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92 材料工程/2013年7期 不同铝电解时间下阴极炭块的 损伤特性研究 DamagePropertiesofCarbonCathodesUnder DifferentAluminiumElectrolysisTime 刘庆生,何文。,曾芳金,薛济来 (1江西理工大学冶金与化学工程学院,江西赣州341000; 2北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083; 3江西理工大学工程研究院,江西赣州341000) — — — LIUQingsheng,HEWen。,ZENGFangjin,XUEJilai (1FacultyofMetallurgicalandChemicalEngineering,JiangxiUniversity ofScienceandTechnology,Ganzhou341000,Jiangxi,China;2School ofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScience andTechnologyBeijing,Beijing100083,China;3Engineering ResearchInstitute,JiangxiUniversityofScienceand Technology,Ganzhou341000,Jiangxi,China) 摘要:对不同铝电解时间下的阴极炭块试样进行了单轴压缩实验,建立了阴极炭块的损伤本构方程。实验和理论分析 结果表明:与未铝电解的炭块相比,铝电解环境下受熔盐腐蚀的炭块内部存在更多和分布更不均匀的化学腐蚀损伤,从 而导致阴极炭块弹性模量、峰值应力和残余变形能力的降低,铝电解时间越长,降低程度越大。采用真实破裂过程分析 软件RFPA。对阴极炭块的单轴压缩破坏实验进行了数值模拟,通过与理论、实验结果比较发现数值模拟可有效地用于 研究和再现阴极炭块变形破坏的全过程及局部的变形破坏特征。 关键词:铝电解;阴极炭块;损伤;本构模型;数值模拟;破裂过程— doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.07.018 中图分类号:TF821 文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2013)070092-05 — — Abstract:Uniaxia1compressionexperimentswereconductedtoobtainthestressstraincurvesofcar honcathodesamplesunderdifferentaluminiumelectrolysistime,andthedamageconstitutivemodelof thecarboncathodewasestablished.Experimentalandtheoreticalresultsshowthatpropertiesofthe corrodedcarboncathode,suchaselasticmodulus,peakstrengthandresidualdeformation,arede — — gradedcomparedwiththenonaluminiumelectrolysisones,whicharecausedbytheincreasingofini — tialmicroscopicaldamageregionsthatrandomdistributedinthecarboncathode.Theuniaxialcorn pressiontestofthecarboncathodewasnumericalsimulatedbytheRealisticFailureProcessAnalysis ∞ softwareRFPA,andthesimulationresultsmatchwellwiththetheoreticalandexperimentalones. Itisconfirmedthatthenumericalsimulationcanbeusedeffectivelytorepresentthedeformationand fractureprocessofcarboncathodes. Keywords:aluminiumelectrolysis;carboncathodes;damage;constitutivemodel;numericalsimulation; fractureprocess 在大量铝电解槽早期破损事故中, 失效的例子屡见不鲜。因此作为槽 节,阴极炭块已成为铝电解槽中最关键一, 它对于保证铝电解槽的结构完整性 阴极炭块先行 中最薄弱的环 的结构元件之 和安全可靠的 平稳运行有着至关重要的意义,日益被铝电解界所关 注。 从铝电解槽结构和生产工况中可以看出槽中的阴 极炭块不仅处在高温之下,并且还受到电解质尤其是 不同铝电解时间下阴极炭块的损伤特性研究 95 2.3阴极炭块损伤本构模型及其验证 根据损伤力学理论,用损伤后的有效应力来取代 无损伤材料本构关系中的名义应力,可得单轴压缩下 阴极炭块的损伤本构关系为:一 E(1一D)£ (1) 式中:e为应变;a为压应力;E为基准状态的弹性模 量;D为损伤变量。 力学损伤变量采用文献[11,12]提出的形式: D一一exp一m (去)] —— m一 (3) 1nf \\ O'pk/ 式(2)和(3)中,m为分布函数的形状因子,代表炭 块的均匀性特征,m越大,表示炭块材料越均匀,和 £Dk分别为峰值应力值和峰值应变值。 将式(2)和(3)代入式(1)可得到损伤本构模型:一 {eXp[一(壶)]}㈤ 根据不同电解时间阴极炭块的应力一应变实验曲 线求得初始弹性模量、峰值应力和峰值应变e再 将它们代入式(3)中可得电解腐蚀后的形状参数m,主 要模型参数值见表2,峰值应力值取表1中的阴极炭 块的抗压强度。 一 凸一\ b 表2阴极炭块损伤本构模型参数 Table2Parametersofdamage constitutivemodelsforcarboncathodes 将表1和表2的模型参数代入式(4)中,得到4个 铝电解时间下阴极炭块的损伤本构理论模型,其实验 曲线与理论及数值模拟结果的比较如图5所示。由图 5可知,所构建的损伤本构模型能够较好地反映不同 铝电解时间的阴极炭块在单轴压缩过程中力学变化的 基本特征,尤其在炭块屈服破坏前的阶段,理论结果和 实验结果趋势线相近,客观地表征了阴极炭块的本构 关系,从而验证了所建阴极炭块损伤本构模型的合理 性。值得注意的是,超过抗压强度后,数值模拟曲线与 理论和实验曲线有一定的偏差,但总体趋势较一致,尤 其在整个线性段和峰值区域能较好地吻合,这个阶段 正是工程设计中所关注的应力一应变关系区域。可见 数值模拟能够再现阴极炭快的变形破坏过程,可以用 于预测铝电解过程中阴极炭块的损伤破坏规律,为铝 电解槽的优化设计提供理论依据。 矗 凸_\ b 图5不同铝电解时间下阴极炭块的数值模拟、理论解析及实验室实验曲线对比(a)Oh;(b)2h;(c)3h;(d)4h Fig.5Comparisonnumericalsimulation,theoreticalanalysisandexperimentaltestcurvesforcarboncathodes duringdifferentaluminiumelectrolysistime(a)Oh;(b)2h;(c)3h;(d)4h 96 材料工程/2013年7期 3结论 (1)在铝电解环境下受熔盐腐蚀的阴极炭块,内部 产生了比未铝电解炭块更多和分布更不均匀的腐蚀损 伤,从而导致了弹性模量、峰值应力和残余变形能力的 降低,铝电解时间越长,降低程度越大。 (2)不同铝电解时间下阴极炭块的单轴压缩破坏 程度不尽相同,同一加载步下,铝电解时间越长,阴极 炭块内部的裂纹越多,裂纹扩展程度越大。 (3)数值模拟曲线同实验曲线在整个线性段和峰值区 域能较好地吻合,可模拟阴极炭块的局部变形破坏过程。 参考文献 r1]MARTIN0,BENKAHIAB,TT0MASIOT,eta1.Thelatest ’ developmentsofAlcansAP3XandALPSYStechnologies[A]. LightMetals[c].Warrendale:Minerals,Metalg>MaterialsSoc, — 2007.253258. [2]EVANSJW.Yesterday,today,andtomorrow:Theevolutionof technologyforlightmetalsoverthelast50years:A1,Mg,andIi— [J].JOM,2007,59(2):3038. [3]刘庆生,薛济来.添加剂对铝电解炭基阴极钠渗透膨胀过程的影 — 响[J].北京科技大学学报,2008,3O(4):403407. — — LIUQingsheng,XUEJilai.Effectsofadditivesonthesodium — penetrationandexpansionofcarbonbasedcathodesduringalu miniumelectrolysis[J].JournalofUniversityofScienceand — TechnologyBeijing,2008,30(4):403407. [4]班允刚,阚洪敏.Na和铝电解质对振动成型TiB2惰性阴极的渗— 透[J].过程工程学报,2008,7(3期615619. — — — BANYungang,KANHongrain.Penetrationofsodiumandelec trolyteintovibratorycompactionTiB2cathode[J].TheChinese — JournalofProcessEngineering,2008,7(3期615619. 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