基于細觀結(jié)構(gòu)的鋁電解陰極炭塊鈉擴散膨脹和力學(xué)特性研究.pdf

1、鋁電解用陰極炭塊先行失效會導(dǎo)致鋁電解槽壽命縮短，鈉及電解質(zhì)滲透侵蝕進入陰極內(nèi)襯，引起陰極炭塊內(nèi)襯膨脹，繼而發(fā)生失效破損是陰極炭塊先行失效的最核心因素。陰極炭塊為多相復(fù)合材料，其各相組成成分的空間分布以及其各相材料之間的相互作用，都會使得炭塊表現(xiàn)出不同的宏觀性能。本課題旨在從細觀結(jié)構(gòu)研究陰極炭塊內(nèi)部破損，揭示細觀結(jié)構(gòu)對鈉滲透膨脹及炭塊的力學(xué)特性的影響。
　　本論文在國家自然科學(xué)基金項目(No.51264011)資助下，針對目前模擬研

2、究大多將陰極炭塊看作為均勻性材料，缺少細觀結(jié)構(gòu)下陰極炭塊的研究，從陰極炭塊細觀角度出發(fā)，建立了細觀非均質(zhì)模型，利用有限元軟件進行了細觀結(jié)構(gòu)的模擬研究，研究內(nèi)容如下：
　　提供了一種鋁電解用陰極炭塊的檢測技術(shù)。通過顯微CT技術(shù)獲取陰極炭塊數(shù)字圖像，計算出每個炭骨料顆粒的粒徑和面積，得到了陰極炭塊的各組成成分的比例，孔隙含量為0.031，瀝青含量為0.183，炭骨料含量為0.756，雜質(zhì)含量為0.029，對炭骨料成分進行深一層次的分析

3、，得出炭骨料顆粒不同面積的比例，粉料所占面積比例為37.42％，小顆粒為55.51%，中顆粒為4.31%，大顆粒為2.74%。
　　研究了基于細觀結(jié)構(gòu)鋁電解陰極炭塊的鈉擴散過程。細觀結(jié)構(gòu)上將陰極炭塊視為炭骨料和瀝青二相復(fù)合材料，運用 ANSYS有限元軟件，建立陰極炭塊細觀二維隨機骨料模型，模擬了鈉在非勻質(zhì)炭塊中的擴散過程，分別考察了炭骨料粒度組成、含量和形貌對鈉擴散過程的影響。結(jié)果表明：炭骨料相對于瀝青對炭塊中的鈉擴散更具有阻礙作

4、用，橢圓形炭骨料、級配3-6mm炭骨料、含量60%炭骨料鈉擴散速率最慢。圓形炭骨料、級配3-15mm炭骨料、含量80%炭骨料鈉擴散速率最快。
　　研究了基于細觀結(jié)構(gòu)鋁電解陰極炭塊的鈉膨脹應(yīng)力。在細觀層面上建立二維隨機骨料模型，采用ANSYS軟件對鈉膨脹應(yīng)力模型進行求解，對不同形狀、級配、含量的骨料模型鈉膨脹應(yīng)力進行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：圓形炭骨料鈉膨脹量最小，橢圓形炭骨料鈉膨脹量最大；級配3-15mm炭骨料膨脹量最小，級配3-6

5、mm炭骨料鈉膨脹量最大；骨料含量80%鈉膨脹量最小，骨料含量60%鈉膨脹量最大。
　　研究了基于細觀結(jié)構(gòu)鋁電解陰極炭塊破損過程的力學(xué)行為。從細觀結(jié)構(gòu)角度，建立陰極炭塊二維隨機骨料投放模型，利用LS-DYNA有限元軟件模擬陰極炭塊在單軸壓縮下的力學(xué)行為，研究和分析了不同形狀、含量、級配的骨料對炭塊力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明：圓形骨料破裂速度最慢，橢圓形骨料破裂速度最快；骨料含量80%破裂程度最小，骨料含量60%破裂程度最大，級配3-6