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《裂紋及強(qiáng)度分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、炭陽極裂紋問題分析探討作者：王荊湖南大學(xué)培訓(xùn)學(xué)習(xí)論文序言：現(xiàn)將此文發(fā)給大家供討論、參考。摘要：本文對炭陽極裂紋的形態(tài)，引起陽極裂紋的應(yīng)力原因及工藝控制進(jìn)行分析，指出炭陽極裂紋與原料、配方、糊料溫度、冷卻方式、焙燒控制、碳環(huán)澆注間的聯(lián)系，指出裂紋多與固體材料應(yīng)力變化、內(nèi)部缺陷，物相轉(zhuǎn)變有關(guān)。1.前言炭陽極生坯是炭陽極半成品，經(jīng)焙燒、清理后，在鋁電解槽上作陽極使用。炭陽極裂紋是影響炭陽極成品率，進(jìn)而影響到鋁廠經(jīng)濟(jì)效益的重大技術(shù)問題。在炭陽極的空氣氧化反應(yīng)性、CO2反應(yīng)性和裂紋這三大損害中，它是技術(shù)面影響最大
2、最為復(fù)雜的一個問題。三大損害都使陽極掉渣、掉塊、過量消耗，并使電解槽發(fā)熱。一般來說，陽極裂紋是在其內(nèi)部焦橋連結(jié)斷裂擴(kuò)展的最后形態(tài)。陽極裂紋外部形態(tài)主要有(1)垂直裂紋、（2）水平裂紋、（3）角部裂紋、（4）炭碗（底部、側(cè)部、碗間）裂紋、(5)不規(guī)則裂紋。引起裂紋擴(kuò)展的既有陽極制造工藝原因，也有陽極組裝和電解槽操作條件引起的原因。引起陽極裂紋的一系列因素，有些是相互獨立的，有些是相互關(guān)聯(lián)的。對裂紋的形態(tài)分析，從應(yīng)力的起源處開始，因此解決裂紋問題也從應(yīng)力分析入手。1.炭陽極裂紋的外貌形態(tài)1.1垂直裂紋一些在
3、陽極水平面上作用的力引起陽極垂直裂紋。1.2水平裂紋陽極的水平裂紋，在陽極的下部，或四分之一處或二分之一處分開。材料固有裂紋以及熱應(yīng)力作用在通常條件下引起的熱沖擊應(yīng)力遠(yuǎn)超過陽極承受的臨界值，可以解釋水平裂紋。1.3角部裂紋陽極角部裂紋意味著陽極角部材質(zhì)有缺陷，但沒到破裂程度，上電解槽之后缺陷惡化出現(xiàn)明顯裂紋。1.4炭碗裂紋炭碗裂紋包含底部、側(cè)部和碗間三種情況。此類廢品主要與制品形狀和生產(chǎn)工藝過程有直接關(guān)系。一般來講：炭陽極窄而長；碳碗(棒孔)呈一條直線分布，有較多的碗間裂紋。相對較寬類型的炭陽極，碳碗呈
4、對稱分布，碳碗間距較大，則少有碗間裂紋出現(xiàn)。碳碗間距小，強(qiáng)度低，在彈性后效作用下易形成中間開裂。1.5無規(guī)則裂紋除了垂直和接近垂直的裂紋、水平和接近水平的裂紋、角部的披肩紋、斜裂紋、炭碗裂紋之外，其余各種裂紋都?xì)w類為無規(guī)則裂紋。其深度有30-180mm的表面角部無規(guī)則裂紋、局部網(wǎng)狀紋和偶而局部出現(xiàn)的幾條方向不一的裂紋。它們有時在各個面的表面出現(xiàn)，深度僅幾毫米到幾十毫米，長度也多在100-200mm之內(nèi)，有時深可達(dá)100mm以上，長可達(dá)300mm以上，有時甚至和幾個炭碗連通。無規(guī)則裂紋主要與配方、成型、焙
5、燒工藝有關(guān)，原材料質(zhì)量、混捏條件等對其也有一定影響，局部糊溫的差別，局部體積密度的差別，局部材料質(zhì)量的差別，尤其是含有流態(tài)化焦煅后焦焦粉，它對瀝青浸潤差，成型時易在表面集中。2.引起陽極裂紋的應(yīng)力原因歸類固體材料的斷裂是一種外因作用下復(fù)雜的物理力學(xué)現(xiàn)象。從微觀的原子之間化學(xué)鍵的脫離到宏觀上材料的孔隙、裂紋擴(kuò)展延伸乃至最終發(fā)生破裂。氣孔是材料內(nèi)部的主要斷裂源，使材料在該處有效截面積減小，單位面積上的應(yīng)力增大，造成氣孔尖端應(yīng)力增大。當(dāng)材料受應(yīng)力負(fù)荷時，平均應(yīng)力還未到達(dá)材料理論斷裂強(qiáng)度時，在應(yīng)力集中區(qū)域或孔隙
6、尖端，局部應(yīng)力集中達(dá)到或超過理論斷裂強(qiáng)度，于是產(chǎn)生裂紋和裂紋擴(kuò)展，發(fā)生斷裂。炭素材料的強(qiáng)度與裂紋分布有關(guān)。裂紋大致分為二類:一為晶粒內(nèi)部，骨料在加熱冷卻過程中，沿骨料內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，與骨料本性有關(guān)；二為晶粒界面裂紋，是發(fā)生在粘結(jié)焦層，它與混捏、成型、焙燒等工藝控制不當(dāng)有關(guān)。粘結(jié)焦與骨料焦膨脹收縮率不同，加熱或冷卻溫度梯度過大時易形成微裂紋。2.1粘結(jié)劑相變及蒸氣壓力引起糊料中的粘結(jié)劑在加熱至瀝青軟化點以上溫度時發(fā)生軟化相變。瀝青變?yōu)橐簯B(tài)時體積膨脹比干料大數(shù)倍，且具有流動性。當(dāng)加熱生坯150℃以上
7、時，尤其350℃-450℃時，瀝青中的揮發(fā)成分揮發(fā)產(chǎn)生蒸氣壓。瀝青發(fā)生熱解聚合反應(yīng)（400℃-600℃）時繼續(xù)釋放出氣體。當(dāng)瀝青與干料配合恰當(dāng)且混捏效果好時，瀝青與粉料形成很好的膠料。好的膠料中，骨料對瀝青有很強(qiáng)吸附作用，此種情況下，瀝青的相變難以流動，繼續(xù)升溫產(chǎn)生的蒸氣壓比較低。但是當(dāng)瀝青過量或局部瀝青過量或混捏效果差時，由于受骨料吸附力弱，在加熱至軟化點溫度時，相變多余瀝青的膨脹流動性增大，繼續(xù)升溫時會產(chǎn)生較大的蒸氣壓力，使局部材料移位，出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。同樣當(dāng)局部瀝青量少時，部分骨料未被浸潤，會使粘結(jié)
8、力減弱。成型溫度越高或成型密度越大，此種粘結(jié)劑相變及揮發(fā)蒸氣引起的力越大，在薄弱環(huán)節(jié)，易出現(xiàn)裂紋，焙燒升溫過快，或局部升溫過快，極大地影響這種作用力。粘結(jié)劑相變及蒸氣壓引起的力常常是產(chǎn)生垂直裂紋、水平裂紋和無規(guī)則裂紋的主要原因。2.2熱膨脹應(yīng)力引起固體受熱膨脹，產(chǎn)生擴(kuò)張應(yīng)力。設(shè)物體的長度為ΔL，t1和t2為物體初始溫度和加熱后的溫度λ為該材料的膨脹系數(shù)，則物體加熱的膨脹量ΔL為：ΔL＝λ（t1－t2）當(dāng)物體二端固定，熱膨脹不能產(chǎn)生，只能產(chǎn)生
