Напряженно-деформированное состояние подового блока алюминиевого электролизера

• Автор: Горунович, Сергей Борисович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 131 с.

Содержание
Введение
Глава 1. Устойчивость подового блока
1.1. Постановка задачи
1.2. Расчет первой формы равновесия
1.3. Расчет второй формы равновесия
1.4. Влияние механической неоднородности на устойчивость подового блока
1.5. Учет влияния податливости соединения блок-блюмс
1.6. Устойчивость подового блока при наличии ползучести
1.7. Выводы
Глава 2. Напряженно-деформированное состояние подового блока
в области линейного деформирования материала
2.1. Учет физико-механической неоднородности
по сечению подового блока
2.2. Механическая неоднородность в процедуре метода конечных элементов
2.3. Расчет подового блока на прочность с учетом неоднородности материала
2.4. Учет податливости набивных швов
2.5. Стержневая аппроксимация
2.6. Использование метода конечных элементов для учета податливости боковых опор
2.7. Расчет подового блока на прочность с учетом податливости боковых опор
2.8. Влияние подовой массы в соединении блок-блюмс
на напряженно-деформированное состояние блока
Глава 3. Предельное состояние подового блока
3.1. Вывод разрешающих уравнений для случая плоской деформации
3.2. Расчет углеграфитового подового блока на прочность численными методами
3.3. Результаты расчета подового блока
3.4. Вывод формул для определения верхних оценок
предельных нагрузок
Заключение
Литература
Приложение

Введение
Устойчивая работа алюминиевого электролизера зависит от ряда факторов, в том числе от качества его футеровки, формируемой из футеровочных блоков. Футеровочные блоки (подовые, боковые и угловые) являются важнейшими элементами конструкции алюминиевых электролизеров, а их эксплуатационные свойства в значительной степени определяют техникоэкономические показатели производства алюминия [55]. Подовая часть футеровки является подиной катодного устройства и состоит из подовых секций (катодных блоков) - предварительно обожженных углеграфитовых бло ков с заделанными в них токоотводящими стальными стержнями - блюмсами, рис. 1.1. Несмотря на внешнюю простоту конструкции, катодный блок является одним из наиболее сложных для изготовления и эксплуатации устройств не только алюминиевых электролизеров, но и других агрегатов цветной металлургии. Катодный блок должен одновременно при достаточно высоких температурах обеспечивать надежный токоподвод и являться контейнером для расплава алюминия и электролита. Выполнение этих функций представляет собой сложную инженерную задачу [35].
подовая масса (шов) кожух
Наибольшее применение для изготовления подовых углеродных блоков, входящих в состав катодных секций нашли углеграфиты марок ПБ, ПБУТ, ПБУГ Челябинского электродного завода. Геометрические характеристики подовых блоков соответствуют ТУ 48-12-21-85.

Блоки производятся методом экструзии, как с полной, так и с частичной механической обработкой торцевых граней. Размеры блоков с частичной механической обработкой: ширина 550±10 мм, высота 400±10 мм, длина 1 ООО— 2300 мм. Блюмсовый паз в форме трапеции имеет ширину верхнего основания 260 мм, нижнего основания 270 мм, глубину 145 мм.
Основными физико-механическими характеристиками, определяющими термопрочность подовых блоков, являются предел прочности на растяжение, модуль упругости, коэффициент теплового расширения и коэффициент теплопроводности [34, 54, 50]. Механические свойства материала подовых блоков (углеграфитов) характеризуются несимметричностью диаграммы растяжение - сжатие [5, 31, 71]. Термические удлинения материала блока в стесненном состоянии являются причиной возникновения термических напряжений. Относительные термические удлинения определяются по формуле:
Д = «ДГ100%,
где «-коэффициент линейного термического расширения, С'1, ЛТ- изменение температуры элемента от начального состояния, С. Для материалов используемых в катодном устройстве относительные удлинения приведены в таблице 1.1. [35].
Табл. 1.
Марка графита Показатель дт, С
20- 200 200- 400 400- 600 600- 800 800 -1
ПБУГ - 00 ЧЭЗ 6,% 0,03 0,08 0,14 0,3 0,
ПБУ ЧЭЗ 8,% 0,04 0,1 0,2 0,41 0,
ПБ ЧЭЗ 8,% 0,04 0,12 0,23 0,50 1,

дой области поле значений модуля упругости выражаем через их узловые (известные) значения в местной системе координат х, у, привязанной к области.
Е(х,у) = Есг^1а,

где N£1 = МрДх,у) - базисные функции, интерполирующие распределение модулей упругости в пределах области, д - относительные значения модуля упругости в узлах. При этом интегрирование производится по каждой области отдельно.
Примем, что контакт между блюмсом и подовым блоком нарушен, например, вследствие разных коэффициентов теплового расширения материалов, и потеря устойчивости происходит только для углеграфитового подового блока. В качестве модели будет служить стержень удвоенной длины 1-400 см (для ванн с состыкованными подовыми блоками). Расчет произведем по второй форме равновесия, рис.2.2 в). Очевидно, что данный вариант наиболее опасный с точки зрения потери устойчивости. Поэтому считаем целесообразным учесть неоднородность механических свойств углеграфита по сечению.
Определим координаты центра тяжести приведенного сечения относительно осей х2, у2, рис. 2.3, по формуле:
^у2Ес1А
У =—г-------•
EclA

В связи с тем, что функция Е(х, у) имеет разрывы, выражения в знаменателе и числителе распадаются на 5 интегралов: