鋁電解預焙陽極鋼爪彎曲變形機理的分析

肖述兵*

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鋁電解預焙陽極鋼爪彎曲變形機理的分析

肖述兵*

（黃河鑫業有限公司，青海湟中，811600）

國內某電解鋁企業陽極導桿鋼爪大面積出現內彎，下線率達34.78%。鋁電解預焙陽極鋼爪彎曲變形機理的分析，本文從不同物體受熱所產生的溫度應力和變形量加以分析，建立力學模型，計算變形機理，確定原因和制定對策。通過觀測、統計和計算，造成鋼爪彎曲的主要原因是鋼爪體橫梁部分被保溫料覆蓋，散熱效果差，橫梁膨脹量大于陽極膨脹量，在陽極約束下對鋼爪形成反作用力，并且在持久高溫環境下又產生蠕變，雙重條件下造成鋼爪永久變形。

陽極；鋼爪；彎曲；機理；分析

引言

國內某電解鋁企業在2017年陽極導桿鋼爪大面積出現內彎，彎曲量在10-30mm之間，根據該企業《導桿組檢查細則》規定，變形量大于20mm的必須下線維修，據統計，下線率達34.78%，見表1，如此高的下線率一度造成生產線上的導桿供應短缺，并且維修費用急劇上升。

表1 組裝1-8月份下線導桿統計表

1 現狀調查

2017年6-8月對導桿下線狀況進行了3個月的跟蹤調查，主要從下線原因、損壞現象等方面進行觀測和統計，其中鋼爪內彎占主要因素，并且絕大多數為兩側的鋼爪向內彎曲變形，變形量最大為30mm，根本無法使用，如圖1所示。

圖1 鋼爪變形圖

2 原因分析

該企業電解槽陽極交換周期為31天，陽極組在進入電解槽內前，溫度為室溫，剛進入時溫度較低，約50℃，但在電解質和電流作用下溫度持續升高，第3天測量橫梁溫度在200℃左右，第5天在350℃左右，而后進入平衡期。隨著陽極的不斷消耗，橫梁離高溫（960℃）電解質越來越近，受到熱傳導和熱輻射作用溫度又開始上升，到第28天溫度上升到450℃，有的高達500℃，此過程中橫梁會隨溫度的上升而隨之膨脹，但在陽極約束下阻止其膨脹，這樣就產生了變形機理，陽極組在電解槽內的溫度分布如圖2所示[1]。從力學方面對鋼爪受力進行分析，因外側鋼爪變形最嚴重，本案例只對外側鋼爪進行分析，力學模型如圖3所示。

圖2 陽極組在電解槽內的溫度分布圖

圖3 鋼爪體受力模型圖

2.1 橫梁與陽極橫向熱變形量計算

一個自由伸縮的物體，當溫度變化時，其伸縮量大小可由下式計算[2]。

——-膨脹系數，mm/℃

橫梁（鑄鋼）11.8×10-6; 陽極4.5×10-6

——-物體長度，mm

——溫度變化，℃

2.1.1 橫梁橫向膨脹量

溫升平均按400℃計算

=2.27mm

2.1.2 陽極橫向膨脹量

溫升平均按700℃計算

=1.51mm

2.2 橫梁受到的軸向壓力計算

經上述計算，橫梁變形量大于陽極變形量，受陽極的約束，橫梁受到壓力，壓力由下式計算：

式中：k———彈性系數，N/m

式中：———彈性模量，Gpa，查手冊橫梁為200 Gpa

———橫梁截面積，m2本案例為0.16×0.095m2

———橫梁長度，m

=6.3×109N/m

=4.8×106N

2.3 鋼爪與橫梁撓度計算

2.3.1 鋼爪變形撓度

鋼爪受陽極的擠壓力作用繞根部向內發生彎曲，其它力不予以考慮，該受力結構可視為懸臂梁，其受力變形如圖4所示[3]。

圖4 鋼爪受力變形模型圖

式中：——變形撓度，m

——受力， N

——鋼爪長度，m

E——彈性模量，Gpa

——慣性矩， m4

式中：b——鋼爪根部截面寬度，m 本案例為0.095m

h——鋼爪根部截面高度，m 本案例為0.16m

=32.4×10-6m4

=5.4×10-3m

2.3.2 梁變形撓度

橫梁在鋼爪擠壓力作用下，受扭矩力作用翻轉彎曲變形，其它力不予以考慮，該受力結構可視為懸臂梁，其受力變形如圖5所示。

圖5 橫梁受力變形模型圖

式中：y——變形撓度，m

——轉動力矩，N.m

——橫梁長度,m

——彈性模量，Gpa

——慣性矩， m4

=1.34×106N.m

=11.4×10-3m

2.3.3 鋼爪綜合變形量

鋼爪最終變形為疊加變形，既自身受力變形和橫梁彎曲變形而帶動其繼續變形，其最終變形值為綜合疊加值，如圖6所示。

圖6 鋼爪綜合彎曲變形模型圖

橫梁變形引起的鋼爪變形可根據相似三角形原理計算：

y=6.7×10-3m

鋼爪最終變形量為：

y綜=5.4×10-3+6.7×10-3

=12.1×10-3m

=12.1mm

2.4 溫度與受力、變形量對應關系

三者之間的關系按以上方法計算，結果如表2所示。

表2 溫度與受力、變形量對應表

2.5 溫度產生的蠕變

固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小于彈性極限施加的力時也能出現。許多材料（如金屬、塑料、巖石和冰）在一定條件下都表現出蠕變的性質。

蠕變在低溫下也會發生，但只有達到一定的溫度才能變得顯著。對各種金屬材料的蠕變溫度約為0.3Tf，Tf為熔化溫度，本鋼爪體熔點在1400℃。當溫度越高、應力越大、作用時間越長時，蠕變越明顯[4]。

換極后，陽極導桿返回組裝車間裝上新極后再返回電解使用，第二次變形總量是上次與本次的累積，如此類推。從表二可以看出，當鋼爪溫度超過300℃以上時，最多只能循環利用3次即需下線修理（下線率33.3%），當超過500℃時，只能利用1次即下線修理。通過調查該企業陽極鋼爪體橫梁部分被保溫料覆蓋，散熱效果差，溫度基本在300℃以上，這是該企業鋼爪內彎的主要原因。

陽極浸泡在電解質內，且有覆蓋料保溫，溫度基本恒定不變，在700℃。橫梁暴露在空氣中，可通過多種方法調溫，如要保證兩者的膨脹量相等，則橫梁溫度應控制在：

t=267℃

當橫梁溫度小于267℃，鋼爪不會因熱應力產生變形，使用周期可大幅度提升。

3 結束語

通過觀測、統計和計算，造成鋼爪彎曲的主要原因是鋼爪體橫梁部分被保溫料覆蓋，散熱效果差，橫梁膨脹量大于陽極膨脹量，在陽極約束下對鋼爪形成反作用力，并且在持久高溫環境下又產生蠕變，雙重條件下造成鋼爪永久變形。該企業目前已對陽極鋼爪橫梁采取了清除保溫料，改善扇熱等措施，鋼爪變形難題逐步得到緩解，已趨于良性發展。

[1] 王平甫. 鋁電解炭陽極技術. 北京: 冶金工業出版社, 2005.

[2] 單輝祖. 材料力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[3] 錢偉長, 葉開沅.彈性力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

[4] 崔忠圻. 金屬學與熱處理[M]. 北京: 機械工業出版社, 2003.

[5] 樂雪梅, 戴威然, 郭峻, 等. 鋁電解用預焙陽極外形結構優化的摸索及生產實踐[J]. 云南冶金, 2010, (S1).

Analysis of Bending Mechanism of Pre-baked Anodes in Aluminum Electrolysis

XIAO Shubing*

(Yellow River Xinye Co., Ltd., Qinghai Langzhong, 811600, China)

A large amount of steel claws of the anode guide bars of an electrolytic aluminum enterprise in China have undergone inward bending. The downline rate has reached 34.78%. The analysis of the bending deformation mechanism of aluminum electrolysis prebaked anode steel jaws is based on the analysis of the thermal stress and deformation caused by the heat of different objects, establishing the mechanical model, calculating the deformation mechanism, determining the causes and formulating the countermeasures. Through observation, statistics and calculations, the main cause of the bending of the steel claws is that the cross section of the steel claws is covered by the insulation material, and the heat dissipation effect is poor. The expansion amount of the cross beam is greater than the anode expansion volume, and the reaction force of the steel claw is formed under the anode constraint, and Creep occurs again in a persistent high-temperature environment, resulting in permanent deformation of the steel jaws under double conditions.

Anode; Claw; bending; mechanism; Analysis

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.045

TP391

A

1672-9129(2018)01-0113-03

肖述兵. 鋁電解預焙陽極鋼爪彎曲變形機理的分析[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 113-115.

XIAO Shubing. Analysis of Bending Mechanism of Pre-baked Anodes in Aluminum Electrolysis[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 113-115.

2017-11-06；

2017-12-27。

肖述兵（1972-），男，湖南臨湘，大學學歷，高級工程師，工作于黃河鑫業有限公司，從事生產、設備管理工作。E-mail: 3173185007@qq.com