裂纹及强度分析

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1、炭阳极裂纹问题分析探讨作者：王荆湖南大学培训学习论文序言：现将此文发给大家供讨论、参考。摘要：本文对炭阳极裂纹的形态，引起阳极裂纹的应力原因及工艺控制进行分析，指出炭阳极裂纹与原料、配方、糊料温度、冷却方式、焙烧控制、碳环浇注间的联系，指出裂纹多与固体材料应力变化、内部缺陷，物相转变有关。1.前言炭阳极生坯是炭阳极半成品，经焙烧、清理后，在铝电解槽上作阳极使用。炭阳极裂纹是影响炭阳极成品率，进而影响到铝厂经济效益的重大技术问题。在炭阳极的空气氧化反应性、CO2反应性和裂纹这三大损害中，它是技术面影响最大

2、最为复杂的一个问题。三大损害都使阳极掉渣、掉块、过量消耗，并使电解槽发热。一般来说，阳极裂纹是在其内部焦桥连结断裂扩展的最后形态。阳极裂纹外部形态主要有(1)垂直裂纹、（2）水平裂纹、（3）角部裂纹、（4）炭碗（底部、侧部、碗间）裂纹、(5)不规则裂纹。引起裂纹扩展的既有阳极制造工艺原因，也有阳极组装和电解槽操作条件引起的原因。引起阳极裂纹的一系列因素，有些是相互独立的，有些是相互关联的。对裂纹的形态分析，从应力的起源处开始，因此解决裂纹问题也从应力分析入手。1.炭阳极裂纹的外貌形态1.1垂直裂纹一些在

3、阳极水平面上作用的力引起阳极垂直裂纹。1.2水平裂纹阳极的水平裂纹，在阳极的下部，或四分之一处或二分之一处分开。材料固有裂纹以及热应力作用在通常条件下引起的热冲击应力远超过阳极承受的临界值，可以解释水平裂纹。1.3角部裂纹阳极角部裂纹意味着阳极角部材质有缺陷，但没到破裂程度，上电解槽之后缺陷恶化出现明显裂纹。1.4炭碗裂纹炭碗裂纹包含底部、侧部和碗间三种情况。此类废品主要与制品形状和生产工艺过程有直接关系。一般来讲：炭阳极窄而长；碳碗(棒孔)呈一条直线分布，有较多的碗间裂纹。相对较宽类型的炭阳极，碳碗呈

4、对称分布，碳碗间距较大，则少有碗间裂纹出现。碳碗间距小，强度低，在弹性后效作用下易形成中间开裂。1.5无规则裂纹除了垂直和接近垂直的裂纹、水平和接近水平的裂纹、角部的披肩纹、斜裂纹、炭碗裂纹之外，其余各种裂纹都归类为无规则裂纹。其深度有30-180mm的表面角部无规则裂纹、局部网状纹和偶而局部出现的几条方向不一的裂纹。它们有时在各个面的表面出现，深度仅几毫米到几十毫米，长度也多在100-200mm之内，有时深可达100mm以上，长可达300mm以上，有时甚至和几个炭碗连通。无规则裂纹主要与配方、成型、焙

5、烧工艺有关，原材料质量、混捏条件等对其也有一定影响，局部糊温的差别，局部体积密度的差别，局部材料质量的差别，尤其是含有流态化焦煅后焦焦粉，它对沥青浸润差，成型时易在表面集中。2.引起阳极裂纹的应力原因归类固体材料的断裂是一种外因作用下复杂的物理力学现象。从微观的原子之间化学键的脱离到宏观上材料的孔隙、裂纹扩展延伸乃至最终发生破裂。气孔是材料内部的主要断裂源，使材料在该处有效截面积减小，单位面积上的应力增大，造成气孔尖端应力增大。当材料受应力负荷时，平均应力还未到达材料理论断裂强度时，在应力集中区域或孔隙

6、尖端，局部应力集中达到或超过理论断裂强度，于是产生裂纹和裂纹扩展，发生断裂。炭素材料的强度与裂纹分布有关。裂纹大致分为二类:一为晶粒内部，骨料在加热冷却过程中，沿骨料内部的层状结构产生裂纹，与骨料本性有关；二为晶粒界面裂纹，是发生在粘结焦层，它与混捏、成型、焙烧等工艺控制不当有关。粘结焦与骨料焦膨胀收缩率不同，加热或冷却温度梯度过大时易形成微裂纹。2.1粘结剂相变及蒸气压力引起糊料中的粘结剂在加热至沥青软化点以上温度时发生软化相变。沥青变为液态时体积膨胀比干料大数倍，且具有流动性。当加热生坯150℃以上

7、时，尤其350℃-450℃时，沥青中的挥发成分挥发产生蒸气压。沥青发生热解聚合反应（400℃-600℃）时继续释放出气体。当沥青与干料配合恰当且混捏效果好时，沥青与粉料形成很好的胶料。好的胶料中，骨料对沥青有很强吸附作用，此种情况下，沥青的相变难以流动，继续升温产生的蒸气压比较低。但是当沥青过量或局部沥青过量或混捏效果差时，由于受骨料吸附力弱，在加热至软化点温度时，相变多余沥青的膨胀流动性增大，继续升温时会产生较大的蒸气压力，使局部材料移位，出现内部缺陷。同样当局部沥青量少时，部分骨料未被浸润，会使粘结

8、力减弱。成型温度越高或成型密度越大，此种粘结剂相变及挥发蒸气引起的力越大，在薄弱环节，易出现裂纹，焙烧升温过快，或局部升温过快，极大地影响这种作用力。粘结剂相变及蒸气压引起的力常常是产生垂直裂纹、水平裂纹和无规则裂纹的主要原因。2.2热膨胀应力引起固体受热膨胀，产生扩张应力。设物体的长度为ΔL，t1和t2为物体初始温度和加热后的温度λ为该材料的膨胀系数，则物体加热的膨胀量ΔL为：ΔL＝λ（t1－t2）当物体二端固定，热膨胀不能产生，只能产生