Доклад Орловx - Сибирский федеральный университет

УДК 532.5
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА ЧЕРЕЗ ПОРЫ ФУТЕРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ
Орлов А.С.
научный руководитель Прошкин А.В., д-р техн. наук.
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск
В конце 19 века Чарльз Холл и Поль Эру высказали свои идеи о производстве
алюминия электролизом. Хотя принципы процесса Холла-Эру не изменились с момента их внедрения, современные требования к материалам катодной подины стали гораздо более серьезными [1]. Одной из основных причин преждевременного отключения
алюминиевого электролизера является проникновение электролита в теплоизоляционную часть футеровки подины. Попадание электролита в теплоизоляцию катодного
устройства ведет к избыточным тепловым потерям и уменьшению срока службы электролизера. Математическое моделирование является ценным инструментом, который
может помочь в оптимизации существующей конструкции футеровки катодного
устройства и позволит сэкономить время и силы при разработке новых электролизеров.
Использование математических моделей особенно ценно для осуществления термоэлектрического анализа ванны, и дает возможность быстро пересчитать профиль гарнисажа и новый тепловой баланс, если изменяются элементы подины или их свойства.
Наиболее слабым местом в конструкции электролизера являются набивные межблочные и периферийные швы, поэтому моделирование проводилось с учетом этих
особенностей. Расчетная область представляет собой половинную часть катодного
устройства электролизера, геометрия приведена на рисунке 1. В сечении выделены все
составные части алюминиевого электролизера данной конструкции. Математическое
моделирование фильтрации электролита проводилось с использованием CFD-пакета
FLUENT вер. 14 [2]. Для решения задачи использовался VOF метод [3].
Рисунок 1 Геометрия расчетной области: 1 – SiC блок, 2 и 3 – шамот, 4 – вермикулит, 5
– древесная мука, 6 – блок-вставка, 7 – периферийный шов, 8 – бетон огнеупорный, 9 –
шамот, 10 – вермикулит, 11 – подовый блок, 12 – межблочные швы, 13,14 – огнеупор,
15 – теплоизоляция.
1
Задача распространения электролита решалась в нестационарной двумерной постановке при условии постоянства температуры и плотности электролита. Ниже представлены результаты расчета.
Рисунок 2 Температурное поле (°C)
Рисунок 3 Пропитка подины электролитом за 10 часов
Рисунок 4 Пропитка подины электролитом за 100 часов
Из полученных результатов (рисунок 2) видно, что изотерма ликвидуса электролита (850 °C) полностью проходит слой СБС и практически доходит до ПБУ, поэтому
при высокой проницаемости подовых блоков расплав, в конечном счете, пройдет на это
же расстояние. По профилю подины наблюдается градиент температур, как в верти-
2
кальном, так и в горизонтальном направлении. Слабее прогрета область периферийного
шва, но температуры там довольно высокие.
Рисунок 5 Пропитка подины электролитом за 1000 часов
Из рисунков 3,4,5 видно, что наиболее интенсивно пропитка электролитом идет в
первые сутки, когда градиент давления наибольший. За это время происходит насыщение верхнего слоя блока. Так же заметно, что со временем пропитка распространяется и
в бортовой блок. Это происходит, потому что при решении задачи не учитывался защитный слой гарнисажа, который препятствовал бы росту температуры в этой области,
тем самым защищая ее от проникновения электролита.
Разработанная математическая модель, позволяет моделировать теплофизические
процессы проникновения электролита в футеровочные материалы катода электролизера
что дает возможность оптимизировать конструкцию футеровки с целью уменьшения
тепловых затрат и увеличения срока службы катодного устройства.
Список литературы:
1.
2.
3.
Мартен Сорлье. Харальд А. Ойя. Катоды алюминиевого электролизера // Пер. с
английского П.В. Полякова; Красноярск: Версо, 2013, 1-4 с.
Митрофанов, И.К. FLUENT и GAMBIT - Программы для решения задач механики
жидкости и газа, тепло и массопереноса / И.К. Митрофанов.2009 –Режим доступа
http://www.teplota.org.ua/2009-08-25-fluent_gambit_ru.html
(Дата
обращения
10.01.2015)
C. W. Hirt and B. D. Nichols.Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free
Boundaries. J. Comput. Phys., 39:201-225, 1981.
3