупорными свойствами. Этот материал необходим для защиты теплоизоляционного материала от воздействия высоких температур и проникающего через подовые блоки расплава.

17. Слой теплоизоляции служит для снижения теплопотерь днищем кожуха и нижней частью боковых стенок. В качестве теплоизоляции обычно используется силикат кальция, вермикулит, пенодиатомит. Теплоизоляционные материалы обладают плохой стойкостью к компонентам расплава, поэтому теплоизоляционный материал укладывается под огнеупорный материал в два или три слоя кирпича. Также теплоизоляционные кирпичи часто используются для компенсации расширения подины и огнеупорных слоев.

18. Выравнивающий слой на днище предназначен для создания ровной поверхности, которая необходима при укладке теплоизоляционных

кирпичей или плит. Обычно используется шамотная крупка или глинозем, засыпается на днище катодного кожуха слоем, толщиной 10-30 мм.

19. Бортовая футеровка (бровка) это часть огнеупоров и теплоизоляции под бортовыми блоками. На бровку устанавливаются бортовые блоки, также бровка служит для теплоизоляции бортов.

20. Потай заполняет пространство между блюмсами в подовой секции и служит для компенсации расширения блюмсов. Выполняется из бетона, подовой массы или массы для заделки паза блюмс-блок.

Рабочей зоной электролизера является криолитоглиноземный расплав, находящийся между катодом и анодом. Электролиз ведется при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 2 до 5% массы.

В процессе электролиза электрический ток по ошиновке поступает на токоподводящие штанги или штыри анодного устройства и выходит с блюмсов катодного устройства. На границах электрод - электролит происходит разложение растворенного в расплаве глинозема. В результате этого на жидком катоде происходит выделение А1, а на аноде - окисление углерода выделяющимся кислородом.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением [1]:

0,5А1203 + (0,75/л) С = А1 + 0,75(2-1/г|) СО 2+ 0,75(1/^-1) СО (1)

При прохождении электрического тока через электролит за счет выделения Джоулева тепла происходит разогрев электролизера (в межполюсном зазоре до 970-980 °С).

1.2. Задачи обжига

Если рассматривать электролизер как живой организм, то стадия обжига является стадией "беременности", т.е. электролизер является

зародышем, а пуск является рождением электролизера. Во время обжига формируется "здоровье" электролизера в будущей рабочей жизни.

Т.к. рабочая температура электролиза 950-970°С, то при вводе в эксплуатацию нового электролизера его надо подготовить для работы при такой высокой температуре и агрессивной среде, которой является криолит. Для подготовки электролизера к работе служит обжиг. Обжиг — это предварительный нагрев электролизера перед заливкой в него электролита (пуск) и метала. Цели обжига:

• создать монолитную подину;

• уменьшить натриевое расширение при пуске;

• уменьшить термический удар при заливке электролита.

Вследствие неправильного или некачественного обжига может произойти нарушение целостности подины уже при обжиге или пуске.

1.3. Основные способы обжига и пуска

Существует несколько способов обжига электролизеров, которые можно разбить на две группы - обжиг внутренними и внешними источниками тепла [2,3]:

1. Обжиг внутренними источниками тепла:

а) на жидком металле;

б) с формированием нового самообжигающегося анода;

в) на коксовой крупке (на алюминиевой стружке);

г) на жидком электролите (холодный пуск);

д) на двухслойном расплаве (метал + электролит).

2. Обжиг внешними источниками тепла

а) пламенный (на жидком или газообразном топливе);

б) электрическими панелями

Могут применяться также комбинированные способы обжига. До некоторой температуры электролизер нагревают внешними источниками, затем заливают метал и проводят дообжиг (джоулевой теплотой) [3].

Один и тот же способ обжига может значительно отличатся на разных заводах в зависимости от типа и размера ванн, а также из-за сложившихся традиций.

Наибольшую популярность в алюминиевой промышленности, как в России, так и зарубежом получили два способа обжига: обжиг на коксе и пламенный обжиг электролизеров. Кратко охарактеризуем способы обжига и более подробно остановимся на самых популярных.

1.3.1 Обжиг с формовкой анода

В настоящее время этот вид обжига не представляет интереса, т.к. он применим для электролизеров Содерберга. При нормальной работе анод очень редко выходит из строя. Строительство новых заводов и пуск новых серий электролизеров с самообжигающимся анодом также практически не имеет места.

Способ формовки анода основан на нагреве с помощью электрических сопротивлений без заливки жидкого металла с применением шунтов-реостатов [3].

1.3.2 Обжиг на жидком металле

Обжиг на жидком металле с точки зрения выделения вредностей и трудозатрат очень удобный метод [2]. Процедура является легкой и достаточно несложной. Метод широко использовался для пуска ванн с обожженными и самообжигающимся анодами в прошлом, но постепенно стал терять популярность из-за ряда недостатков.

Аноды приближают к поверхности катода и в ванну заливают несколько тонн металла, обеспечивающего хороший контакт с анодом и

покрытие периферийных швов. Затем, в пространство борт-анод загружается пусковое сырье до краев шахты с целью прогрева пусковой шихты и максимального утепления шахты.

Возможность регулирования скорости нагрева также описывается в работе [2]. После заливки металла и подключения ванны в серию, аноды поднимают в положение, где контактное сопротивление между поверхностью анода и металлом становится достаточно большим (« 10"5 Ом), чтобы увеличивать температуру ванны. Путем изменения этого сопротивления, можно регулировать скорость нагрева.

После достижения необходимой температуры поверхности подины в ванну заливается электролит и начинается электролиз.

К недостаткам этого обжига можно отнести неоднородное распределение тока в подине, за счет малого количества контактных точек между анодом и металлом. Это приводит к большим градиентам температуры в подине и создает возможность её разрушения. [2-5]. Большим недостатком также является прямой контакт подины с алюминием, который имеет малую вязкость и температуру плавления. Алюминий может проникать глубоко внутрь подины по микро- и макротрещинам перед затвердеванием и, реагируя с изоляцией, разрушать её или создавать тепловой шунт [2]. Еще одним недостатком является заливка горячего алюминия на холодную подину, что может привести к нарушению целостности швов и блоков за счет термоудара [3].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Архипов, Александр Геннадьевич, 2013 год

Список использованных источников

1. Борисоглебский Ю.В. Металлургия алюминия// Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Сразутдинов Г.А. - Новосибирск: Наука -2-е изд., 2000.-438 с.

2. Мартен Сорлье. Харальд А. Ойя. Катоды в алюминиевом электролизере // Пер. с английского П.В. Полякова; Красноярск: КГУ, 1997, 460 с.

3. Громов Б.С. Обжиг и пуск алюминиевых электролизеров// Громов Б.С., Панов Е.Н., Васильченко Г.Н., Боженко М.Ф., Карвадский А.Я., Шилович И.Л.. - М: Издательский дом «Руда и металлы», 2001. - 336с.

4. Бегунов А.И., Матвеев И.С., Чалых В.И. Некоторые результаты обжига и пуска первой очереди электролизного цеха Иркутского алюминиевого завода // Цветная металлургия. Бюл. ЦНИИЭИЦМ. 1963. №9. с. 38-40.

5. Козьмин Г.Д., Гильдебрант Э.М., Поляков П.В. Межблочный шов при работе алюминиевого электролизера// Цветная металлургия. Бюл. ЦНИИЭИЦМ. 1981. № 7. с.22-23

6. Данн М., Галадари К.М.И. Анализ технологии электрического обжига на основе данных пуска электролизеров СД 200 в алюминиевой компании в Дубай // Light Metals. 1997. С. 239-251.

7. Zhao Qun. Coke powder bake preheat start-up of 280kA alumina electrolysis cells in China// Zhao Qun, Xie Yanli, Qiu Zhuxian, Zhao Wuwei. Light Metals. 2002. P. 355-361

8. C.H. Clelland, J.T. Keniry and B.J. Welch // Light Metals. 1982. C. 299.

9. Richards W.B. Thermal Bake-Out of reduction cell cathodes - Advantages and Problem Areas // W.B. Richards, P.A. Young, J.T. Keniry and P. Shaw. Light Metals, 1983. P. 857-866.

10. Потылицин Г.А., Куликов Ю.В., Евменов B.A. Энергетический режим обжига алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом // Цветные металлы. 1981. №10. с. 62-63.

11. Заливной В.И. Обжиг и пуск электролизеров // II высшие российские алюминиевые курсы: Сб. лекций. - Красноярск: КГАЦМиЗ, 1999. - 15 с.

12. Kvande Н. Preheat and Start-Up of Cells // The 17-th Int. Course on Process Metallurgy of Aluminium. Trondheih, Norway, 1998. P. 101-137.

13. Zangiacomi C. Preheating study of smelting cells // C. Zangiacomi, V. Pandolfelli, L. Paulino, S. Lindsay, H. Kvande. Light Metals. 2005. P. 333.

14. Славин B.B., Блюмштейн M.JI., Цыплаков A.M. Пути увеличения сроков службы мощных алюминиевых электролизеров // Цветные Металлы. 1977. № 1.С. 31-33.

15. Славин. В.В. Рациональный способ обжига и пуска электролизеров после капитального ремонта // Цветные Металлы. 1980. №3. С 42-45.

16. Славин В.В., Блюмштейн M.JI. Оценка влияния условий обжига и пуска электролизеров на их срок службы // Известия высших уч. заведений. Цветная металлургия. 1981. № I.e. 47-50.

17. Харченко В.Г., Дмитриев С.А., Дынкин М.Е. Пути повышения стойкости подины алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1985. № 12. с. 33-38.

18. Злобин В. С. Моделирование обжига подины алюминиевых электролизеров// Злобин В. С., Крюковский В. А., Потылицын Г. А., Добранец Б. С., Багаев Б. М. Цветные металлы. 1990, №11, с. 60-63.

19. Потылицин Г.А., Злобин B.C., Истягин В.В. Причины образования трещин при обжиге алюминиевого электролизера // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1983. № I.e. 93-96.

20. Потылицин Г.А., Геращенко Н.П., Злобин B.C. Механизм разрушения подины при обжиге электролизеров // Цветные металлы. 1983. № 5. с. 4244.

21. Якунин Н.П., Ярошенко В.И. Цыплаков A.M. и др. Об огневом нагреве катода перед пуском алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1980. № I.e. 61-66.

22. Белицкус Д. JI. Влияние состава и интенсивности обжига на материал шва в алюминиевых электролизерах // Цветные металлы. 1995. № 7. с. 40-44.

23. Никитин В.Я., Венков Г.А., Геращенко Н.П. Влияние качества футеровочных материалов и условий пуска на срок службы алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1982. №3. с. 41-43.

24. Харченок В.Г. Особенности поведения подины при обжиге и пуске алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1984. № 4. с. 34-38.

25. Злобин B.C., Крюковский В.А., Потылицын Г.А. Моделирование обжига подины алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1990. №11. с. 60-63.

26. Потылицин Г.А., Злобин B.C. Влияние прогрева теплоизоляции катода на срок службы электролизеров типа С-8БМ // Цветные металлы. 1992. № 10. с. 31-34.

27. Изотов П. Т., Маказан Г. С., Агафонов И. П. Поиск оптимального режима обжига подины алюминиевых электролизеров с самообжигающимися анодами на Волгоградском алюминиевом заводе // Цветные металлы. 1994. № 2. с. 35-37.

28. Peltier G.R., Stockman G.E. Cathode preheat and Start-Up temperatures and bottom block displacements//Light Metals. 1989. p. 185.

29. Коваленко M. Г. Обжиг электролизеров (опыт Братского алюминиевого завода) // Цветные металлы. 2001. № 7. с. 33-34

30. Панов Е. Н. Тепловая эффективность пламенного обжига алюминиевых электролизеров // Панов Е. Н., Боженко М. Ф., Васильченко Г. Н., Даниленко С. В. Цветные металлы. 2000. № 11-12, с. 73-79.

31. Деревягин В. Н., Кужель В. С. О влиянии обжига-пуска на срок службы катода // Цветные металлы. 2001, № 11, с. 63-65.

32. Ефимов А. А., Дворников В. А., Парамонов С. А. Технологии обжига и пуска электролизеров // Цветные металлы. 2002, Спец. вып., с. 16-20

33. Ефимов А. А. Оптимизация процессов обжига и пуска алюминиевых электролизеров на основе изучения тепловых и электрических полей: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Иркут. гос. техн. ун-т, Иркутск, 2003, 16 с.

34. Багаев Б. М., Злобин В. С. Технологии нагрева алюминиевого электролизера // Вестник КГТУ. 2000, № 16, с. 87-93.

35. Ткаченко Д.В., Аюшин Б.И., Парамонов С.А. Обжиг и пуск опытных электролизеров с OA на силу тока 140 кА. // Электрометаллургия легких металлов: Сб. науч. тр. ОАО "СУАЛ-Холдинг" ОАО"СибВАМИ". -Иркутск, 2003. с. 56 - 60.

36. Парамонов С.А., Ефимов A.A., Пухнаревич В.П. Тепловые поля катода алюминиевого электролизера в начальный период его эксплуатации.// Электрометаллургия легких металлов: Сб. науч. тр. ОАО "СУАЛ-Холдинг" ОАО "СибВАМИ". - Иркутск, 2003. - с. 106 - 113.

37. Геращенко Н.П. Обжиг подин мощных электролизеров на прокаленном нефтяном коксе // Н.П. Геращенко, И.С.Кузнецов, C.B. Можаровский, В.М. Можаев. Повышение эффективности и надежности работы алюминиевых электролизеров: Сб. науч. Трудов - Л.: ВАМИ, 1988. с. 3539.

38. Frank Hiltman, Karl-Heinz Meulemann. Ramming paste properties and cell performance. // Light Metals. 2000, p. 405.

39. H. Bentzen, L.M. Jensen, J. Metas, M. Sorlie Gas preheating and star-up of soderberg cells // Light Metals. 1991.

40. Панов E.H. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства// E.H. Панов, Г.Н. Васильченко и др. под ред. Б.С. Громова. М.: Руда и металлы. 1998, 256 с.

41. Захаров В.Н., Харченко В. Г., Овчинников А. В. Основы построения математической модели для анализа и выбора параметров обжига и пуска электролизера //Цветные металлы. 1991, № 2, с. 37-40.

42. Пушкин С. В. Моделирование пламенного обжига алюминиевого электролизера Решетневские чтения: Тезисы докладов 5 Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти академика М. Ф. Решетнева, проводимой в составе 1 Международного Сибирского Авиакосмического Салона "САКС- 2001"// Красноярск: Изд-во CAA. 2001, с. 113-114.

43. Потылицын Г. А., Злобин В. С. Моделирование нагрева поверхности подины в начальной стадии пуска алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1993, № 4, с. 22-24.

44. Потылицин Г.А., Злобин B.C. Моделирование температурного поля катодной футеровки пусковых алюминиевых электролизеров // Известия вузов. Цветная металлургия. 1992, №3-4, с. 76-80.

45. Панов E.H. Обобщенные уравнения для определения режимных параметров обжига катодов алюминиевых электролизеров и особенности обжига с формовкой анода // Панов E.H., Боженко М. Ф., Тепляков Ф. К., Даниленко С. В., Зверев Ю. А. Цветные металлы. 1991.

46. Панов E.H., Боженко М. Ф., Даниленко С. В., Кукшин А. П. Обобщенные уравнения для определения режимных параметров обжига алюминиевых электролизеров с обожженными анодами // Цветные металлы. 1992, №7, с. 30-31.

47. Багаев Б.М., Злобин В. С., Евменов В. А. Формирование температурного поля углеродистой футеровки алюминиевого электролизера при обжиге в зависимости от температуры греющих газов // Красноярск: CAA. 1997, 37 с.

48. Багаев Б.М., Злобин В. С. Моделирование равномерного обжига алюминиевого электролизера // Мат. моделир. в мех.. ВЦК СО РАН. Красноярск. 1997, с. 52-62.

49. Багаев Б.М. Оптимизация нагрева подины алюминиевого электролизера топочными газами // Багаев Б.М., Злобин B.C., Тихомиров В.Н., Евменов В.А., Новиков А.Н. Цветные металлы. 1997, № 9, с. 66-68.

50. Багаев Б.М. Влияние углеродистых материалов на формирование температурного поля подины// Багаев Б.М., Багаева А.П., Злобин B.C., Тихомиров В.Н., Бузунов В.Ю. Цветные металлы. 2000, № 2, с. 56-59.

51. Багаев Б.М., Багаева А. П. Статистический анализ тепловых полей алюминиевого электролизера // Красноярск: CAA. 1998, 19 с.

52. Багаева А. П. Тепловые балансы обжига алюминиевого электролизера // Труды семинара: Математическое моделирование в механике, Красноярск, 1999. ИВМ СО РАН. Красноярск. 2000, с. 63-70.

53. Багаев Б.М., Бузунов В. Ю. Управление режимами обжига алюминиевого электролизера // Цветные металлы.. 2001, № 3, с. 94-98.

54. Довженко В.Н., Довженко Н. Н. Новый подход к управлению обжигом катодного устройства алюминиевого электролизера // Перспективные технологии и техника для горно-металлургического комплекса: Сборник научных статей в 2-х ч. - Красноярск: КГАЦМиЗ, 1999. Ч. 2. с. 401-407.

55. Довженко В.Н., Черепанов О.М. Двумерная математическая модель процесса обжига катодов алюминиевых электролизеров // Экологические проблемы горно-металлургического комплекса: Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Красноярск: КГАЦМиЗ, 2000. с. 236-239.

56. Довженко В.Н., Довженко H.H. Исследование термических напряжений и температурных режимов при пламенном обжиге катодов алюминиевых электролизеров // Перспективные материалы, технологии, конструкции: Сб. научн. тр. Вып. 6. - Красноярск: CAA, 2000.

57. Довженко В.Н. Автоматизированная система управления технологическим процессом обжига катода алюминиевого

электролизера// Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. КГАЦМиЗ, Красноярск, 2000. 20 с.

58. Довженко В.Н., Сторожев Ю.И., Довженко Н.Н. Оптимизация температурных режимов обжига подины электролизера// Цветные металлы. 2001, № 5, с. 51-53.

59. Панов Е. Н., Тепляков Ф.К., Даниленко С.В. Обжиг на металле катодных устройств алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1989. № 2. с. 62-63.

60. Панов Е.Н., Тепляков Ф.К., Никифоров С.А. Исследование температурных режимов обжига катодных устройств алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1987. № 8. с. 40-43.

61. Сторожев Ю.И. Пламенный обжиг подины электролизера с теплоизоляцией периферийных швов // Сторожев Ю.И., Поляков П.В., Довженко В.Н., Довженко Н.Н. Цветные металлы. 2002, № 10, с. 52-54

62. Саяпин А.В. Оптимальное управление обжигом электролизера// Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Сиб. аэрокосм, акад., Красноярск, 2001, 23 с

63. Карвацкий А.Я., Шилович Т.Б. Численное исследование температурных полей и основных показателей пламенного обжига алюминиевых электролизеров // Пром. теплотехн. 2003. 25, № 1, с. 50-56,

64. Dupuis М. Thermal Study of the Coke Preheating for Hall-Heroult Cell// Light Metals. 1993. p. 93-100

65. Dupuis M., Tabsh I. "Evaluation of Thermal Stresses due to Coke Preheat of a Hall-Heroult Cell" // Proceeding of the ANSYS 6th International Conference, vol. 1,1994. p. 3.15-3.23.

66. Dupuis M. Usage of a full 3d transient thermo-electric FE model to study the thermal gradient generated in the lining during a coke preheat // Light Metals. 1998.

67. Desilets M., Marceau D., Fafard M. START-Cuve: Thermo-electro-mechanical transient simulation applied to electrical preheating of a Hall-Heroult cell // Light Metals. 2003, p.247-254.

68. Richard D., Fafard MThermo-chemo-mechanical aspects of refractory concrete // Light Metals. 2003. p.283-290.

69. Goulet P. Modeling of the coke bed used in the electrical preheat of an aluminum reduction cell // Goulet P., Laberge C., Lacroix R., Kiss L., Perron J. Light Metals. 2003. p. 263-268.

70. D'Amours G. Mechanical behavior of carbon cathode: understanding, modeling and identication // D'Amours G., Fafard M., Gakwaya A., Mirchi A.A. Light Metals. 2003. p.633-639.

71. Richard D. Development and validation ramming paste model// Richard D., D'Amours G., Fafard M., Gakwaya A., Desilets M. Light Metals. 2005. p.733-738.

72. Sun Y. Modelling of Thermal and Sodium Expansion in Prebaked Aluminium Reduction Cell // Sun Y., Wang Q., Rye K.A., Sorlie M., Oye H.A. Light Metals. 2003. p. 603-610.

73. Zolochevsky A. Creep and Sodium Expansion in a Semigraphtic Cathode Carbon // Zolochevsky A., Hop J.G., Servant G., Foosn T., Oye H. A. Light Metals. 2003. p.595-602.

74. Sun Y. 3-D modelling of thermal and sodium expansion in soderberg aluminium reduction cells // Sun Y., Forslund K.G., Sorlie M., Oye H.A. Light Metals. 2004. p.587-592.

75. Лисенков В.Г. Теплофизика металлургических процессов/ В.Г. Лисенков, В.И. Лобанов, Б.И. Китаев. M'.Металлургия, 1982. 239 с.

76. Справочное руководство. Использование газа в энергетических установках/ Под ред. A.C. Иссерлина. Л:Недра, 1990. 422 с.

77. Архипов Г.В. Расчеты на прочность катодных устройств алюминиевых электролизеров// IV Высшие алюминиевые курсы: Сб. лекций. -Красноярск, 2001.

78. CD adapco Group. METHODOLOGY. Star-CD Version 3.26 // CD adapco Group. 2005. p.318.

79. Архипов А.Г., Поляков П.В. Расчеты алюминиевых электролизеров при обжиге, пуске и послепусковом периоде // Сборник докладов X международной конференции "Алюминий Сибири - 2004", под ред. П.В. Полякова. Красноярск: Бона компани. 2004. стр. 146-155.

80. Пингин В.В. Опыт эксплуатации электролизеров РА-300 // В.В. Платонов, A.B. Завадяк, B.JI. Осетковский. Сборник докладов X международной конференции "Алюминий Сибири - 2004", под ред. П.В. Полякова. Красноярск: Бона компани. 2004. стр. 44-47.

81. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости // М.:Наука. 1979. 560 с.

82. Костюков A.A. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия // Костюков A.A., Киль И.Г., Никифоров В.П., Вольфсон Г.Е. М.: Металлургия, 1971, с. 560.

83. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов // М.: Машиностроение, 1968, 192 с.

84. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи // М.: Энергия. 1977. с. 344.

85. Архипов Г.В., Борисов В.И., Иванова A.M. Свойства материалов для футеровки алюминиевых электролизеров // Новые огнеупоры. 2004, №6, с. 39-45.

86. Сорокин В.Г., Герасьев М.А. Стали и сплавы. Марочник // Справ, изд. М.: Интермет Инжиниринг. 2001. 608 с.

87. Bénédicte Allard, Jean-Michel Dreyfus and Michel Lenclud. Evolution of thermal, electrical and mechanical properties of graphitized cathode blocks for aluminium electrolysis cells with temperature // Light Metals. 2000.