Cella per l’elettrolisi dell’alluminio.

 

Scopo di questo lavoro, di notevole complessità per la presenza contemporanea di fenomeni fisico/chimico/magnetici tra loro correlati e in parte scarsamente conosciuti è lo studio dello stato di sforzo e deformazione con modellazione 3D di una serie di celle di elettrolisi utilizzate negli USA ed in Italia per la produzione dell’alluminio. Una tipica cella di elettrolisi misura circa 8 metri in lunghezza, 4 metri in larghezza e 2 metri in altezza.

La struttura è costituita essenzialmente da quattro differenti componenti: una serie di selle di contenimento e contrasto in acciaio; la vasca in acciaio, appoggiata entro le selle; il materiale refrattario di protezione delle pareti interne; il letto di catodi interno alla vasca, che raggiunge temperature di esercizio di circa 1000 gradi centigradi. Il comportamento strutturale nel medio e lungo periodo di vita della cella è dominato dal fenomeno di swelling (aumento di volume) dei catodi che sviluppano in tal modo notevoli spinte sulle pareti e sulle selle. I materiali interni sono assemblati in forma di blocchi non solidali tra loro. Il contatto tra le diverse parti (catodi/rivestimento/vasca/selle) presenta gap e superfici striscianti. Selle e vasca lavorano spesso in campo elasto/plastico. Lo swelling provocato dal sodio del bagno elettrolitico che impregna i catodi ad iniziare dalla superficie esterna, è una funzione complessa del tempo, temperatura, corrente, profondità e dello stato di sforzo di compressione locale. I materiali di protezione subiscono inoltre uno schiacciamento controllato, durante la vita della cella. Nella costruzione del modello e delle condizioni di carico e nella rappresentazione dei risultati finali sono stati largamente impiegati sia programmi Fortran particolari sia programmi parametrici nel linguaggio APDL di Ansys.

 

Caratteristiche principali: modello 3D con elementi solidi e shell; elementi non-lineari di contatto; materiali elasto-plastici con caratteristiche dipendenti da temperatura; swelling; pre/post processing parametrico in APDL Ansys.