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:
- Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1987. – 320с.
- 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.
- Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
- Huei-Huang Lee. Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 14. — SDC publications, 2012. – 608c.[schema type=»book» name=»МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА» description=»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. » author=»Александров Евгений Андреевич, Бажин Владимир Юрьевич, Затуловский Кирилл Аркадьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]