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