Анализ конструкций алюминиевого электролизера методами компьютерного моделирования с целью улучшения показателей работы

• Автор: Третьяков, Ярослав Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 173 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Литературный обзор

Теоретические основы и принцип действия алюминиевого

электролизера

Устройство алюминиевого электролизера, основные причины

выхода его из строя

Основные типы катодных устройств, применяемых в алюминиевой промышленности

Математические модели, используемые при расчетах электролизеров

Выводы к первой главе

Глава 2. Методики расчетов, представленных в работе и методы оценок технологических параметров электролизера.
Уравнения для расчета температурного поля и напряженно
деформированного состояния электролизера
Создание компьютерной модели электролизера
Построение модели
Задание свойств материалов
Физикомеханические сгойства материалов
Граничные условия
Методика расчета температурного поля электролизера и оценки
Формы рабочего пространства
Методика расчета напряженнодеформированного состояния и
оценки целостности катодного устройства
Методика расчета электрического баланса
Методика расчета теплового баланса
Оптимальные значения исследуемых параметров работы
алюминиевого электролизера
Выводы ко второй главе
Глава 3. Температурное поле, форма рабочего пространства и целостность катодного устройства с контрфорсным кожухом
Введение
Температурное поле и форма рабочего пространства электролизера при использовании футеровки различной конструкции
Целостность катодного устройства при использовании
футеровки различной конструкции
Выводы к третьей главе
Глава 4. Температурное поле и форма рабочего пространства шпангоутных электролизеров и целостность их катодных устройств
Введение
Электролизер с наклонными продольными стенками
Электролизер с полунакпонными продольными стенками
Электролизер с вертикальными продольными стенками
Анализ факторов, влияющих на разрушение шпангоута
Выводы к четвертой главе
Глава 5. Сравнительный анализ температурных полей, формы рабочего пространства и целостности катодных устройств различных типов электролизеров
Введение
Сравнительный анализ температурных полей и формы рабочего
пространства электролизеров
Сравнительный анализ напряженно деформированного состояния и целостности катодных устройств
Выводы к пятой главе
Заключение по работе
Список использованных источников


Основой электролитического производства алюминия является электролиз криолит-глиноземного расплава. В состав криолит-глиноземного расплава входят такие компоненты, как криолит (№зА1Р$), фторид алюминия (А1Рз) и глинозем (А0з). Кроме того, в электролит подаются искусственно или вместе с фтористыми солями фториды кальция, магния, лития, а также хлорид натрия. Растворителем глинозема в электролите являются комплексы А1Рб '3 и А1Р4 ', а точнее ион А+, входящий в эти комплексы. Глинозем, поступающий в расплав, вступает во взаимодействие с криолито-выми комплексами и образует оксифторидные комплексы переменного состава. А1Р6‘3, А1Р4', Р‘, АРх [3]. В результате протекания процесса электролиза на аноде выделяются анодные газы, которые содержат как СО, так и С. Аі2Оі + хС = 2А1 + (2х-3) СО + (3-х) СО 2. С). А + ЗС = 2А1 + ЗСО, А +1,5С = 2А1 + 1,5С. В процессе электролиза алюминия на катоде происходит восстановление ионов алюминия ( А1Р6* А1Р4 АОР6'2, АЮР2 АЮ2р2 °), а на аноде - окисление ионов кислорода, которые также находятся в расплаве в виде комплексов. ЛГ3 + Зе =А1. СхО ~ (2х- 1)С + С(адс), С(адс) ~ С(газ). Переносить ток в электролите во время работы электролизера могут многие ионы, но практически полностью ток переносится ионами натрия. Концентрация глинозема в промышленных электролизерах составляет (1-8 %). Большее количество глинозема вводить бессмысленно, так как растворимость глинозема в криолите ограничена, и это приведет только к нарушению технологического режима. Для удаления пленки СхБ с анода в ванну вводят такие окислители, как глинозем, алюминий или органические соединения. В результате анодных эффектов увеличивается расход электроэнергии и фторсолей, но для обеспечения нормальной работы электролизера необходимо, чтобы анодные эффекты возникали не реже, чем один раз в сутки. В процессе электролиза происходит постоянное растворение металлов в электролите и образование металлического натрия. Электролит в равновесии с расплавленным алюминием всегда содержит растворенные частицы восстановленной формы металла. А + С = ЗСОР2 + 6ЫаР + 4А1, 4Ма3А! Р(адс) + хС = СхР. В настоящее время общепризнанно, что в результате реакций алюминия с электролитом образуются 2 различных типа частиц: один, содержащий одновалентный алюминий, и другой - натрий. Реакции взаимодействия алюминия с электролитом выглядят следующим образом. Частички, содержащие натрий, могут быть как ионами натрия, так и металлическим натрием. Количество и скорость выделения металлического натрия зависят от криолитового отношения и от температуры электролита. Ионы натрия являются основными носителями заряда при токоперено-се. Сразу после начала электролиза происходит его выделение, он не только участвует в токопереносе, но и происходит интенсивное внедрение этого натрия (либо его ионов) в футеровку катодной ванны. При производстве алюминия электролитическим способом используются различные типы электролизеров с обожженными анодами и самообжи-гающимся анодом [2- 5], но независимо от типа анода и катодного кожуха цель и конструкция футеровки катодного устройства практически одинаковы для всех типов электролизеров. Отличие заключается в габаритных размерах футеровки и материалах, применяемых в ней. В данной работе рассматриваются температурное поле и напряженно-деформированное состояние катодного устройства, поэтому большого значения, какой вид анода используется, нет. Все дальнейшие модели были построены и рассчитаны как электролизеры с самообжигающимся анодом. А1 + ЗМаЕ = ЗА'а + Л1Е3. Рисунок 1. Ошиновка представляет собой катодные и анодные алюминиевые токоподводы, предназначенные для подачи электрического тока в электролизер, а также для связи группы электролизеров в серию. От конструкции ошиновки в значительной степени зависит работа электролизера, так как ее конструкция очень сильно влияет на электромагнитное поле электролизера. При неправильно спроектированной конструкции может наблюдаться МГД нестабильность, что приведет к сбоям в работе электролизера. Штыри - это стальные стержни, установленные в тело анода и соединенные с ошиновкой анода.