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

刘庆生¹，许真铭²，汤卫东³

1. 江西理工大学冶金与化学工程学院2. 中南大学冶金与环境工程学院3. 东北大学冶金学院

摘 要：依据铝电解阴极炭块结构的非匀质特性,将其看作由炭骨料和沥青粘合剂组成的多相复合材料,从细观结构的角度研究了钠的扩散过程。采用Matlab编写不同炭骨料粒度组成和含量的随机圆、椭圆、多边形骨料投放模型程序,得到七种阴极炭块细观结构模型图片,并以igs模型文件形式导入ANSYS建立了二维有限元数值模型。依据扩散方程和热传导方程的相似性,采用ANSYS的热分析单元对钠扩散过程进行模拟求解,分析了炭骨料粒度组成、含量和形貌对钠扩散过程的影响。结果表明,与炭块中沥青相比,炭骨料对炭块中的钠扩散的阻碍作用更大,炭骨料颗粒圆度越小、骨料粒度组成越小、含量越高,则钠的扩散速率越低。对于粒度组成为0.003~0.006 m、含量为80%的圆形炭骨料模型,钠的扩散速度最低;模拟结果与试验结果有较好的一致性,证明了模拟的精确性和可靠性。

关键词：无机非金属材料;钠扩散;有限元模拟;阴极炭块;骨料;