close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Применение параметрического проектирования для получения энергоэффективной конструкции анодного узла алюминиевого электролизера..pdf

код для вставкиСкачать
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 004.942.001.57
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-186-200
ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ АНОДНОГО УЗЛА АЛЮМИНИЕВОГО
ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
© А.В. Завизин1, Т.В. Пискажова2, А.В. Линейцев3, Я.А. Третьяков4
1,2,3
Сибирский федеральный университет,
Российская Федерация, 660025, г. Красноярск, пр-кт им. газеты «Красноярский рабочий», 95.
4
ООО «РУСАЛ ИТЦ»,
Российская Федерация, 660111, г. Красноярск, ул. Пограничников, 37, корп. 1.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Процесс получения алюминия очень энергоемкий, поэтому снижение потребления электроэнергии является одной из ключевых задач при конструировании алюминиевого электролизера. Одним из путей
сбережения электрической энергии может быть уменьшение величины падения напряжения за счет изменения
конструкции анода и стального паука. Цель данного исследования – разработка альтернативной трехмерной
термоэлектрической конечно-элементной модели анодного узла с применением современных методов оптимизации и обоснование ее энергоэффективности путем измерения температур и разности электрических потенциалов. МЕТОДЫ. Термоэлектрические расчеты проводились методом конечных элементов. Разработанная конечно-элементная модель предназначена для оценки распределения температур и электрического потенциала, а
также для выявления оптимальных конструктивных изменений анодного узла с целью уменьшения общего анодного напряжения. РЕЗУЛЬТАТЫ. Изучено влияние диаметра стальных ниппелей и изменение конструкции
стального паука на тепловую и электрическую работу анодного узла. ВЫВОДЫ. На основе полученных результатов предложено использование более энергоэффективной конструкции стального паука по сравнению с общеизвестной – конструкции в сплошном исполнении.
Ключевые слова: электролизер, анодный узел, ниппели, параметрическая трехмерная конечно-элементная
модель, SolidWorks, COMSOL Multiphysics.
Формат цитирования: Завизин А.В., Пискажова Т.В., Линейцев А.В., Третьяков Я.А. Применение параметрического проектирования для получения энергоэффективной конструкции анодного узла алюминиевого электролизера // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 186–200.
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-186-200
APPLYING PARAMETRIC MODELING TO DEVELOP AN ENERGY EFFICIENT DESIGN
OF THE ALUMINUM REDUCTION CELL ANODE ASSEMBLY
A.V. Zavizin, T.V. Piskazhova, A.V. Lineitsev, Ya.A. Tretiakov
Siberian Federal University,
95, imeni gazety “Krasnoyarskiy rabochiy” pr., Krasnoyarsk, 660025, Russian Federation.
JSC RUSAL Research and Development Center,
37, Pogranichnikov St., block 1, Krasnoyarsk, 660111, Russian Federation.
___________________________
1
Завизин Антон Викторович, аспирант, ассистент кафедры автоматизации производственных процессов
в металлургии Института цветных металлов и материаловедения, e-mail: [email protected]
Anton V. Zavizin, Postgraduate, Assistant Professor of the Department of Automation of Production Processes
in Metallurgy at the Institute of Non-Ferrous Metals and Materials Science, e-mail: [email protected]
2
Пискажова Татьяна Валериевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой автоматизации
производственных процессов в металлургии Института цветных металлов и материаловедения,
e-mail: [email protected]
Tatiana V. Piskazhova, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automation of Production
Processes in Metallurgy at the Institute of Non-Ferrous Metals and Materials Science, e-mail: [email protected]
3
Линейцев Алексей Викторович, старший преподаватель кафедры автоматизации производственных процессов
в металлургии Института цветных металлов и материаловедения, e-mail: [email protected]
Aleksei V. Lineitsev, Senior Lecturer of the Department of Automation of Production Processes in Metallurgy
at the Institute of Non-Ferrous Metals and Materials Science, e-mail: [email protected]
4
Третьяков Ярослав Александрович, кандидат технических наук, начальник отдела математического
моделирования и измерений, e-mail: [email protected]
Yaroslav A. Tretiakov, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Mathematical Modeling
and Measurements, e-mail: [email protected]
186
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
ABSTRACT. PURPOSE. The process of aluminium production is very energy-intensive, therefore, the reduction of electric energy consumption is a key objective in the design of an aluminum reduction cell. One of the ways of saving electrical energy may be to decrease the voltage drop due to the changed design of the anode and steel yoke. The purpose of
this study is to develop an alternative three-dimensional thermoelectric finite element model of the anode assembly using
modern optimization methods and substantiate its energy-efficiency through measuring temperatures and difference of
electric potentials. METHODS. The finite element method is used to perform thermoelectric calculations. The developed
finite element model is used for the evaluation of temperature and electric potential distribution as well as for the identification of optimal design changes of the anode assembly in order to reduce the total anode voltage. RESULTS. The effects of steel stub diameter and changes in steel yoke design on thermal and electrical operation of the anode assembly
have been studied. CONCLUSIONS. On the basis of the obtained results it is proposed to use a more energy-efficient
design of the steel yoke as compared with the well-known solid construction.
Keywords: aluminium reduction cell, anode assembly, steel stubs, parametric three-dimensional finite element model,
SolidWorks, COMSOL Multiphysics
For citation: Zavizin A.V., Piskazhova T.V., Lineitsev A.V., Tretiakov Ya.A. Applying parametric modeling to develop an
energy efficient design of the aluminum reduction cell anode assembly // Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 1, pp. 186–200. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-186-200
Введение
Производство первичного алюминия
осуществляется путем электролитического
разложения глинозема (Al2O3), растворенного в электролите, состоящем в основном
из криолита (Na3AlF6), с выделением металла на катоде.
Температура в электролизной ванне
регулируется изменением зазора (межполюсного расстояния) между анодом и катодом, на который осаждается расплавленный алюминий. Рабочая температура процесса Эру – Холла близка к 950°С, что значительно выше температуры плавления
алюминия. Процесс происходит с потреблением большого количества электрической энергии, поэтому его повышенный
энергетический КПД – главная проблема в
алюминиевой промышленности. Современные электролизеры могут потреблять около
13 кВт·ч для производства 1 кг алюминия (в
среднем в мире это значение близко к 14
кВт·ч/кг Al [1]), в то время как теоретически
рассчитанное потребление энергии составляет около 7 кВт·ч/кг Al [2]. Улучшить энергетическую эффективность данного процесса можно одним из способов – путем экономии напряжения на анодном узле [3–8].
Обычно падение напряжения на
аноде составляет около 300–450 мВ, что
приблизительно равно 7–9% от падения
общего напряжения ячейки [9]. На сегодняшний день есть работы, где представлены результаты исследований по снижеISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
нию падения напряжения на аноде путем
изменения размера ниппельного гнезда
или формы стального паука [3, 4, 10, 11].
Первая
трехмерная
конечноэлементная модель анода была разработана в 1984 г. с использованием программы
ANSYS 4.1 [10]. Рассчитанная модификация анодной сборки позволила уменьшить
величину падения напряжения и выявить
зависимость падения напряжения пропорционально высоте анодного блока [4]. Также разрабатывались и другие трехмерные
конечно-элементные модели, использующиеся в основном для оценки падения
напряжения. Обнаружено, что с уменьшением диаметра ниппельного гнезда или
диаметра ниппеля падение напряжения
начинает увеличиваться [3]. Из формулы
для расчета удельного электрического сопротивления становится ясно, что увеличение диаметра ниппеля ведет к снижению
электрического сопротивления [4]. При
этом через анод с ниппелями увеличенного
диаметра возможен рост теплопотерь из
электролита, что приводит к необходимости поддерживать большее напряжение в
межполюсном зазоре. Также ниппели
большого диаметра в результате деформационных напряжений могут «порвать»
анодный блок в процессе эксплуатации.
Поэтому необходим комплексный анализ
анодного узла с применением трехмерных
конечно-элементных моделей.
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
187
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Создание альтернативной трехмерной модели стального паука в анодном узле
Анодный узел – сложный в конструктивном отношении элемент электролизера
(рис. 1), работающий в условиях высоких
тепловых и электрических нагрузок. Анод
состоит из алюминиевой штанги, биметаллической прокладки, стального кронштейна
с тремя ниппелями, чугунной заливки и
анодного блока, как показано на рис. 2, а
также глиноземной засыпки, не отображенной на данном рисунке.
Металлический кронштейн с раз-
личным количеством ниппелей (токоподводов, погруженных в угольный анодный блок
и соединенных с ним чугунной заливкой),
так называемый стальной паук, предназначен для подвода тока к угольному анодному блоку, работающему в зоне непосредственного протекания процесса электролиза. Ток к аноду подводится через алюминиевую штангу, соединенную со стальным
пауком биметаллической прокладкой.
Рис. 1. Общий вид алюминиевого электролизера
Fig. 1. General view of the aluminium reduction cell
Рис. 2. Конструктивные части анодного узла
Fig. 2. Anode assembly design
188
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Угольный блок имеет базовые размеры, мм: длина – 1450, ширина – 700, высота – 650, а также отверстия для ниппелей
диаметром 160 мм. Три стальных ниппеля
имеют диаметр: в чугунной заливке – 140
мм, на воздухе – 100 мм. Чугунная заливка
используется для установления контакта
между кронштейном и анодным блоком, а
также фиксации кронштейна обожженного
анода. Алюминиевая штанга высотой 2000
мм имеет в основании квадрат со стороной
140 мм.
Трехмерная параметрическая элементно-ориентированная модель обожженного анода (алюминиевая штанга, биметаллическая прокладка, чугунная заливка,
анодный блок, глиноземная засыпка и
электролит) алюминиевого электролизера
разработана с использованием программного комплекса SolidWorks в ассоциативной
связи с пакетом COMSOL Multiphysics, который применим для моделирования тепловых потерь и электрического потенциала
в анодном узле [12].
Отличие модели, разработанной авторами данной статьи (также с помощью
автоматического комплекса SolidWorks
[13]), заключается в том, что в термоэлек-
трический расчет трехмерной конструкции
дополнительно включены два элемента:
глиноземная засыпка и электролит. Необходимо отметить, что полученная модель
полностью параметризирована, что позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических соотношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок. С целью получения энергоэффективной конструкции была использована ассоциативная связь (рис. 3), которая дает возможность проводить автоматизированный анализ влияния геометрических параметров стального паука на тепловые и электрические потери в анодном узле алюминиевого электролизера. Процесс
создания конечно-элементной сетки в
COMSOL Multiphysics полностью автоматический. Для участков, имеющих сложную
геометрию, например, стального паука,
сетка создается с очень мелким шагом.
Таким образом, создание энергоэффективной конструкции анодного узла
заключается в нахождении оптимального
диаметра ниппелей и оптимальной формы
конструкции стального паука.
Рис. 3. Схема вычислительного процесса
Fig. 3. Scheme of the computational process
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
189
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Математическая модель
Температурное поле. Известно,
что теплопередача в анодном блоке происходит за счет:
– теплопроводности элементов
анодного блока;
– конвекции: тепло рассеивается в
окружающую среду, имеющую разные коэффициенты теплообмена и температуры
(рис. 4).
Для определения температурного
поля анодного узла воспользуемся обобщенным уравнением для расчета теплопередачи в твердом теле:
 T

 utrans T     q  qr  
 t

, (1)
dS
 T
Q
dt
C p 
где  – плотность, кг/м3; Cp – теплоемкость
при постоянном давлении, Дж/(кг·К);
T – абсолютная температура, К; utrans – вектор скорости поступательного движения
среды, м/с; q – поток тепла за счет теплопроводности, Вт/м2; qr – тепловой поток за
счет излучения, Вт/м2; α – коэффициент
термического расширения, 1/К; S – второй
тензор напряжения Пиола – Кирхгофа, Па;
Q – дополнительные источники тепла,
Вт/м3.
Распределение электрического
потенциала. При моделировании электрической части расчета были применены
два вида граничных условий:
– нулевой потенциал приложен к
электролиту, который характеризует межполюсное расстояние в ванне [5, 7, 10];
– сила тока, равная 8500 А, приложена к верхнему торцу алюминиевой
штанги.
При использовании стационарных
электрических токов в проводящих средах
необходимо учитывать стационарное уравнение непрерывности. В стационарной системе координат точечная форма закона
Ома гласит, что
J   E  Je ,
(2)
где J – плотность тока, А/м2; σ – удельная
электрическая
проводимость,
См/м;
E – напряженность электрического поля,
В/м; Je – внешняя генерируемая плотность
тока, А/м2.
Рис. 4. Тепловые граничные условия
Fig. 4. Thermal boundary conditions
190
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Статическая форма уравнения непрерывности состояния представлена как
 J   V  J e   0 .
(3)
Для нахождения источников тока
уравнение (3) можно обобщить:
 V  J e   Q j .
теплопроводности, тогда уравнение (1) будет иметь вид:
(4)
C p
T
   kT   Qe .
t
(5)
Источник тепла за счет протекания
по телу электрического тока рассчитывается как
Qe  J  E .
Электромагнитный источник тепла в
комбинированном исследовании представляет собой источник  , Вт/м3, в уравнении
(6)
Результаты
Проверка результатов математического моделирования является наиболее
важным шагом, так как непроверенные результаты исследования тепловой и электрической работы анодной сборки могут
привести к нарушению технологического
режима эксплуатации электролизера [14].
Полученные температурное поле (°C) и поле электрического потенциала (В) представлены на рис. 5.
Взятие температурных проб в трех-
а
мерной модели стального паука проводилось в реперных точках, показанных
на рис. 6.
Приведенное в табл. 1 численное
решение дифференциального уравнения
(5) при заданных граничных и начальных
условиях с достаточной степенью достоверности совпадает с результатами, представленными в различных литературных
источниках (см. графу «Диапазон температур»).
b
Рис. 5. Температурное поле (а) и поле электрического потенциала (b) для базовой модели
Fig. 5. The temperature field (a) and the electric potential field (b) for the base model
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
191
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Рис. 6. Точки измерения температуры
Fig. 6. Temperature measuring points
Таблица 1
Сравнение результатов численного решения с литературными источниками
Table 1
Comparison of numerical solution results with literary sources
Точки измерения
Смоделированная
температуры* /
Диапазон температур, °C /
температура, °C /
Temperature
Temperature range, °C
Modelled temperature, °C
measuring points
П-1
194,68
200–300
П-2
563,20
420–530
П-3
772,31
420–530
П-4
575,52
420–530
П-5
318,19
210–320
П-6
630,36
640–740
П-7
426,16
318–424
* Температура в точках П-2, П-3, П-4 и П-6 измерена под глиноземной засыпкой, которая на рис. 6 не отображена
/ The temperature at the points П-2, П-3, П-4 and П-6 was measured under alumina filling, which is not shown in Fig. 6.
В целом сравнение температур показывает, что математическая модель является адекватной и пригодной для дальнейших исследований. Наибольшие разли-
чия в зоне стальных ниппелей – это следствие того, что авторами данной работы
учтена глиноземная засыпка, которая позволяет удерживать тепло внутри.
Анализ влияния различных конструкций стального паука
на падение общего напряжения на аноде
Авторами исследованы три варианта конструкции анодного узла.
1. Для спроектированного стального
паука изменялся диаметр стальных ниппелей в чугунной заливке от 100 до 220 мм.
Данное исследование проводилось с целью
определения влияния диаметра стальных
ниппелей на падение напряжения на аноде.
2. Менялась форма стального паука,
были рассмотрены конструкция с четырьмя
ниппелями и сплошная конструкция [15].
3. Рассматривалась конструкция
192
ВЕСТНИК ИрГТУ
стального паука с тремя ниппелями, содержащая в себе медную вставку [16]. По
предварительным расчетным данным это
решение должно было снизить величину
падения напряжения в стальном пауке на
40 мВ, что явилось бы достаточно хорошим
результатом.
Для всех трех видов конструкции
начальные и граничные условия оставались постоянными, как и для базовой модели.
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Уменьшение и увеличение диаметра стальных ниппелей в чугунной
заливке. Для стального паука, имеющего
три ниппеля в чугунной заливке, были рассмотрены диаметры ниппелей от 100 до
220 мм с шагом 10 мм. Ввиду того что
спроектированная конструкция удовлетворяет всем условиям параметрического проектирования, исследование проводилось в
автоматизированном режиме, в этом случае необходимо было задать только интервал изменения геометрического размера и
шаг изменения. На рис. 7 проиллюстрированы температурные поля (°C) для ниппелей диаметром 110 и 200 мм.
Из температурных легенд рис. 7
видно, что при увеличении диаметра
стальных ниппелей в чугунной заливке
происходит уменьшение температур во
всех областях.
Графики, представленные на рис. 8
и 9, демонстрируют зависимость температуры каждой части анодной сборки от диаметра ниппелей в чугунной заливке.
а
b
Рис. 7. Температурные поля анодного узла с ниппелями диаметром 110 мм (а) и 200 мм (b)
Fig. 7. Temperature fields of the anode assembly with the stub diameter of 110 mm (a) and 200 mm(b)
Рис. 8. Средняя температура в частях анодной сборки как функция диаметра ниппелей
Fig. 8. Average temperature in anode assembly parts as a function of stub diameter
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
193
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Рис. 9. Средняя температура в частях анодной сборки как функция диаметра ниппелей
Fig. 9. Average temperature in anode assembly parts as a function of stub diameter
Из графиков, представленных на
рис. 8, 9, видно, что при увеличении диаметра ниппелей в чугунной заливке во всех
конструктивных элементах происходит
уменьшение температуры. При этом конструктивные элементы анодной сборки
(алюминиевая штанга, биметаллическая
прокладка и наружные поверхности глино-
земной засыпки) работают в области низких температур, остальные – высоких температур. Таким образом, диаметр ниппелей
оказывает значительное влияние на падение напряжения и температуру в анодном
блоке. На рис. 10 представлено поле электрического потенциала (В) ниппелей диаметром 110 и 200 мм.
а
b
Рис. 10. Поле электрического потенциала анодного узла с ниппелями
диаметром 110 (а) и 200 мм (b)
Fig. 10. Electric potential field of the anode assembly with steel stubs
of 110 mm (a) and 200 mm (b) diameter
194
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Из контурных диаграмм электрического потенциала (см. рис. 10) видно, что
при увеличении диаметра ниппелей происходит уменьшение напряжения. Центральный ниппель имеет наибольшее падение
напряжения по сравнению с боковыми за
счет того, что ток течет от верха штанги к
низу анода, т.е. по кратчайшему пути.
В результате проведенного исследования установлено, что значение падения анодного напряжения уменьшается с
увеличением диаметра ниппелей в чугунной заливке. Это согласуется с данными,
опубликованными в работах зарубежных
авторов [4, 5, 7, 8, 9].
На рис. 11 показано, как снижается
общее напряжение в зависимости от изменения диаметра стальных ниппелей в чугунной заливке. Отсюда можно сделать заключение, что изменение диаметра стальных ниппелей значительно влияет на падение общего напряжения, в частности, на
падение напряжения в самом теле анода и
в стальном пауке. Для выбора оптимального размера стальных ниппелей необходимо
провести междисциплинарное исследование, в которое войдет прочностной анализ
и исследование резистивного нагрева.
Различные формы стального
паука. Второе исследование было направлено на уменьшение падения напряжения
за счет увеличения зоны контакта с анодным блоком путем моделирования методом
конечных элементов двух конструкций
стального паука: с четырьмя ниппелями и в
сплошном исполнении. Прообраз конструкции со сплошным пауком был взят из работы [15], но спроектирован нами на свое
усмотрение, поэтому данная конструкция
во многом экспериментальная и содержит
несколько нюансов, связанных с ее изготовлением и использованием.
На рис. 12 представлена конструкция с четырьмя ниппелями диаметром по
140 мм (а) и конструкция в сплошном исполнении (b).
Рис. 11. Падение общего напряжения как функция диаметра
Fig. 11. Total voltage drop as a diameter function
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
195
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
а
b
Рис. 12. Конструкция стального паука:
а – с четырьмя ниппелями; b – в сплошном исполнении
Fig. 12. Design of a steel yoke:
a – with four steel stubs; b – solid construction
Начальные и граничные условия,
необходимые для проведения термоэлектрического исследования, остаются неиз-
менными (приведены выше). Полученные
результаты сведены в табл. 2 для сравнительного анализа.
Таблица 2
Расчетные параметры электролиза при различных конструкциях стального паука
Table 2
Calculated parameters of electrolysis at different designs of a steel yoke
Тип конструкции стального паука /
Design type of the steel yoke
Сплошное
Параметр / Parameter
Четыре
Три ниппеля /
исполнение /
ниппеля /
Three stubs
Solid
Four stubs
construction
Межполюсное расстояние, мм /
45
45
45
Anode-to-cathode distance, mm
Диаметр ниппелей, мм /
Stub diameter, mm
140
140
–
Сила тока в аноде, кА /
Current strength in the anode, kA
8,5
8,5
8,5
Температура электролита, °C /
Electrolyte temperature, °C
961,19
960,86
960,52
0,490
0,457
0,416
0,033
0,033
0,03
0,026
0,026
0,026
0,069
0,06
0,072
0,125
0,099
0,054
0,237
0,239
0,234
1,39
1,392
1,391
Падение напряжения на аноде, В /
Voltage drop in the anode, V
в том числе / including:
в штанге / in the aluminium rod
в зоне контакта штанга–паук /
in the contact zone of the rod-yoke
в стальном пауке / in the steel yoke
в зоне контакта ниппель–анод /
in the contact zone of the stub-anode
в теле анода / in the anode body
Падение напряжения в электролите, В /
Voltage drop in electrolyte, V
196
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Из табл. 2 видно, что при увеличении зоны контакта с телом анода происходит снижение падения общего напряжения
на анодном узле. За счет увеличения зоны
контакта снижается падение напряжения в
стальном пауке и контакте ниппель–анод, а
для конструкции со сплошным исполнением происходит значительное уменьшение в
области контакта ниппель–анод, но незначительно возрастает в самом пауке.
По результатам проведенных исследований можно сделать заключение,
что конструкция стального паука в сплошном исполнении представляется более выгодной в плане экономии электроэнергии
при работе анода. Это позволяет сэконо-
мить порядка 70 мВ, что является весьма
хорошим результатом. Для выбора наиболее оптимальной конструкции необходимо
дополнительно провести прочностной анализ, чтобы выявить, как термическое расширение в анодной сборке будет влиять на
технологическую работу всей ванны.
Медная вставка в стальном пауке. В третьем случае рассмотрена конструкция стального паука с медной вставкой, предложенная автором работы [16].
На рис. 13 представлена конструкция стального паука с медной вставкой.
Результаты
конечно-элементного
анализа приведены в табл. 3.
Рис. 13. Конструкция стального паука с медной вставкой
Fig. 13. Design of the steel yoke with a copper insert
Таблица 3
Параметры электролиза при различных конструкциях стального паука
Table 3
Electrolysis parameters at different designs of a steel yoke
Параметр / Parameter
Межполюсное расстояние, мм /
Anode-to-cathode distance, mm
Диаметр ниппелей, мм /
Stub diameter, mm
Сила тока в аноде, кА /
Current strength in the anode, kA
Температура электролита, °C /
Electrolyte temperature, °C
Падение напряжения в аноде, В /
Voltage drop in the anode, V
в том числе / including:
в штанге / in the aluminium rod
в зоне контакта штанга–паук /
in the contact zone of the rod-yoke
в стальном пауке / in the steel yoke
в зоне контакта ниппель–анод /
in the contact zone of the stub-anode
в теле анода / in the anode body
Падение напряжения в электролите, В /
Voltage drop in the anode, V
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Конструкция стального паука /
Steel yoke design
без медной вставки /
с медной вставкой /
without a copper insert
with a copper insert
45
45
140
140
8,5
8,5
961,19
960,29
0,490
0,454
0,033
0,033
0,026
0,026
0,069
0,032
0,125
0,126
0,237
0,237
1,39
1,39
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
197
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Из сравнительного анализа представленных в табл. 3 данных видно, что
при использовании медной вставки общее
напряжение на аноде уменьшается приблизительно на 40 мВ. Это результат того,
что по сравнению со сталью медь более
электро- и теплопроводна (коэффициент
теплопроводности стали в 8 раз меньше,
чем у меди).
Температурное поле (°C) и поле
электрического потенциала (В), выявленные путем проведения термоэлектрического конечно-элементного анализа, представлены на рис. 14 и 15.
Из всех рассчитанных конструкций
самой выгодной в плане экономии электрической энергии оказалась конструкция со
сплошным ниппелем, но и конструкция с
медной вставкой также показала хорошие
результаты. В ходе проведенных ранее исследований было выявлено, что увеличение диаметра ниппелей ведет к уменьшению падения напряжения, поэтому для конструкции с медной вставкой диаметр ниппелей можно увеличить до 180 мм и получить еще более низкое значение общего
анодного напряжения.
Рис. 14. Температурное поле конструкции с медной вставкой
Fig. 14. Temperature field the design with a copper insert
Рис. 15. Поле электрического потенциала конструкции с медной вставкой
Fig. 15. Field of an electrical potential the design with a copper insert
198
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Заключение
В заключение можно подвести итоги
проведенного исследования:
1. Авторами разработана альтернативная трехмерная термоэлектрическая
конечно-элементная модель анодного узла,
позволяющая проводить автоматизированный анализ влияния геометрических параметров стального паука на тепловые и
электрические потери в анодном узле алюминиевого электролизера.
2. Изучено влияние диаметра стальных ниппелей и новых конструкций стального паука на тепловую и электрическую
работу анодного узла.
3. Определена наиболее энергоэффективная конструкция стального паука – в
сплошном исполнении, но и конструкция с
медной вставкой показала хорошие результаты.
Следует отметить, что выбор энергоэффективной конструкции стального паука проводился с учетом только термоэлектрического расчета (резистивный нагрев), а
изучение термонапряженного состояния –
цель последующих исследований. Расчет
термонапряженного состояния позволит
сравнить прочность рассматриваемых конструкций (может оказаться, что чрезмерное
увеличение диаметра стальных ниппелей
«порвет» анод при термическом расширении). Также будет лана оценка стоимости
различных конструкций, что важно при массовом внедрении новых анодов.
Библиографический список
1. Kvande H., Drablos P.A. The aluminum smelting
University Laval. 2009.
process and innovative alternative technologies // Jour10. Dupuis M. Using ANSYS to model aluminium reducnal of Occupational and Environmental Medicine. 2014.
tion cell since 1984 and beyond // In Proceedings of the
th
Vol. 56. P. 23.
ANSYS 10 International Conference. 2002.
2. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium
11. Beier S., Chen J.J., Fortin H., Fafard M. FEM analyelectrolysis: Understanding the Hall-Heroult process //
sis of the anode in aluminium reduction cells // TMS
Dusseldorf. Aluminium-Verlag. 1993.
Light Metals. 2011. Vol. 1. P. 979–984.
3. Fortin H., Fafard M., Kandev N., Goulet P. FEM anal12. Завизин А.В., Пискажова Т.В., Линейцев А.В.,
ysis of voltage drop in the anode connector assembly //
Третьяков Я.А. Совершенствование конструкции
TMS Light Metals. 2009. Vol. 1. P. 1055–1060.
анодного узла алюминиевого электролизера с ис4. Li W., Zhou J., Zhou Y.-W. Numerical analysis of the
пользованием современных САПР // Образовательanode voltage drop of reduction cell // TMS Light Metные ресурсы и технологии. 2016. № 2. С. 103–108.
als. 2009. Vol. 1. P. 1169–1171.
13. Завизин А.В., Пискажова Т.В., Линейцев А.В.
5. Beier S. A study of an anode assembly with focus on
Программный модуль для построения тигельной
the anode connection used in aluminium reduction cells
печи сопротивления в среде SolidWorks на базе API
// Master’s thesis. Auckland University. July 2010.
[Электронный ресурс] // Инженерный вестник. 2015.
6. Fortin H., Fafard M., Kandev N. FEM analysis of volt№
6.
URL:
http://engsi.ru/doc/781113.html
age drop in the anode connector induced by steel stub
(18.10.2016).
diameter reduction // Finite elements in analysis and
14. Dupuis M. Process simulation // TMS Course on
design. 2012. Vol. 52. P. 71–82.
Industrial Aluminum Electrolysis. 1997.
7. Jeddi E. Numerical study of anodic voltage drop in
15. Мирпочаев Х.А., Азизов Б.С., Муродиён А.Ш.
the Hall-Heroult cells by finite element method // MasУсовершенствование конструкции анодных токоподter’s thesis. Quebec University. 2013.
водов – смонтированных обожженных анодов элек8. Mahmoud A. Aly, Mohamed M. Ali, Atlam A.A. A
тролизера для производства алюминия // Доклады
study of anodic voltage drop in aluminum reduction cell
Академии наук республики Таджикистан. Секция
by finite element analysis // International Journal of En«Металлургия». 2008. Т. 51. № 10. С. 765–769.
gineering Research and Applications. 2016. Vol. 6.
16. Dag Sverre Saesboe. Storvik high conductivity anP. 1–11.
ode yoke with copper core // The International Commit9. Fortin H. Modelisation du comportement thermotee for Study of Bauxite, Alumina & Aluminium. Quebec,
electric-mecanique de l’anode de carbone utilisee dans
Canada. 2015.
la production primaire de l’aluminium. Master’s thesis.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 11 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
199
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
References
1. Kvande H., Drablos P.A. The aluminum smelting
11. Beier S., Chen J.J., Fortin H., Fafard M. FEM analyprocess and innovative alternative technologies // Joursis of the anode in aluminium reduction cells // TMS
nal of Occupational and Environmental Medicine. 2014,
Light Metals. 2011, vol. 1, pp. 979–984.
vol. 56, pp. 23.
12. Zavizin A.V., Piskazhova T.V., Lineitsev A.V.,
Tret'yakov Ya.A. Sovershenstvovanie konstruktsii an2. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium
odnogo
uzla
alyuminievogo
elektrolizera
s
electrolysis: Understanding the Hall-Heroult process //
ispol'zovaniem sovremennykh SAPR [Improving the
Dusseldorf. Aluminium-Verlag. 1993.
3. Fortin H., Fafard M., Kandev N., Goulet P. FEM analdesign of the anode unit of aluminum electrolyzers using advanced CAD]. Obrazovatel'nye resursy i
ysis of voltage drop in the anode connector assembly //
tekhnologii [Educational resources and technologies].
TMS Light Metals. 2009, vol. 1, pp. 1055–1060.
4. Li W., Zhou J., Zhou Y.-W. Numerical analysis of the
2016, no. 2, pp. 103–108. (In Russian)
13. Zavizin A.V., Piskazhova T.V., Lineitsev A.V. Proanode voltage drop of reduction cell // TMS Light Metgrammnyi modul' dlya postroeniya tigel'noi pechi soproals. 2009, vol. 1, pp. 1169–1171.
tivleniya v srede SolidWorks na baze API [A software
5. Beier S. A study of an anode assembly with focus on
the anode connection used in aluminium reduction cells
module for the construction of a resistance-heated pot// Master’s thesis. Auckland University. July 2010.
type furnace in SolidWorks based on API]. Online jour6. Fortin H., Fafard M., Kandev N. FEM analysis of voltnal “Engineering Bulletin”. 2015, no. 6. Available at:
age drop in the anode connector induced by steel stub
http://engsi.ru/doc/781113.html (accessed 18 October
diameter reduction // Finite elements in analysis and
2016). (In Russian)
design. 2012, vol. 52, pp. 71–82.
14. Dupuis M. Process simulation // TMS Course on
7. Jeddi E. Numerical study of anodic voltage drop in
Industrial Aluminum Electrolysis. 1997.
the Hall-Heroult cells by finite element method // Mas15. Mirpochaev Kh.A., Azizov B.S., Murodien A.Sh.
Usovershenstvovanie konstruktsii anodnykh tokopter’s thesis. Quebec University. 2013.
odvodov – smontirovannykh obozhzhennykh anodov
8. Mahmoud A. Aly, Mohamed M. Ali, Atlam A.A. A
elektrolizera dlya proizvodstva alyuminiya [Improving
study of anodic voltage drop in aluminum reduction cell
by finite element analysis // International Journal of Endesign of anode current leads – mounted baked anodes
gineering Research and Applications. 2016, vol. 6,
of the aluminum reduction cell for aluminum production]. Doklady Akademii nauk respubliki Tadzhikistan.
pp. 1–11.
Sektsiya “Metallurgiya” [Reports of the Academy of Sci9. Fortin H. Modelisation du comportement thermoelectric-mecanique de l’anode de carbone utilisee dans
ences of the Republic of Tajikistan. Metallurgy Section].
la production primaire de l’aluminium. Master’s thesis.
2008, vol. 51, no. 10, pp. 765–769. (In Russian)
University Laval. 2009.
16. Dag Sverre Saesboe. Storvik high conductivity an10. Dupuis M. Using ANSYS to model aluminium reducode yoke with copper core // The International Committion cell since 1984 and beyond // In Proceedings of the
tee for Study of Bauxite, Alumina & Aluminium. Quebec,
ANSYS 10th International Conference. 2002.
Canada. 2015.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов и в равной мере
несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and
formalization of scientific results and are equally responsible for the plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 22.11.2016 г.
The article was received 22 November 2016
200
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 1 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 1 2017
ISSN 1814-3520
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа