（检测技术与自动化装置专业论文）基于ansys的大型预焙铝电解槽热电场的仿真.pdf

基于a n s y s 的大型预焙铝电解槽热电场的仿真 摘要 铝电解槽中电、热场分布状况直接影响到电解槽的稳定性以及电流效率和能量消 耗，而且，在生产实践中，铝电解槽的电、热场分布难以直接测量。因此，对铝电解 槽电、热分布的计算机仿真研究有着十分重要的意义。 本文借助大型通用有限元分析软件a n s y s ，对铝电解槽电、热场分布进行了研 究。首先，分析了铝电解槽结构，针对正常生产情况，给出了铝电解槽电、热场三维 静态物理模型及数学模型，并结合铝电解槽的实际情况，给出模型的边界条件。其次， 结合1 6 0 k a 铝电解槽进行了铝电解槽电、热场的仿真分析，结果表明：1 6 0 k a 铝电 解槽正常生产过程，能量总支出为每秒6 0 7 9 6 k w ，其中：槽体上部散热量1 4 3 4 8 k w 、 槽体侧部散热量1 1 4 k w 、槽体底部散热量1 3 8 k w 、补偿电解所需能量3 3 6 6 8 k w ：能 量总收入为每秒6 1 0 2 4 k w ，槽总电压为3 8 1 4 v ，其分布为：阳极压降o 3 6 v 、阴极 压降o 3 5 7 v 、极问压降1 2 9 7 v 、极化压降i g v 。在此基础上，通过相应的参数调整， 对3 5 0 k a 铝电解槽电、热场进行了计算，重点给出铝电解槽达到静态能量平衡且各 阳极高度相同时，槽内阳极炭块电、热场的分布情况，并对铝电解正常生产中，新换 阳极不导电和完全导电时，槽内正常工作的阳极炭块的电、热场分布情况分别做了仿 真分析。最后，针对1 6 0 k a 铝电解槽阳极结构尺寸进行了优化设计，给出了两种可 行的优化设计方案。两优化方案中，阳极炭块尺寸均增加，钢爪直径、钢爪深度也均 增加。其中一方案，阳极炭块长、宽、高依次增加6 2 r a m 、5 m m 、5 5 m m ，钢爪直径、 深度依次增加1 8 m m 、1 3 r a m ；另一方案，阳极炭块长、宽、高依次增加7 6 r a m 、6 m m 、 l l m m ，钢爪直径、深度依次增加2 5 r a m 、1 8 m m 。两种优化方案降低槽电压分别为 5 8 m v 、9 1 m v ，电能消耗相应的减少了1 9 7 2 k w h t - a i 、3 0 9 4 k w m - a l 。 关键词：铝电解槽，电场，热场，阳极，a n s y s t h es i m u l a t i o no ft h et h e m a l e l e c t r i cf i e l do fl a r g ep r e b a k e d a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lb a s e do na n s y s a b s t r a c t t h et h e r m a l e l e c t r i cd i s t r i b u t i o no f t h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lh a sad i r e c ti m p a c to n i t ss t a b i l i t y , c u r r e n te f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h e t h e r m a l e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nd i r e c t l y t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n d u c tt h e r e s e a r c hb yt h ec o m p u t e r t h i sp a p e rs t u d i e dt h et h e r m a l e l e c t r i cf i e l do fl a r g ep r e b a k e da l u m i n u mr e d u c t i o n c e l lb yu s eo fa n s y s f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea b o u ta l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw a sa n a l y z e d a n dt h e3 dp h y s i c sm o d e la n dm a t h e m a t i c sm o d e lf o rt h en o r m a lp r o d u c t i o ns t a t ew e r es e t 叩t h et h e r m a la n de l e c t r i cb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r eg i v e i la c c o r d i n gt o t h ei n d u s t r i a l p r o c e s s s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e dt h et h e r m a l e l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h e1 6 0 k a a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e 1 6 0 k ar e d u c t i o nc e l li s6 0 7 9 6 k wp e rs e c o n d ，w h i c hi n c l u d e dt h ea n o d eh e a tl o s s 1 4 3 4 8 k w , s i d eh e a tl o s s1 1 4 k w , b o t t o mh e a tl o s s1 3 8 k wa n de n e r g yn e e d e df o r e l e c t r o l y s i s3 3 6 6 8 k w ；t h et o t a le n e r g yi n p u ti n t ot h ec e l li s6 1 0 2 4 k wp e rs e c o n d a n dt h e t o t a lv o l t a g ed r o po f t h ec e l li s3 8 1 4 v , w h i c hc o m p r i s e st h ea n o d ev o l t a g eo 3 6 vc a t h o d e v o l t a g e0 3 5 7 v , v o l t a g eb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d e1 2 9 7 va n dt h ec h e m i cr e a c t i o n v o l t a g e1 8 v 1 1 坞c o m p u t a t i o no ft h e r m o - e l e c t r i cd i s t r i b u t i o no f3 5 0 k ac e l lw a sa l s o c o n d u c t e db a s e do nt h es a m ea n a l y s i sp r o c e s sa s1 6 0 k aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw i t h c h a n g i n gs o m es t r u c t u r ep a r u m e t e r sa n do t h e rp a r u m c t 哪i ts t r e n g t h e n st h ea n o d e t h e r m a l e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec o n d i t i o no fs t a t i ce n e r g yb a l a n c ea n da 1 1a n o d e s b e i n gt h es a m eh e i g h t , a n dt h et h e r m a l - e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fa n o d ew i t ht h e c o n d i t i o n st h a tt h e r ei sn oe l e c t r i c i t yt h r o u g ht h en g va n o d ea n dt h e r ei s 血ne l e c t r i c i t y t h r o u g ht h en e wa n o d ed u r i n gt h en o r m a ln m n i n go ft h ec e l l t h i r d l y , t h ea n o d es t r u c t u r e p a r a m e t e r so f1 6 0 k aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw e r es t u d i e da n dt w on e wd e s i g n sw e r e m a d e i nt h et w od e s i g n s ，t h ea n o d ep a r a m e t e r sa n ds t u bp a r u m e t 哪h a v eb e e ni n c r e a s e d i no n ed e s i g n , t h el e n g t h , w i d t ha n dh e i g h to ft h ea n o d ew a si n c r e a s e dr e s p e c t i v e l yb y 6 2 r a m ，5 m ma n d5 5 m m ，t h ed i a m e t e ra n dt h ed e p t ho ft h es t u bw a si n c r e a s e dr e s p e c t i v e l y b y1 8 m ma n d l 3 m m i nt h eo t h e rd e s i g n , t h el e n g t h , w i d t ha n dh e i g h to ft h ea n o d ew a s i n c r e a s e dr e s p e c t i v e l yb y7 6 m m ，6 m ma n d1l m m , t h ed i a m e t e ra n dt h ed e p t ho ft h es t u b w a si n c r e a s e dr e s p e c t i v e l yb y2 5 m ma n d1 8 m m 1 1 l er e s u l t ss h o w e dt h ev o l t a g eo f t h ec e l l w a sr e d u c e dr e s p e c t i v e l yb y5 8 m va n d9 1 m va n de n e r g yi n p u ti n t ot h ec e l lw e r er e d u c e d r e s p e c t i v e l y b y l 9 7 2 k w h p e r t o n a i a n d3 0 9 4 k m p e r t o n a l k e y w o r d s ：a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l , e l e c t r i cf - e i d t h e r m a lf i e l d , a n o d e , a n s y s n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 友王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名瓣字日期- 审加7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权韭友王些塞堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：至未勃 签字日期珈刁年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 三呈菩三二毳嚣 签字日期少7 年6 月日 北方_ = 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 铝电解原理简介和铝电解工业概述 1 1 1 铝电解原理简介 铝的工业生产，一直采用冰晶石氧化铝熔盐电解法【”。其基本原理是：以炭素材 料为阳极，以位于炭素内衬中的铝液为阴极，以冰晶石熔体为电解质溶解原料氧化铝， 通过电解反应，在阴极沉淀生产金属铝。其基本化学反应式为： 2 a l 2 0 3 ( 溶解的) + 3 c ( 勘_ 塾寸4 a l ( 藏) + 3 c 0 2 ( 气) 其电极反应过程为： 阴极： 阳极： a 1 2 0 3 固) 童壁皇曼寸2 a l 络音状) + 3 0 2 - ( 络台状) a l 盗合状) + 3 e a l t 蕞) o 盔台状) 一2 e o ( 量子) 2 0 ( 原子) + c ( 量子) c 0 2 气， 依据此原理，随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝、固体碳阳极不断被消 耗掉，因此，生产中需要不断向电解质熔体中添加氧化铝和补充炭阳极，使得生产得 以连续进行。冰晶石原理上是不消耗的，但是在高温熔融条件下会发生挥发损失和其 它机械损失，因此也需要作一定的补充。此外，还需向反应过程提供大量的支流电能， 以推动反应向生成铝的方向进行。 1 1 2 铝电解工业概述 铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中最丰富的金属元素 【8 1 ( 质量) 】。它是当今最常用的工业金属之一，不仅重量轻，质地坚，而且具有 良好的导电、导热性等特性，广泛应用于交通运输业、航空工业、电气工业及冶金工 业等，是国民经济发展的重要基础原材料1 2 】。由于铝对氧的很强的亲和力，自然界中 的铝并不以纯态元素存在，只能以氧化物和硅酸盐结合形态存在。最早的商品铝是从 钠铝氯化物制取的，它是同用昂贵热还原法制取的纳起反应而生成( 1 9 世纪中叶) 【3 】。 自1 8 8 6 年美国的h a l l 和法国的h e r o u l t 发明炼铝的方法一高温熔盐炼铝法后 的一百多年来，电解炼铝始终建立在这一方法的基础上，但是铝电解无论在理论上还 是在生产技术上都取得了突飞猛进的发展。在铝工业初期，曾采用小型预焙阳极铝电 解槽，生产能力低，电耗率高。2 0 世纪2 0 年代，随着炭素电极生产技术的发展，侧 匕方j ：业大学硕士学位论文 部导电的小型自焙阳极电解槽推广使用；在2 0 世纪4 0 年代，为简化阳极操作提高机 械化程度，又发展了上部导电的自焙阳极电解槽。自焙阳极的采用，标志着电解槽结 构形势的第二发展阶段。但自焙阳极的缺点是使劳动条件恶化，同时自身电压降大些， 这些缺点惟有在后来炭素工业能够制造出高质量的预焙阳极炭块时才得以克服。于是 在2 0 世纪5 0 年代中叶，改造了原来的小型预焙槽，使之大型化和现代化，同时西德 创建了连续预焙阳极电解槽。预焙槽的大型化和现代化标志着铝电解槽发展的又一新 阶段。目前，现代大型铝电解槽电流强度已达5 0 0 k a ，电流效率超过9 5 i ”。 我国铝工业是一个年轻的工业。自新中国成立之后，经过4 0 多年的努力，已经 取得了很大的进展，建成了一整套工业生产体系。2 0 0 3 年铝产量约5 5 0 万吨，铝工 业规模居世界前列。我国铝工业发展大致分为四个阶段 4 1 。 1 9 5 4 年1 0 月抚顺铝厂开始生产铝，采用前苏联设计的自焙阳极电解槽，形成第 一系列。以后独立设计出第二、第三系列。这是第一阶段。 从1 9 5 8 年到1 9 8 7 年，铝工业的规模有相当发展，电解槽的形式主要有侧插棒式、 上插棒式自焙阳极电解槽和预焙阳极电解槽。这是第二阶段。 自从中国有色金属工业总公司成立以来，在“优先发展铝”的战略方针指导下， 我国自行设计并建设的1 0 0 k a 预焙槽以及建立的1 3 5 k a 、1 6 0 k a 、1 8 0 k a 预焙槽标 志着电解槽的大型化：郑州轻金属研究院的2 8 0 k a 预焙槽试验成功则是一个新的里 程碑。这是第三个阶段。 现在中国铝业公司是我国最大的炼铝企业，它拥有全国最大的氧化铝厂及许多大 规模的电解铝厂，以及沈阳镁铝设计研究院、贵阳镁铝设计研究院和郑州轻金属研究 院。此外，中国还有众多地方铝厂和合资铝厂。2 0 0 3 年我国原铝产量约为5 5 0 万吨， 连续3 年居世界首位。这是我国铝工业的第四个发展阶段。 1 2 铝电解槽电、热场研究的实际意义 铝电解槽是铝工业生产的一个重要环节，其中存在互相耦合的物理场，包括电、 磁、流、力、热等物理场，这些物理场分布情况的好坏直接影响到电解槽的电流效率、 能量消耗和槽寿命等技术经济指标。而电、热场是其它物理场的根源，因此对电热分 布状况的深入研究是有重要意义的。 1 2 1 规整槽膛内形 电解槽生产正常的一个重要标志就是它的槽膛内形。电解过程中，侧部炭块内壁 上沉积着一层由刚玉和冰晶石组成的结壳，它分布在阳极的周围，形成一个椭圆型的 环。由这一圈结壳所规定的槽膛形状，铝工业上称为“槽膛内形”。这层结壳是电和 2 北方j 【业大学硕士学位论文 热的不良导体，能够阻止电流从槽侧部通过，抑制电流漏损，并减少电解槽的热损失， 同时它还能保护着阳极四周的槽底。另一个重要的作用是把槽底上的铝液挤到槽中央 部位，使铝液的表面积收缩，有利于提高电流效率和生产率。因此铝电解生产上十分 重视槽膛内形，要求槽膛内形较为规整，使电流均匀通过槽底，防止电流经侧壁通过。 电解槽的热场情况直接决定了槽膛形状，而槽膛形状是否规整对电解槽运行是否 经济又有很大的影响。槽过冷或过热均不利于电流效率的提高：冷槽的底部结壳长的 肥大，槽内铝液挤得很高，电解质萎缩；热槽反之。唯有正常的电解槽，结壳均匀的 分布在阳极正投影周围，电流效率最高。因此通过建立电解槽的电热模型，在不同的 条件下进行模拟试验，可以预测结壳形状，指导实际设计，从而规整槽膛内形。 1 2 2 优化设计 铝电解槽的电能能耗主要用于两个方面：一是使反应物达到电解温度并在此温度 下完成电解反应；一是补偿电解槽对周围环境散热所造成的能量损失。根据电解槽电 能消耗的计算公式，在电流效率一定时，槽电压每增加0 i v ，电能消耗相应增加 3 4 0 k w h t - a l 左右 s l 。因此借助铝电解槽的电热解析模型，计算出电解槽的温度分布 和电压分布等。了解了电解槽的热场特性和电场特性，就便于配合其它的技术参数实 现最优化设计，进而降低槽电压，减少铝电解槽的能量消耗，提高效率等。 1 3 铝电解槽电热场解析研究的进展 1 3 1 电热模型的研究进展 早在1 9 7 1 年，h a u p i l 6 1 率先提出了一个计算槽膛内形的一维纯导热模型，利用这个 模型可以粗略估计电解槽内各区的散热损失和槽帮最薄处的厚度，但对于结构十分复 杂的铝电解槽，用它来进行精确的热分析和槽膛内形预报误差太大。因此，后来的研 究都是建立在二维或三维的数学模型之上的。 在最初静态模型的大量研究中，由于受计算机资源的限制，一般都采用二维模型， 而把重点放在各种不同边界条件或者网格划分以及计算方法选择上。p e a c ，7 】用修改 松弛法对热场进行了解析，他将电解槽的横切面切片细分为矩形网格，在同一网格内 假定是相同物性性质。由于其网格为均匀网格，不能准确的模拟电解槽的复杂形状， 所以计算值与实际情况相差较大。a e k e 8 1 等人则对网格划分作了改进，将切片视边界 不同的情况而将网格部分划分为三角形网格，并且将边界与中间网格分开计算，使解 析结果的精确度有了较大的改善。 m a r c d p u i s 即等人认为，因为电流流经阳极和阴极钢棒时是三维的，所以应采用三 3 北方e 业大学硕士学位论文 维模型进行计算。并采用a n s y s 先后建立了半阳极模型，三维阴极侧部切片模型， 三维整槽切片模型，阴极拐角模型，1 4 整槽模型等。 半阳极模型，可用来很有效的计算阳极热损失和压降，考虑到阳极的对称性，取 半个阳极作为研究对象( 没有考虑阳极更换的影响) ，为了将阳极与阴极分开，将阳极 边部的结壳沿槽膛内形处以4 5 。角切开( 即与结壳表面垂直) 。该模型可计算由操作温 度与槽罩内空气温度之自j 的温度梯度所带来的热损失，其优点是可以将阳极的设计与 阴极分开，减少了计算量和计算时间，缺点是其结果只给出了阳极的热损失。 三维阴极侧部切片模型指定电解槽的操作温度和过热度的情况下，计算在相应过 热度和侧部设计下的槽膛内形，并可以很有效的计算平均阴极槽壳损失和阴极内衬压 降。该模型的优点是可以将阴极的设计与阳极分开，减少了计算量和计算时间：缺点 是所得结果只给出了阴极槽壳的热损失，如果要预测在模型选定操作温度和过热度下 所设计的电解槽是否处于稳定状态，则需要加上阳极的热损失，并将两者之和与电解 槽的内热进行比较。另外需要注意的是，在将大面阴极槽壳的热损失外推至整个阴极 槽壳的热损失时，要提供一个系数来说明槽小面的热量消耗，该系数不仅要考虑槽壳 的长宽比，而且要考虑由于小面没有阴极钢棒，其内衬设计与大面不同，所以散热的 程度也不同。 采用阴极拐角模型可以详细的设计小面和阴极角部内衬以适应较好的槽膛内形， 还可以计算小面的热损失。该模型的优点是大大地改善了模型的热损失预测的精确 性，为磁场一电流场的动态模型提供了准确的电流密度，缺点是建模和求解需要较多 的时间和计算机资源。在当时的奔腾i i2 6 6 上运行需要超过4 h ，所以，即使在现在 最快的奔腾4 上运行，也至少需要3 0 m i n 。 通过粘合三维阴极切片模型和三维阳极切片模型，合并相连处的重合结点获得三 维整槽切片模型。该模型的计算结果比单独计算阴、阳极时的精度提高了2 。 1 4 整槽模型是在考虑到计算机处理速度的不断发展而提出的今后发展趋势，该模 型可以避免因为切割和阴极小面热损失的估计所带来的误差，可得到很高精度的结 果，但需要大量的计算机资源。 相对于静态模型来说，动态模型的研究还不充分。不完全，有待进一步的研究和 开发。本文所进行的工作都基于静态模型，因此对于动态模型的研究发展不作详述。 1 3 2 电热模型的应用 铝电解槽电、热模型广泛用来计算槽膛内形。h a u p i n ，p e a t y ，a e k ，j n b m g g e m a n ， h a h m c d 等人睁7 j o 先后应用自己开发的模型计算出了相应的槽膛内形；k j f r a s e r 【u 】 等用二维的有限元模型研究了铝电解槽的电流分布随槽膛内形的变化，认为电流分布 4 北方l ：业大学硕七学位论文 的变化可以通过阴极焦耳热和熔池电磁力的变化来估计，由此来指导电解槽的设计。 与国外相比我国数值计算方面的研究在2 0 世纪8 0 年代才开始。1 9 8 4 年开始用于青 铜峡铝厂二期1 0 6 k a 电解槽原日本设计方案的检验，取得了良好的效果【1 2 】；继而对 1 6 0 k a 槽进行了改造设计，经过现场工业实验，取得了提高电流效率3 个百分点，降 低电耗5 0 0 k w h t - a l 的良好效果i j ”。但是该模型是在低电流预焙槽基础上开发的， 所以它不适合于高电流槽，如3 0 0 k a 预焙槽，它的网格划分也存在着一定的局限性。 此后，国内槽膛内形的研究逐渐增多，梅炽 1 4 - 1 5 】等对大型电解槽的槽衬结构的优化进 行了一系列的仿真试验，得出了能改善槽膛内形并能降低能耗的改良结构方案：周萍 1 1 6 等利用二维热场解析数学模型及若干特征点的槽外壳温度。对具体槽型反推出了槽 膛内形，并在贵铝1 6 0 k a 中间下料预焙槽上进行了初步验证。游旺等【17 。1 8 】研究了大 型预焙槽的槽膛内形在线的动态仿真，并开发了相应的显示软件；贺志辉等【1 9 1 以边界 元一有限元耦合法计算了贵铝1 6 0 k a 预焙槽3 种槽膛内形的电流分布情况，认为为 了减少铝液中水平电流的影响，在铝电解槽热场设计中，一定要以适当的槽膛内形为 依据；梁芳慧等人【2 0 】对我国某铝厂的大型预焙槽在不同的铝液水平时槽帮结壳的变化 进行了计算研究，确定了铝电解槽正常生产的最佳的铝液高度。 铝电解槽电、热模型还应用于计算预备阳极的电流分布，并由此来模拟阳极更换 后达到稳态时的形状变化【2 ”，通过采用有限元程序计算阳极的温度和应力，对阳极可 能开始开裂的部位和发展时期的f f 缶界热应力进行定量测试 2 2 1 ；梅炽等1 2 3 】通过对系 列的预焙阳极槽热状况的现场实测，用分区二维传热模型反推了电解槽内熔体与槽帮 之间的传热系数；李景江等【2 4 】用有限差分法计算了阴极三维空间的电场分布，讨论了 1 6 0 k a 和1 3 5 k a 两种不同槽的阴极电场特性，分析了影响阴极电场特性的因素，并 研究了改善阴极性能，促进降低电压降的可能性。 1 4 本文的研究目的 本论文首先对稳态条件下的1 4 整槽模型的电、热场进行耦合计算，模拟出槽膛 内形。然后在此基础上进行深入研究，达到以下研究目的： ( 1 ) 优化阳极，降低槽电压，减少阳极热损失 铝电解槽是个用电器，其所需的能量是由电能供给的，由于电解槽处于高温状 态，必然要向周围散发热量，因此其实际消耗的电能要比理论电耗高的多。电解槽的 热设计所侧重的目标在很大程度上取决于电能的价格。当电能价格低廉而又供应充足 时，生产率和经济性是关心的问题，设计中所考虑的是电解槽散热问题。近年来。电 能价格的上升很快，有些地方电能短缺，因而电解槽的热设计侧重于节热，即减少电 5 北方r 业大学硕十学位论文 解槽的热量损失。 在稳定状态下，供给电解槽体系的能量等于电解过程需要的能量与从电解槽体系 散失的热能之和。这就是电解槽能量平衡的原理。而电解槽所产生的热量只有2 0 左右用于铝生产，对生产过程作了有益的贡献，其余的热量都损失掉。电解槽上部的 热量损失则又是热损失的主要部分，约占全槽热损失的4 0 6 0 2 5 1 。这部分包括炭 阳极，阳极爪头和覆盖在电解质上的固态结壳，这些部位的节能潜力最大。因此本文 利用电解槽电热稳态模型，模拟出铝电解槽稳定状态下的电热分布情况，并结合阳极 组有关的参数进行优化设计，以达到节能的目的。 ( 2 ) 研究铝电解过程中阳极电热场变化情况，为实际生产提供参考依据 铝电解生产中，阳极不断消耗，阳极的电、热分布情况也随之不断变化。在生产 实践中，很难经常性地直接去测量这些参数。因此通过铝电解槽的电热解析模型并采 用数值分析方法进行求解，获得阳极电、热场随着电解过程的进行而变化的情况，为 生产实际提供参考依据。 ( 3 ) 研究更换阳极对阳极电热场分布的影响情况 预焙阳极有连续式的和间断式的。连续式阳极其优点是阳极炭块可连续使用，但 是钢棒由于受热，变形较多，需要大量更换，2 0 世纪8 0 年代以后国内外均未使用 2 6 1 。 间断式预焙阳极由于电化学反应不断消耗，阳极高度以约1 5 m m d 的速率降低，降至 原高度的1 ，3 或1 4 时，钢爪已接近阳极底掌，此时需要更换阳极以免电解质腐蚀钢 爪进而污染了已出产的铝。在更换阳极时电解槽的电热特性必然会发生变化，本文将 研究这一变化情况。 1 5 论文工作安排 本论文工作安排如下：首先，针对1 6 0 k a 铝电解槽稳态条件下1 4 槽电热模型， 借助有限元分析软件a n s y s 对其电、热耦合场进行计算，建立电、热耦合场分析程 序，模拟出槽膛内形，分析其电、热分布情况；其次，通过合理的参数调整，应用所 建立的分析程序对3 5 0 k a 大型预焙铝电解槽电、热场进行模拟计算，并重点研究更 换阳极对槽内正常工作的阳极的电、热场的影响；最后，结合模拟计算的结果，对 1 6 0 k a 铝电解槽阳极结构尺寸进行优化设计，给出优化设计方案。 6 北方1 ：业大学硕十学位论文 2 铝电解槽热电场计算方法和模型 在铝电解过程中，槽膛内形会随着温度变化而变化。当结壳表面温度较高，超过 了电解质结晶温度时，结壳就会向外熔化而变薄，电解槽经侧壁向外散热量就增大： 当其表面温度低于结晶温度时，电解质就会在结壳表面凝固形成一层新的结壳，使结 壳增厚，相应地经侧壁向外散热量就减少。因此电解过程中，电解槽的电热分布是一 个动态的过程。当电解槽处于正常生产阶段时，其槽膛内形保持一个相对稳定的形貌， 电解趋于稳定，达到热平衡，此时可用静态模型来模拟出这个平衡状态下的槽膛内形， 分析电解槽的电热分布情况等。 2 1 铝电解槽物理模型 现代预焙阳极铝电解槽主要包括以下几个部分：阳极装置、阴极装置、母线装置 和槽罩等。阳极装置由阳极炭块、钢爪、铝导杆三部分组成，铝导杆用夹具夹在阳极 母线大梁上，或者加在母线梁下方的钢架上。阴极装置采用长方形刚体槽壳，外壁和 槽底采用型钢加固。在槽壳之内砌筑保温层和炭块。阴极炭块组是由阴极炭块和埋设 在炭块内的钢质导电棒构成。电解时，直流电由阳极导杆导入电解槽，经钢爪进入阳 极炭块，通过电解质和铝液层，经阴极炭块由阴极钢棒导出电解槽。在铝电解槽内， 热量通过熔体的对流向槽内衬传递。热量最后传到电解槽钢壳表面，经电解槽钢壳表 面向外部空间散发。 图2 1 中间点式下料预焙阳极电解槽结构示意图 卜氧化铝料斗2 一阳极母线3 一集气罩4 金属槽壳5 一阳极炭块6 一电解质7 - 铝液8 一阴极 9 - 保温层1 0 _ 侧部炭块1 1 - 阴极导电棒1 2 一下料器锤头1 3 一槽面保温材料及槽壳1 4 侧部槽膛 7 t毒 ， 持 m l 北方工业大学硕士学位论文 可见，铝电解槽的几何形状非常复杂，体积庞大。因此，必须进行适当的物理简 化，才能得到为分析所用的模型。本文研究l 4 槽模型时，作了如下假设： ( 1 ) 槽跃轴和短轴对称面两侧的电热分布与熔体流动情况轴对称； ( 2 ) 此l 珥槽与其它3 4 槽无电热传递： 2 2 铝电解槽静态电热场数学模型 2 2 1 控制方程 ( 1 ) 电传导方程 对于正常运行的电解槽，其电流随时间的波动及电流在电解槽内传递滞后现象等 均可以忽略，故其导电过程可用拉普拉斯方程表示【2 7 1 ，三维导电拉普拉斯方程为： 芒陆等 + 毒 古刳+ 芒 去等 - 。 ， 上式中：以，n ，岛分别为材, 料l - z 维方向的电阻率，随温度和方向而变；v 为电 位。 ( 2 ) 热传导方程 根据传热学知识，电解槽内热传导服从带有内热源的导热泊松方程 2 8 - 2 9 l 。三维导 热泊松方程为： 毒i 羽+ 旦a , k l 鲴a , j + 毒i 期+ g = 。 上式中：七；，k y ，t 分别为材料三维方向的导热系数，随温度而变；q 为单位体积 的生热率；t 为温度。 式( 2 2 ) 中的q 即为单位体积内由于电流通过产生的焦耳热，因此与式( 2 1 ) 中的电 位有关，故需要将两式进行耦合求解。 2 2 2 边界条件 ( 1 ) 导电方程的边界条件 阴极钢棒出1 ：2 表面取为基准电位； 铝导杆处施加槽电流强度，各导杆电流值均为总电流的平均分配值。 ( 2 ) 导热方程的边界条件 电解质和铝液初始温度均匀给定； 槽周围的环境温度按车间实测温度给定； 8 北方t 业大学硕士学位论文 槽体外表面与环境之间对流和辐射散热，其总对流传热系数为自然对流传热系 数和辐射传热系数之和。根据传热学原理可用下式计算总对流传热系数： h ，= h o + o o c ( f 一耳) ( l l )( 2 3 ) 上式中： h ，是槽体外表面的散热系数，w ( m 2 - k ) t 是槽体外表面绝对温度，k ； l 是环境绝对温度，k ； c r 0 是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 6 6 7 1 0 4 w k 4 ； e 是槽壳外表面的黑度 h 。是槽壳外表面与环境的对流换热系数，w ( m 2 k ) ，计算公式如下： 向上平面：h o = 1 5 2 ( t , 一l ) “3 ( 2 4 ) 垂直面：h o = 1 3 ( l l ) “3 ( 2 5 ) 向下平面：h o = 0 5 8 ( l k ) l 】“4 ( 2 6 ) 其中：l 是水平面的短边长度 槽内衬与熔体间的对流换热 电解槽内部存在的液一固之间的传热系数的确定是一个比较困难的问题，因为它 处于高温腐蚀性介质中，测定难，国内外相关研究所计算的结果各有差别，取值范围 变化较大 3 0 - 3 3 1 。它包括电解质一炉帮，铝液一炉帮，熔体和炭块之间的传热系数。相关 的计算公式分别如下。 电解质与槽帮间的换热系数，按下式计算3 4 1 ： n u = o 0 3 6 6 r e “8 p r o a ( 2 7 ) 上式中： r e = v s l v 口 ( 2 8 ) p r = v 口a b ( 2 9 ) n u = h w l 砧 ( 2 1 0 ) 其中：h 。电解质和槽帮之间的换热系数； v s 是槽帮表面电解质流速； l 是电解质深度与阳极至槽帮距离之和； ，。是电解质运动粘度： 口。是电解质热扩散系数； 9 北方工业大学硕十学位论文 以是电解质导热系数： v s = 0 1 7 5 g f 0 4 5 8 a 1 0 4 6 。7 a l d 4 2 ”t b 4 0 “( 磊p b ) - 0 ”( 2 a i l a l d ) 0 2 5 ( 2 1 1 ) 上式中： g f 是单位阳极周长的气体流量； a i 是阳极浸入深度； a l l ) 是阳极与侧壁结壳表面间的距离； 矗p 。是电解质的运动表面张力系数。 金属铝液与碳块表面的换热系数的计算，使用h a u p i n 的经验公式3 5 】： n u = 5 + o 0 2 5 r e o 。p r “8 但1 2 ) 金属铝的流速目前尚无准确的关系式估算，通常取经验数值5 m s 金属铝液与槽帮问的换热系数按式( 2 1 2 ) 计算出换热系数，在考虑用半流动态薄 膜覆盖的概念进行如下修正： h m = 1 【h 。+ ( 占k b ) 】( 2 t 3 ) 上式中： 6 是半流动态薄膜的厚度，按经验取为0 5 - 2 m m k 。是电解质薄膜的导热系数； 2 3a n s y s 在热电耦合场计算中的应用 有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 是随着电子计算机的发展而迅速发展起来 的一种现代计算方法。它的物理实质是：把一个连续体近似地用有限个在节点处相联 接的单元组成的组合体来代替，从而把连续体分析转化为单元分析以及对这些单元组 合的分析问题。它是2 0 世纪5 0 年代首先在连续体力学领域( 飞机结构静、动态特性 分析) 中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场 和流体力学等连续性闯题口6 l 。 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用型有限元分析软件。 一般而言，a n s y s 的基本分析过程可以分为3 步，a n s y s 对每一步都提供有一定的 工具模块。第一步，主要是完成建立模型、设定单元类型和材料特性，对实体模型进 行网格划分等工作。所以这些工作是在前处理模块中进行的。a n s y s 程序允许使用 直接生成法建立有限元模型，但是构造复杂的模型时非常费力，因此大多采用首先建 立实体模型，再对实体模型进行网格划分建立有限元模型的方法。进行电、热场分析 时，选取单元类型和设置材料特性主要是对材料导热系数和电阻率等的设置。然后， 进行网格划分工作。在a n s y s 界面中的相关操作如图2 2 图2 5 。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 图2 2a n s y s 前处理模块中建立模型 图2 3 a n s y s 前处理模块中设定材料特性 北方t 业大学硕士学位论文 图2 4a n s y s 前处理模块中设定单元类型 图2 5a n s y s 前处理模块中设定网格划分控制 1 2 北方工业大学硕七学位论文 建立有限元模型后，就可以进入分析的第二阶段，即施加载荷并求解。这主要是 在a n s y s 求解模块中进行。进行电、热耦合场分析，所需边界条件一般包括设定对 流、辐射散热系数，施加电流强度等，在a n s y s 界面中的相关操作如图2 6 图2 7 。 图2 6a n s y s 求解模块中设定对流换热系数 图2 7 a n s y s 求解模块中设定电流强度 1 3 北方t 业大学硕士学位论文 当所有条件均设置好后，即可进行求解计算。a n s y s 求解计算前，会给出确认 提示，如图2 8 ，用户确认无误后，即可开始求解计算。 图2 8a n s y s 求解模块中的求解设置 求解完成后，即可进入后处理器查看结果，并对计算结果进行分析等。对于电、 热耦合场的分析来说，可以对相关计算结果如温度、电位以及电流密度等进行云图显 示、等值线显示等。a n s y s 界面中的相关操作如图2 1 0 所示。 图2 9 a n s y s 后处理模块中显示结果云图设置 1 4 北方j 业大学硕士学位论文 利用a n s y s 参数设计语言a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限 元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解及参数化后处理结果的 显示，从而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高 技术。另外，a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有建立了参数化的分析过程才 能对其中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目标。 2 4 小结 本章在充分了解了铝电解槽的几何结构和电、热学相关知识的基础上，首先介绍 了铝电解槽电、热场的三维静态物理模型和数学模型，以及求解数学模型所需的边界 条件；然后对a n s y s 在电热藕合场计算中的应用作了简要介绍。本章介绍的物理、 数学模型以及计算方法，将是以下各章工作的基础，以下各章的具体工作基于本章内 容而展开。 1 5 北方t 业大学硕十学位论文 316 0 k a 铝电解槽电热场的仿真与结果分析 本章将在铝电解槽三维静态物理、数学模型的基础上，应用a n s y s 分析软件建 立铝电解槽3 d 电、热场的仿真模型，通过实例建立相应的分析过程，对铝电解槽电 热场进行模拟计算，利用a n s y s 后处理功能详细分析模型的电热状况。 3 1 参数的选取和计算 3 1 1 电压概述 从各电压产生的机理来看，铝电解槽静态电热场模型的电场控制方程( 2 1 ) 所能 求解的是导体的电阻电压，而实际槽内的电压还包括极化电压、阳极效应分摊电压以 及体系外的能量损失电压。 极化电压是由于化学反应及由此形成的反电势引起的附加电压。据测定，工业电 解槽的极化电压差值很大，范围是1 2 1 8 v 。影响极化电压值的因素很多，诸如氧化 铝浓度、阳极电流密度等。另外，通过有关研究得到如下计算极化电压的经验公式【4 】： e 援化= 4 2 4 1 一o 1 4 7 x ( n a f - 与a l f 3 0 c j 分子比) 一o ，0 1 7 7 ( a l 2 0 3 ) + 0 0 2 7 ( m g f 2 ) 一0 0 0 1 ( c a f ：) 一0 0 1 2 9 x ( n a c i ) - 0 0 1 9 5 x ( l i f ) + o 1 2 5 x d 甩- 0 0 0 2 2 x t ( 3 1 ) 式中：d 阳是阳极电流密度( a c m 2 ) ，t 是电解温度( 。c ) 阳极效应是发生在阳极上的一种特殊现象，效应发生的状态及频率，是判断电解 槽运行状况的标志，也是对电解工艺状况的反映【3 7 1 。当电解质中氧化铝浓度降低到 o 5 1 o 时，阳极从活化状态转为钝化状态，阳极电流密度增加，当超过临界值时， 阳极效应发生【3 8 1 。当阳极效应发生时，槽电压突然升高，因而能量消耗增加。阳极效 应电压的产生机理不同于电阻电压，因而无法通过方程( 2 1 ) 求解计算得到。工业上， 阳极效应分摊的电压按照下式来计算【4 l ： u 蛐；k ( u 触u u ) t 1 4 4 0 ( 3 2 ) 上式中： k 是阳极效应系数，次槽日； u 效应是阳极效应发生时的槽电压，v ； u 檀是平时的槽电压，v ； t 是阳极效应延续的时间，m i n ； 1 4 4 0 是每一天的分钟数。 北方t 业大学硕士学位论文 3 1 2 能量平衡 针对稳态模型，从产生机理方面分析，槽电压主要分为两部分：导体的电阻电压 和化学反应导致的极化电型3 9 1 。当槽电流、材料属性以及相关的工艺参数一定时，导 体电阻电压