鋁電解陰極炭塊力學(xué)性能的劣化研究.pdf

1、近些年來,我國(guó)鋁電解工業(yè)發(fā)展迅速,技術(shù)水平在國(guó)際上已屬中等偏上,但與國(guó)際領(lǐng)先水平相比,在電解槽壽命方面仍有較大差距。我國(guó)鋁電解槽早期破損嚴(yán)重,槽壽命偏短的問題非常突出,一直是制約我國(guó)鋁電解工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。在鋁電解槽早期破損事故中,電解槽的最重要組成部分陰極炭塊,發(fā)生先行失效是一個(gè)最為常見的誘發(fā)因素。因此,作為槽中最薄弱的環(huán)節(jié),陰極炭塊已成為鋁電解槽中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)元件之一,日益被鋁電解業(yè)界所關(guān)注。
　　本課題采用自行研制的實(shí)驗(yàn)

2、裝置研究了陰極炭塊在鋁電解環(huán)境下的相關(guān)力學(xué)性能,并采用數(shù)學(xué)方法描述了演化規(guī)律,可為鋁電解槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及延長(zhǎng)和預(yù)測(cè)槽壽命提供技術(shù)參數(shù)和理論依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　研究了陰極炭塊鈉滲透膨脹的影響因素,對(duì)比了炭塊鋁電解前后的顯微結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分,用解析法模擬了鋁電解過程中,鈉在陰極炭塊中的濃度和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。結(jié)果表明,炭塊的石墨化程度越高抗鈉膨脹性能越好;增加電解質(zhì)分子比,炭塊的鈉膨脹速率和最終鈉膨脹率增大;增加電流密度,

3、炭塊的鈉膨脹速率增大,但最終鈉膨脹率相同;采用的解析法能較好模擬鈉濃度和應(yīng)力場(chǎng)分布隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律,鈉膨脹實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬方法的正確性以及結(jié)果的可靠性。
　　研究了陰極炭塊在單軸壓縮下的蠕變力學(xué)特性,分析了蠕變機(jī)理,并模擬分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明,在相同實(shí)驗(yàn)條件下,SMH炭塊的抗蠕變力學(xué)性能最好,其次是HC35炭塊,HC100炭塊最差;炭塊的蠕變應(yīng)變隨著應(yīng)力水平增加而增大;加載應(yīng)力相同時(shí),炭塊的蠕變變形由小到大依次為:30℃、

4、965℃、鋁電解條件下;炭塊的蠕變形式主要是位錯(cuò)以及滑移;模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,Burgers模型能較好地描述炭塊蠕變的前兩個(gè)階段。
　　研究了陰極炭塊在單軸壓縮下的受力性能,將損傷理論應(yīng)用于陰極炭塊,構(gòu)建了反映陰極炭塊損傷和力學(xué)行為的統(tǒng)一損傷演化方程以及本構(gòu)模型。結(jié)果表明,在相同的電解條件下,SMH炭塊的力學(xué)性質(zhì)最好,其次是HC100炭塊,HC35炭塊最差;炭塊在高溫下的力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于常溫,高溫熔鹽電解條件下最差;隨著加載速率的