160ka预焙极铝电解槽阴极内衬电-热-应力计算机仿真研究.pdf

摘要 铝电解槽从通电焙烧、启动到转入正常生产的过程中，电热产生的高温和熔 体的电化学作用会导致阴极内衬变形、隆起或开裂，最终因阴极破损(槽破损) 而停槽。认识阴极内衬中的电一热一应力的形成与演变规律，进而采取各种有利 ● 于实现最佳的温度场与应力场分布的技术措施，对于减少槽破损，提高槽寿命具 _L 有重要意义。本文以160kA预焙铝电解槽为研究对象，在充分获取内衬材料物性 k 参数的基础上，以ANSYS作为主要开发工具建立了完整的电．热．应力模型，着重研 ；一 究了在不同电解工艺技术条件下阴极内衬中电、热分布规律和在不同阴极材质下 电、热、应力分布规律。主要的研究内容及成果如下： ①针对稳态条件下的电一热一应力解析问题，运用有限元软件ANSYS建立起 三维1／4整槽电一热一应力模型，并且在模型中既考虑了内衬材质的不均所形成的 热应力，又考虑了温度梯度热应力和化学应力。与国外研究者所采用的切片模型 及假设(即以一个阴极炭块组切片为研究对象，并假定温度场均匀且无化学应力) 相比，本文建立的这种1／4整槽模型无论是计算结果的准确性还是研究的全面性均 明显提高。 ②运用所建立的三维电热模型，研究了电解工艺条件由高温电解转变为低温 电解后阴极内衬的热分布变化。研究表明，采用低温电解工艺，必须加强槽底保 温方能保持阴极内衬中理想的温度分布状态。此外，通过研究阴极炭块种类对内 衬中电热场的影响，发现随着炭块石墨含量的增加(或石墨化程度的提高)，炭 块的温度梯度、炭块中的电压降以及电解槽槽底电压降显著降低，电解质凝固等 温线往槽大面和小面方向偏移，但在耐火砖内位置变化不大。 ③在研究了阴极炭块种类对内衬中电热场的影响的基础上，研究了阴极炭块 种类对阴极炭块内结构响应值以及应力表征值的影响，并用相应的强度理论判断 其安全状况。结果表明，阴极炭块各断面中剪应力分布规律是h，llyzT。：，T。， 的最大值出现在端部炭块；阴极炭块中各方向正应力的分布规律是，除端部炭块 外，使用石墨含量大于20％的无烟煤·石墨复合炭块(HC5)时，盯。盯，盯。 化炭块(K)时，仃。盯，a，；随着炭块石墨含量的增加，炭块总位移量、总应 变量、x与z方向最大位移量和最大正应力、XY和XZ面最大剪应力、第一和第 四强度理论应力显著减小；而Y方向位移、YZ面的剪应力总体上随着石墨含量的 增加而较小，但使用HClo比HC5稍大。炭块石墨含量越高，内衬破损的可能性越 小。 ④运用ANSYS建立了焦粒焙烧过程中1／4整槽瞬态电热模型，并对焦粒焙烧 过程的前25小时中的电热场形成与变化情况进行了瞬态解析。结果表明，模型基 本正确，但需要局部修正。这一研究为下一步的深入研究奠定了基础。 关键词铝电解槽，阴极内衬，稳态， 瞬态， 电热场， 热应力场， ANSYS Abstract From and tothenormal of preheatingstart-upprocedure processproduction，the cathodeofaluminumreductioncellwill sufferdeformationorcrackdueto lining always thermalshockcausedthethermo-electricfactorsand high by the reactions inthe molt