異型陰極炭塊與平底型陰極炭塊的結構性能對比研究

李偉波

(四川中孚科技發展有限公司，四川 廣元 628000)

0 引 言

隨著我國鋁電解槽逐漸向大型化、智能化和節能化方向發展，電解鋁廠對各部件的理化指標、結構性能提出了更高的使用要求。陰極炭塊作為電解槽陰極結構的核心零件之一，其結構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的侵蝕，同時還要兼顧熔融鋁和電解質中電流的均勻分布。此外，陰極炭塊受多種力相互作用的影響，導致陰極炭塊出現不同程度的變形甚至表面開裂，如自身重力，溫差產生的熱應力及外部磁場力等，其中溫差產生的熱應力通常會使得陰極炭塊在高度方向上出現不同程度的熱膨脹現象，當炭塊表面出現裂縫時，陰極炭塊上部的熔融鋁和電解質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，若電解槽繼續運行，將出現早期破損，因此，陰極炭塊的結構性能對電解槽正常生產和保證其使用壽命都起著至關重要的作用。

相關研究文獻[1，2]認為，異型結構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定性，除此之外，采用異型陰極炭塊，極距和電解質壓降有所降低，可實現電解槽節能降耗生產，相對平底型陰極炭塊結構，試驗得出[3，4]：使用異型結構炭塊的電解槽電壓約降低300 mV，噸鋁生產可節約用電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。據資料顯示，2012年7月，河南某電解鋁企業采用異型陰極結構，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能降耗方面具有明顯優勢，但從受力分析角度出發，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襯及槽殼強約束，溝槽中間部位往往會產生集中應力，導致炭塊向上拱起彎曲變形[5]。因此，在選擇陰極炭塊結構時，結合實際工況，應綜合評價其各項使用性能指標。

目前國內已有眾多學者對陰極炭塊進行研究，并取得相應的研究成果。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力和溫度的影響，并給出預防炭塊開裂的方法。以石墨化炭塊和高石墨質炭塊為研究對象，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生的開裂現象，推導出陰極炭塊中間截面力學性能的數值模型，建立陰極炭塊應力-應變三維有限元分析模型，對陰極炭塊中間截面的應力和變形分布進行了研究。

1 力學性能計算

電解槽正常生產過程中，陰極炭塊在內襯和槽殼的強約束作用下，導致炭塊中間截面出現應力集中和最大變形，以異型陰極炭塊中間截面作為研究對象，結合材料力學相關知識，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，保證炭塊基本結構參數不變，與同類型平底型陰極炭塊中間截面力學性能對比，得出平底型陰極炭塊力學性能較好，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詳見表1，相關推導過程如下。

表1 陰極碳塊中間截面參數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)

根據彎曲應力計算公式，逆向推導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。

根據上述公式，結合表1陰極碳塊中間截面參數，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，結果詳見表2。

表2 陰極碳塊中間截面力學計算結果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 %。為預防陰極碳塊在生產過程中發生開裂，防止電解槽出現早期破損，影響正常生產，僅從陰極炭塊端部受力角度考慮，在對其進行結構選型時，可優先采用平底型陰極碳塊結構。

2 陰極碳塊數值模型的建立

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置有矩形槽，為避免矩形槽直角根部應力集中，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見表3。利用SOLIDWORKS軟件建立三維實體模型，將模型導入ANSYS WORKBENCH分析軟件，賦予炭塊材料力學屬性，然后進入網格劃分模塊，對炭塊進行網格前處理，為增強炭塊側面與扎糊接觸間的摩擦力和結合力，炭塊側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，在劃分網格時，采用四面體非結構性網格進行劃分，單元網格尺寸為60 mm，陰極碳塊三維有限元數值分析模型詳見圖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Tab.3 Geometrics of the cathode carbon block

3 邊界條件的施加

根據電解槽正常生產工況及內襯結構布置可知，陰極炭塊的兩頭端面主要受內襯及槽殼強約束，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，靠近炭塊頂的上部分端面加載167 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 結果與分析

4.1 中間截面應力分布

從圖4中間截面應力分布云圖可知，異型炭塊與平底型炭塊在截面頂部均出現應力集中，前者應力變化梯度較大，后者應力變化梯度較小，異型炭塊最大應力值約為5.37 MPa，平底型炭塊最大應力值約為2.59 MPa，相對前者，最大應力約降低52 %，兩者應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，電解槽正常生產過程中，受熱應力、端面強約束及鈉離子滲透膨脹等多種因素影響，異型炭塊產生裂紋風險更大，通常在刨槽檢修過程中發現，槽底陰極炭塊上表面的裂紋基本與槽大面一側方向平行，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致，根據炭塊材料屬性可知，許用抗彎強度遠小于許用抗壓強度數值，可以判斷裂紋是由槽底向上的集中力產生的剪應變所導致。

(a)異型陰極炭塊中間截面應力分布

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均出現最大變形，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，在實際生產中，受多種因素相互作用，陰極炭塊的實際變形量應大于圖中給出的計算數值，在實際變形量中，炭塊的膨脹變形量占據相當大部分比重，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和鈉反應發生膨脹，滲入到底部的鈉還與底部的絕緣材料反應發生膨脹。

(a)異型陰極炭塊中間截面變形分布

5 結 語

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

(1)結合材料力學基本原理和公式，對陰極炭塊中間截面力學性能進行建模計算，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值分析模型，對陰極炭塊中間截面應力和變形進行了有限元分析。結果表明，平底型炭塊的最大應力值和最大變形均小于異型炭塊，最大應力值約降低52 %，整體應力分布情況較好，有限元分析結果為陰極炭塊的結構設計和選型提供了參考依據。