Способ определения допустимого тока для подовых блоков

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации подовых блоков, входящих в токопроводящий узел катода алюминиевых электролизеров. Технический результат изобретения: повышение точности определения допустимого тока при эксплуатации блоков в алюминиевых электролизерах, что обеспечивает оптимизацию их потребления путем эксплуатации в условиях, соответствующих их свойствам, и, соответственно, повышение срока службы алюминиевых электролизеров ориентировочно на 15%. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что для определения допустимого тока для подовых блоков алюминиевых электролизеров, входящих в токопроводящий узел катода электролизера, измеряют удельное электросопротивление и предел прочности на изгиб. Дополнительно измеряют термостойкость, относительное удлинение в криолит-глиноземном расплаве и действительную плотность структуры углеродного материала. Находят уровень дефектности структуры углеродного материала и критерий качества по предложенным формулам. По критерию качества определяют допустимый ток эксплуатации. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации подовых блоков, входящих в токопроводящий узел катода алюминиевых электролизеров.

Известно, что одной из основных характеристик проводников электрического тока являются допустимые силы тока (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1988, с.153). В промышленных электропечных агрегатах для получения стали, сплавов, цветных металлов для ввода тока в рабочее пространство используются углеродные материалы, которые производятся в виде графитированных электродов (в дуговых сталеплавильных печах) или углеграфитовых и графитированных подовых блоков (в алюминиевых электролизерах). Графитированные электроды и углеграфитовые и графитированные подовые блоки являются продукцией одного назначения и одного класса материалов (Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных производств, М.: Металлургия, 1972, с.12-16).

Известно, что для электродной продукции допустимый ток существенно зависит от качества углеродных материалов - для графитированных электродов допустимый ток в 2 раза выше, чем для угольных (там же, рис.4, стр.15).

Эти же зависимости могут быть использованы и для подовых блоков, являющихся с графитированными электродами продукцией одного назначения и одного класса материалов.

Известен способ определения допустимого тока для графитированных электродов, при котором измеряют удельное электросопротивление ρ_э, по которому определяют допустимый ток эксплуатации (Электроды и ниппели графитированные. ГОСТ 4426-80. 1980, табл.9).

Недостатком известного способа является его недостаточная точность, обусловленная тем, что определение производят по одной физической величине, не в полной мере характеризующей токоподводы - удельному электросопротивлению.

Известен способ определения допустимого тока, включающий измерение физических величин эталонной группы электродов, сравнение найденных величин путем нахождения критерия качества, определение допустимого тока по найденной зависимости (авторское свидетельство СССР №1341563, кл. G 01 N 27/104, 1987).

Недостатком известного способа является его недостаточная точность, обусловленная тем, что определение производят по ограниченному количеству физических величин, не в полной мере характеризующих токоподводы.

Известен способ определения допустимого тока (прототип), при котором измеряют удельное электросопротивление электрода ρ_э, механическую прочность на изгиб ниппелей σ_изг.н, модуль упругости ниппелей Е_н, предельное отклонение диаметра резьбы ниппельного гнезда T_д.р, предельное отклонение шага на всей длине свинчивания T_ш, находят вероятность получения неудовлетворительных результатов приемосдаточных испытаний по нормативу отдельных показателей предела прочности на изгиб ниппелей р, определяют по ним критерий качества электродов по формуле

по которому определяют допустимый ток эксплуатации (патент РФ 2031552, кл. Н 05 В 7/08, 1995).

Недостатком известного способа является его недостаточная точность, обусловленная тем, что определение производят по ограниченному количеству физических величин, не в полной мере характеризующих токоподводы в условиях промышленных электропечных агрегатов, в частности работу в условиях агрессивных сред алюминиевых электролизеров и повышенных температур. Кроме того, подовые блоки не содержат ниппельных соединений, соединяющих два блока в один, как это имеет место у графитированных электродов.

Вместе с тем условия агрессивных сред, а также повышенных температур в алюминиевых электролизерах оказывают существенное влияние на срок службы подовых блоков и преждевременный выход их из строя. Так, анализ причин преждевременного выхода из строя алюминиевых электролизеров показывает, что к числу важнейших факторов, отрицательно влияющих на срок службы, относится и несоответствие качества отдельных блоков условиям их эксплуатации в качестве токоподводов (Рагозин Л.В., Ефимов А.А., Любушкин В.А., Сергеев В.А., Бахтин А.А., Черных А.Е. Анализ причин преждевременного выхода из строя алюминиевых электролизеров // Современные тенденции в развитии металлургии легких металлов: Сборник научных трудов. Всерос. алюм.-магн. ин-т. СПб: Ювента. 2001, с.89-97, 1 ил. Библ.7).

Задачей изобретения является повышение точности определения допустимого тока при эксплуатации блоков в алюминиевых электролизерах, что обеспечивает оптимизацию их потребления путем эксплуатации в условиях, соответствующих их свойствам, и, соответственно, повышение срока службы алюминиевых электролизеров ориентировочно на 15%.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в способе определения допустимого тока для подовых блоков алюминиевых электролизеров, входящих в токопроводящий узел катода электролизера, при котором измеряют удельное электросопротивление и предел прочности на изгиб, определяют по ним величину критерия качества, по которому определяют допустимый ток эксплуатации, согласно заявляемому. Дополнительно измеряют термостойкость, относительное удлинение в криолит-глиноземном расплаве и действительную плотность структуры углеродного материала, находят уровень дефектности структуры углеродного материала по формуле:

где: Дтеор - теоретическая плотность структуры углеродного материала,

Ди - действительная плотность структуры углеродного материала, а величину критерия качества находят по формуле

где: σ_изг - предел прочности на изгиб, МПа,

τ - термостойкость, с,

ρ - удельное электросопротивление блоков, мкОм·м,

ΔL - относительное удлинение в криолит-глиноземном расплаве, %,

УД - уровень дефектности структуры углеродного материала, %.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в качестве измеряемой величины используется отношение произведения предела прочности на изгиб и термостойкости к произведению удельного электросопротивления и относительного удлинения в криолит-глиноземном расплаве с учетом поправочного коэффициента, учитывающего относительное отклонение показателя действительной плотности структуры реальных углеродных материалов подовых блоков различных марок от теоретической, определением показателя «уровень дефектности», а критерий качества находят по заявляемой формуле.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».

Повышение точности предлагаемого способа обеспечивается объединением в одном показателе величин, характеризующих наряду с электрическими и механическими свойствами стойкость блоков к воздействию агрессивных химических сред криолит-глиноземного расплава алюминиевых электролизеров и стойкость к термическому удару (термостойкость), с учетом поправочного коэффициента, учитывающего относительное отклонение показателя действительной плотности структуры реальных углеродных материалов подовых блоков различных марок от теоретической определением показателя «уровень дефектности», приводящего в ряде случаев к химической эрозии подовых блоков-токоподводов и образованию трещин, способствующих разрушению блоков и приводящих к выходу из строя всего электролизера.

Использование в предлагаемом способе в качестве измеряемой величины отношения произведения предела прочности на изгиб и термостойкости к произведению удельного электросопротивления и относительного удлинения в криолит-глиноземном расплаве блоков, с учетом поправочного коэффициента, учитывающего относительное отклонение показателя действительной плотности структуры реальных углеродных материалов подовых блоков различных марок от теоретической путем введения показателя «уровень дефектности структуры углеродного материала», характеризующих прохождение тока через подовые блоки в условиях агрессивных сред алюминиевых электролизеров и повышенных температур, позволяет повысить точность определения допустимого тока для подовых блоков.

Использование в предлагаемом способе в качестве измеряемой величины показателя термостойкости обеспечивает использование одного показателя взамен модуля упругости, температурного коэффициента линейного расширения, предела прочности на разрыв и теплопроводности, так как эти показатели лимитируют термостойкость материалов (Сорлье М., Ойя Х.А. Катоды в алюминиевом электролизере /Пер. с англ. Полякова П.В. Красноярск: Изд. Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1997. С.264), что обеспечивает упрощение предлагаемого способа.

Основной тенденцией современного алюминиевого производства является существенное увеличение силы тока как модернизируемых, так и вновь проектируемых алюминиевых электролизеров, что ведет к соответствующему повышению требований к эксплуатационным характеристикам подовых блоков. Особое значение эти вопросы приобретают для новых поколений мощных электролизеров на силу тока 300 кА и более. Для этих электролизеров наблюдаются случаи, когда величина катодного тока по блюмсам может колебаться почти в 2 раза, что требует соответствующего ресурса надежности по допустимому току (Архипов Г.В., Третьяков Я.А., Горин Д.А., Завадяк А.В. Диагностический комплекс КД-300 по контролю токовой нагрузки, температуры и деформации электролизера РА-300 // Алюминий Сибири -2004 г.: Сб. докладов Х междунар. конф. / Красноярск, 2004.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Как показали проведенные исследования и анализ статистических данных, новая измеряемая величина «уровень дефектности структуры углеродного материала» коррелирует с эксплуатационной стойкостью подовых блоков при прохождении тока в условиях агрессивных сред алюминиевых электролизеров и повышенных температур.

Промышленные испытания подовых блоков с характеристиками, приведенными в таблице, в алюминиевых электролизерах С8-БМ на силу тока 165 кА показали, что определение допустимого тока по указанному отношению обеспечивает повышение срока службы электролизеров на 15% за счет повышения точности предлагаемого способа, обеспечивающего оптимизацию потребления подовых блоков.

Определение допустимого тока по заявляемому отношению определения величины критерия качества производится по нормируемым физико-механическим показателям подовых блоков в соответствии с ТУ 1913-109-021-2003 «Блоки подовые для алюминиевых электролизеров», определяемым при приемосдаточном контроле блоков, термостойкость определяется в соответствии с МВИ 66-223-2004 «Методика выполнения измерений термостойкости углеродных материалов (подовых блоков, анодов, подовой и анодной массы) для алюминиевых электролизеров».

Пример. Для определения допустимой величины тока для подовых блоков при эксплуатации их в алюминиевых электролизерах С8-БМ на силу тока 165 кА для эталонных групп подовых блоков измеряют значения удельного электросопротивления, предела прочности на изгиб, термостойкости, относительного удлинения в криолит-глиноземном расплаве, действительную плотность структуры углеродного материала.

По результатам определения действительной плотности находят уровень дефектности структуры углеродного материала как относительное отклонение показателя действительной плотности структуры реальных углеродных материалов подовых блоков различных марок от теоретической плотности (2,267 г/см³) по формуле:

Затем находят по ним величину критерия качества блоков по указанной формуле. Находят экспериментально допустимый ток для эталонной группы. Для этого блоками эталонных групп формировали подины электролизеров с различной силой тока и определяли максимальный срок службы электролизеров, обеспечиваемый каждой группой блоков. Строят зависимости допустимых величин, полученных экспериментально при эксплуатации эталонных групп подовых блоков от величины критерия качества для этих эталонных групп блоков. В таблице представлена зависимость допустимых токов от величины критерия качества.

В зависимости от условий эксплуатации (сила тока электролизера) определяют по предварительно построенной номограмме необходимый критерий качества блоков или по критерию качества блоков определяют допустимый ток эксплуатации.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет с большой точностью определять допустимый ток при эксплуатации блоков в алюминиевых электролизерах, что обеспечивает оптимизацию их потребления путем эксплуатации в условиях, соответствующих их свойствам, и, соответственно, повышение срока службы алюминиевых электролизеров ориентировочно на 15%.

Таблица
Показатели	Испытуемые партии
	Известный способ	Предлагаемый способ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Предел прочности на изгиб, МПа	13,2	7,0	14,0	12,0	9,0	11,0	10,0	8,6	9,0	10,0
Термостойкость, с		26	22	20	26	22	22	22	12	10
УЭС, мкОм.м	40	13	15	18	15	30	25	28	38	38
Относительное удлинение, %		0,3	0,3	0,25	0,3	0,35	0,3	0,3	0,4	0,6
Уровень дефектности, %		4,7	7,3	7,8	4,7	12,0	8,7	10,8	13,9	16,6
Критерий качества, отн. единицы	0.33× 30*=9,9	44,5	57,1	49,2	49,6	19,0	26,8	20,1	6,1	3,7
Допустимый ток, кА	165	320	380	295	298	165	214	158	61	37
Срок службы электролизеров, мес	50,4	72	75	65	67	57	56	54,8	49,0	40,7
* - количество блоков в электролизере С8-БМ

Способ определения допустимого тока для подовых блоков алюминиевых электролизеров, входящих в токопроводящий узел катода электролизера, при котором измеряют удельное электросопротивление и предел прочности на изгиб, определяют по ним величину критерия качества, по которому определяют допустимый ток эксплуатации, отличающийся тем, что дополнительно измеряют термостойкость, относительное удлинение в криолит-глиноземном расплаве и действительную плотность структуры углеродного материала, находят уровень дефектности структуры углеродного материала по формуле

где Дтеор - теоретическая плотность структуры углеродного материала;

Ди - действительная плотность структуры углеродного материала,

а величину критерия качества находят по формуле

где σ_изг - предел прочности на изгиб, МПа;

τ - термостойкость, с;

ρ - удельное электросопротивление блоков, мкОм·м;

ΔL - относительное удлинение в криолит-глиноземном расплаве, %;

УД - уровень дефектности структуры углеродного материала, %.