30 Дек

МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В настоящее время активно разрабатываются новые способы эффективного управления  технологическим процессом  электролитического получения алюминия при его интенсификации, связанной в первую очередь с увеличением амперной нагрузки. Это становится актуальной задачей для алюминиевой промышленности в связи пуском Богучанского алюминиевого завода (Красноярский край) и масштабным пуском, остановленных в консервацию, алюминиевых электролизеров на предприятиях ОК РУСАЛ.

Температура электролита является основным технологическим параметром алюминиевого электролизера, влияющим на его производительность и выход по току [1]. При отклонениях от технологического режима электролизер контролируется при помощи систем АСУТП по изменению рабочего напряжения, и после обнаружения нарушения производится ручной замер температуры электролита. При этом электролизер может длительное время находится в разбалансированном состоянии. Представляет научно-практический интерес применить методику численного моделирования трехмерных тепловых полей для алюминиевых электролизеров в сочетании с элементами классической методики. Проанализировав конструкцию ванны, её составные части, материалы, из которых они изготовлены, и граничные условия теплообмена, можно определить температуру электролита опосредованно, рассчитав общее тепловое поле «назначенного» электролизера при помощи лицензионного программного обеспечения ANSYS.14 [4].  По имеющимся данным и чертежам была создана трёхмерная модель высокоамперного алюминиевого электролизера на 330 кА.  За постоянно контролируемый параметр приняли температуру днища катодного кожуха серийного электролизера, зафиксированную при помощи стационарной термопары в одной точке.

Для построения численных моделей, применяли файлы заданий, которые содержали данные о геометрии модели, свойствах материалов, заданий на расчет и т.д., с учетом текущих замеров температур. Для проверки адекватности полученной модели производили сверку реальных замеров температур электролита, полученных ручным замером при помощи хромель-алюмелевых термопар, и значений, полученных от контактных термопар, зафиксированных на конструкции электролизера.

Для разработки файла 3D модели U поля электролизера ОА-300М использовался блок формул, включающий в себя стационарное уравнение электропроводности [3], граничные условия, и стандартную методику расчета электрического баланса электролизера. При разработке файла задания для 3D модели T-поля электролизера применялся блок формул, содержащий стационарное уравнение теплопроводности, граничные условия, и методику расчета энергобаланса с учетом температуры окружающей среды.

Адаптацию численной модели проводили по экспериментальным данным (, ФРП, МПР, температурам на поверхностях контакта с воздухом) путем изменения значений, МПР, теплопроводности материалов кожуха, с учетом пропитки их фторсолями [1].

В программном комплексе ANSYS.14 построили дискретную модель, разделив конструкции сложной формы на более мелкие части, согласно принципу метода конечных элементов.

После расчета U-поля электролизера  рассчитали падение напряжения на отдельных его элементах. С использованием численного решения по элементам рассчитываются следующие параметры тока в электролизере: по торцам блюмсов и анодным ниппелям рассчитываются распределения результирующих значений ; по подошве анодов рассчитывается распределение тока , и суммарный ток через электролизер в различных сечениях (например, подошвы анодов, блюмсы, анодные ниппеля).

Таким образом, получили универсальную численную модель, адаптированную для высокоамперного электролизера с целью выполнения расчетов полей электрического потенциала при изменении его конструкционных параметров.

Данные расчетов полей температур, теплопотерь и энергобаланса на температуру окружающей среды алюминиевого электролизера ОА на силу тока 330 кА представлены на рис. 1 и в табл. 1. Для улучшения восприятия, был выполнен поперечный разрез модели на конечной стадии (рис. 1).

Рис. 1. Распределение температуры внутри электролизера

Таблица 1

Энергетический баланс электролизера ОА-300М

Приходные статьи P, кВт доля, %
Электроэнергия 1414,37 4,222 89,62
Окисление анодов 163,86 0,489 10,38
Всего приход энергии 1578,23 4,711 100
Расходные статьи P, кВт доля, %
Электрохимический процесс 706,99 2,11 44,79
Теплопотери анодов и катода 852,52 2,545 54,03
Теплопотери с вылитым металлом 15,99 0,045 1,01
Теплопотери с уходящими газами 2,19 0,006 0,139
Всего расход энергии 1,577,69 4,7095 99,966

Внедрение программного обеспечения ANSYS.14 в схему управления  технологическим процессом  электролитического получения алюминия даст возможность определять температуру в любой точке алюминиевого электролизера при согласовании с реальными температурными замерами элементов и управлять тепловым балансом электролизера через регистрирующие сигналы. Если выбрать участки на металлических конструкциях электролизера, и выделить наиболее стабильные температурные зоны с наименьшим влиянием внешних помех, то при согласовании с текущими замерами температур электролита, можно адаптировать и передать регистрирующий сигнал на АСУТП, и при его отклонении принимать меры по устранению технологического нарушения на электролизере.

Список литературы:

  1. Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1987. – 320с.
  2. Карвацкий А.Я., Дудников П.И., Лелека С.В., Билько В.В. Численное исследование температурных и электрических полей в алюминиевых электролизерах // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т.25, приложение к № 4. – С. 389–391.
  3. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
  4. Huei-Huang Lee. Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 14. — SDC publications, 2012. – 608c.
    МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
    Высокотемпературная и химически агрессивная среда криолит-глиноземного расплава не позволяет осуществлять постоянный контроль электролизера при помощи стандартных термопар. Обсуждается проблема контроля теплового состояния сверхмощного алюминиевого электролизера при помощи адаптированного программного пакета ANSYS.14, тесно связанная с увеличением амперной нагрузки выше проектных значений.
    Written by: Александров Евгений Андреевич, Бажин Владимир Юрьевич, Затуловский Кирилл Аркадьевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 06/02/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)
    Available in: Ebook