铝电解环境-蠕变交互作用下阴极炭块力学性能的劣化规律

槽寿命偏短是铝电解工业面临的重大难题，对铝电解槽进行合理设计是解决该问题的有效途径，然而，当前铝电解阴极炭块力学知识的严重缺乏，成为制约铝电解槽优化设计的主要瓶颈。本项目拟利用损伤理论来研究阴极炭块在铝电解环境-蠕变交互作用下的力学响应问题，对阴极炭块力学性能的演化规律进行基础科学研究。具体内容包括：构建一套用于监测铝电解环境下阴极炭块力学性能演化的试验装置和方法，揭示铝电解环境与蠕变协同作用下阴极炭块力学性能的劣化规律及其损伤机制；以此为基础建立能够真实反映阴极炭块损伤和力学行为的统一损伤演化方程以及本构方程；并对新发展本构方程在大型有限元软件ANSYS上进行有限元移植，实现阴极炭块损伤演化过程的数值模拟，预测应力、应变和损伤场的演化发展规律，从而为铝电解槽的优化设计以及延长和预测槽寿命提供技术参数和理论依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

槽寿命偏短是铝电解工业面临的重大难题，对铝电解槽进行合理设计是解决该问题的有效途径，然而，当前铝电解阴极炭块力学知识的严重缺乏，成为制约铝电解槽优化设计的主要瓶颈。为此，本项目采用了损伤理论来研究阴极炭块在铝电解环境—蠕变交互作用下的力学响应问题，进行了以下研究工作：.阴极材料钠膨胀过程在线测量结果表明：抗钠膨胀性能好坏排序为：SMH>HC100>HC35；随着分子比的增加，最终钠渗透膨胀速率增大；随着电流密度的增加，钠渗透膨胀速率增大。分别采用解析法和有限元法建立了阴极材料钠膨胀瞬态应力模型，可以较完善的描述阴极钠渗透膨胀过程中钠浓度和应力场分布随时间和空间上的变化规律。.自行集成了一种荷载和铝电解耦合作用下阴极炭块时变力学性能测试装置，并用此装置对阴极炭块力学性能进行了研究。蠕变实验结果表明：升高温度和延长铝电解时间都会加速试样的蠕变；石墨化能够提高炭块阴极的抗蠕变性能。根据试样的蠕变变形特征，并选择Burgers模型作为阴极炭块的粘弹性本构方程，该模型能够很好的描述阴极炭块的蠕变行为。铝电解环境下阴极炭块的应力-应变关系试验结果表明：SMH试样的峰值强度和弹性模量最大，其次是HC100试样，HC35试样的力学性能最差；随着加载速率的增加，炭块的峰值强度和弹性模量增大。铝电解环境对炭块的腐蚀损伤具有明显的时间效应，炭块试件的抗压强度、弹性模量随电解时间的增加而逐渐下降，并建立了阴极炭块随铝电解时间变化的抗压强度和弹性模量的折减模型。铝电解环境下阴极炭块力学性能劣化的主要原因是：熔盐的渗透腐蚀对炭块内骨料界面的润滑作用，以及熔盐的孔隙压力会对微裂纹产生劈裂作用等，而且进入炭晶格中的金属钠与之反应生成比炭晶格更大的嵌入化合物CxNa，改变了灰岩矿物组分及微观结构特征，致使炭块在宏观上表现出程度不同的强度降低。.基于以上试验结果和分析，建立了能够真实反映阴极炭块损伤和力学行为的统一损伤演化方程以及本构方程；并采用数值模拟研究了单轴压缩时阴极炭快内裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程，与阴极炭块的CT层析成像结果吻合很好，表明数值模拟能够再现阴极炭块的变形破坏形态，可以用于预测阴极炭块裂纹的动态演变过程。从而为铝电解槽的优化设计以及延长和预测槽寿命提供技术参数和理论依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。