鋁電解槽電-熱-應(yīng)力場及鈉膨脹應(yīng)力研究.pdf

1、電解槽是目前制備鋁的主要裝備之一，在生產(chǎn)過程中，槽內(nèi)的物理場十分復(fù)雜。對電解槽內(nèi)的物理場進(jìn)行研究有助于指導(dǎo)電解槽的設(shè)計，提高電流效率和電解槽的壽命，具有重要的工程意義。
　　本文采用有限單元法，利用大型有限元軟件ANSYS對電解槽的電熱場、熱應(yīng)力場、鈉膨脹應(yīng)力進(jìn)行模擬，并對電解槽運行過程中的典型工況，如換極、出鋁、焙燒啟動等，進(jìn)行了模擬，本文的主要創(chuàng)新性結(jié)果有：
　?。?）建立了電解槽全槽電-熱耦合計算模型，重點考慮了陽極炭

2、塊高度分布不均勻，化學(xué)反應(yīng)吸熱等因素影響。經(jīng)過計算，得到了電解槽在正常生產(chǎn)下的溫度分布、散熱量分布，并與實測結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)計算得到的溫度分布與實測溫度分布具有較好的一致性，證明了本文計算模型的合理性。
　　（2）建立了電解槽熱應(yīng)力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴(kuò)散的相似性來模擬鈉擴(kuò)散的方法，通過計算，給出了電解槽生產(chǎn)一年后陰極炭塊中的鈉濃度分布，并給出了電解槽在鈉膨脹應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下的耦合應(yīng)力場。通過合理考慮材

3、料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內(nèi)襯的受熱收縮效應(yīng)，本文模型結(jié)果與實際觀察結(jié)果符合良好。
　?。?）建立了電解槽瞬態(tài)電熱場計算模型，首次模擬了換極工況下電解槽內(nèi)的溫度變化，結(jié)果表明：換極時，新極附近電解質(zhì)溫度下降較大，易形成沉淀或凝固在新極表面，換極完成13小時后電解質(zhì)溫度可以全部恢復(fù)到結(jié)晶點以上。
　?。?）建立了出鋁過程瞬態(tài)電熱場的計算模型，提出了以能量的方式考慮出鋁過程中極距變化帶來的熱收入的變化的新方法。計算模擬

4、結(jié)果表明：出鋁過程中電解槽內(nèi)的溫度會略微上升，但幅度較小，不會對電解槽能量平衡造成顯著的影響。
　?。?）研究了覆蓋料厚度對電解槽熱場和應(yīng)力場的影響。計算結(jié)果表明：覆蓋料厚度每增加2cm，電解槽內(nèi)的溫度上升11℃左右，但是，覆蓋料厚度變化對電解槽應(yīng)力和位移的影響不明顯。
　?。?）建立了電解槽焙燒啟動工況的瞬態(tài)電熱場及熱應(yīng)力場計算模型，計算結(jié)果表明：焙燒結(jié)束時陰極炭塊四周的溫度梯度比較大，容易產(chǎn)生裂紋；槽殼底部邊角處的應(yīng)變達(dá)