学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

300kA铝电解槽电热应力场及钠膨胀应力的仿真优化研究

作　者: 伍玉云
导　师: 李劼
学　校: 中南大学
专　业: 电化学工程
关键词: 铝电解槽阴极炭块电-热-应力场钠扩散钠膨胀
分类号: TF821
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 97次
引　用: 6次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文在国家自然科学基金项目(No．50374081)的资助下，借助于有限元分析软件对300kA铝电解槽焦粒焙烧过程电、热场以及阴极炭块热应力和钠膨胀应力进行了数值仿真优化研究。本文所得出的结论如下：(1)对现行电解槽焦粒焙烧启动阴极温度场进行了优化研究，提出在阴极表面从电解槽边缘向中心依次铺设电阻率递增的焦粒层的优化焙烧方案，并进行了温度场仿真计算。研究发现，优化后平均温度为931℃，比优化前温度有所提高；阴极表面温差明显降低，端部炭块1和炭块2在优化后的温差比优化前温差降低8％以上；优化后中间炭块3～炭块13表面温差比优化前降低30％以上；平均升温速度降低了12％，平均温度梯度降低了22％；(2)对工业上应用的各种类型炭块的钠扩散以及钠膨胀进行了计算机仿真研究。研究发现一个月后金属钠在无烟煤炭块、半石墨质炭块、半石墨化炭块、石墨化炭块内的平均浓度分别为：1.98％、1.67％、1.53％、0.52％；一年后分别为：3.65％、3.47％、3.37％、2.01％。当电解槽只存在热应力的时候，无烟煤炭块、半石墨质炭块、半石墨化炭块、石墨化炭块内的最大等效应力别为：13.0MPa、17.5MPa、13.4MPa、9.29MPa，应力主要集中在钢棒槽周围；启动30天后分别为：71.0MPa、47.3MPa、30.8MPa、11.3MPa，应力主要集中在钢棒槽和阴极炭块表面；(3)针对不同炭块材质以及炭块结构类型进行了电、热、应力场的优化。当电解槽焙烧结束时，无烟煤炭块、半石墨质炭块、半石墨化炭块、石墨化炭块内的最大温度梯度分别为：1023℃／m、851℃／m、809℃／m、795℃／m，正常生产时期的电压降分别为：272.2mV、240.2mV、229.6mV、195.4mV：(4)针对工业上阴极炭块钢棒槽的结构建立了单阴极炭块模型，对采用不同形状(项部为半圆形、矩形或者通长、非通长)和数量(1根或者2根)的阴极钢棒槽进行了炭块应力的仿真优化研究。研究发现采用双半圆形通长阴极钢棒时阴极炭块的应力最小，最大等效应力为：10.9MPa，比采用双矩形的钢棒槽减小14％。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章文献综述  10-22
  1.1 我国电解铝工业的现状  10
  1.2 铝电解槽电-热-应力场的仿真研究进展  10-16
    1.2.1 铝电解槽电-热场的仿真研究进展  11-13
    1.2.2 电解槽热-应力场的研究进展  13-16
  1.3 电解槽阴极内衬钠膨胀应力的研究进展  16-17
  1.4 预焙铝电解槽早期破损的主要原因及延长槽寿命的对策  17-20
    1.4.1 预焙铝电解槽早期破损的原因  17-20
    1.4.2 延长铝电解槽寿命的对策  20
  1.5 课题来源  20
  1.6 论文研究方法与内容  20-22
第二章铝电解槽仿真的有限元模型  22-34
  2.1 有限元方法简介  22-23
  2.2 铝电解槽的物理模型  23-26
    2.2.1 三维1/4电解槽焦粒焙烧模型  24
    2.2.2 三维阴极炭块钠扩散模型  24-25
    2.2.3 铝电解槽钠膨胀切片模型  25
    2.2.4 具有 TiB_2复合阴极涂层阴极炭块模型  25-26
  2.3 铝电解槽的数学模型  26-29
    2.3.1 电场控制方程  26-27
    2.3.2 热场控制方程  27
    2.3.3 热应力方程组  27-29
    2.3.4 钠膨胀应力方程组  29
  2.4 边界条件  29-32
    2.4.1 导电边界条件  30
    2.4.2 导热边界条件  30
    2.4.3 铝电解槽应力边界条件  30-31
    2.4.4 材料的破坏形式和准则  31-32
  2.5 主要材料物性参数整理  32-34
第三章 300kA预焙铝电解槽焦粒焙烧过程热场的仿真与优化  34-50
  3.1 前言  34
  3.2 焦粒焙烧过程电流载荷施加  34-35
  3.3 热场分析及验证  35-42
  3.4 焙烧工艺的温度场优化  42-48
    3.4.1 优化方案  42-43
    3.4.2 优化后热场结果分析  43-46
    3.4.3 优化前后电场结果分析  46-48
  3.5 结论  48-50
第四章阴极炭块钠渗透以及炭块钠膨胀应力研究  50-63
  4.1 前言  50
  4.2 阴极炭块钠渗透计算结果分析  50-54
    4.2.1 无烟煤炭块钠渗透结果分析  50-51
    4.2.2 半石墨质炭块钠渗透结果分析  51-52
    4.2.3 半石墨化炭块钠渗透结果分析  52
    4.2.4 石墨化炭块钠渗透结果分析  52-53
    4.2.5 不同炭块结果对比分析  53-54
  4.3 位移和应力结果分析  54-61
    4.3.1 焙烧结束后电解槽位移结果分析  54-55
    4.3.2 启动一个月后电解槽位移分析  55-56
    4.3.3 电解槽阴极炭块热应力结果分析  56-57
    4.3.4 钠膨胀应力和热应力耦合分析  57-58
    4.3.5 不同炭块电解槽位移和应力结果对比分析  58-61
  4.4 本章小结  61-63
第五章铝电解槽阴极炭块的优化研究  63-74
  5.1 前言  63
  5.2 阴极炭块材质的优化研究  63-67
    5.2.1 不同炭块对焦粒焙烧的影响  63-65
    5.2.2 不同炭块对阴极电压降的影响  65-67
  5.3 阴极炭块结构的优化研究  67-71
  5.4 采用硼化钛(TiB_2)涂层后阴极炭块应力分布  71-73
  5.5 本章小结  73-74
第六章总结与展望  74-76
  6.1 总结  74-75
  6.2 展望与建议  75-76
参考文献  76-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目  84

300kA铝电解槽电热应力场及钠膨胀应力的仿真优化研究

内容摘要

全文目录

相似论文