基于細觀(guān)結構的鋁電解陰極炭塊鈉擴散過(guò)程的數值分析和實(shí)驗研究

現代鋁電解槽是當前工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的核心設備 在理論上,在電解鋁的過(guò)程中不消耗陰極炭素材料 但是在高溫和強腐蝕性的電解質(zhì)工況下,在各種應力載荷和化學(xué)腐蝕共同作用下鋁電解槽內陰極炭塊受到嚴重的破壞,甚至破裂漏槽 因此,延長(cháng)陰極炭塊的使用壽命是需要解決的重要課題之一[1,2] 根據鋁電解大型預焙槽結構和服役工況,電解槽中的陰極炭塊受到高溫熔鹽電解質(zhì)尤其是金屬鈉的化學(xué)滲透腐蝕[3,4] 電解槽運行后,金屬鈉和高溫熔鹽通過(guò)炭塊缺陷孔隙對其進(jìn)行擴散滲透腐蝕 鈉進(jìn)入炭素晶格層內形成體積更大的嵌入式化合物NaxC [5],炭晶格的層間距增大,改變炭塊的微觀(guān)組織結構,降低內聚力和內摩擦角,炭塊有效峰值強度和彈性模量[6]降低,機械性能不斷劣化,使炭塊結構面的膨脹和開(kāi)裂 鈉和電解質(zhì)的滲入,引起陰極壓降增加 尤其是鈉的滲透侵腐蝕,其破壞更明顯 鈉擴散性能,是評價(jià)陰極炭塊性能的主要指標 伍玉云等采用均勻化理論模擬陰極炭塊的鈉擴散 將陰極炭塊抽象為均勻性模型[7],在細觀(guān)尺度下的鈉擴散模擬研究,尚未見(jiàn)報道 實(shí)際上,陰極炭塊是由炭骨料和瀝青粘合劑兩相組成的非均質(zhì)顆粒復合材料 相關(guān)研究結果表明,復合材料各相組成成分在空間上的隨機分布以及各相之間的相互作用都使其物理化學(xué)性能極為復雜 當前對陰極炭塊鈉擴散的模擬研究,其結果的誤差不可忽略 本文根據炭塊細觀(guān)結構將陰極炭塊被視為炭骨料和瀝青二相復合材料,使用ANSYS有限元分析軟件建立陰極炭塊細觀(guān)二維隨機骨料模型,施加約束條件、載荷,模擬鈉在非勻質(zhì)炭塊中的擴散過(guò)程,考察炭骨料粒度組成、含量和形貌對鈉擴散過(guò)程的影響 1 數值模擬1.1 數學(xué)模型 鈉向陰極炭塊內部的傳輸,包括擴散、滲透、對流、毛細管作用和電遷移以及它們的復合作用 鈉侵蝕到炭塊內部的主要方式是擴散,一般根據Fick第二擴散定律進(jìn)行描述[8] 假設陰極炭塊體處于與鈉接觸的環(huán)境中,在炭塊內部沒(méi)有金屬鈉,且鈉在炭塊中均勻擴散,各向擴散系數相同 鈉在炭塊中的二維擴散模型為 ?C?t=D?2C?x2+?2C?y2(1) 將初始條件和邊界條件代入式（1）,并求解上述偏微分方程,即得到任意時(shí)刻、任意位置的鈉濃度 由于非穩態(tài)質(zhì)量擴散方程（1）和瞬態(tài)熱傳導方程（2）在數學(xué)形式和量綱(見(jiàn)表1)有一定的相似性,本文采用瞬態(tài)熱傳導方程的求解方法求解非穩態(tài)鈉擴散,并使用有限元軟件中的熱分析單元