铝电解槽阳极钢爪高温力学行为研究及结构优化
发布时间：2022-01-02 23:18
在现代铝电解工业中,阳极钢爪是铝电解槽阳极工作组中的必要组成部分。它长期在高温酸性腐蚀气氛中服役,是铝电解过程中损耗率较高的零件之一,它的失效和更换为电解铝企业带来了高昂的经济损失。同时,电解铝是众所周知的耗能大户,在生产环节进行节能降耗必不可少。为了改善阳极钢爪内弯问题及节能问题,文章运用ANSYS有限元软件进行数值模拟,首先,建立阳极工作组三维几何模型,测量其材料参数并赋予材料属性;其次,以实际工况下的温度及电流等施加边界条件,划分有限元网格,并进行阳极工作组的温度场、电场及应力场模拟。在此基础上,通过改变钢爪的材料、增加阳极胫板结构、增加阳极节能夹具等方法改善阳极工作组结构,得到阳极工作组在不同的结构下应力应变响应及电场响应,并分析优化结构对阳极工作组的影响。通过对比分析可知,铸钢钢爪的弯曲变形量为6.9mm,低碳钢结构钢爪的弯曲变形量为5.5 mm,低碳钢结构钢爪的变形量相对于铸钢钢爪降低了25%。在此基础上,进一步的增加阳极钢爪胫板结构,阳极钢爪胫板能够有效改善阳极钢爪的变形情况,抑制阳极钢爪内弯,其中深度为110mm的胫板在优化阳极钢爪力学行为上得到的结果最佳。单边初次变形...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝电解生产流程简图
工程硕士学位论文2图1.2大型铝电解槽相关资料显示[2]，我国的铝土矿对外依存度高达55-60%，由于矿石资源的不可再生性，铝电解的生产过程也在不断地进行科技创新，以期达到更佳的资源利用率。如在铝电解槽的研究上，创新发展了异型阴极结构电解槽[3]、新型结构导流槽[4]及高效节能型电解槽[5]；为了减少阳极消耗，对惰性阳极进行了进一步的研究，如以铁镍氧化物为主添加其他金属材料的金属陶瓷阳极[6]，以SnO2为基体，增加各种金属氧化物涂层的的惰性阳极[7]和动态惰性金属阳极等；在优化电解槽内部结构的过程中，开发大容量的电解槽磁流体优化技术[8-9]，进一步改善电解槽的磁场平衡；为不断提高铝电解槽的能量转化效率，企业装备的大容量预焙铝电解槽在提高电解槽的阳极电流密度[10]、优化铝电解槽设计[11]、加强铝电解槽保温、降低电耗等方面进行了许多改善。中国的电解铝行业正朝着高电流、大容量、自动控制、节能环保的方向发展。1.2阳极钢爪发展现状1.2.1阳极钢爪在铝电解中作用在现代铝电解工业中，工业铝电解槽结构[12]主要分为以下几部分：阴极结构、上部结构、母线结构和电器绝缘结构。由于各类槽的工艺制度不同，各部分结构也有较大差异，其中，在铝电解槽体之上的金属部分统称为上部结构，它由承重桁架、阳极提升装置、打壳下料装置、阳极母线、阳极组、集气和排烟装置组成。阳极母线承担着阳极重量，同时也承担着导电的作用，阳极组则通过小盒卡具和大母线上的挂钩卡紧在大母线上。阳极工作组由炭块、阳极钢爪和铝导杆组成，其结构如图1.3所示。其中阳极钢爪是阳极工作组的核心部件，在铝电解生产过程中，钢爪不仅要连接铝导杆和炭块，同时还要通过强大的电流，完成铝电解过程的通路。它的工作环境温度为400-600℃。铝电?
铝电解槽阳极钢爪高温力学行为研究及结构优化3的零件之一，它的损耗和更换为电解铝企业带来了不少的经济损失。图1.3预焙铝电解槽剖面示意图1.2.2阳极钢爪生产现状电解铝用的阳极钢爪型号不一，种类各异。按结构可以分为平行三爪，四爪，立体四爪，六爪，八爪等，如图1.4所示。按照材质可大致分为低碳钢结构钢爪和铸钢钢爪，在阳极钢爪研究领域中，也应用了一些新材料、新方法生产阳极钢爪，如铝钢复合钢爪、新材料钢爪等，但尚在研究阶段，在铝电解行业中并未广泛使用。图1.4几种常见的阳极钢爪（1）铸钢钢爪自我国铝电解工业发展以来，传统的阳极钢爪普遍采用铸钢制造，其主要材质为ZG230-450，在实际生产中采用砂型铸造进行生产。砂型铸造[14-15]的工序简单，造型材料成本低廉，周期短，但是在表面光洁度、精度、材料的机械性能等方面较差，在制芯、下芯、合箱、取模等工序中容易造成如气孔之类的铸造缺陷。同时因为其模具只能一次性使用，所以在大批量制造的过程工期长。由于钢爪的造型特点，在采用砂型铸造时，常使用两次造型法、直立式顺序冷却浇铸工艺。
【参考文献】：
期刊论文
[1]降低阳极组装过程中铁炭压降实践[J]. 张建华. 冶金与材料. 2019(06)
[2]铝电解阳极钢爪腐蚀及防腐技术探究[J]. 丁向东. 中国金属通报. 2019(09)
[3]我国重要矿产资源供需形势研究[J]. 苏轶娜. 中国国土资源经济. 2019(07)
[4]铝电解预焙阳极组电-热场仿真分析[J]. 杨玉荣,王教儒. 金属材料与冶金工程. 2019(01)
[5]铝电解惰性阳极的研究现状和未来发展预测[J]. 王飚,梁风,戴永年,阎治明. 轻金属. 2018(12)
[6]铝电解磷生铁改性剂的优化实验[J]. 姚勇,张林雨. 金属材料与冶金工程. 2018(05)
[7]NEUI600kA超大容量铝电解槽技术应用与行业进步[J]. 邓文强. 世界有色金属. 2018(08)
[8]铝电解预焙阳极钢爪弯曲变形机理的分析[J]. 肖述兵. 数码设计. 2018(01)
[9]电解铝用新型阳极钢爪[J]. 李姝婷,王日昕,伍永福,姜彦平. 中国有色冶金. 2017(05)
[10]铝合金钢爪阳极技术应用及生产实践[J]. 陈万金. 甘肃冶金. 2017(05)
硕士论文
[1]YL公司铝电解阴极磷生铁浇铸工艺项目的开发与管理[D]. 王新华.中南大学 2014
[2]铝电解槽阳极铁—碳接触压降仿真与优化研究[D]. 脱鹏.中南大学 2011
[3]基于ANSYS的大型预焙铝电解槽热电场的仿真[D]. 马素红.北方工业大学 2007
[4]大型铝电解槽设计参数的选择与优化研究[D]. 万押平.中南大学 2004
本文编号：3565079
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝电解生产流程简图
工程硕士学位论文2图1.2大型铝电解槽相关资料显示[2]，我国的铝土矿对外依存度高达55-60%，由于矿石资源的不可再生性，铝电解的生产过程也在不断地进行科技创新，以期达到更佳的资源利用率。如在铝电解槽的研究上，创新发展了异型阴极结构电解槽[3]、新型结构导流槽[4]及高效节能型电解槽[5]；为了减少阳极消耗，对惰性阳极进行了进一步的研究，如以铁镍氧化物为主添加其他金属材料的金属陶瓷阳极[6]，以SnO2为基体，增加各种金属氧化物涂层的的惰性阳极[7]和动态惰性金属阳极等；在优化电解槽内部结构的过程中，开发大容量的电解槽磁流体优化技术[8-9]，进一步改善电解槽的磁场平衡；为不断提高铝电解槽的能量转化效率，企业装备的大容量预焙铝电解槽在提高电解槽的阳极电流密度[10]、优化铝电解槽设计[11]、加强铝电解槽保温、降低电耗等方面进行了许多改善。中国的电解铝行业正朝着高电流、大容量、自动控制、节能环保的方向发展。1.2阳极钢爪发展现状1.2.1阳极钢爪在铝电解中作用在现代铝电解工业中，工业铝电解槽结构[12]主要分为以下几部分：阴极结构、上部结构、母线结构和电器绝缘结构。由于各类槽的工艺制度不同，各部分结构也有较大差异，其中，在铝电解槽体之上的金属部分统称为上部结构，它由承重桁架、阳极提升装置、打壳下料装置、阳极母线、阳极组、集气和排烟装置组成。阳极母线承担着阳极重量，同时也承担着导电的作用，阳极组则通过小盒卡具和大母线上的挂钩卡紧在大母线上。阳极工作组由炭块、阳极钢爪和铝导杆组成，其结构如图1.3所示。其中阳极钢爪是阳极工作组的核心部件，在铝电解生产过程中，钢爪不仅要连接铝导杆和炭块，同时还要通过强大的电流，完成铝电解过程的通路。它的工作环境温度为400-600℃。铝电?
铝电解槽阳极钢爪高温力学行为研究及结构优化3的零件之一，它的损耗和更换为电解铝企业带来了不少的经济损失。图1.3预焙铝电解槽剖面示意图1.2.2阳极钢爪生产现状电解铝用的阳极钢爪型号不一，种类各异。按结构可以分为平行三爪，四爪，立体四爪，六爪，八爪等，如图1.4所示。按照材质可大致分为低碳钢结构钢爪和铸钢钢爪，在阳极钢爪研究领域中，也应用了一些新材料、新方法生产阳极钢爪，如铝钢复合钢爪、新材料钢爪等，但尚在研究阶段，在铝电解行业中并未广泛使用。图1.4几种常见的阳极钢爪（1）铸钢钢爪自我国铝电解工业发展以来，传统的阳极钢爪普遍采用铸钢制造，其主要材质为ZG230-450，在实际生产中采用砂型铸造进行生产。砂型铸造[14-15]的工序简单，造型材料成本低廉，周期短，但是在表面光洁度、精度、材料的机械性能等方面较差，在制芯、下芯、合箱、取模等工序中容易造成如气孔之类的铸造缺陷。同时因为其模具只能一次性使用，所以在大批量制造的过程工期长。由于钢爪的造型特点，在采用砂型铸造时，常使用两次造型法、直立式顺序冷却浇铸工艺。
【参考文献】：
期刊论文
[1]降低阳极组装过程中铁炭压降实践[J]. 张建华. 冶金与材料. 2019(06)
[2]铝电解阳极钢爪腐蚀及防腐技术探究[J]. 丁向东. 中国金属通报. 2019(09)
[3]我国重要矿产资源供需形势研究[J]. 苏轶娜. 中国国土资源经济. 2019(07)
[4]铝电解预焙阳极组电-热场仿真分析[J]. 杨玉荣,王教儒. 金属材料与冶金工程. 2019(01)
[5]铝电解惰性阳极的研究现状和未来发展预测[J]. 王飚,梁风,戴永年,阎治明. 轻金属. 2018(12)
[6]铝电解磷生铁改性剂的优化实验[J]. 姚勇,张林雨. 金属材料与冶金工程. 2018(05)
[7]NEUI600kA超大容量铝电解槽技术应用与行业进步[J]. 邓文强. 世界有色金属. 2018(08)
[8]铝电解预焙阳极钢爪弯曲变形机理的分析[J]. 肖述兵. 数码设计. 2018(01)
[9]电解铝用新型阳极钢爪[J]. 李姝婷,王日昕,伍永福,姜彦平. 中国有色冶金. 2017(05)
[10]铝合金钢爪阳极技术应用及生产实践[J]. 陈万金. 甘肃冶金. 2017(05)
硕士论文
[1]YL公司铝电解阴极磷生铁浇铸工艺项目的开发与管理[D]. 王新华.中南大学 2014
[2]铝电解槽阳极铁—碳接触压降仿真与优化研究[D]. 脱鹏.中南大学 2011
[3]基于ANSYS的大型预焙铝电解槽热电场的仿真[D]. 马素红.北方工业大学 2007
[4]大型铝电解槽设计参数的选择与优化研究[D]. 万押平.中南大学 2004
本文编号：3565079
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