异型阴极结构铝电解槽热应力场仿真.pdf

2 0 1 5 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 5 ．0 1 0 异型阴极结构铝电解槽热应力场仿真 姜艳丽1 ’2 ，郑奇1 ’2 ，喻亮1 ’2 ，冯乃祥3 ，唐鑫1 ’2 1 ．有色金属清洁冶炼与综合利用广西高校重点实验室，广西桂林5 4 1 0 0 4 ； 2 ．桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西桂林5 4 1 0 0 4 ； 3 ．东北大学材料与冶金学院，材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳1 1 0 8 1 9 摘要应用大型有限元软件A N s Y S 建立了1 6 0k A 异型阴极结构铝电解槽和传统阴极结构铝电解槽的 三维热应力模型，并对其进行了模拟计算。计算结果表明，异型阴极与传统阴极有着相似的位移分布， 各方向上极值差别不大；异型阴极与传统阴极内部的应力场分布趋势基本相似，但异型阴极应力场要较 为复杂。两种阴极正应力最大值差别不大，异型阴极X Z 面的应力集中增高，X Y 面与Y Z 面的应力集中 降低。阴极形状的改变使应力极值所在的位置由长轴两端变化为阴极凸起与阴极表面的连接处，因此 需要在此处作加固处理。 关键词铝电解槽；异型阴极；A N S Y S ；热应力；位移；应力集中 中图分类号T F l l l ．5 2 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 5 一0 0 3 7 一0 6 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fT h e r m a 卜s t r e s sF i e l di nA l u m i n u m R e d u c t i O nC e U sw i t hI n n O v a t i O nC a t h O d e 儿A N GY a n - l i l ”，Z H E N GQ i l 2 ，Y UL i a n 9 1 ”，F E N GN a i x i a n 矿，T A N GX i n l 2 1 ．G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fU n i v e r s i t i e sf o rC l e a nM e t a l l u r g ya n dC o m p r e h e n s i v e U t i l i 跪t i o no fN o n - f e r r o u sM e t a lR e s o u r c e s ，G u i l i n5 4 1 0 0 4 ，G u a n g x i ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o f a t o r yo fN e wP r o c e s s i n gT e c h n o l o g yf o rN o n f e r r o u sM e t a l sa n dM a t e r i a l s ，M i n i s t r yo fE d u c a t i D n ， G u i l i nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u i l i nS 4 1 0 0 4 ，G u a n g x i ，Ch i n a ；3 ．K e yL a b o r a t o r yf o rA n i s o t r 。p ya n dT e x t u r eo f M a t e r i a l s ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n 。s c h o o Io fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r 5 i t y ，S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t 】V I a t h e m a t i c a lm o d e l so f3 Dt h e r m a l s t r e s sf i e l do f16 0k Ac o n v e n t i o n a la n di n n o v a t i o nc a t h o d e a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l sw e r en u m e r i c a l l vc a l c u l a t e dw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r eA N S Y S ．T h ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nt r e n d so fc o n v e n t i o n a lc a t h o d ea n di n n o v a t i o n c a t h o d ea r es i m i l a r ，t h ee x t r e m ev a l u e sa r es l i g h t l yd i f f e r e n t ，a n dt h ee x t r e m ep o s i t i o n sa r ea l s od i f f e r e n t ． T h em a x i m u m so fn o r m a ls t r e s so fc o n V e n t i o n a lc a t h o d ea n di n n o v a t i o nc a t h o d ea r es l i g h t l yd i f f e r e n t ． S t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sa tt h ej o i n t so fc o n v e xa n ds u r f a c eo { i n n o v a t i o nc a t h o d e ，a n di sa tt h ee n d so fl o n g a x i so fc o n v e n t i o n a lc a t h o d e ．X Ya n dY Zs h e a rs t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sr e l e a s e d ，b u tX Zs h e a rs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni se n h a n c e di ni n n o v a t i o nc a t h o d e ．T h ei o i n t so fc o n v e xa n ds u r f a c eo fi n n o v a t i o nc a t h o d e s h o u l db ea p p r o p r i a t e l yr e i n f o r c e d ． K e yw o r d s a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s ；i n n o V a t i o nc a t h o d e ；A N S Y S ；t h e r m a l s t r e s sf i e l d ；d i s p l a c e m e n t ；s t r e s s c o n c e n t r a t i n n 收稿日期2 0 1 4 1 2 一0 3 基金项目广西自然科学基金项目 2 0 1 4 G X N S F A A l l 8 3 5 l ；2 0 1 2 G X N S F B A 0 5 3 1 5 6 ； 广西壮族自治区教育厅科学技术研究项目 2 0 1 3 Y B l 0 6 作者简介姜艳丽 1 9 7 8 一 ，女，辽宁铁岭人，博士，讲师． 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第5 期 目前国内的电解铝厂大多采用异型阴极[ 1 。2 ] ，这 种阴极的表面具有规律的凸起结构，凸起结构的横 断面可以为不同的形状和排布方式[ 3 ] 。这种异型阴 极铝电解槽有很好的节能效果，可将槽电压从4 ．1 V 降至3 ．7 5V [ 4 ] 。阴极结构的改变必然会导致铝 电解槽的热应力场的改变[ 5 ] 。而铝电解槽内部结构 的应力无法进行直接测量，在工业电解槽上探明槽 破损的研究基本靠人为的经验积累，即对大修槽或 破损槽在停槽后的内衬和槽壳进行定性研究分 析[ 6 ] ，难以量化且耗时较长，而在实验室中将铝电解 槽成比例缩小又与生产现场严重脱节。因此，越来 越多的冶金工作者着眼于目前飞速发展的计算机数 值模拟方法来计算铝电解槽的应力场。1 9 8 9 年 B j o r n a rL a r s e n 等[ 7 ] 首先提出了二维阴极炭块切片 模型，后来逐渐发展到三维应力有限元模型[ 8 。10 【，已 经可以得到各处详细应力分布情况，为新槽的设计 和旧槽的改造提供了可靠的依据和策略。 本文应用有限元软件A N S Y S 计算了某厂1 6 0 k A 异型阴极结构铝电解槽 以下简称异型槽 的热 应力场，并与传统阴极结构铝电解槽 以下简称传统 槽 的热应力场进行了对比分析。 1铝电解槽的热应力场分析 热场和应力场能够顺序耦合，在铝电解槽的热 应力场分析中，先求解铝电解槽的热场，再将温度作 为铝电解槽应力场的已知条件来求解其热应力 场‘1 1 | 。 1 ．1 铝电解槽的热场分析 1 ．1 ．1 热场数学模型 A N S Y S 求解热场的理论基础是热平衡方程， 其实质是对热场微分方程相应的泛函求极值的过 程，在三维情况下，瞬态热场的场变量T z ，y ，z ，￡ 在直角坐标系中要满足微分方程 1 毫 K ，筹 杀 K ，舅 麦 K 等 一 a T ‘瓦 其中，K 为导热系数，与温度T 有关；￡为时间； c 为材料的比热容。 物体各点的温度不随时间变动，这种热场称为 稳态热场，即芸一o ，由式 2 来描述 未 K ，笔 专 K ，哥 曼 K 要 q 一。 2 其中q 为单位体积产生的热量。 1 ．1 ．2 热场物理模型 由于铝电解槽的结构非常复杂，并且体积很庞 大，因此在计算中对其进行如下物理简化1 把阴极 炭块组作为一大块阴极进行建模；2 把圆倒角作为 直倒角来处理。 再结合铝电解槽的对称性，可以只选取单个槽 体的1 ／2 作为分析的模型。模型主要包括以下几个 部分阳极铝导杆、阳极钢爪、阳极炭块、电解质、铝 液、阴极炭块和埋设在炭块内的钢质导电棒，还有长 方形钢体槽壳、底部保温层以及侧部炭块层。铝电 解工作时，热量分别以传导、对流和辐射的方式散发 出去。 异型槽与传统槽最大区别在于阴极形状的不 同，异型阴极结构的每个阴极炭块的上表面多出若 干规律分布的凸起，目前不同的铝电解厂所采用的 异型阴极的表面凸起虽略有不同，但基本原理都是 通过减缓铝流速来降低铝液波动，进而降低电压达 到节能减排的目的。本研究中异型槽所采用的异型 阴极结构如图1 所示。 图1异型阴极炭块结构示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fi n n o V a t i o n c a t h o d es t r u c t u r e 1 ．1 ．3 热场有限元模型 对实体模型进行网格划分得到节点和单元，即 得到计算所用的有限元模型。传统槽和异型槽的有 限元模型如图2 所示，其中传统槽单元总数9 11 3 2 ， 节点总数2 28 7 0 ，异型槽单元总数5 88 5 8 ，节点总数 2 01 6 6 。 1 ．1 ．4热场物性参数和边界条件 传统槽与异型槽热场仿真过程中均采用了热单 元S O L I D 7 0 ，它是8 节点的六面体单元，仅有温度 一个自由度，因此可以退化为四面体结构。在A N S Y S 进行热分析过程中，需要给出每一实体的材料 属性，计算中所应用到的材料的导热系数均为经验 数据n2 ‘。 万方数据 2 0 1 5 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 9 图2 传统槽 a 和异型槽 b 热场有限元模型 1 ／2 F i g ．2M e s h i n gm o d e Io ft h e r m a lf i e l do fc o n V e n t i o n a lc e 儿s a a n d i n n o V a t i o nc a t h o d ec e l l s b 1 ／2 本文所应用的热场边界条件为1 在模型外表松比。 面加对流边界；2 对流由均匀换热系数和常数的介 f 。一垫f y 一垫 垫 质温度建模；3 辐射作为等效均匀对流建模；4 在铝 d z d y 北 液与电解质的交界面采用第一类边界条件，令其温J ￡，一挈j k 一掣 譬 5 度为9 6 0 ℃；5 在阳极炭块与边部结壳和上部氧化 ，’，， 铝粉接触的表面，采用绝热边界条件。8 z 一瓦y ”一再十五 最后求解传统槽与异型槽热场，A N S Y S 会自 动选择求解方法。 1 ．2 铝电解槽的应力分析 1 ．2 ．1 热应力场数学模型 在三维情况下，热应力场在直角坐标系中要满 足热弹性运动方程 3 、本构方程 4 和几何方程 5 ． 舞 等 鲁托一P 等 等 努 鲁 F ，一P 等 ㈣ 鼍 等 誓 F P 挚 其中，以、町、以、b 、r ，、r 。、r 。、r 。、r F 是应力 分量 P a ；F ，、F ，、F 是体积力分量 P a ；“、口、锄是 位移矢量分量 m 。 』e i 一虽i 一溅㈤ 【如一2 ＆i 脚“ i ，J z ，y ，z ；＆一{ i ； 式中，A 、G 是L a m e 系数，A G 一夏南；E 是弹性模量 M P a ；“是材料的泊 式 5 中，￡。、￡，、￡是正应变；y 。、k 、儿，是剪 应变。 1 ．2 ．2 热应力场物理模型和有限元模型 A N S Y S 中，可以顺序耦合温度场和应力场，因 此，在本计算中，将热场模型删除熔体 电解质与铝 液 部分后作为热应力场模型，其中传统槽热应力有 限元模型单元总数5 76 0 6 ，节点总数1 88 5 0 ，异型槽 热应力有限元模型单元总数5 06 9 8 ，节点总数 1 79 7 6 。 1 ．2 ．3 热应力场单元类型和物性参数 在A N S Y S 中可以直接将S O L I D 7 0 单元转化 为S O L I D 4 5 单元，物性参数 弹性模量、泊松比和热 膨胀系数 值均采用经验数据[ I } 2 。。。 1 ．2 ．4 热应力场边界条件和加载 铝电解槽工作时，要受到几种力的作用，分别 为压装载荷引起的应力、热膨胀引起的热应力和钠 膨胀引起的化学应力，在本计算中仅考虑了热应力 和化学应力 影响较大 。为了简化计算，将钠膨胀 产生的化学应力也等效为热应力，即将钠膨胀系数 转化为热膨胀系数，本文取钠膨胀系数值为o ．5 [ 2 。 将已经求解的温度场的结果作为应力场的体积 力，将其作为体积载荷施加到铝电解槽结构分析模 型上，其位移边界条件为槽壳底与底部绝缘支柱的 接触面在竖直方向 Z 的位移为零。 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第5 期 2 结果与讨论 因为阴极炭块在正常电解过程中产生开裂和破 损引起漏槽是最终导致停槽的很大一部分原因，因 此，本文着重讨论传统阴极与异型阴极的位移及受 力情况。 一。需是蜀黎筹。鼍贫“攀赢- _ _ 气1 37 5 0 1 5一 8O0 0 8 【a 传统阴极Y I 甸位移u N 80 X m0 1 7 d 异型阴极爿向位移U 2 ．1 位移计算结果分析 A N S Y S 热应力分析后处理中，给出三个正应 力、三个剪切应力和位移的分布云图。图3 给出了 传统阴极与异型阴极的X 向、y 向、Z 向和位移矢 量和的分布云图。表1 列出了传统阴极和异型阴极 位移各方向最大值及出现位置。 蕊甲 孺胃“篇∥⋯葡茸，_ n 4 9s 一 0 66 l I H m6 0 l0 1 2 b 传统阴极y 向位移u 2 7 9 一 嚣丽广j 黻霄■丽i 一一“狮 一0 0 6 } K J 6 e 异型阴极} 向位移u 耵14 3 7 ，0 60 10 1 50 1 9 0 0 5 X 】80 1 2I 1 7 g 传统阴极位移矢量和吐。。 蒜器斧劣襻●≮学“≮湔●K 蚺5 1 2 1 0 0 E 0 2 I X 2t H 3 5l H 4 c 传统阴极z 向位移“． - ‘Ⅲ6 喘l f n 0 2 ‰30 0 3 7 0 0 4 0 0 4j 0 0 5 ‘”5 1 5 6 f 异型阴极z 向位移址 x 60 1 20 1 70 2 h 异型阴极位移矢量和u ⋯ 图3传统阴极与异型阴极的x 向、y 向、z 向位移和总位移云图 m F i g ．3D i s p l a c e m e n to fc o n V e n t i o n a lc a t h o d ea n di n n O V a t i O nc a t h o d e 表1传统阴极和异型阴极位移最大值及所在位置 T a b l e1V a l u ea n dp O s i t i o nO fe x t r e m ed i s p l a c e m e n to fc o n V e n t i O n a la n di n n o V a t i o nc a t h O d e 注烟道端一x 轴正向；出铝端一x 轴负向；出电铡一y 轴正向；进电侧一y 轴负向。 万方数据 2 0 1 5 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 1 。 由图3 和表1 可知，异型阴极与传统阴极有着 相似的位移分布，均沿长短轴 X 轴和y 轴 对称分 布，极值也都出现在长短轴两端；垂直方向上 Z 轴 均自下向上递增。各方向上极值差别不大。 2 ．2 应力计算结果分析 图4 给出了传统阴极和异型阴极X 、y 、Z 向正 应力S 、S ，、S 。，X y 面、y Z 面、X Z 面剪应力S 。、 S ，、S 。，第一主应力S - 和等效应力S e Q v 分布云图。 传统阴极和异型阴极应力极值所在位置列于表2 ， 以方便对比分析。 曙群 - 能 ’鼎≯龇粥絮⋯ a 传统阴极爿向正应力只 鼍紫 - 嚣。啤舞絮 i ●⋯- 【b 传统阴极y 向正应力5 ． I 定霭贮％犍翔r 百- “瑚睫辅r 嚣I E 0 8 一i 羽要露尊丽嚣嚣胃絮进葡矿 钙E 批 一㈣E “1 8 一I N E “ 1 Ⅲ} E “1 74 埘1 E “ } ；一5 I 的E “端一l f X E “盱l H l E “ 4 “1 E “堪 d 异型阴极x 向正应力5 。 e 异型阴极m J 止应力5 5 [ I 尼觳E 罚挺葡r 斧镭j i j E 刊r 蜀5 E 删 一姗E 瑚一枷L 啪洲咀时2 0 【】E 瑚 g f 钧蝴祝r 顷剪应力5 。 7I 嚣蜀S 累硭菊r 矿●销谴而，是E “ { ； 一l ∞E 0 8 姗0 讲 8 ㈨0 0 0l 砷E 删 h 传统阴极爿z 面剪应力5 ，二 一3 4 l 晶斧熹踺嚣广●简萌矿暑磊E 枷 一1 5 0 E 硼一1 I l 【l E 0 71 0 0 E 0 71 5 0 E 瑚 0 异型阴极x y 面剪应力5 。 一I 嚣蕊 麓嚣百●黼新● ；暑E 删 一2 0 0 E “m I 1 0 B “1 71 0 0 E n 2 】o E 删 k 异型阴极．犯面剪应力s 一 啊，，嘲 r _ 鼍竽辩案州一 c 传统阴极Z 向正应力5 ． 一1 2 宠嚣暑诮霹簧雯r ’8 瀣莉i ．蜀g E 0 8 一“l o E “1 8 1 0 0 E 0 71 0 0 E “1 75 耵E “堪 f 异型阴极z 向正应力s ． 6 s 6 嚣胃罩篇端r 守督糙而焉j E 邶 一∞o E 0 8 2 0 00 【 【 2 ∞ 】【l o2 【】0 E 0 8 i 传统阴极x z 面剪应力气 ．II 覆嚣r 嚣高菥胃●氟西6 i ●互庇 0 8 一s 0 0 E 硼一1 0 0 E 0 71 0 0 E 0 7 鬟日B } 0 8 1 异型阴极爿z 面剪应力气 I m 传统阴极第一丰戍／“。 n 传统阴极等效应力s M o 异型阴极第一丰应力～．I p 异型阴极等效应力s E o 。 图4 传统阴极与异型阴极应力图 P a F i g ．4 S t r e s sd i a g r a mo fc o n v e n t i o n a lc a t h o d ea n di n n o V a t i o nc a t h o d e P a 由图4 和表2 可知，异型阴极与传统阴极内部 的内力场分布趋势基本相似，但异型阴极应力场要 较为复杂。两种阴极正应力最大值差别不大，异型 阴极X Z 面的应力集中增高，X y 面与y Z 面的应力 集中降低。阴极形状的改变使应力极值所在的位置 由长轴两端变化为阴极凸起与阴极表面的连接处， 夕 2“ⅡJ■● 汐 Y S 哐E E 万方数据 。4 2 ‘ 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第5 期 因此需要在此处作加固处理。生产中，很多铝厂都 处，例如改变阴极凸起截面形状等呦] 。 采用不同的方式来加固阴极凸起与阴极表面的连接 表2 传统阴极和异型阴极应力极值所在位置 T a b I e2P o s i t i o no fe x t r e m es t r e s sv a l u eo fc o n v e n t i o n a lc a t h o d ea n di n n o v a t i o nc a t h o d e 琐目 传统阴极 异型阴极 y 南 压应力 烟道端中部 烟道端中部的阴极凸起与阴极表面接触处 拉应力 炭块中部与阴极棒上表面的接触面炭块中部与阴极钢棒上表面的接触面 y 向 Z 向 X y 面剪应力 y Z 面剪应力 X Z 剪应力 第一主应力 压应力 拉应力 压应力 拉应力 负向 正向 负向 正向 负向 正向 负肉 正向 烟道端中部 炭块中部与阴极棒侧面的接触面 烟道端中部 炭块中部与阴极棒侧面的接触面 出电侧烟道端的角部 进电侧出铝端的角部 出电侧烟道端的角部 进电侧出铝端的角部 烟道端中部 出铝端中部 烟道端中部 炭块中部与阴极棒侧部的接触面 烟道端中部的阴极凸起与阴极表面接触处 炭块中部与阴极钢棒侧面的接触面 烟道端中部的阴极凸起与阴极表面接触处 出铝端的阴极凸起与阴极表面接触处 出电侧烟道端的阴极凸起与阴极表面接触处 进电侧烟道端的阴极凸起与阴极表面接触处 出电侧烟道端的阴极凸起与阴极表面接触处 进电侧烟道端的阴极凸起与阴极表面接触处 烟道端中部的阴极凸起与阴极表面接触处 出铝端中部的阴极凸起与阴极表面接触处 烟道端中部靠近出电侧的阴极凸起与阴极表面接触处 烟道端中部靠近进电侧的阴极凸起与阴极表面接触处 竺塾里垄 堂皇型塑望堂竺鱼塑 塑望堂生塑竺堕堡鱼墨皇壅亘竺壁壁竺 注烟道端一x 轴正向；出铝端一X 轴负向；出电铡一y 轴正向；进电侧～y 轴负向。 3结论 1 异型阴极与传统阴极有着相似的位移分布， 各方向上极值差别不大。 2 阴极形状的改变使应力极值所在的位置由长 轴两端变化为阴极凸起与阴极表面的连接处，此处 应适当地做加固处理。 参考文献 [ 1 ] F e n gN a i x i a n g ，T i a nY i n g f u ，P e n gJ i a n p i n g ，e ta 1 ． N e wc a t h o d e si na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s [ J ] ． T M S L i g h tM e t a I s ，2 0 l O 4 0 5 4 0 8 ． [ 2 ] F e n gN a i x i a n g ，P e n gJ i a n - p i n g ，W a n gY a o w u ，e ta 1 ． R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g yf o r a l u m i n u mr e d u c t i o ni nc h i n a [ J ] ． T M SL i g h tM e t a l s ， 2 0 1 2 5 6 3 5 6 8 ． [ 3 ] 冯乃祥，彭建平，王耀武，等．铝电解高效节能技术应用 与研究现状[ J ] ．材料与冶金学报，2 0 1 0 ，9 增刊1 1 7 ． [ 4 ] 赵应彬，王平，陈谦．3 0 0k A 新式异型阴极双钢棒铝电解 槽生产实践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 2 2 8 3 0 ． [ 5 ] 罗英涛，王平甫．铝用炭素材料 续1 1 [ J ] ．炭素技术， 2 0 0 1 4 4 6 4 8 ， [ 6 ] 杨小华，李贤．2 4 0k A 铝电解槽内衬结构优化[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 9 2 6 2 9 ． [ 7 ] B j o r n a rL a r s e n ，M o r t e nS o r l i e ．S t r e s sa n a 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