现代铝电解槽是当前工业生产金属铝的核心设备
在理论上,在电解铝的过程中不消耗阴极炭素材料 但是在高温和强腐蚀性的电解质工况下,在各种应力载荷和化学腐蚀共同作用下铝电解槽内阴极炭块受到严重的破坏,甚至破裂漏槽
因此,延长阴极炭块的使用寿命是需要解决的重要课题之一[1,2]
根据铝电解大型预焙槽结构和服役工况,电解槽中的阴极炭块受到高温熔盐电解质尤其是金属钠的化学渗透腐蚀[3,4]
电解槽运行后,金属钠和高温熔盐通过炭块缺陷孔隙对其进行扩散渗透腐蚀
钠进入炭素晶格层内形成体积更大的嵌入式化合物NaxC [5],炭晶格的层间距增大,改变炭块的微观组织结构,降低内聚力和内摩擦角,炭块有效峰值强度和弹性模量[6]降低,机械性能不断劣化,使炭块结构面的膨胀和开裂
钠和电解质的渗入,引起阴极压降增加
尤其是钠的渗透侵腐蚀,其破坏更明显
钠扩散性能,是评价阴极炭块性能的主要指标
伍玉云等采用均匀化理论模拟阴极炭块的钠扩散
将阴极炭块抽象为均匀性模型[7],在细观尺度下的钠扩散模拟研究,尚未见报道
实际上,阴极炭块是由炭骨料和沥青粘合剂两相组成的非均质颗粒复合材料
相关研究结果表明,复合材料各相组成成分在空间上的随机分布以及各相之间的相互作用都使其物理化学性能极为复杂
当前对阴极炭块钠扩散的模拟研究,其结果的误差不可忽略
本文根据炭块细观结构将阴极炭块被视为炭骨料和沥青二相复合材料,使用ANSYS有限元分析软件建立阴极炭块细观二维随机骨料模型,施加约束条件、载荷,模拟钠在非匀质炭块中的扩散过程,考察炭骨料粒度组成、含量和形貌对钠扩散过程的影响
1 数值模拟1.1 数学模型
钠向阴极炭块内部的传输,包括扩散、渗透、对流、毛细管作用和电迁移以及它们的复合作用
钠侵蚀到炭块内部的主要方式是扩散,一般根据Fick第二扩散定律进行描述[8]
假设阴极炭块体处于与钠接触的环境中,在炭块内部没有金属钠,且钠在炭块中均匀扩散,各向扩散系数相同
钠在炭块中的二维扩散模型为
?C?t=D?2C?x2+?2C?y2(1)
将初始条件和边界条件代入式（1）,并求解上述偏微分方程,即得到任意时刻、任意位置的钠浓度
由于非稳态质量扩散方程（1）和瞬态热传导方程（2）在数学形式和量纲(见表1)有一定的相似性,本文采用瞬态热传导方程的求解方法求解非稳态钠扩散,并使用有限元软件中的热分析单元
声明：
“基于细观结构的铝电解阴极炭块钠扩散过程的数值分析和实验研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
1066
编辑：中冶有色网
来源：刘庆生,许真铭,汤卫东
分享 0
举报 0
收藏 0
反对 0
点赞 0
2025年05月23日 ~ 25日 
