Совершенствование конструкции и технологии алюминиевых электролизёров с боковым токоподводом

• Автор: Бисеров, Александр Георгиевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Краснотурьинск
• Количество страниц: 111 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

Список условных сокращений

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРОЛИЗРАХ С БОКОВЫМ ТОКОПОДВОДОМ

1.1. Особенности взаимодействия теплового н электрического полей

1.2. Влияние тепловых и электрических полей на показатели электролиза

1.3. Основные сведения о вычислительном эксперименте

1.4. Математическая модель

1.4.1. Область исследования

1.4.2. Система уравнений

1.4.3. Граничные условия

1.5. Алгоритм решения задачи
1.6. Структура и возможности программы
1.6.1. Исходные данные для расчтов
1.6.2. Вид получаемых результатов
1.6.3. Пункты меню и их описание
1.7. Идентификация модели
Глава 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ ЭЛЕКТРОЛИЗРОВ
2.1. Энергетические балансы электролизров
2.2. Изменение МПР уставок
2.3.Результаты расчетов изменения уровня металла и уровня электролита
Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗРА
3.1. Различные конструкции искусственной настыли
3.2. Сравнительный анализ электролизеров 2го и 4го корпусов
3.3. Использование нитрида алюминия для электроизоляции борта
3.4. Расчты теплового и электрического полей ванн с днищем при различных конструкциях катодного блока
3.4.1. Критерии оптимальности энергетического режима катодного блока
3.4.2. Результаты расчтов теплового поля катодного блока при увеличении срока службы
3.4.3. ФРП
3.4.4. Электрическое поле катода
3.4.5. Тепловое поле подины
3.4.6. Тепловое поле цоколя
3.4.7. Структура тепловых потоков
3.5. Результаты расчетов теплового поля катодного блока при сезонном изменении температуры воздуха в корпусе
3.5.1. ФРП
3.5.2. Электрическое поле катода
3.5.3. Тепловое поле подины
3.5.4. Тепловое поле цоколя
3.5.5. Структура тепловых потоков
3.6. Анализ возможных путей оптимизации теплового ноля катодного блока электролизров различных конструкций
3.6.1. ФРП
3.6.2.Расположение изотерм в подине
3.6.3. Вертикальный перепад температур в подине
3.6.4. Энергосбережение
3.6.5. Превышение критических для материалов температур
3.6.6. Температура блюмса на выходе из подового блока Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРИ ИЗМЕНННЫХ ПАРАМЕТРАХ
НА ЭЛЕКТРОЛИЗРАХ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Как известно, сложность задачи математического моделирования физических полей в алюминиевых электролизёрах определяется, прежде всего, особенностями взаимовлияния процессов в этих ваннах. Подчеркнём основные факторы взаимодействия теплового и электрического полей. Прохождение электрического тока вызывает выделение джоулева тепла в проводящих материалах. Так как эти тепловыделения очень существенны и область реакции окружена теплоизоляционными материалами с различными теплопроводностями, то разность температур в электролите и кожухе существенна - в электролите около 0°С, в кожухе - около 0°С. Таким образом, значительная величина электрического тока в электролизере вызывает большие тепловые неравномер-ноеги и тепловые потоки. Так как в зависимости от температуры меняется теплопроводность А. Т) и электропроводность §(Т), то эти характеристики каждого материала существенно отличаются для разных областей ванны. Понижение температуры при приближении к борту ванны приводит к затвердеванию расплава (электролита и металла) у бортового угольного блока. Затвердевший расплав в зоне электролита разделяют на корку и гарнисаж. Затвердевший расплав в зоне металла называют настылью. Эти три материала практически не проводят ток, поэтому можно сказать, что тепловое поле посредством расположения изотермы кристаллизации (0-0°С в зависимости от состава электролита) определяет область протекания электрического тока и электрохимических реакций. С поверхности электролизера осуществляется конвективный и лучистый теплообмен; на границе электрод-электролит имеет место поляризация; взаимосвязь теплового и электромагнитного полей проявляется, согласно принципам термодинамики необратимых процессов, в различных перекрестных эффектах. Физические поля (тепловые, электромагнитные и гидродинамические) оказывают существенное влияние на показатели электролиза алюминия. Одним из важнейших признаков эффективной работы электролизера является наличие правильно сформированных гарнисажа и настыли, а последнее, как уже отмечалось, определяется тепловым полем. В условиях работы без гарнисажа разрушение бортовой теплоизоляции на глубину до 0 мм происходит после первого года работы ванны. По причине разрушения бортовой теплоизоляции отключается на капитальный ремонт более % всех остановленных электролизеров. Для промышленности важно иметь не произвольный гарни-сажный слой, а гарнисаж нужной толщины и профиль настыли, близкий к вертикальному (так называемую крутопадающую настыль) []. Выход по току существенно зависит от колебаний и деформации границы раздела металл/электролит, а также от скорости их течения, поскольку эти процессы интенсифицируют протекание окислительно-восстановительной реакции А1 с С. Данные явления - результат взаимодействия составляющих плотности тока (особенно горизонтальных , р. Мы предполагаем в дальнейшем, что ось 0Х направлена по длинной стороне вагаїьі, а ось 0у - по короткой). Таким образом, задача уменьшения горизонтальных токов в алюминии чрезвычайно актуальна. В свою очередь, гарнисаж и настыль своим расположением влияют на электрическое поле. Основные сведения о вычислительном эксперименте Трудности детатьного изучения процессов переноса в электролизерах связаны с высокой температурой процесса, высокой химической активностью среды. Отсутствие или скудность информации о процессах переноса в ванне не позволяют в настоящее время на стадии проектирования количественно оценить преимущества и недостатки конструкторских предложений. В результате исследования зачастую сводятся к многолетним промышленным испытаниям. Вследствие зависимости выхода по току от многих параметров, испытания иногда не дают однозначного ответа. В значительной мере поставленные проблемы могут быть решены методом ВЭ. Математическое моделирование и ВЭ являются, как известно, эффективными методами решения сложных технических, в том числе и химико-технологических проблем. При ВЭ на основе математической модели проводится изучение устройств и физических процессов с помощью ЭВМ, просчитывается их поведение в различных условиях, находятся оптимальные параметры и режимы действующих или проектируемых конструкций.