Инженерни статии на AlcoRus
Разработване на математически модел за изчисляване на якостните характеристики на катодни устройства на алуминиеви електролизатори
В.В.Тихомиров, С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак
Цената на произведения алуминий до голяма степен зависи от експлоатационния живот на саксиите, т.к разходите за основен ремонт влияят върху цената на метала. Срокът на експлоатация също определя пропуснатите ползи поради престой на електролитни клетки при основен ремонт, свързан е с качеството на произведения алуминий, разходите за труд за поддръжка и други технически и икономически показатели.
Разработването на дизайна на клетката, нейното тестване в индустриални условия са свързани със значителни капиталови разходи и дълъг период на експеримента. Компютърната симулация дава възможност да се предвиди поведението на катодното устройство по време на работа, като същевременно се намалява многовариантността на тестовете в индустриални условия.
С помощта на компютърна симулация е възможно да се определят проектните параметри на металните конструкции на корпусите и облицовките, условията за изгаряне и работа на електролизери [1,2]. В световната практика компютърното симулиране на напрегнато-деформираното състояние на катодните обвивки се извършва от 80-те години на миналия век.
Изчисляването на корпуса с определени натоварвания върху металните конструкции е доста грубо. При анализа на якостните свойства на конструкцията в тази формулировка не се разкриват някои съществени характеристики на нейното напрегнато-деформирано състояние. По-конкретно се оказва, че при така зададен натиск върху стените, носещите елементи на корпуса - рамките - се натоварват много слабо. Нивото на напрежение в тях е много по-ниско от границата на провлачване на стоманата. В същото време практическият опит при експлоатацията на катодни обвивки показва, че ребратарамките са най-уязвимата точка на корпуса по отношение на крехко счупване. Именно по ръбовете на рамките в местата на тяхното заобляне в близост до надлъжните стени се образуват пукнатини. По този начин моделният анализ на конструкцията в това приближение дава донякъде изкривена картина на нейното напрегнато-деформирано състояние. Въпреки това такъв анализ, който е ниско трудоемък, има право на съществуване и се използва в световната практика като инструмент за бърза оценка на якостните свойства на новосъздадена обвивна конструкция [5].
При втория подход механичните натоварвания, приложени към корпуса от страната на облицовката, не са предварително определени, а се намират в процеса на решаване на проблема (сложно изчисление). Такава уточнена формулировка на проблема позволява да се премахнат отбелязаните недостатъци, присъщи на опростения подход, и да се получи картина на напрегнатото състояние на катодната обвивка, която е по-близка до реалността както в качествено, така и в количествено отношение.
Степента на това приближение се определя от свойствата на механичния модел на облицовката. От гледна точка на механиката на деформирано твърдо тяло, облицовката на катодно устройство е сложна триизмерна, по същество нехомогенна композитна среда. В същото време механичните свойства на компонентите на тази среда все още не са достатъчно проучени: зависимостта на модулите на еластичност и други материални константи от температурата, анизотропията на свойствата на материалите, реологичните модели на някои материали (предимно въглеродно-графитни блокове) и др.
Основният фактор, определящ страничното налягане върху стените на корпуса, е разширяването на дънните блокове под въздействието на натрий. Установено е, че натриевата деформация на въглеродния графит зависи от няколко фактора [1]: време, температура, нивонапрежения, качество на блока, електролитен състав и плътност на електрическия ток. За съжаление, понастоящем уравнението на състоянието на въглеродно-графитния материал, което включва всички горепосочени параметри, не е установено. Опит за напредък в тази посока е направен в [6], където въз основа на експериментални данни са предложени отношения, които свързват скоростта на деформация на натрия, времето и напрежението. Прилагането на този подход към описанието на натриевото разширение обаче изисква дългосрочни полеви измервания, свързани с определянето на константите, включени в горните зависимости [7]. В тази връзка, започвайки от [8], натриевото разширение на въглеродния графит се симулира с помощта на температурно поле, допълнително приложено към блоковете на огнището (така наречената "натриева" температура).
Сложността на моделирането на облицовката се състои във факта, че облицовъчните материали са в контактно взаимодействие. На интерфейсите на различни материали може да се наруши идеалният механичен контакт, т.е. пълна адхезия на материалите и образуване на неизвестни преди това области на приплъзване, адхезия и разделяне. С други думи, несъвършенството на механичния контакт позволява възможността за взаимно изместване на компонентите на облицовката както един спрямо друг, така и спрямо корпуса. Последиците от тези измествания се проявяват във факта, че в облицовката се образуват кухини и места на разслояване на материали, през които може да възникне изтичане на стопилката и електролита. Следователно, отчитането на контактното взаимодействие на облицовъчните материали в механичния модел на катодното устройство е много важно, тъй като позволява да се идентифицират местата на възможни разслоявания на материали в катодната структура по време на нейната работа, да се оцени тяхната величина и да се очертаят начини за тяхното намаляване или пълно премахване.
въпреки товане е възможно да се вземе предвид контактът при всички налични фазови граници. Следователно в механичния модел на катода бяха разграничени следните, от наша гледна точка, основни двойки компоненти, между които се осъществява контактно взаимодействие, позволяващо взаимно приплъзване на материалите, тяхното залепване или разслояване:
- огнищни блокове - цокъл;
- огнищни блокове - цъфти;
- странична подплата - цъфти;
- бордова облицовка - стени на корпуса;
Необходимата точка на механичния модел на катодното устройство е да се вземат предвид амортизационните свойства на облицовъчните материали [8]. Коефициентът на затихване може да се вземе предвид чрез въвеждане на нелинейни свойства за отделните компоненти на облицовката. Известно е, че някои от използваните материали, например калциев силикат, имат достатъчно ниска якост на натиск, при достигането на която не издържат на приложеното натоварване и се разрушават. В този случай механичният модел на материала трябва да бъде такъв, че да позволява растеж на деформации при постоянно ниво на напрежение. Експериментално е доказано, че други материали, като огнеупорен бетон, показват пластични свойства при условия на висока компресия. Благодарение на тези свойства, компонентите на облицовката компенсират наляганията, произтичащи от натриевото разширение на долните блокове, и предпазват корпуса на катода от прекомерно натоварване.
От гледна точка на механиката на деформируемо твърдо тяло катодната обвивка от рамков тип е сложна пространствена плоча. Отделните елементи на тази система имат такива геометрични размери, че могат да се считат за тънки плочи и теорията на тънките стени може да се използва за анализ на напрегнато-деформираното състояние на разглежданата тънкостенна конструкция.чинии. Както показва практическият опит в работата на катодни устройства, в корпуса възникват необратими деформации и следователно неговият материал (стомана) е в еластично-пластично състояние. В първото приближение можем да приемем, че материалът не се втвърдява, т.е. приемете идеалния пластичен модел за стомана.
За да се оценят якостните свойства на катодната обвивка, в тази работа се използва следната система от параметри.
1. Премествания Uk (k = 1,2,3) на контролните точки на корпуса, където:
U1 - максимално отклонение на крайната стена на нивото на средата на страната;
U2 - максимално отклонение на надлъжната стена на нивото на средата на страната;
U3 - максималното отклонение на дъното в центъра му.
Тези параметри характеризират конфигурацията на корпуса в деформирано състояние.
2. Мярка за пластичността на структура (или неин отделен елемент)
където: S * е повърхността на разглежданата тънкостенна конструкция, подложена на пластична деформация, S е цялата площ на нейната повърхност. Този параметър определя съотношението на структурните зони или нейните отделни елементи, които са в състояние на пластичен поток.
3. Интензивност на пластичните деформации εi [9]. Най-опасни са зоните на пластичните области, където интензивността на деформациите достига максимални стойности. Именно в тези зони може да се стигне до разрушаване на обвивката или поради натрупване на щети и образуване на пукнатини, или разрушаване поради изчерпване на носещата способност на материала в резултат на неговото обширно пластично течение. Многобройни изчисления на катодни устройства показват, че зоните с повишени стойности на интензитета на пластичните деформации в катодните обвивки са:
- местата на заобляне на рамките;
- области на надлъжните стени на банята в близостнеговите ъгли;
- местата на заобляне на страничните листове;
С помощта на въведената система от якостни параметри беше оценено напрегнато-деформираното състояние на катодната обвивка на електролизера, проектирано за сила на тока от 130, в две настройки на задачата: опростена (при задаване на нейните надлъжни и крайни стени на нормални налягания съответно от 4 и 12 kg / cm 2) и пълна, която разглежда катодното устройство като цяло и използва описания по-горе механичен модел (серна деформация Las е равно на 1%). И в двата случая температурното поле на корпуса, конструирано въз основа на полеви измервания, е еднакво. Резултатите от числените изчисления са показани в таблица 1.
Изчисляване при зададени товари
Uk - изместване на контролните точки на корпуса (mm)