РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕГЛАМЕНТУ ВИГОТОВЛЕНЯ КАТОДНИХ СЕКЦІЙ
2.1. Дослідження температурного регламенту існуючої технології виготовлення
катодної секції
Основними елементами, що складають збірну подину, є катодні секції. Катодні
секції виготовляються попередньо із катодного вуглеграфітового блока і
сталевого катодного стержня, який монтують у паз блока [15]. Технологічна
позиція сталевого стержня (блюмса) забезпечується чавунним заливанням або
спеціальними пастами, що клеять. На стадії виготовлення КС повинні бути
забезпечені надійні функціональні параметри, а саме:
- щільний механічний та електричний контакт у системі «сталевий стержень –
ВГБ»;
- термомеханічна міцність при режимних параметрах.
Крім того, при виготовленні повинні бути усунені причини тріщиноутворення [7].
Технологія виготовлення катодної секції вивчалася на Братськом алюмінієвому
заводі. Сталевий стержень попередньо розігрівається до t»850°С и встановлюється
в паз «холодного» вуглеграфітового блока. Блок нагрівається в перебігу часу t4
(рис.2.1,а), після чого зазор між блоком і блюмсом заливають розплавленим
чавуном (t »1250°С), рис.2.1, б. Відповідно до існуючої практики, уся зона
заливання поділяється на 2-3 частині (так звані «кишені»), заливання яких
здійснюється послідовно, спочатку зони I, і через встановлений інтервал часу -
зони II (рис. 2.2).
У результаті попередніх експериментальних досліджень установлено, що
температурне поле блоку при існуючій технології виготовлення КС відрізняється
істотною нерівномірністю. Катодну секцію в процесі виготовлення можна умовно
розділити на дві частин:
tо t1 t2 t3 t4
I II III IV V а)
t’о t1’ t2’ t3’ t4’
I II III IV V б)
Рис. 2.1. Температура блюмса і вуглеграфітового блока по фазах виготовлення
катодного блока:
а) попередньо нагрітий блюмс остигає в ВГБ;
б) катодний блок з чавунним заливанням.
- «гарячу», що відповідає першому етапові заливання;
- «холодну», що заливається на другому етапі.
Як уже сказано вище, після остигання і кристалізації чавуна, між внутрішньою
стінкою паза і сталевим блюмсом утвориться усадочний зазор. Ширина усадочного
зазору, що утвориться, залежить від наступних факторів:
1) температури попереднього розігріву блюмса;
2) температури попереднього розігріву блоку.
Теоретичний розрахунок ширини усадочного зазору в залежності від вищевказаних
факторів виконаний у [64], результати приведені на рис.2.3. Встановлено, що чим
вище температура попереднього нагрівання сталевого стержня і блока, тим ширше
усадочний зазор. Як визначено в попередніх дослідженнях НДЦ „Ресурсозберігаючі
технології”, температурне поле КС при заливанні, як показане на рисунку 2.3
[7], істотно відрізняється від такого в працюючому електролізері.
Рис. 2.2. Розподіл температур у блоці після заливання чавуном (а); схема
розташування точок, в яких вимірювалась температури в експериментальному
дослідженні (б): 1-5 - розташування точок по висоті блока h=380, 290, 200, 120
та 40 мм, відповідно.
Рис.2.3. Температурні поля блоків в подовжньому (а) та поперечному (б) перерізі
через час t після моменту заливки стальних струмопідводів чавуном [7].
Тобто, температурне поле КС в експлуатаційному режимі характеризується
нерівномірністю по довжині КС і значно вищими температурами: від 600 до 940оС
[7], ніж при заливці. Тому при виготовленні КС ширина усадочного зазору повинна
встановлюватися з урахуванням цих факторів. При розігріві блока в складі подини
до робочих температур відбувається розширення елементів системи «сталевий
стержень – чавунне заливання – блок» і внаслідок розходження значень
коефіцієнтів термічного розширення вищевказаних матеріалів відбувається
зменшення усадочного зазору. При поступовому зростанні температури експлуатації
можливе досягнення стану, коли ширина зазору зменшиться до значення d = 0 мм.
При подальшому збільшенні температури буде відбуватися силова взаємодія
чавунного заливання зі стінкою паза. Наслідком такої взаємодії є зростання
механічних напруг у крилах паза і досягнення відхилення, що перевищує критичне
значення dкр= 0,35 мм [61] і призведе до тріщиноутворення і руйнування блоку
(рис.2.5). Критичне значення відхилення крила пазу dкр= 0,35 мм прийняте згідно
роботі [65].
Аналіз літературних даних і власних досліджень існуючої технології виготовлення
дозволяє зробити наступні висновки. В теперішній час найкращі технологічні
властивості (механічний, електричний і тепловий контакти системи «блок-блюмс»)
забезпечуються при використанні чавунного заливання для закріплення
струмопідводу в блоці. Необхідною умовою застосування зазначеного методу є
організація процесу таким чином, щоб усунути основний недолік методу –
утворення тріщин у вуглеграфітовому блоці.
Технологія виготовлення КС передбачає попереднє нагрівання блюмса і блока, що
забезпечує попередні температурні розширення і утворення температурних
компенсаційних зазорів після кристалізації чавуну. В цей час технологія
розігріву блюмса перед заливанням така, що його температурне поле нерівномірне
по довжині, тому компенсаційний зазор має різну ширину по довжині паза. При
чому, у хвостовій частині стержня (у зоні виходу блюмса із
Рис. 2.4. Залежність ширини усадочного зазору від температури повторного
розігріву, при таких температурах попереднього розігріву блюмса: 1 – 700єС, 2 –
600єС, 3 – 500єС, 4 – 400єС, 5 – 300єС, 6 – 200єС [64] .
Рис. 2.5. Схема тріщиноутворення в ВГБ внаслідок температурних деформацій:
1 – сталевий стержень;
2 – чавунне заливання;
3 – вуглеграфітовий блок.
паза ВГБ) величина зазору буде