李偉波

(四川中孚科技發(fā)展有限公司，四川 廣元 628000)

0 引 言

隨著我國鋁電解槽逐漸向大型化、智能化和節(jié)能化方向發(fā)展，電解鋁廠對各部件的理化指標、結(jié)構(gòu)性能提出了更高的使用要求。陰極炭塊作為電解槽陰極結(jié)構(gòu)的核心零件之一，其結(jié)構(gòu)性能決定了電解槽的能耗和使用壽命，在電解槽運行過程中，陰極炭塊既要承受表面上部高溫熔融鋁和電解質(zhì)的侵蝕，同時還要兼顧熔融鋁和電解質(zhì)中電流的均勻分布。此外，陰極炭塊受多種力相互作用的影響，導(dǎo)致陰極炭塊出現(xiàn)不同程度的變形甚至表面開裂，如自身重力，溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力及外部磁場力等，其中溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力通常會使得陰極炭塊在高度方向上出現(xiàn)不同程度的熱膨脹現(xiàn)象，當炭塊表面出現(xiàn)裂縫時，陰極炭塊上部的熔融鋁和電解質(zhì)將沿著裂縫向下滲透，在陰極下部等溫線較低處冷凝膨脹，進而加劇陰極炭塊變形，使炭塊上拱或斷裂，若電解槽繼續(xù)運行，將出現(xiàn)早期破損，因此，陰極炭塊的結(jié)構(gòu)性能對電解槽正常生產(chǎn)和保證其使用壽命都起著至關(guān)重要的作用。

相關(guān)研究文獻[1，2]認為，異型結(jié)構(gòu)陰極炭塊增大了鋁液流阻，有利于減緩鋁液流速和降低鋁液波動高度，從而提高鋁液流動的穩(wěn)定性，除此之外，采用異型陰極炭塊，極距和電解質(zhì)壓降有所降低，可實現(xiàn)電解槽節(jié)能降耗生產(chǎn)，相對平底型陰極炭塊結(jié)構(gòu)，試驗得出[3，4]：使用異型結(jié)構(gòu)炭塊的電解槽電壓約降低300 mV，噸鋁生產(chǎn)可節(jié)約用電1 000 kWh以上。截止到目前，全國已有大半的電解鋁廠使用和開始使用異型陰極炭塊，并取得顯著成效。據(jù)資料顯示，2012年7月，河南某電解鋁企業(yè)采用異型陰極結(jié)構(gòu)，電解槽工作電壓為3.750 V。綜上所述，異型陰極炭塊在減緩鋁液流速和節(jié)能降耗方面具有明顯優(yōu)勢，但從受力分析角度出發(fā)，由于炭塊表面帶溝槽，電解槽運行過程中，炭塊熱膨脹變形受內(nèi)襯及槽殼強約束，溝槽中間部位往往會產(chǎn)生集中應(yīng)力，導(dǎo)致炭塊向上拱起彎曲變形[5]。因此，在選擇陰極炭塊結(jié)構(gòu)時，結(jié)合實際工況，應(yīng)綜合評價其各項使用性能指標。

目前國內(nèi)已有眾多學(xué)者對陰極炭塊進行研究，并取得相應(yīng)的研究成果。20世紀90年代初期，朱旺喜[6]等人較早地對陰極炭塊進行變形計算，計算得出在端部強約束的情況下，炭塊將發(fā)生上拱或表面脫層。張艷華[7]等人研究了陰極組中磷生鐵的尺寸以及陰極炭塊、鋼棒和磷生鐵三者接口處形狀的改變對陰極炭塊應(yīng)力和溫度的影響，并給出預(yù)防炭塊開裂的方法。以石墨化炭塊和高石墨質(zhì)炭塊為研究對象，曹曦[8]等人分析比較了兩者的性能特點和技術(shù)指標，探討了2種炭塊對電解槽熱平衡的影響。該文基于陰極炭塊發(fā)生的開裂現(xiàn)象，推導(dǎo)出陰極炭塊中間截面力學(xué)性能的數(shù)值模型，建立陰極炭塊應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)S有限元分析模型，對陰極炭塊中間截面的應(yīng)力和變形分布進行了研究。

1 力學(xué)性能計算

電解槽正常生產(chǎn)過程中，陰極炭塊在內(nèi)襯和槽殼的強約束作用下，導(dǎo)致炭塊中間截面出現(xiàn)應(yīng)力集中和最大變形，以異型陰極炭塊中間截面作為研究對象，結(jié)合材料力學(xué)相關(guān)知識，對陰極炭塊中間危險截面進行慣性矩建模計算，并逆向推導(dǎo)出炭塊中部可承受的最大允許集中力，對于陰極炭塊來說，中間截面慣性矩值越大，截面抗彎模量越大，可承受的最大集中力也越大。此外，保證炭塊基本結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，與同類型平底型陰極炭塊中間截面力學(xué)性能對比，得出平底型陰極炭塊力學(xué)性能較好，截面慣性矩及最大允許集中力有較大提升，陰極碳塊中間截面參數(shù)詳見表1，相關(guān)推導(dǎo)過程如下。

表1 陰極碳塊中間截面參數(shù)Tab.1 Parameters of the middle cross-section of the cathode carbon block.

陰極碳塊中間截面輪廓見圖1，以截面底部中心為原點，建立直角坐標系。

圖1 陰極碳塊中間截面輪廓Fig.1 Cross-sectional profile of the cathode carbon block

圖中虛線將截面分割成A1、A2、A3、A44個部分，各部分形心坐標為(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)、(X4，Y4)，由于截面關(guān)于Y軸對稱，故各部分形心坐標均落在Y軸上，碳塊中間截面形心坐標可由公式(1)、(2)計算所得。

(1)

(2)

中間截面慣性矩可由公式(3)、(4)計算所得。

(3)

(4)

根據(jù)彎曲應(yīng)力計算公式，逆向推導(dǎo)出中間截面最大允許集中力F，如公式(5)所示。

(5)

式中：

[σ]--陰極碳塊許用抗彎強度

L--陰極碳塊長。

根據(jù)上述公式，結(jié)合表1陰極碳塊中間截面參數(shù)，該文計算得出2種陰極碳塊中間截面上的慣性矩及最大允許集中力，結(jié)果詳見表2。

表2 陰極碳塊中間截面力學(xué)計算結(jié)果Tab.2 Mechanical calculation for the middle section of the cathode carbon block

從表2可見，相對異型陰極碳塊，平底型陰極碳塊對X軸慣性矩增大48 %，對Y軸慣性矩增大16 %，最大允許集中力增大31 %。為預(yù)防陰極碳塊在生產(chǎn)過程中發(fā)生開裂，防止電解槽出現(xiàn)早期破損，影響正常生產(chǎn)，僅從陰極炭塊端部受力角度考慮，在對其進行結(jié)構(gòu)選型時，可優(yōu)先采用平底型陰極碳塊結(jié)構(gòu)。

2 陰極碳塊數(shù)值模型的建立

以異型陰極碳塊和平底型陰極碳塊作為研究對象，相對平底型陰極碳塊，異型陰極碳塊頂部中間段設(shè)置有矩形槽，為避免矩形槽直角根部應(yīng)力集中，加工過程中通常采用圓弧面進行過渡。2種陰極碳塊的幾何參數(shù)見表3。利用SOLIDWORKS軟件建立三維實體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH分析軟件，賦予炭塊材料力學(xué)屬性，然后進入網(wǎng)格劃分模塊，對炭塊進行網(wǎng)格前處理，為增強炭塊側(cè)面與扎糊接觸間的摩擦力和結(jié)合力，炭塊側(cè)面通常加工出若干條溝槽，且考慮到異型陰極炭塊上部表面的倒角和圓弧面，在劃分網(wǎng)格時，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進行劃分，單元網(wǎng)格尺寸為60 mm，陰極碳塊三維有限元數(shù)值分析模型詳見圖2。

(a)異型陰極炭塊的有限元模型

表3 陰極碳塊的幾何參數(shù)Tab.3 Geometrics of the cathode carbon block

3 邊界條件的施加

根據(jù)電解槽正常生產(chǎn)工況及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)布置可知，陰極炭塊的兩頭端面主要受內(nèi)襯及槽殼強約束，由于糊料的存在，位于炭塊偏上三分之一高度的部分所受約束相對較小，而炭塊的下部分與側(cè)部保溫磚層緊密接觸，其所受約束較大，因此在施加邊界條件時，應(yīng)將端面分割成2部分，以施加不同的當量載荷。端面按共承受50 t的約束反作用力加載，靠近炭塊頂?shù)纳喜糠侄嗣婕虞d167 kN，下部分端面加載333 kN，炭塊自重以重力加速度形式加載，兩端面底部邊緣為固定約束。邊界條件施加詳見圖3。

圖3 模型邊界條件Fig.3 Model boundary conditions

4 結(jié)果與分析

4.1 中間截面應(yīng)力分布

從圖4中間截面應(yīng)力分布云圖可知，異型炭塊與平底型炭塊在截面頂部均出現(xiàn)應(yīng)力集中，前者應(yīng)力變化梯度較大，后者應(yīng)力變化梯度較小，異型炭塊最大應(yīng)力值約為5.37 MPa，平底型炭塊最大應(yīng)力值約為2.59 MPa，相對前者，最大應(yīng)力約降低52 %，兩者應(yīng)力強度雖滿足材料許用抗彎強度([σ]=7 MPa)，但對于異型陰極炭塊，電解槽正常生產(chǎn)過程中，受熱應(yīng)力、端面強約束及鈉離子滲透膨脹等多種因素影響，異型炭塊產(chǎn)生裂紋風險更大，通常在刨槽檢修過程中發(fā)現(xiàn)，槽底陰極炭塊上表面的裂紋基本與槽大面一側(cè)方向平行，對單個陰極炭塊來說，裂紋方向則為上表面橫向，這些裂紋通常由槽殼底部向上隆起所導(dǎo)致，根據(jù)炭塊材料屬性可知，許用抗彎強度遠小于許用抗壓強度數(shù)值，可以判斷裂紋是由槽底向上的集中力產(chǎn)生的剪應(yīng)變所導(dǎo)致。

(a)異型陰極炭塊中間截面應(yīng)力分布

4.2 中間截面變形分布

從圖5中間截面變形分布云圖可知，異型炭塊與平底型炭塊在底部兩外側(cè)均出現(xiàn)最大變形，兩者變形量分布較為均勻，相對平底型陰極炭塊，異型陰極炭塊在鋼棒槽上頂部出現(xiàn)最大變形，異型炭塊最大變形約為1.60 mm，平底型炭塊最大變形約為1.32 mm。圖5僅為強約束條件下的截面變形，在實際生產(chǎn)中，受多種因素相互作用，陰極炭塊的實際變形量應(yīng)大于圖中給出的計算數(shù)值，在實際變形量中，炭塊的膨脹變形量占據(jù)相當大部分比重，其中主要的膨脹變形原因有鈉離子在炭塊孔隙中的滲透膨脹，外界空氣擴散到槽底部中的氧與部分滲入到底部的電解質(zhì)和鈉反應(yīng)發(fā)生膨脹，滲入到底部的鈉還與底部的絕緣材料反應(yīng)發(fā)生膨脹。

(a)異型陰極炭塊中間截面變形分布

5 結(jié) 語

隨著我國鋁電解槽逐漸向大型化、智能化和節(jié)能化方向發(fā)展，提高炭塊材料的理化指標和結(jié)構(gòu)性能將成為未來的主要研究方向。該文則以陰極炭塊結(jié)構(gòu)性能對比研究為出發(fā)點，通過建模推導(dǎo)和有限元仿真計算，完成異型陰極炭塊與平底型陰極炭塊的力學(xué)性能對比研究，并得出以下結(jié)論：

(1)結(jié)合材料力學(xué)基本原理和公式，對陰極炭塊中間截面力學(xué)性能進行建模計算，得出異型陰極炭塊與平底型陰極炭塊的慣性矩和最大允許集中力。結(jié)果顯示，平底型陰極炭塊X軸慣性矩增大48 %，Y軸慣性矩增大16 %，最大允許集中力增大31 %。

(2)建立異型與平底型陰極炭塊的有限元數(shù)值分析模型，對陰極炭塊中間截面應(yīng)力和變形進行了有限元分析。結(jié)果表明，平底型炭塊的最大應(yīng)力值和最大變形均小于異型炭塊，最大應(yīng)力值約降低52 %，整體應(yīng)力分布情況較好，有限元分析結(jié)果為陰極炭塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型提供了參考依據(jù)。