王 恒，周凯琦，周终强，黄 俊



铝电解槽阴极钠扩散及热应力−钠膨胀耦合的计算

王 恒1，周凯琦1，周终强2，黄 俊2

(1. 华中科技大学力学系，武汉 430074；2. 贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳 550081)

利用ANSYS Workbench仿真平台建立铝电解槽热应力−钠膨胀耦合计算的有限元模型，提出利用非稳态质量扩散和瞬态热传导的相似性模拟钠扩散的方法，得到了钠在阴极炭块中的浓度分布。根据钠浓度的分布将钠膨胀系数转化为热膨胀系数，实现钠膨胀和热膨胀的间接耦合，模型还考虑钢的塑性变形和摩擦接触，计算结果与实际情况吻合较好。

铝电解槽；钠扩散；热应力；钠膨胀；有限元

电解槽是生产铝的主要装备之一。在生产过程中电解槽受力情况十分复杂，槽壳和摇篮架不仅要承受内衬的热膨胀和钠膨胀还要承受上部结构的压力以及自身质量，有时槽壳和摇篮架会因受力过大而屈服，导致电解槽损坏。此外，阴极的破损也是电解槽停槽的主要原因之一。在铝电解过程中，除了铝的析出外还会有钠的析出，钠析出以后会向阴极炭块进行扩散，并和阴极炭块进行反应，导致阴极炭块体积膨胀产生钠膨胀应力。钠膨胀应力是阴极炭块破损的重要原因之一。目前大多数学者主要通过做实验来对钠扩散和钠膨胀进行研究[1−2]，数值模拟的结果还很少。本文作者提出利用非稳态质量扩散和瞬态热传导的相似性模拟钠扩散的方法，对钠浓度的分布进行了模拟，并把钠膨胀转化为热膨胀系数，计算热膨胀和钠膨胀对电解槽的耦合作用。……