160kA預(yù)焙陽極鋁電解槽陰極內(nèi)襯電-熱-應(yīng)力計(jì)算機(jī)仿真研究.pdf

1、鋁電解槽從通電焙燒、啟動(dòng)到轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)的過程中，電熱產(chǎn)生的高溫和熔體的電化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致陰極內(nèi)襯變形、隆起或開裂，最終因陰極破損(槽破損)而停槽。認(rèn)識(shí)陰極內(nèi)襯中的電—熱—應(yīng)力的形成與演變規(guī)律，進(jìn)而采取各種有利于實(shí)現(xiàn)最佳的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布的技術(shù)措施，對(duì)于減少槽破損，提高槽壽命具有重要意義。本文以160kA預(yù)焙鋁電解槽為研究對(duì)象，在充分獲取內(nèi)襯材料物性參數(shù)的基礎(chǔ)上，以ANSYS作為主要開發(fā)工具建立了完整的電-熱-應(yīng)力模型，著重研究了在不同電

2、解工藝技術(shù)條件下陰極內(nèi)襯中電、熱分布規(guī)律和在不同陰極材質(zhì)下電、熱、應(yīng)力分布規(guī)律。主要的研究?jī)?nèi)容及成果如下： ①針對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下的電—熱—應(yīng)力解析問題，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立起三維1/4整槽電—熱—應(yīng)力模型，并且在模型中既考慮了內(nèi)襯材質(zhì)的不均所形成的熱應(yīng)力，又考慮了溫度梯度熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力。與國外研究者所采用的切片模型及假設(shè)(即以一個(gè)陰極炭塊組切片為研究對(duì)象，并假定溫度場(chǎng)均勻且無化學(xué)應(yīng)力)相比，本文建立的這種1/4整槽模型無論

3、是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性還是研究的全面性均明顯提高。 ②運(yùn)用所建立的三維電熱模型，研究了電解工藝條件由高溫電解轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏仉娊夂箨帢O內(nèi)襯的熱分布變化。研究表明，采用低溫電解工藝，必須加強(qiáng)槽底保溫方能保持陰極內(nèi)襯中理想的溫度分布狀態(tài)。此外，通過研究陰極炭塊種類對(duì)內(nèi)襯中電熱場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著炭塊石墨含量的增加(或石墨化程度的提高)，炭塊的溫度梯度、炭塊中的電壓降以及電解槽槽底電壓降顯著降低，電解質(zhì)凝固等溫線往槽大面和小面方向偏移，但在耐火磚

4、內(nèi)位置變化不大。 ③在研究了陰極炭塊種類對(duì)內(nèi)襯中電熱場(chǎng)的影響的基礎(chǔ)上，研究了陰極炭塊種類對(duì)陰極炭塊內(nèi)結(jié)構(gòu)響應(yīng)值以及應(yīng)力表征值的影響，并用相應(yīng)的強(qiáng)度理論判斷其安全狀況。結(jié)果表明，陰極炭塊各斷面中剪應(yīng)力分布規(guī)律是τ<,xy>>τ<,xz>τ<,xz>，τ<,xy>的最大值出現(xiàn)在端部炭塊；陰極炭塊中各方向正應(yīng)力的分布規(guī)律是，除端部炭塊外，使用石墨含量大于20％的無煙煤-石墨復(fù)合炭塊(HC<,5>)時(shí)，σ<,x.>>σ<,z>>σ<,y

5、>，而使用石墨含量小于20％的無煙煤基炭塊(CF<,2>)、石墨質(zhì)炭塊(HC<,10>)、純石墨化炭塊(K)時(shí)，σ<,y>>σ<,x>>σ<,z>；隨著炭塊石墨含量的增加，炭塊總位移量、總應(yīng)變量、X與Z方向最大位移量和最大正應(yīng)力、XY和XZ面最大剪應(yīng)力、第一和第四強(qiáng)度理論應(yīng)力顯著減??；而Y方向位移、YZ面的剪應(yīng)力總體上隨著石墨含量的增加而較小，但使用HC<,10>比HC<,5>稍大。炭塊石墨含量越高，內(nèi)襯破損的可能性越小。 ④運(yùn)