CN102879270A

CN102879270A - 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

Info

Publication number: CN102879270A
Application number: CN2012103658057A
Authority: CN
Inventors: 刘庆生; 钟春明; 陈闻; 何文
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明涉及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，包括万能试验机，其压缩试台与动横梁间布封闭管式电炉，电炉上设进出气孔；电炉中布石墨坩埚，坩埚由下石墨压头、下水冷压头支在压缩试台上；坩埚底垫绝缘层，炭块试样立于绝缘层上，在炭块试样上依次放上石墨压头、上水冷压头、框架，动横梁压在框架上，框架、上水冷压头、上石墨压头、炭块试样、石墨坩埚、下石墨压头、下水冷压头在同一轴线上；上石墨压头、上水冷压头中心线上设通孔，通孔中放位移传动杆，位移传动杆下端与炭块试样上端接触，其上端布位移传感器，位移传感器传输线连到万能试验机数据采集与记录装置上；上水冷压头、下水冷压头由导线连到直流电源负、正极上。

Description

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

技术领域

本发明涉及铝电解工程中时变力学性能测试装置，更具体地说涉及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。

背景技术

在大量铝电解槽早期破损事故中，阴极炭块先行失效的例子屡见不鲜。因此作为槽中最薄弱的环节，阴极炭块已成为铝电解槽中最关键的结构元件之一，日益被铝电解界所关注。如何准确地预测阴极炭块力学性能的演化规律，保证其结构完整性和安全可靠地服役对电解槽的正常运行是至关重要的，是实现槽寿命最优设计和最佳管理的重要环节。

阴极炭块结构都是在高温铝电解环境下工作的，不仅受到槽壳约束应力的作用，而且还受到电解质尤其是金属钠的渗透侵蚀等多种因素协同作用，大量的无铝电解环境作用下的阴极炭块的力学性能测试并不能合理真实反映阴极炭块结构的实际状态。为此，研究荷载和环境耦合作用下的阴极炭块的长期时变力学性能成为铝电解工程的研究领域的热点和难点，但是，目前还没有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。

现有阴极炭块的力学性能测试都是在室温环境下进行的，并没有考虑铝电解环境作用对炭块的影响，也没有考虑持续荷载作用的影响，更不能测试荷载和铝电解环境耦合作用下阴极炭块构件力学性能的衰变退化规律。

发明内容

本发明的目的是解决以上提出的问题，提供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，其结构简单、操作方便，能进行阴极炭块在荷载和铝电解环境耦合作用下力学性能的试验，得到其力学性能演化规律。

本发明的技术方案：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，包括万能试验机22，在万能试验机22的压缩试台21与动横梁1之间布置有一封闭的管式电炉16，管式电炉16上设置有进气孔19和出气孔10；在管式电炉16中布置有一石墨坩埚12，石墨坩埚12由下石墨压头17和下水冷压头20支承在压缩试台21上；在石墨坩埚12底垫有绝缘层15，炭块试样14立于石墨坩埚12底的绝缘层15上，在炭块试样14上从低到高依次放置上石墨压头11、上水冷压头7、框架2，动横梁1压在框架2上，框架2、上水冷压头7、上石墨压头11、炭块试样14、石墨坩埚12、下石墨压头17和下水冷压头20的中心线布置在同一轴线上；在上石墨压头11和上水冷压头7的轴中心线上设置有通孔，通孔中放置有位移传动杆5，位移传动杆5下端与炭块试样14的上端面接触，其上端布置有位移传感器4，位移传感器4上数据传输线连接到万能试验机上的数据采集与记录装置上；上水冷压头7、下水冷压头20分别通过导线23连接到直流电源24的负极、正极上。

所述的框架2为门型框架，除传递动横梁1的加载外还用于安装位移传感器4。

所述的位移传感器4为精密激光位移传感器，其量程为10mm，分辩率为1μm，其布置在位移传动杆5上端5-20 mm处。

所述的位移传动杆5为氮化硼位移传动杆。

所述的上水冷压头7为轴中心线上有通孔、横截面为环状的管状结构，环状腔上设置有进水口和出水口。

所述的绝缘层15为氮化硼圆片。

所述的下水冷压头20为横截面为环状的管状结构，环状腔上设置有进水口和出水口。

所述的管式电炉16由温度控制仪控制，其上下两端分别设置有上炉盖9、下炉盖18，在下炉盖18和上炉盖9分别设置有进气孔19和出气孔10，在两炉盖的中心设置通孔，通孔上配有绝缘密封圈8，与分别穿过两炉盖中心通孔的上水冷压头7、下水冷压头20密封。

本发明是在阴极炭块力学测试中加入了铝电解环境，操作简单，可以较真实的模拟阴极炭块在铝电解环境中的服役条件，可用于监测阴极炭块在铝电解环境下力学性能的演化规律，可为铝电解槽的优化设计和管理操作提供技术参数和理论基础，可以为延长阴极炭块和铝电解槽的使用寿命、减少铝电解槽破损事故发生找到技术措施，特别适合在与炭素产品相关的企业与科研单位中推广和应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的铝电解环境下不同阴极炭块的应力—应变曲线

图3是本发明的不同铝电解时间下阴极炭块的应力—应变曲线

图中：1.动横梁，2. 框架，3. 框架的支柱，4.位移传感器，5.位移传动杆，6. 框架的下支板，7.上水冷压头(阴极连杆)，8.绝缘密封圈，9.上炉盖，10.出气孔，11.上石墨压头，12.石墨坩埚(阳极)，13.电解质，14.炭块试样(阴极)，15.绝缘层，16.管式电炉，17.下石墨压头，18.下炉盖， 19.进气孔，20.下水冷压头(阳极连杆)，21.压缩试台，22.万能试验机，23.导线，24.直流电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明:

本发明中管式电炉16固定在材料力学试验机（C43万能试验机，深圳市新三思集团公司）22中部，管式电炉16温度通过炉内热电偶由温度控制仪控制，圆柱形的被测炭块试样14竖立于石墨坩埚12（作阳极）的中间位置，在炭块试样14下端与石墨坩埚12底部之间垫上一块氮化硼圆片（绝缘层）15，在石墨坩埚12内放入预熔电解质13。将下水冷压头20放置于压缩试台（万能试验机工作台）21上，并让下水冷压头20上部穿过下炉盖18上的绝缘密封圈伸入管式电炉16内，并通过其上的下石墨压头17支撑着石墨坩埚12（从外底面中心位置），同时将穿过上炉盖9上的绝缘密封圈8并伸入炉内的上水冷压头7并通过其下的上石墨压头11的下平头端压在炭块试样14上，然后将门型框架2压在上水冷压头7上平头端，并保证门型框架2、上水冷压头7、上石墨压头11、炭块试样14、石墨坩埚12、下石墨压头17和下水冷压头20的中心线都在同一轴线上，随后将氮化硼位移传动杆5穿过门型框架2上的下支板6插入上水冷压头7、上石墨压头11的通孔中并与炭块试样14的上端面接触，最后将精密激光位移传感器4（optoNCDT1302，德国米铱公司）对准氮化硼位移传动杆5上平头端安装于门型框架2上，其上数据传输线连接到万能试验机上的数据采集与记录装置上(数据采集与记录装置为万能试验机已有的，是通过计算机自动采集变形数据、荷载与位移数据直接记录到计算机文件中，并可以运用数学工具软件进行数据处理)。

从下炉盖18上的进气孔19通入氩气，升温致所需铝电解温度（950-980度），并保温一段时间（1-2小时）直至所有热膨胀都停止。然后将与下水冷压头20连接的导线23连接在直流电源24正极上，与上水冷压头7连接的导线23连接在直流电源24负极上，打开直流电源(输出电压0-30V、输出电流0-50A)采用稳流方式进行铝电解。

铝电解一定时间后，启动万能试验机，调节动横梁1位置使其压在门型框架2上，采用位移控制模式，对炭块试样14施加铝电解的同时又同时施加荷载直至其被破坏为止，实现荷载和铝电解耦合作用下阴极炭块时变力学性能的测试。

应用本发明所做试验1：

本试验分别选用当前铝电解工业现用的半石墨质炭块HC35（35%石墨含量），全石墨质炭块HC100（100%石墨含量）和石墨化炭块SMH作为炭块试样(阴极)。依据力学试验试样尺寸标准，将所取炭芯加工成高径比为2:1的Ф30 mm×60 mm的圆柱试件。将试样放置于本发明中，铝电解质总量为160g，高度为5 mm, 电解质分子比为 2.5，其中CaF₂的质量百分含量为 5%（8g），Al₂O₃质量百分含量为8%（12.8g），冰晶石质量百分含量为77.33%（123.73g），氟化钠质量百分含量为9.6%（15.37g）。

通入氩气保护和在上水冷压头、下水冷压头通入循环水冷却，将电炉接通电源升温致铝电解温度，并保温直至所有热膨胀都停止。然后将与下水冷压头连接的导线连接在直流电源正极上，与上水冷压头连接的导线连接在直流电源负极上，打开直流电源采用稳流方式进行铝电解，阴极电流密度为0.45A/cm²。

分别铝电解3小时后，调节动横梁位置使其压在门型框架上，紧接着采用位移控制模式对正在铝电解的试样实施加载（加载大小由万能试验机已有的压力传感器显示，其布置在压缩试台上，处于管式电炉的下方，减少了热量对压力传感器的影响，保证压力传感器测量的准确性，从而提高了试验的测量精度），位移加载速率为0.0015 mm/s，直至炭块试样破坏为止，记录下应力-应变曲线，如图2所示。

从图2可知，三种炭块试样中，SMH试样的峰值强度和弹性模量最大，即力学性能最好，其次是HC100试样，HC35试样的力学性能最差。

应用本发明所做试验2：

本试验选用的试样为当前铝电解工业现用的半石墨质阴极炭块HC35（35%石墨含量）。依据力学试验试样尺寸标准，将所取炭芯加工成高径比为2:1的Ф30×mm60 mm的圆柱试件。将试样放置于本发明中，铝电解质总量为160g，高度为5 mm, 电解质分子比为 2.5，其中CaF₂的质量百分含量为 5%（8g），Al₂O₃质量百分含量为8%（12.8g），冰晶石质量百分含量为77.33%（123.73g），氟化钠质量百分含量为9.6%（15.37g）。

通入氩气保护和在上水冷压头、下水冷压头通入循环水冷却，将电炉接通电源升温致铝电解温度，并保温直至所有热膨胀都停止。然后将下水冷压头连接的导线连接在直流电源正极上，与上水冷压头连接的导线连接在直流电源负极上，打开直流电源采用稳流方式进行铝电解，阴极电流密度为0.45A/cm²。

分别铝电解1小时，3小时和5小时后，调节动横梁位置使其压在门型框架2，紧接着采用位移控制对试样实施加载，位移加载速率为0.0015mm/s，直至炭块试样破坏为止，记录下应力-应变曲线，如图3所示。

从图3可知，铝电解环境对炭块试样的腐蚀损伤具有明显的时间效应，炭块试样的抗压强度、弹性模量随电解时间的增加而逐渐下降，峰值应变则随腐蚀时间的增加而逐渐增长。

Claims

1.一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，其特征是：包括万能试验机（22），在万能试验机（22）的压缩试台（21）与动横梁（1）之间布置有一封闭的管式电炉（16），管式电炉（16）上设置有进气孔（19）和出气孔（10）；在管式电炉（16）中布置有一石墨坩埚（12），石墨坩埚（12）由下石墨压头（17）和下水冷压头（20）支承在压缩试台（21）上；在石墨坩埚（12）底垫有绝缘层（15），炭块试样（14）立于石墨坩埚（12）底的绝缘层（15）上，在炭块试样（14）上从低到高依次放置上石墨压头（11）、上水冷压头（7）、框架（2），动横梁（1）压在框架（2）上，框架（2）、上水冷压头（7）、上石墨压头（11）、炭块试样（14）、石墨坩埚（12）、下石墨压头（17）和下水冷压头（20）的中心线布置在同一轴线上；在上石墨压头（11）和上水冷压头（7）的轴中心线上设置有通孔，通孔中放置有位移传动杆（5），位移传动杆（5）下端与炭块试样（14）的上端面接触，其上端布置有位移传感器（4），位移传感器（4）上数据传输线连接到万能试验机上的数据采集与记录装置上；上水冷压头（7）、下水冷压头（20）分别通过导线（23）连接到直流电源（24）的负极、正极上。

2.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的框架（2）为门型框架，除传递动横梁（1）的加载外还用于安装位移传感器（4）。

3.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的位移传感器（4）为精密激光位移传感器，其量程为10mm，分辩率为1μm，其布置在位移传动杆（5）上端5-20 mm处。

4.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的位移传动杆（5）为氮化硼位移传动杆。

5.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的上水冷压头（7）为轴中心线上有通孔、横截面为环状的管状结构，环状腔上设置有进水口和出水口。

6.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的绝缘层（15）为氮化硼圆片。

7.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的下水冷压头（20）为横截面为环状的管状结构，环状腔上设置有进水口和出水口。

8.根据权利要求1所述的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，其特征是：所述的管式电炉（16）由温度控制仪控制，其上下两端分别设置有上炉盖（9）、下炉盖（18），在下炉盖（18）和上炉盖（9）分别设置有进气孔（19）和出气孔（10），在两炉盖的中心设置通孔，通孔上配有绝缘密封圈（8），与分别穿过两炉盖中心通孔的上水冷压头（7）、下水冷压头（20）密封。