Прочностной анализ биметаллических пластин анододержателей алюминиевых электролизеров с обожженными анодами.

В.В.Тихомиров, С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак, В.А.Востриков, А.И.Огурцов

ООО "АЛКОРУС ИНЖИНИРИНГ"

В конструкции электролизеров с обожженными анодами угольные аноды удерживаются в рабочем положении с помощью анододержателей [1]. Анододержатели состоят из трех конструктивных элементов: токоведущей штанги, траверсы и ниппелей. Токоведущая штанга выполняется из немагнитного материала (алюминий, сплавы алюминия). Траверса представляет собой стальную литую или сварную конструкцию, несущую анодные ниппели.

Анододержатели выполняют две функции: подводят ток к угольным анодам и несут весовые и температурные нагрузки. В процессе цикла эксплуатации анодов происходит постепенное уменьшение их веса (потеря в весе составляет около 2,5% от начального веса ежедневно) и при этом увеличивается температура самой траверсы. Использование стали в качестве конструкционного материала определяется прежде всего необходимостью сохранения свойств конструкции при эксплуатационных температурах. С целью исключения излишнего падения напряжения в токоведущей штанге ее выполняют из алюминия, а не из стали. Кроме того, алюминиевые штанги контактируют с алюминиевыми анодными шинами, и здесь нежелателен контакт разнородных материалов.

В силу конструкционных ограничений возникает необходимость соединения двух разнородных материалов - алюминия и стали (алюминиевой штанги и стальной траверсы). При этом требуется обеспечить очень надежные механические и электрические контакты.

Первоначально в конструкциях анододержателей использовалось механическое соединение стальных траверс с анодными штангами с помощью болтов или клиньев. Впоследствии стала применяться сварка трением. С начала 90-х годов прошлого века предпочтение стали отдавать соединениям с помощью сталеалюминевых биметаллических пластин. Для изготовления биметаллических пластин преимущественно используется технология сварки взрывом.

На рис. 1 изображены два способа применения биметаллических пластин: вертикальное расположение (а) и горизонтальное (б).

Промышленное использование биметаллических пластин началось с варианта 1а. Считалось, что только подобная конструкция обеспечивает необходимую механическую прочность. В отличие от российских алюминиевых заводов, где используется только конструкция по варианту 1а, на современных зарубежных алюминиевых заводах используется вариант 1б. Из рис. 1 можно видеть различия в конструкциях: в варианте 1а используется две биметаллические пластины; для варианта 1б одна пластина.

Биметаллические пластины размером 40x200x200 стоят около 25 долларов за штуку. Сами анододержатели имеют ограниченное количество циклов использования. Отсюда становится очевидной важность решения вопроса об оптимизации стоимости изготовления анододержателей и их прочностных характеристик.

Прочностной анализ биметаллических соединений анододержателей можно осуществить с помощью компьютерного моделирования.

Компьютерный анализ проводился в трехмерной постановке на основе конечно-элементной методики с применением программного комплекса ABAQUS 6.2. В соответствии с целями исследования конечно-элементная сетка, учитывающая геометрические особенности конструкций, была неравномерной и состояла из линейных пространственных конечных элементов, имеющих сгущение в районе расположения бипластин.

С механической точки зрения анодный узел представляет собой пространственную неоднородную структуру, в состав которой входит ряд различных по своим свойствам материалов. Поскольку в процессе эксплуатации различные части конструкций находятся в условиях неоднородного температурного поля, при построении механических моделей анодных устройств учитывалась зависимость теплофизических и электрических параметров материалов, а также механических модулей от температуры [2, 3, 4]. Предполагалось, что в местах соединения различных материалов осуществляется идеальный механический контакт.

Как показывает практический опыт, ниппели стальных кронштейнов анододержателей после нескольких циклов работы имеют заметные остаточные деформации. В связи с этим учитывалось, что сталь может переходить в пластическое состояние в рамках модели идеальной пластичности. Предел текучести стали принимался зависящим от температуры [4].

Все приложенные к конструкции воздействия могут быть разделены на две категории: механические нагрузки (объемные силы тяжести и архимедовы выталкивающие силы, действующие на погруженную в расплав часть анода) и температурные нагрузки. Температурное поле анодного узла обусловлено тепловыделением в результате прохождения электрического тока и теплообменом с окружающей средой. Таким образом, исследование разделяется на два этапа. На первом этапе решается связанная электротепловая задача и определяется температурное поле конструкции, а затем, на втором этапе, анализируется задача термоупругопластичности.

При решении термоэлектрической задачи принималось, что часть анода, погруженная в электролит, имеет постоянную температуру 960°C, а на остальных поверхностях конструкции задаются условия теплообмена с окружающей средой, имеющей температуру 120°C внутри укрытий электролизера и 20°C - вне укрытий. Коэффициенты теплоотдачи на поверхностях анодного узла брались из работы [2].

Предполагалось, что на продольных сторонах анодных узлов, ортогональных продольной оси электролизера, условия теплообмена являются одинаковыми. Это позволило с учетом геометрической симметрии узла при анализе рассматривать только половину конструкции. Вместе с тем, на торцевых гранях угольных анодов принимались различные условия теплообмена, что обусловлено повышенной теплоотдачей с торца, обращенного к внешней стороне электролизера.

В зависимости от времени с момента установки анода в электролизер до его извлечения происходят изменения температурных режимов эксплуатации и весовой нагрузки на биметаллические пластины. Исследование проводилось в трех режимах работы анодного узла:

Третий режим рассматривается как самый неблагоприятный вариант эксплуатации, при котором резко возрастает температура траверсы.

На рис. 2 изображено распределение температуры угольного анода и анододержателя (вариант 1а) для трех режимов работы анода. Во всех случаях задаваемая температура подошвы анода составляла 960°C. В режиме работы с полным анодом (режим 1), максимальное значение температуры траверсы составляет 380°C. В режиме 2 максимальное значение температуры траверсы составляет уже 563°C, а алюминиевой штанги 224°C. Температуры траверсы и алюминиевой штанги в режиме работы 3 достигают значений 605°C и 233°C соответственно.

Полученные расчетные значения температур в аноде и анододержателе сравнивались с контрольными замерами на эксплуатируемом в промышленности электролизере, рассчитанном на силу тока 130 кА. Расхождение расчетных и измеренных значений не превышает 7%.

Анализ температурных полей на поверхности раздела материалов (сталь-алюминий) в бипластинах показывает, что в случае горизонтально расположенного переходника (вариант 1б) наблюдаются более высокие значения температур по сравнению с вариантом 1а при всех режимах работы анодного узла. Однако, градиент температуры на этой поверхности в конструкции по варианту 1б является незначительным (в пределах одного градуса), в то время как для варианта 1а он может достигать 25°C в режиме работы прогоревшего огарка. С уменьшением толщины угольного анода в обеих конструкциях температура бипластин повышается. При этом прирост температур в модели с одной горизонтальной бипластиной является более значительным и может достигать 95°C в критической ситуации (в режиме 3) по сравнению с условиями работы с полным анодом.

Моделирование напряженно-деформированного состояния анодных узлов проводилось на основе полученных температурных полей и с учетом, как геометрической симметрии конструкций, так и симметрии граничных условий. Расчеты показывают, что определяющим фактором, влияющим на напряженное состояние соединения сталь-алюминий, является температурный фактор. Механические нагрузки играют второстепенную роль.

Распределение нормальных напряжений, действующих на поверхностях раздела металлов сталь-алюминий в бипластинах, в вариантах 1а и 1б при работе конструкций в режиме 3 приведено на рис. 3. Ввиду небольшой разницы в значениях нормальных напряжений в случае вертикально расположенных бипластин, на рис. 3а представлено поле напряжений только в одной бипластине, расположенной ближе к "горячему" торцу анода. Видно, что напряженное состояние биметаллических переходников характеризуется большой неоднородностью. Наряду с областями, в которых действуют сжимающие напряжения, имеются области растягивающих напряжений. С точки зрения прочности соединения опасными являются растягивающие напряжения, при превышении которыми предела прочности соединения на разрыв может произойти расслоение металлов и разрушение бипластины. Экспериментальные исследования бипластин показывают, что предел прочности на разрыв непосредственного соединения металлов сталь-алюминий, т.е. соединения без дополнительного тонкого промежуточного слоя из хрома или титана, зависит от температуры и резко уменьшается с течением времени [5].

Количественные характеристики напряженного состояния биметаллических переходников приведены в таблице 1, где σ⁺_max- максимальные растягивающие напряжения, действующие на поверхности соединения металлов, |σ_max| - модуль максимальных сжимающих напряжений, а σ_ср- среднее значение напряжений на этой поверхности.

Таблица 1.

Представленные данные показывают, что при работе анодных узлов с полными анодами наибольшие растягивающие напряжения наблюдаются для варианта 1б с одной горизонтальной бипластиной. Это объясняется тем, что в данном типе конструкции влияние весовой нагрузки от угольной части узла является существенным. Однако в рассматриваемом случае средние напряжения на поверхности раздела металлов относительно невелики и, следовательно, относительно малыми будут и разрывающие соединение усилия.

По мере выгорания анода происходит перераспределение термоупругих напряжений. Для варианта 1а с вертикально расположенными бипластинами происходит монотонный рост максимумов растягивающих напряжений на поверхности соединения, в то время как для варианта 1б с горизонтально ориентированной бипластиной превалирующими становятся сжимающие напряжения. Однако, как в том, так и в другом случае с уменьшением высоты анода наблюдается непрерывное возрастание средних напряжений, которые оказываются положительными, т.е. растягивающими. Естественно, это приводит к увеличению разрывающих усилий. Поэтому в прочностном отношении режим работы анодных узлов с выгоревшими анодами является наиболее критическим. При этом приведенные в таблице данные показывают, что для варианта 1а по сравнению с вариантом 1б превышение максимальных растягивающих напряжений составляет 65% в режиме работы узла с огарком и 75% - в режиме 3. Относительно более высокие максимумы разрывающих соединение напряжений для конструкции с вертикальными бипластинами указывают на большую вероятность локального нарушения контакта между сталью и алюминием.

Выполненный анализ напряженного состояния биметаллических пластин показывает, что при работе с новыми анодами у конструкции анододержателя с вертикальными пластинами (1а) имеется некоторое прочностное преимущество по сравнению с конструкцией анододержателя с горизонтальными пластинами (1б). В этом режиме работы весовые нагрузки от анода оказывают наибольшее влияние на прочностные характеристики конструкции 1б.

По мере выгорания анода влияние механических нагрузок ослабевает, а температурного фактора - увеличивается. При температурах, соответствующих извлечению анодных огарков (режим 2), уже прочностные характеристики горизонтальных биметаллических пластин (1б) лучше, чем у вертикальных (1а). Эта закономерность сохраняется и в аварийном режиме, когда имеется доступ электролита к ниппелям (режим 3). Расчеты позволяют сделать вывод о том, что даже в режиме 3 у горизонтальных пластин хватает запаса прочности, чтобы не происходил обрыв анодов.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что конструкции анододержателей с горизонтальными биметаллическими пластинами обеспечивают достаточную эксплуатационную прочность и их применение позволяет снизить затраты на биметаллические пластины.

Библиографический список

РЕФЕРАТ

Методом компьютерного моделирования определены тепловые поля анододержателей электролизеров с обожженными анодами. Расчеты прочностных характеристик вертикальных и горизонтальных биметаллических пластин анододержателей в различных режимах эксплуатации обожженного анода. Показано, что конструкция анододержателя с горизонтальными биметаллическими пластинами имеет необходимые для промышленной эксплуатации прочностные свойства.