铝电解槽电-热-应力场及钠膨胀应力研究

摘要

电解槽是目前制备铝的主要装备之一，在生产过程中，槽内的物理场十分复杂。对电解槽内的物理场进行研究有助于指导电解槽的设计，提高电流效率和电解槽的寿命，具有重要的工程意义。
　　本文采用有限单元法，利用大型有限元软件ANSYS对电解槽的电热场、热应力场、钠膨胀应力进行模拟，并对电解槽运行过程中的典型工况，如换极、出铝、焙烧启动等，进行了模拟，本文的主要创新性结果有：
　　（1）建立了电解槽全槽电-热耦合计算模型，重点考虑了阳极炭块高度分布不均匀，化学反应吸热等因素影响。经过计算，得到了电解槽在正常生产下的温度分布、散热量分布，并与实测结果进行了对比，发现计算得到的温度分布与实测温度分布具有较好的一致性，证明了本文计算模型的合理性。
　　（2）建立了电解槽热应力-钠膨胀耦合计算模型，提出了利用传热和扩散的相似性来模拟钠扩散的方法，通过计算，给出了电解槽生产一年后阴极炭块中的钠浓度分布，并给出了电解槽在钠膨胀应力和热应力共同作用下的耦合应力场。通过合理考虑材料非线性、摩擦接触非线性以及部分保温内衬的受热收缩效应，本文模型结果与实际观察结果符合良好。
　　（3）建立了电解槽瞬态电热场计算模型，首次模拟了换极工况下电解槽内的温度变化，结果表明：换极时，新极附近电解质温度下降较大，易形成沉淀或凝固在新极表面，换极完成13小时后电解质温度可以全部恢复到结晶点以上。
　　（4）建立了出铝过程瞬态电热场的计算模型，提出了以能量的方式考虑出铝过程中极距变化带来的热收入的变化的新方法。计算模拟结果表明：出铝过程中电解槽内的温度会略微上升，但幅度较小，不会对电解槽能量平衡造成显著的影响。
　　（5）研究了覆盖料厚度对电解槽热场和应力场的影响。计算结果表明：覆盖料厚度每增加2cm，电解槽内的温度上升11℃左右，但是，覆盖料厚度变化对电解槽应力和位移的影响不明显。
　　（6）建立了电解槽焙烧启动工况的瞬态电热场及热应力场计算模型，计算结果表明：焙烧结束时阴极炭块四周的温度梯度比较大，容易产生裂纹；槽壳底部边角处的应变达到了1.99％，接近钢的屈服极限。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文研究内容

2 电解槽电热场的耦合计算

2.1 模型说明

2.2 材料属性

2.3 数学模型及边界条件

2.4 后处理与结果分析

2.5本章小结

3 热应力-钠膨胀的耦合计算

3.1 钠浓度的计算及钠膨胀的等效

3.2 热应力计算

3.3 后处理和结果分析

3.4本章小结

4 换极工况对电解槽电热场的影响

4.1引言

4.2模型说明

4.3换极工况计算思路

4.4边界条件和载荷步设置

4.4后处理与结果分析

4.5本章小结

5 出铝操作对电解槽热场的影响

5.1引言

5.2出铝工况模型简化与计算思路

5.3不同极距下电解质生热率计算

5.4载荷步及边界条件设置

5.5后处理与结果分析

5.6本章小结

6 覆盖料厚度对电解槽热场和结构的影响

6.1引言

6.2模型说明及计算思路

6.3热场计算

6.4热应力计算

6.6本章小结

7 焙烧启动工况对电解槽结构的影响

7.1引言

7.2热场计算

7.3热应力计算

7.4本章小结

8 总结与展望

8.1总结

8.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目