Исследование падения напряжения в подовых блоках с блюмсами различного сечения.

С.Н.Ахмедов, В.Г.Скворцов, Ю.В.Борисоглебский, Б.С.Громов, Р.В.Пак

Падение напряжения в подине является одним из составляющих падения напряжения, которые необходимо определять при составлении электрического баланса электролизера. Падение напряжения в подине можно рассчитать или измерить. Однако измерение падения напряжения используется только на практике, а для быстрой оценки зависимости падения напряжения от геометрических параметров подовых блоков и блюмсов при проектировании электролизеров необходимо иметь в наличии эффективное программное средство. В настоящее время при расчете падения напряжения в подине в основном используются эмпирические формулы, недостатком кото-рых является узкая применимость входящих в нее параметров. При расчетах падения напряжения в подине необходимо знать характер распределения температурного и электрического полей, изменение которых влияет на электрические свойства материалов, входящих в конструкцию подины. В работе [1] показано, что электрические свойства входящих в конструкцию подины материалов зависят не только от температуры и контактного давления, но и от срока службы катодного устройства. Использованный нами метод расчета основан на раздельном вычислении составляющих падения напряжения в отдельных элементах: контакт расплавленного алюминия с подовыми блоками, подовые блоки, контакт блок - чугунная заливка (или склеивающая паста), катодные стержни.

Падение напряжения в контакте расплавленный алюминий - подовые блоки

где ΔU_ал-бл - падение напряжения в контакте расплавленный алюминий - подовые блоки, В; I - сила тока на электролизере, А; ρ_ал-бл - электросопротивление контакта расплавленный алюминий - блоки, ом·см², s_ал-бл - площадь контакта или площадь свободной от настыли подины, см².

В расчетах удельное сопротивление контакта принимается равным 0,09 ом·см² [2]. Площадь свободной от настыли подины берется равной площади анода.

Падение напряжения в блоках

где ΔU_бл - падение напряжения в блоках, В; i - сила тока, приходящаяся на одну подовую секцию, А; ρ_бл - удельное сопротивление блоков, Ом·см; s_бл - среднее сечение блока, через которое протекает ток, см², l - путь тока в блоках, см.

По данным работы [2], удельное сопротивление блоков представляется уравнениями:

для прошивных блоков

для прессованных блоков

где:

ρ_t удельное сопротивление блоков при данной температуре, Ом·см

ρ₀ - удельное сопротивление блоков при 0°С, ;

α - температурный коэффициент, °С^-1;

t - температура блоков, °С.

Температура блоков берется как среднеарифметическая величина между температурой процесса и температурой соответствующего участка катодных стержней.

Путь тока в блоках находится как средневзвешенная по току величина [2], если считать, что плотность тока на боковых гранях катодных стержней одинакова:

где:

H_бл - высота блока, см;

h_ст и b_ст - соответственно высота и ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки или засыпки, см.

Сечение блока, через которое протекает ток, находится как среднеарифметическая величина между площадью участка свободной подины и токопроводящей поверхностью катодного стержня.

Падение напряжения в контакте блок - катодный стержень

где:

ΔU_бл-ст - падение напряжения в контакте блок катодный стержень, В;

ρ_бл-ст - электросопротивление суммарного контакта блок набивная масса и набивная масса катодный стержень, 2;

s_бл-ст - средняя площадь контакта, см².

Падение напряжения в катодных стержнях

Падение напряжения в катодном стержне рассчитываются исходя из суммарных затрат мощности на отдельных участках:

где:

ΔU_cm - падение напряжения в стержне, В;

ΔW_j - расход мощности на участках, Вт;

I - сила тока, приходящаяся на один стержень, А;

n - количество участков, на которые разбит стержень.

В свою очередь расход мощности на участке равен, Вт:

где:

Δi - сила тока, протекающего по участку, А;

ρ_уч- соответственно удельное сопротивление Ом·см;

l_уч - длина рассматриваемого участка см;

s_уч - сечение рассматриваемого участка см2.

Общее падение напряжения суммируется по элементам подины:

По вышеизложенной математической модели была разработана программа расчета падения напряжения в подине, предназначенная для работы в операционной среде Windows 98/2000/NT. С использованием этой программы были произведены расчеты падания напряжения в подине для различных конструкций подовых блоков.

Количество подовых секций, размеры блоков и стержней выбирались по конструктивным соображениям. При этом считалось, что плотность тока в поперечном сечении катодного стрежня не должна превышать допустимой величины, равной 0,2 А/мм² для стали.

На рисунке 1 приведены результаты расчетов падения напряжения в подине для электролизера на силу тока 156 кА с подовыми блоками, размер которых в сечении составляет 550x420 мм. Численные значения падения напряжения в подине при изменении конфигурации блюмса приведены в таблице 1.

Размеры блюмса Падение напряжения, В b,высота,мм a,ширина,мм 150 300 0,245 150 270 0,259 150 240 0,275 150 210 0,295 150 180 0,321 150 150 0,355 180 150 0,337 210 150 0,303 240 150 0,275 270 150 0,253 300 150 0,235

Данные приведенных расчетов показывают, что максимальное значение падения напряжения наблюдается в подовом блоке с сечением блюмса 150x150 мм. При неизменной высоте блюмса - b, 150 мм, увеличение размера по ширине - a, до 300 мм приводит к снижению падения напряжения в подовом блоке. Аналогично, при фиксированной ширине блюмса - a, 150 мм, увеличение высоты - b, до 300 мм также приводит к снижению падения напряжения в подовом блоке.

Таблица 1. Падение напряжения в подовом блоке при различной конфигурации блюмса.

Проведенные ранее исследования [3] показали, что с точки зрения напряженного состояния подовых блоков размером 550x420 мм оптимальным является сечение блюмса 150x150 мм. Также было показано, что при увеличении ширины - a, блюмса градиент интенсивности напряжений в окрестности скругления паза возрастает более резко чем, в случае увеличения высоты - b, блюмса. Следовательно, вероятность появления трещин у подовых блоков с блюмсами сечением 180x150 мм выше, чем у подовых блоков с блюмсами сечением 150x180 мм.

Выбор оптимального сечения блюмса должен быть определен сопоставительным анализом напряженного состояния подового блока и падением напряжения в подовом блоке, при этом конечный приоритет должен отдаваться прочностным характеристикам, поскольку они определяют целостность подовых блоков. В данном случае, компромиссным является вариант с сечением блюмса 150x180 мм. Подовый блок с такой конфигурацией блюмса обладает удовлетворительными прочностными характеристиками [3] и при этом достигается снижения падения напряжения в блоке, по сравнению с вариантом с блюмсом сечением 150x150 мм.

Вывод: расчеты падения напряжения в подовом блоке наряду с расчетами напряженного состояния подовых блоков позволяют получить дополнительные критерии при выборе конфигурации блюмса. По совокупности электрических и прочностных характеристик, при использовании подовых блоков сечением 550x420 мм оптимальным сечением блюмса является сечение 150x180 мм.

Библиографический список

РЕФЕРАТ

В данной работе исследовалось влияние геометрических параметров катодных стержней в конструкции подовых блоков в катодном устройстве электролизера для получения алюминия на величину падения напряжения в подо-вом блоке. Для проведения расчетов была разработана программа расчета падения напряжения в подовом блоке, позволяющая учитывать нелинейные теплофизические свойства стали от температуры.

Учитывая напряженное состояние подовых блоков и значение падения напряжения в подовых блоках, оптимальным можно считать размер блюмсов с сечением 180х150 мм.