【毕业学位论文】160kA 预焙铝电解槽焦粒焙烧过程电-热-应力场计算机仿真研究-有色金属冶金

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论 文 题 目 : 160电 研 究 生 姓 名 : 张钦菘 学 科、专 业 : 有色金属冶金 学院（系、所） : 冶金科学与工程学院 指 导 老 师 : 李 劼（教授、博导） 分类号 密级 硕士学位论文 160焙铝电解槽焦粒焙烧过程 电 应力场计算机仿真研究 60者姓名： 张钦菘 学科专业： 有色金属冶金 学院 （系、 所） ： 冶金科学与工程学院 指导教师： 李劼（教授、博导） 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2005 年 7 月 硕士学位论文 摘 要 摘 要 铝电解槽的焙烧过程对槽寿命有着十分重要的影响。 认识焙烧过程中阴极内衬中的电、热、应力场分布及演变规律，研究如何实现最佳的温度分布、控制升温速度和避免发生过大的热应力对减少槽破损，提高槽寿命具有重要意义。 本文以有限元仿真软件 平台，开发了铝电解槽焦粒焙烧过程瞬态电热模型和热应力模型。 将计算结果与测试数据及文献结果进行了对比，验证了模型的正确性。主要的研究内容及成果如下： （ 1）对不同石墨含量阴极炭块焙烧结束时的温度分布进行了计算。结果表明：相对于半石墨质炭块 ，采用石墨化炭块后的阴极表面平均温度提高了 50左右、阴极表面 900以上面积所占比例提高16 18 个百分点，上下表面平均温度差减小 2 5。采用石墨化炭块时将焦粒层厚度从 20加到 30使焙烧时间减小一半。 （ 2）研究了分流方案参数对阴极升温速度的影响。拆除分流片间隔时间越长、分流片组数越多， 平均升温速度越小。存在一个最优的起始电流使 200 600的平均升温速度最低。综合考虑 25 200和 200 600的平均升温速度，起始电流的合理值在 50左右。延长第一组分流片拆除前的时间能更 有效的降低平均升温速度。 （ 3）研究了升温速度随温度变化的规律。槽结构和焦粒层厚度一定时，在电流加载稳定后某点的升温速度只和此点的位置、温度及加载的电流有关，分流方案对其几乎没有影响。利用此规律，提出通过计算直接加载不同电流时的某点的升温速度倒数随温度变化的曲线来设计分流方案的方法。 可以针对各温度段不同的升温速度要求设计相应的升温曲线。 （ 4）讨论了几种情况下升温速度和温度分布的关系。当满足一定条件时， 可以仅比较直接加载电流时升温速度来判断不同槽结构的温度分布的均匀性，而不需要对不同分流方案分别计算。 （ 5）研究了焙烧过程各种应力随时间的演变，垂直方向的最大正应力一直大于水平方向的最大正应 力和所有面的最大剪切应力。 计算了采用不同石墨含量的阴极炭块时的热应力 分布。结果表明：采用半石墨质炭块时，在大部分阴极炭块端部燕尾槽的下部有应力集中；使用石墨化炭块后可以减轻大部分炭块的应力集中， 并使最大拉应力减少 57，等效应力减小 33。 硕士学位论文 摘 要 关键词 ： 铝电解槽，焦粒焙烧，电热场，热应力场，瞬态分析 硕士学位论文 he in on In to it is to of to of in on by as (1) at of in is on 0 , of 00 at 6 8 . is 0mm 0mm (2) of on of a 00 00 is 5 00 00 00 , is 0% . in of (3) of of on of on A in 士学位论文 of of on of be at (4) of be to of (5) of in is in in in of is in is 7% 3% in 士学位论文 目录 目 录 摘 要 . I .一章 文献综述 .述 .电解槽焙烧技术现状 . 焙烧与槽寿命的关系 . 焙烧方法的比较 . 焙烧过程的升温速度 .烧过程电、热、应力场仿真研究现状 .文的主要研究内容与方案 .二章 铝电解槽焦粒焙烧过程电 .制方程 . 导电控制方程 . 导热控制方程 .限元软件 参数化设计语言 .理模型 .料物性参数 .格划分 .界条件 .流载荷施加 .章小结 .三章 阴极内衬电热场瞬态仿真分析 .例分析及模型验证 . 热场分析及验证 . 电场分析 .极炭块石墨含量对温度分布的影响 .章小结 .四章 焙烧过程阴极炭块和捣固糊的升温速度研究 .流方案对捣固糊升温速度的影响 . 起始电流对升温速度的影响 . 分流片拆除间隔时间对升温速度的影响 . 分流片组数对升温速度的影响 . 带全分流片焙烧时间对升温速度的影响 .士学位论文 目录 温速度和电流密度的关系 .同分流方案在电流相同期间的升温速度比较 .流方案的设计方法 .温速度曲线和温度分布的关系 .章小结 .五章 阴极内衬热应力仿真分析 .应力模型 . 控制方程 . 计算方法 .例分析 . 焙烧结束时槽体和槽壳位移变形 . 阴极炭块的热应力演变 . 焙烧结束时阴极炭块的热应力分布 .极炭块石墨含量对应力分布的影响 .章小结 .六章 总结与展望 .考文献 .录 .谢 .读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目 .士学位论文 第一章 文献综述 1第一章 文献综述 述 铝是世界上最丰富的金属元素，由于金属铝的一系列优良的物理化学性质，它的用途日益广泛，已成为有色金属中产量最大、最重要的金属，在工业上被誉为万能金属。 铝电解槽是霍尔 用电 解法生产金属铝以来，电解槽形式有了很大的改进和发展，现代铝工业上使用的电解槽主要类型有三种，分别为侧插棒式自焙阳极电解槽、上插棒式自焙阳极电解槽和预焙阳极电解槽。在这三种电解槽中，阳极装置有很大的不同，但阴极装置大同小异。电解槽的槽底结构均由阴极炭块、阴极钢棒、耐火材料、保温材料、氧化铝粉等部分组成。 为了进一步增加铝产量和降低能耗， 许多国家致力于电解槽的大型化和操作自动化以及有关工艺设备的实验研究，新建成的电解槽大多为 200 230大型预焙阳极电解槽，最大的电解槽容量已达到 500右。电解生产的电流效率也不断提高，已经达到了 95左右。电解操作的自动化程度和劳动生产率也日益提高。 近二十年来，我国电解铝工业高速发展，已在基础理论研究、现代大型预焙槽的设计、生产和生产过程的计算机控制方面取得了很大的进步。我国已完成了180208 320现代化预焙槽的工业试验和产业化1以节能增产和环保达标为中心的技术改进和改造， 促进自焙槽生产技术向预焙槽转化获得了巨大成功。但是，目前我国铝生产企业的电解槽寿命与世界先进水平还有较大差距，如何提高电解槽寿命是困扰我国铝生产企业的一大技术难题。 我国的大型预焙铝电解槽槽寿命普遍偏低，平均槽寿命在 1300 1500 天左右，有的甚至不到 1000 天5。西方发达国家的预焙铝电解槽寿命一般都在 2500天以上，最高可以达到 4000 天6。 铝电解槽寿命是铝电解技术经济水平的综合标志7。槽寿命的长短，不仅关系大修费用、铝产量，更关系到整个企业经济效益。因此延长槽寿命进一步降低铝电解成本是最有效的途径8, 9。以 160焙铝电解槽为例，一台新建槽的费用约为 70 万元，即使是大修也需要近 50 万元。仅电解槽折旧费一项，我国的吨铝成本就要比国外高出约 200 元，使本来就不低的生产成本更是雪上加霜。 近年来，国内纷纷展开对铝电解槽槽寿命的研究。本文是在国家自然科学基硕士学位论文 第一章 文献综述 2金“铝电解槽内衬应力的形成、演变及其与槽破损关系的研究”课题和中国铝业公司的 “提高槽寿命综合技术研究” 课题中的 “预焙铝电解槽阴极内衬性能测试、计算机仿真计算及提高槽寿命的对策研究”子课题的资助下进行的。 电解槽焙烧技术现状 铝电解槽在投入生产前，必须经过焙烧这一重要过程。电解槽焙烧的目的是使电解槽能平稳地从室温转入高温生产、避免热冲击对内衬的损坏、使捣固糊得到良好的焙烧而获得适当的强度、并驱除内衬中的水分10。 烧与槽寿命的关系 铝电解槽寿命受多方面的影响，是综合因素影响的结果，它与铝电解槽槽型结构设计，筑炉工艺技术，材质的选用，焙烧启动方法，生产管理技术等诸因素有直接关联。在众多影响因素中，国际上普遍认为预热焙烧方法所占的比重达到了 2511。就我国而言，影响铝电解槽寿命 的主要因素以及其所占的比重一般可概括为：筑炉施工 20 25，筑炉材料和质量 15 20，结构设计 510，焙烧 20 25，电解工艺制度与操作 25 3012。在上述各个因素中，槽寿命受焙烧因素的影响占有相当的比重。 对于现有普通预焙铝电解槽， 在其寿命周期内阴极炭块大多数的缺陷是形成在电解槽焙烧启动和运行初期。这些缺陷的发展，如裂纹的扩展，孔洞的加大加深等，以致铝和电解质渗漏至槽底，侵蚀保温层，造成槽底上抬，或侵蚀阴极钢棒，造成铝中含铁量增加，最终导致电解槽被迫停槽大修。由此可见，保证电解槽碳素内衬在焙烧启动后缺陷少及没有大的缺陷， 对于电解槽的高效长寿运行是非常关键的一环13。 近年来随着铝电解槽容量的不断增大，铝业界对焙烧启动方法愈来愈重视。焙烧启动方法已有较大改进。我国铝电解厂使 用的阴极炭素材料的抗热震性能差，焙烧启动工艺对材料的性能的影响更为显著。我国铝电解槽的平均寿命短，生产效率较低，焙烧启动的方法不当和质量偏低乃是重要原因之一。 许多学者对槽破损做了广泛的观察、实验、检测和分析，总结出铝电解槽破损的情况7, 8。其中，电解槽在焙烧过程产生的破损有： （ 1）底部阴极炭块断裂或出现阴极炭块的长 度方向相垂直的横向裂纹，裂纹的深浅不等，最深的可使阴极炭块横向断裂。 （ 2）槽底部炭间糊及周围糊与炭块之间焙烧后出现大的缝隙。 硕士学位论文 第一章 文献综述 3（ 3）捣固糊剥皮分层。 （ 4）周围糊沿周边方向出现横向收缩裂纹。 在焙烧过程中，主要有以下因素导致铝电解槽的早期破损，缩短铝电解槽的使用寿命14, 15： （ 1）热冲击。铝液焙烧中，加铝液对冷的阴 极、捣固糊表面产生热冲击，内衬中的糊料因收缩而产生裂纹。 （ 2）热膨胀、收缩不匹配。阴极炭块受热膨 胀，捣固糊却因为沥青等粘结剂的焦化而收缩。 焙烧完成后， 如果阴极炭块的热膨胀不足以抵消捣固糊的收缩，阴极内衬就会产生裂缝。 （ 3）电流分布不均。在铝液焙烧法、焦粒焙 烧法和石墨焙烧法中，容易产生电流分布不均的现象，产生较大的温度梯度，在阴极炭块中产生过大的热应力使其破损。 烧方法的比较 目前，在国内外通常使用的焙烧方法大致有四种，即铝液焙烧、焦粒焙烧、石墨焙烧和燃料焙烧16 好的焙烧方法应该是使阴极炭块及内衬的捣固糊由低温向高温徐徐加热， 避免瞬间高温液体的热冲击，减少由于热应力的 作用而使碳素内衬产生爆裂的现象。 对大型预焙槽而言，焙烧方法的选择主要应遵循以下四项原则：其一，延长电解槽寿命。在焙烧启动期间，应尽量减少对阴极内衬的热冲击，避免因阴极裂纹而导致电解槽早期破损，影响槽寿命；其二，尽量缩短焙烧时间，提高经济效益；其三，焙烧操作要简单易行，不能过于复杂；其四，焙烧成本不能过高。 以下是对四种焙烧方法的简介： 1）铝液焙烧法： 该方法是在装好的电解槽上，向炉内注入一定量的铝液（ 160焙槽一般为 然后通以直流电。利用铝液在通以直流电状态下产生的热量来焙烧阴极。阳极底掌至阴极炭块表面距离 20右，由于铝液铺满在炉底约 815，且铝液的电阻较小，故产生的热量较低。铝液温度从初始的 100 200缓慢升至 900 1000，约需 192h 左右的时间。启动 6 8 小时后灌铝，转入启动后期管理阶段。 该方法操作简单、焙烧温度上升缓慢均匀，但在注入高温铝液时会使阴极内衬受到强烈的热冲击， 内衬中的捣固糊因收缩而产生裂纹， 由于液体铝凝固点低，硕士学位论文 第一章 文献综述 4仅为 660，铝液渗入到内衬中凝固下来。在后期的焙烧启动及生产过程中，随着温度的升高，本已凝固的铝会熔化并形成渗铝通道，造成电解槽早期破损甚至漏炉。 2）焦粒焙烧法：焦粒焙烧法（如图 1示）是采用焦炭颗粒作为电阻体的电热焙烧方法。 图 1粒焙烧示意图 1钢爪 2阳极炭块 3分流片 4、 14保温盖板 5、 10、 13热电偶套管 6电解质块隔墙 7冰晶石、碳酸钠和氟化钙等物料 8冷捣糊 9阴极钢棒 11阴极炭块 12焦粒层 具体步骤为： （ 1）在阴阳极之间铺上一层煅烧 过的焦炭颗粒，其厚度为 20 30解槽通电后，焦粒层作为电阻体便在阴、阳极之间产生焦耳热，焙烧电解槽，同时，阴极和阳极本身的电阻也产生热量，在其内部焙烧。 （ 2）阳极导杆与阳极母线之间用临时导电软 母线联接以便阳极重量全部压在焦粒上，保证阳极与焦粒良好接触。 （ 3）在槽四周装砌电解质块和冰晶石粉，并用钢板将冰晶石与焦粒隔开。 （ 4）阳极上部盖上保温板再铺上氧化铝，用 以保护阳极免受氧化和保持热量。 （ 5）使用分流片（图 1示）使焙烧开始时只有部分电流流经电解槽，然后逐渐增加。具体的电流增加速度依据焙烧速度而定，短的可在数小时内，长的可在两天内达到全电流。 硕士学位论文 第一章 文献综述 5（ 6）电流满负荷继续焙烧一定时间，使阴极表面温度达到 900 950，即可进行启动。 焦粒焙烧的优点： （ 1）电解槽的阴阳极可以从常温下逐渐升温 预热，避免了铝液焙烧法中，开始灌入高温铝液时的瞬间强烈热冲击； （ 2）焙烧过程中阴阳极不会被氧化； （ 3）部分热量产生在阴极炭块中，可以使阴极内衬得以从内部烘干； （ 4）如果在焙烧过程中，阴极表面有裂纹或 其它缺陷，那么填充到其中的是高分子比电解质，而不是铝液，有利于预防电解槽的早期破损，有利于延长槽寿命19； （ 5）焦粒电阻比铝液的电阻大得多，因此发 热多，升温速度快，焙烧时间比铝液焙烧时间短20； （ 6）使用分流器或分流片可使电解槽在低于 系列电流强度的电流下进行焙烧，减小了加热过程中的温度梯度，降低了内衬材料损坏的危险； （ 7）槽膛和内衬耐火砖材料均能受到充分预 热，启动后升温快，短时间内就可达到和建立起槽的热平衡21。 焦粒焙烧的缺点： （ 1）在焙烧期间，炭块的表面和内部温度梯 度大，可能导致底部炭块破裂和个别炭块之间位移较大； （ 2）由于阴极的表面无法做到完全平整、阳 极表面也不可能完全光滑以及焦粒粒度不均匀等原因，可能出现电流的分布不均匀，这将导致阴极有的地方出现局部过热，严重时阴极钢棒熔化，启动时导致漏炉，从而严重影响到电解槽的使用寿命； （ 3）还有一个缺点是侧部烧成不好，不管是 铝液焙烧法还是焦粒焙烧法，目前都解决不了侧部人造炉帮的烧成问题，这 是世界各国都在致力攻克的难题22。 3）石墨粉焙烧法： 与焦粒焙烧法操作基本相同，先将石墨粉铺设于槽底，厚度为 20 30上阳极，通以直流电，靠石墨粉本身的电阻发热来烧成阴极。 该法不需用分流器，全电流焙烧，石墨粉质软，且铺设厚度较高，阳极底部接触好，电流分布均匀，温度分布均匀，具有焦粒焙烧法的优点；但操作可行性差，焙烧终止时，温度不能提高，灌入电解质后只能用效应启动，使槽底升温过快。 4）燃气、燃油焙烧法： 硕士学位论文 第一章 文献综述 6采用燃气、燃油等燃料进行预热焙烧启动法，该法温度控制好，焙烧时阴极面上的温度分布均匀，焙烧产生的热量在良好的保温状态下散失较少，焙烧效果好，焙烧速度也较快，但因其焙烧成本太高，且管理难度大在现阶段较少在生产被采用 , 适应于有天然气供应和靠近炼油厂的铝电解厂。 对比以上四种焙烧方法的利弊， 对于大型预焙槽而言焦粒焙烧法是较好的选择。 烧过程的升温速度 焦粒焙烧的技术关键是如何使阴极内衬的升温过程满足升温曲线的要求23。槽内各种材料对温度上升速度有一定要求， 特别是捣固糊对焙烧过程的温度要求较严格，温度控制不好，会影响焙烧质量。我们知道，半石墨质阴极炭块是焙烧过的， 实际上就是周围糊和炭间糊如何焙烧以及如何与阴极炭块尽可能烧结为一个整体的问题。 资料表明国外焦粒焙烧的时间一般控制在 48 小时。过快和过慢都对填缝糊的性能有不良影响。过快 (72 小时 )会使边部大缝里的糊处在 200 450（焦粒焙烧终了时周围糊的温度一般不会超过 450）的时间过长，蒸馏掉大量沥青组份，使沥青的粘结性能下降，同样也会使糊的孔隙度增大、强度下降。强度过低的糊很容易受到电解质和铝液的渗透，也容易在铝液的冲刷下飘浮起来，从而对电解槽寿命产生不利影响，甚至导致早期破损24。 文献 19认为国外的材料科学是我国无法望其项背的，且相关技术我们也没有完全掌握。对于炭素材料而言，在 200以前为软化阶段，主要是排除吸附水和化合水，升温速度可以而且应当加快，可达 10 /h，否则软化时间过长，会造成人造伸腿变形、不规整；在 200 700间，特别是 200 500是挥发分大量排出的阶段，此阶段升温应尽可能慢，不宜超过 5 /h，否则挥发分急剧排除使之产生焙烧裂纹，含导致结构疏松，孔度增加，密实程度不够；在 700以上，粘结剂的焦化过程已基本结束，此阶段可适当加快，可达 10 /h。于是，我们便可以计算出炭素材料焙烧到 1000，较理想的焙烧时间应为 138 小时。 文献 25也认为鉴于我国铝电解槽炭素内衬材料的抗热震性较差，减小焙烧启动时的热冲击显得尤为重要。降低焙烧时的 升温速度，尤其是降低焙烧温度300 600范围内的升温速度，应是我们改进焙烧启动方法的重点。 文献 10认为平均升温速度一般不应超过 20 /h， 最大升温速度不应超过 50 /h。在焙烧温度 300 600范围内内，升温速度应控制在 10 /h 或更小。 硕士学位论文 第一章 文献综述 7文献 1认为电解槽焙烧制度的制定应与粘结剂性能与温度的变化关系相符合，即电解槽的焙烧也应遵循“两头快，中间慢”的原则。电解槽焙烧至 250左右时，炭素内衬是处于软化阶段，此阶段主要是扣除内衬中的水分阶段，升温速度应当加快，否则软化时间过长易造成炭素内衬的变形， 250 600是挥发份大量排出阶段，此阶段升温速度应当缓慢，要保证挥发份的顺利排出，否则沥青的分解速度加快，挥发份急剧排出使内衬产生焙烧裂纹，进而导致结构疏松、内衬强度降低，对延长槽寿命不利。 文献 26认为焦粒焙烧过程可以分为三个阶段，分别为：低温预热阶段：槽内衬平均温度控制约在 200范围以下，在这段时间中升温速度一般应控制在每小时 5左右较好；中温焙烧阶段：在这期间温度控制约在 200 600范围之间，在这段时间中升温速度可达到每小时 10 20；高温焦化阶段：温度在 600左右范围，要及时提高升温速度。 我国铝厂焦粒焙烧实践一段时间以来，不同厂、相同厂不同时期，焙烧时电解槽内衬的升温速度不尽相同。 文献 19提到以前沁阳铝试验厂的 280焙烧时间多数为 72 80 小时，但从效果看，有强制启动之嫌；焦作万方的 280焙烧时间为 96 小时，启动已经平稳的多了；荏平铝厂的 190焙烧时间甚至达到 6 天，效果较好，该厂还有一个反面的例子：两台槽焙烧时间仅 3 天就强行启动，导致启动后期难以管理，出现了炉底冷、电压摆等情况。 从某厂实际操作来看21，带分流器的焙烧时间控制在 较好。因为带分流器的焙烧时间过长， 通过阳极的工作电流小， 槽温上不去， 总是低温徘徊，对槽衬毫无好处。割除分流器后，用全电流焙烧时间为 3 4 天，电解槽的温度便可达到 950以上，焙烧阶段便结束了。焙烧时间拖得过长，不但浪费电能，而且随着槽温的升高，控制电流的均匀分布变得非常困难，导致个别阳极电流过大， 钢爪烧坏脱极， 或者因为局部温度过高而产生液体电解质泄漏等一系列事故。 由于现在我国用于铝电解的糊的质量得到很大提高， 因此在升温速度上有向国外看齐的趋势，如青海铝厂 160解槽焙烧时间为 66 小时27；平果铝厂320解槽为 60 70 小时28。有些铝厂则还维持在较长时间，如南山铝厂300解槽为 96 小时29；三门峡铝厂 190白银铝厂 155约为 5 6天20, 30。 总的来说，糊的烧结质量好坏对电解槽寿命影响很大；升温曲线应该主要根据所用糊的特性决定。使用哪种质量的糊应该确定相应的升温曲线，过慢或过快对糊的烧结质量都不好。 升温速度过快对阴极炭块也会有影响，会引起炭块内部裂纹增多，加深加长硕士学位论文 第一章 文献综述 831。因此确定升温速度时需要综合考虑。文献 22认为理想的内衬升温速度应该是 5 10 /h，升温过快，易产生过大的温度梯度，使应力集中，导致内衬破损；升温过慢则浪费能源。采用焦粒焙烧法时，内衬升温过快（ ）易造成热应力集中，但没有铝液进入内衬的忧虑。 综上所述，电解槽内衬升温在 600以下时应比较缓慢，尤其是在 200 600之间，其目的是排出阴极间缝和槽周边缝的扎糊中的挥发分和结晶水，并使扎糊充分焦化，避免后期开裂，从而提高扎固糊料与阴极碳块的粘结性能，在这段时间中升温速度控制在每小时 10 20。 烧过程电、热、应力场仿真研究现状 铝电解槽运行状态下的仿真研究一般只考虑静态模型， 国内外进行了较多的研究16, 32但对焙烧阶段进行热 要建立瞬态模型才能满足要求，相对而言研究较少。 最早对铝电解槽槽底焙烧数学 模型进行研究的是前苏联的 4，他参照应用程序软件包 立了程序包 于求解铝电解槽槽底焙烧时阴极内衬温度场， 也可用于边界条件和热物理特性不同组合的复杂几何区域中热物理学课题的求解。文中作为举例，列举了用外部热源焙烧时铝电解槽槽底温度场的计算。 5等人在商业有限元 础上开发了电热模型。模型是包括了槽壳、绝缘砖、侧部炭块、糊、阴极炭块、焦粒层、冰晶石和阳极的三维四分之一整槽模型。此模型考虑了材料属性、对流换热系数和热生成率和边界条件的非线性问题，但对接触电阻的非线性没有考虑。模型中导电的部分如阳极、导杆、阴极炭块、阴极钢棒等有内热源生热问题的部分采用具有温度和电压两个自由度的 元进行电热耦合分析。 6紧接着开发了三维电应力模型，模型中用到了随温度而定的材料属性，在一些情况下，定义不同方向上不同的值时指定了各向异性值。 调整了磷生铁属性使各种材料之间包含接触电阻。在这个模型中较好的解决了材料属性的问题，但此模型假设所有的过电位处于焦粒层，且忽略了铸铁和炭块接触电阻会随温度和压力的变化而变化。首先是用瞬态热传递模型求解电热分布， 然后用获得的温度对时间曲线作为应力模型的载荷步，模拟了阴极炭块中的应力。 硕士学位论文 第一章 文献综述 9图 1立的三维四分之一槽模型 实际生产中， 捣固糊与炭块的热膨胀系数的差异以及热力梯度使得捣固糊和炭块的连接部位出现裂纹，结果使得它们的界面上没有剪应力传递。同样捣固糊与侧部及底部其它内衬界面也没有剪应力传递。 再者槽壳与内衬之间应该是可以相互滑动的。在三维模型中，这些因素没有被考虑，因此这两个模型给出了电解槽应力的上限情况。 议应该在这些会出现裂纹的界面上使用裂缝单元（ 并且用四分之一整槽模型进行分析。但此后没有相关文献报道。 用此模型计算出来的高应力值所处的位置和在破损槽中观察的裂纹大体相一致。 在焙烧过程的建模方面， 出了一种由槽正常运行状态下的电热模型直接转换成焙烧时的电热模型的方法47。 8也提出了一个三维热 们的工作主要集中在捣固糊机械性质和它在边部梁上产生的应力集中。 选择了三种不同配方的捣固糊样品来研究阴极表面温度达到 700所需的 48 小时过程中钢壳、内衬的温度、应力和变形。 厂的上插自焙槽焙烧启动过程中的阴极部分的电热场和应力场进行了瞬态仿真，其结果表明，焙烧启动的温度过低，将使阳极效应频繁，槽内电流分布不均，阴极钠膨胀剧烈甚至阴极炭块的破损；另外，在启动后的第一天，由于钠在阴极块上部的渗透，可以使槽底应力分布达到最大，当钠渗透完成后，槽底应力分布梯度会大大降低49。 焦粒焙烧对槽寿命的影响主要是电流分布不均匀， 焙烧后阴极炭内衬温度梯度大，升温速度不一致，局部过热，使阴极炭内衬破损，有时甚至会使阴极钢棒熔化，导致启动时漏炉。焦粒焙烧的热 阴极内衬不会产生过大的热应力而导致阴极破损。 焙烧过程中焦粒燃烧会导致槽电阻的下降和相应的槽电压