（热能工程专业论文）新型惰性阳极铝电解槽流场仿真与结构优化.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no nt h ef l o wf i e l di nn e w t y p e i n e r t a n o d e e l e c t r o l y t i cc e l l a p p l i c a n t ： h a nl i m a j o r ：鱼l ：! ：磐垒l 星壁璺! ：理星壁g i 望曼曼i 塾g s u p e r v i s o r ：q ! 垒墨璺q r 圣塾垒望2 i 垒y 望窒望 s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，er c h i n a 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：逊年& 月尘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 主直态堂亟坐鱼i 盆塞摘要 摘要 惰性电极铝电解槽是铝电解槽的发展方向，尤其是低温垂直惰性 阳极铝电解槽具有比较大的发展潜能，是最有可能取代现有铝电解槽 的候选新型铝电解槽之一。铝电解槽内电解质的运动对氧化铝的扩散 与溶解以及温度分布有决定性的影响，电解质运动的研究对新型电解 槽结构的开发与创新具有非常重要的指导意义。 本文以半工业试验惰性阳极铝电解槽为研究对象，对垂直电极铝 电解槽的结构和电解槽内电解质的流动进行详细分析，在流体力学基 础理论的指导下，结合常规槽及导流槽的模拟经验，建立了适合研究 垂直电极铝电解槽内电解质运动的物理模型和数学模型，并通过商业 c f d 软件c f x 实现数值计算，利用加热沸腾水实验验证了模型。通过 分析阳极气体作用下不同电解槽和电极结构参数情况下电解质的流 场的模拟结果，提出了电解槽结构优化方案；应用优化方案进行的试 验结果表明，槽内流场得到改善，电流效率提高了5 8 。 本文的主要创新点及结论如下： ( 1 ) 在适当的简化后不考虑气泡的汇聚、合并与破裂和考虑部分 电解质流动区域的基础上，首次采用欧拉一欧拉方法对垂直电极铝电 解槽内电解质的流动进行模拟计算，实现铝电解槽结构参数的调整与 优化。 ( 2 ) 对垂直电极铝电解槽内电解质流场的研究结果表明：阳极气 体作用下，电解质的流动是从极间运动至电极两侧，在电极与电解槽 壁区域内形成漩涡，然后从电解槽底部回到电极之间形成两个相对独 立的循环。 ( 3 ) 通过对热力一水力模型试验与小试验槽内电解质流场模拟计 算的结果对比分析，验证了垂直电极铝电解槽内电解质流动趋势，为 铝电解槽的结构优化方向和参数分析提供依据。 ( 4 ) 电解槽和电极结构参数对电解质流场的研究结果表明：电极 至电解槽槽壁与槽中线的距离影响循环漩涡的相对位置，极距和阳极 倾斜角影响阴极壁面电解质回流区的区域的范围，阳极的淹深( 电解 质的深度) 和电极距离电解槽底部的距离分别改变极板间上部电解质 的流动趋势和电解槽底部电解质的流动强度。 关键词：铝电解槽，惰性阳极，电解质流场，数值模拟，结构优化 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u t u r e d e v e l o p m e n t a l u m i n u mr e d u c t i o n c e l l t r e n do fa l u m i n u me l e c t r o l y t i cc e l l si s u s i n g i n e r t a n o d e ， e s p e c i a l l y t h e l o w - t e m p e r a t u r ev e r t i c a li n e r ta n o d ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw i t hg r e a t e r d e v e l o p m e n tp o t e n t i a l ，w h i c hi sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tp r o s p e c t i v e c e l l st ob eu s e dc o m m e r c i a l l yt or e p l a c et h ec u r r e n tc e l l s e l e c t r o l y t e m o v e m e n ti nt h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lh a dad e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h e d i f f u s i o na n dd i s s o l u t i o no fa l u m i n aa n dh e a tt r a n s f e r , s ot h er e s e a r c ho n t h ef l o wf i e l do ft h ee l e c t r o l y t ei sq u i t ei m p o r t a n t t h es e m i i n d u s t r i a le x p e r i m e n to fv e r t i c a li n e r ta n o d ei na l u m i n u m e l e c t r o l y s i sc e l lw a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t i v e t h es t r u c t u r ea n dt h e e l e c t r o l y t ef l o wi na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw e r ea n a l y z e di nd e t a i l u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h eb a s i ct h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c s ，c o m b i n e dw i t l l t h ee x p e r i e n c eo fs i m u l a t i o no fc o n v e n t i o n a lc e l l sa n dd r a i n e dc e l l s ，t h e p h y s i c a l a n dn u m e r i c a lm o d e l s a d a p t e dt o t h ev e r t i c a le l e c t r o d e s a l u m i n u mc e l lo fe l e c t r o l y t ef l o ww e r ee s t a b l i s h e dw i t ha p p r o p r i a t e s i m p l i f i c a t i o n a l s o n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw a sa c h i e v e db a s e do nt h e l a r g ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ec f x a n dv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n to f h e a t i n gb o i lw a t e r u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h er e d u c t i o nc e l la n dt h ea n o d e ，t h ee l e c t r o l y t ef l o wf i e l d d r i v e nb ya n o d eg a sw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e dt op r o f f e rt h er e a s o n a b l e o p t i m a lp a r a m e t e rf o rt h es t r u c t u r ed e s i g n t h er e s u l to fo p t i m i z a t i o n a p p l i e df o rt h ea c t u a lr e d u c t i o nc e l li n d i c a t e dt h a tt h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d b y5 t o8 t h em a i ni n n o v a t i v ep o i n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sa r t i c l ea r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nw i t h o u tt a k i n ga g g r e g a t i o n ，m e r g i n ga n db u r s to ft h e b u b b l ei n t oa c c o u n ta n dc o n s i d e r i n gs o m ep a r te l e c t r o l y t ef l o wa r e a ， e u l e r - e u l e rm e t h o dw a sa p p l i e dt os i m u l a t et h ee l e c t r o l y t em o t i o ni n v e r t i c a le l e c t r o d e sa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lf o rt h ef i r s tt i m e ，t or e a l i z e t h ea d j u s t m e n ta n do p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l ( 2 ) i nv e r t i c a l e l e c t r o d ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，s t u d yo nt h e e l e c t r o l y t ef l o wf i e l di n d i c a t e dt h a td r i v e nb ya n o d eg a s ，e l e c t r o l y t e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o t i o nw a sf r o mt h er e g i o nb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d et ob o t hs i d e so f e l e c t r o d e s p r o d u c e dt w o1 a r g ee d d i e sb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dt h ec e l l s w a l la n df r o mt h eb o a o mo ft h ee l e c t r o l y t i ce e l lb a c kt ot h er e g i o no f i n t e r - p o l a r , f o r m i n gt w or e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t c i r c u l a t i o n ( 3 、) a f f e c t i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so ff l o wf i e l du n d e rd i f f e r e n t p a r a m e t e r so fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l la n de l e c t r o d es t r u c t u r ei n d i c a t e s t h a tt h ed i s t a n c ef r o me l e c t r o d e st oc e n t r a lc h a n n e la ne e l lw a l la f f e c t e d t h er e l a t i v el o c a t i o no fc y c l ew h i r l p 0 0 1c e n t e r ，a c da n dt i l ta n g l eo f a n o d e sa f f e c t e dr e g i o n a lr a n g eo fe l e c t r o l y t er e t u r na r e ao nc a t h o d ew a l l s u r f a c e ，t h ei m m e r s e dd e p t ho fa n o d e ( d e p t ho ft h ee l e c t r o l y t e ) a n dt h e h e i g h tb e t w e e nt h eb o t t o mo fe l e c t r o d e sa nt h eb o t t o mo fe e l lw a l l r e s p e c t i v e l yc h a n g e de l e c t r o l y t ef l o wt r e n di nu p p e ro fi n t e r - p o l a ra n d t u r b u l e n ts t r e n g t ho fe l e c t r o l y t ei nb o t t o m ( 4 ) b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n to ft h e r m o d y n a m i c - h y d r a u l i cm o d e l i n t ot h er e s u l to fe l e c t r o l y t ef l o wf i e l di nt h e1 i t t l ec e l l t h et e s tv e r i f l e d t h et r e n do fe l e c t r o l y t ef l o wi nt h ev e a i c a li n e r t e l e c t r o d ea l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l ，p r o v i d i n gt h er e f e r e n c ef o rt h ed i r e c t i o no fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n da n a l y z i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，i n e r ta n o d e ，e l e c t r o l y t ef l o w f i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章文献综述1 1 1 铝电解技术概述1 1 2 惰性材料研究3 1 3 新型铝电解槽结构研究进展4 1 3 1 单独采用可润湿性惰性阴极电解槽4 1 3 2 惰性阳极铝电解槽5 1 3 3 双电极电解槽6 1 3 4 垂直电极铝电解槽6 1 4 电解槽内电解质流动研究进展7 1 4 1 物理模拟试验7 1 4 2 工业测试9 1 4 3 数值模拟1 0 1 5 论文研究的背景和意义1 2 1 5 1 课题背景1 2 1 5 2 研究意义13 1 6 论文研究内容及方案13 第二章新型铝电解槽稳态两相流数学建模15 2 1 垂直电极铝电解槽数学建模15 2 1 1 多相流建模描述1 5 2 1 2 相间作用力数学描述1 6 中南大学硕士学位论文目录 2 1 3 物理模型简化1 9 2 2 两相流数学模型2 0 2 2 1 基本方程2 0 2 2 2 湍流模型2 1 2 3 本章小结2 3 第三章新型铝电解槽仿真及实验验证2 4 3 1 模型应用实例2 4 3 2 边界条件及计算方法2 6 3 2 1 边界条件2 6 3 2 2 计算方法2 6 3 3 计算结果分析2 8 3 3 1 气体体积分数分析2 8 3 3 2 电解质流动趋势分析2 9 3 4 热力水力模型试验3 3 3 4 1 试验装置与原理一3 3 3 4 2 试验过程3 6 3 4 3 实验结果及讨论3 7 3 5 本章小结4 1 第四章新型铝电解槽和阳极结构优化4 3 4 1 研究对象4 3 4 2 网格划分4 3 4 3 计算结果及其分析4 5 4 3 1 极距( a c d ) 对流场的影响4 5 4 3 2 电极两侧距离对流场的影响4 8 4 3 3 阳极浸入深度对流场的影响4 9 中南大学硕士学位论文 目录 4 3 4 阳极宽度对流场的影响5 l 4 4 5 电极距离槽底高度对流场的影响5 3 4 4 6 阳极开槽角度5 4 4 5 本章小结5 6 第五章结论与展望5 8 参考文献6 0 致 射6 6 发表论文和参加科研情况6 7 i i i 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 铝电解技术概述 第一章文献综述 铝在地壳中分布极广，其含量约是地壳量的7 3 ，是仅次于氧和硅的第三 大元素。在金属元素中，铝占首位，它存在于以硅酸盐化合物为主的2 5 0 种左右 矿物组成中。金属铝有优良的物理和化学性质，可以与其它许多金属构成多种合 金，是国民经济的各个部门不可缺少的金属材料。 铝冶炼开始于1 7 4 6 年从明矾中提取纯氧化铝，自此化学家们开始致力于从 氧化铝中分离其中的金属铝。1 8 2 5 年应用小规模生产的炼铝方法得到了金属铝， 继而1 8 8 6 年美国的h a l l 和法国的h c 5 r o u l t 几乎同时独立发现用电解的方法生产 金属铝，不约而同地分别在美国和法国提出利用冰晶石氧化铝熔盐电解法生产 铝的发明专利，自此电解法冶炼铝诞生【l 】。电解法冶炼铝的实质是将氧化铝 ( a 1 2 0 3 ) 熔于电解质( n a 3 a 1 f 6 ) 中，采用炭素电极，通以直流电流，氧化铝在电极 表面发生电解反应，a 1 3 + 得到电子在阴极壁面生成铝液，沉积在槽底，周期性地 将其抽取。0 2 失去电子产生的氧气( 0 2 ) 与炭素阳极表面发生电化学反应生成 c 0 2 和c o 气体，从下料口处逸出。 铝电解槽是h a l l h 6 r o u l t 冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝的主体设备。电解槽 起初阶段采用的都是小型预焙铝电解槽，特点是电流小、电压高、电流效率低而 且电耗高。在实现降低电耗、增大电解槽容量( 电流) 以及提高电流效率等目标的 要求下，铝电解槽从产生至现在，结构型式也发生了巨大的变化。按阳极特性划 分阶段经历了预焙阳极、旁插自焙阳极、上插自焙阳极，最后回到预焙阳极。在 此阶段发展的过程中，曾进行连续预焙阳极电解槽试验，但未推广。上世纪中叶 以后，开始出现大型预焙阳极电解槽，结构示意图如图1 1 所示。大型铝电解槽 的诞生标志铝电解技术逐步迈向了大型化、现代化的发展阶段，电解槽容量( 电 流) 逐渐增大，经济技术指标和环保水平也逐步提升。 目前，国际上有代表性的并且在全世界得到较好商业应用的先进电解槽主要 有力拓加铝p e c h i n e y a p 3 x 铝电解技术、世界上最环保的挪威海德鲁公司的 m 地2 5 0 2 7 5 被称为“峡谷技术 铝电解技术和迪拜d x 3 7 0 铝电解技术。另外还 有世界上超大型电解槽：法国s a i n tj e a nd em a u r i e n n e 试验基地的a p 5 0 ( 5 0 0 k a ) 和a r d a l 研究中心的h a l 4 e ( 4 2 0 - - 4 5 0 k a ) 。相对于国外，我国铝电解技术起步 较晚，建国初期我国的铝消耗量大于原铝生产，需要靠进口。自2 0 世纪8 0 年代 引进日本轻金属株式会社的1 6 0 k a 中间下料预焙槽技术，中国铝电解生产技术 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的新篇章奏响。虽然我国已成为铝工业大国，但并不算铝工业强国，国内最先进 的g y 3 2 0 型电解槽已达到的主要经济技术指标和超大型槽( 3 5 0 k a 以上) 与国 际先进技术指标差距如表1 1 【2 1 。 1 铝导杆：2 钢爪：3 炭素阳极：4 炉帮：5 电解质：6 铝液：7 炭素阴极： 8 阴极钢棒：9 侧部碳块：1 0 周围糊：1 1 耐火层：1 2 保温层：1 3 钢壳 图1 1 大型预焙铝电解槽结构示意图 表1 1 国内最先进g y - 3 2 0 槽型已迭指标和国内外超大型槽主要指标对比表 在现有技术装备条件下，h a l l h 6 r o u l t 铝电解技术和电流效率以及吨直流电 耗等指标已达到了一个极限，想进一步提高经济指标和节能降耗，只能通过改进 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 铝电解工艺和设备。现行铝电解槽的主要缺陷：( 1 ) 碳素阳极是消耗性的，需要 经常更换，影响电解槽的稳定性；( 2 ) 消耗性的碳阳极迫使电极结构必须是水平 布置，槽底既用做阴极又用做储铝池，并须保持1 8 - 2 0 c m 的铝液以维持铝电解 槽的稳定运行。电解过程中，电场和磁场相互作用产生的电磁力会使铝液产生运 动和界面波动，影响电流效率、槽稳定性和寿命；( 3 ) 水平布置的电极空间既有 不易排出的气泡，又有波动的铝液，因而须保持极距4 - - 5 c m ，避免铝液与阳极气 体接触。过高的极距导致槽电压和能耗较高。 对新型电解槽的研究主要包括两个方面：一是对不易消耗的电极材料的研制 开发；二是在研究电极材料基础上的电解槽结构创新。 1 2 惰性材料研究 在2 0 0 0 年，华尔街的分析家发表了一篇题为“铝工业的一场革命”的文章， 主要是阐述惰性阳极技术商业化的美好发展前景，同时评述了一些如a l c o a 、 k a i s e r 、r e y n o l d s 和n o r t h w e s ta l u m i n u m 等著名铝业公司和研究机构对惰性阳极 技术的研究工作。之后不久，全球最大的铝工业企业a l c o a 晦 公众介绍了其在惰 性阳极方面的工作，并公布了惰性阳极技术在该企业内进行工业化的时间表溺。 在2 0 0 3 年，美国能源部的年度铝工业技术指南中谈到，将铝电解用惰性阳极 列为今后2 0 年最优先研发课题，并与美国铝业公司一道对此给予巨大关注与投 入。 上世纪八十年代之前，惰性阳极材料的相关研究进展不大，国内只有东北大 学的邱竹贤【4 】和中南大学的刘业翔等【5 】对惰性电极材料的研究进行了详细的阐 述。惰性阳极替代炭素阳极有一系列的优点，研制出合适的惰性阳极是改善常规 铝电解槽铝电解生产方法的重要环节，适合用于惰性阳极的材料应具备以下物理 及化学性能：( 1 ) 良好的化学惰性；( 2 ) 良好的电化学稳定性，能抵抗电化学氧化； ( 3 ) 电阻率低；( 4 ) 良好的电催化活性；( 5 ) 良好的机械性能；( 6 ) 原材料易于获得， 便于制造和加工成型，即投入成本不高。 目前，开展惰性阳极材料研究工作最多的是对金属以及金属合金阳极、金属 氧化物陶瓷阳极及金属陶瓷阳极的研制和试验 6 q 0 。最早提出金属及其合金的是 霍尔【1 1 】在1 8 8 9 年的一份专利，用金属铜做阳极在冰晶石氧化铝熔盐中电解铝， 在电解过程中，金属铜腐蚀速度很快。1 9 9 3 年，h r y nj n 等u 纠制备t c u - a 1 ， n i - 触，c 卜越和f “卜a l 等合金材料，配合涂覆t i b 2 阴极，进行了1 0 a 容量电解 槽电解试验发现在7 5 0 c 、分子比1 1 2 i 况下，以c u 以1 ，c r _ a 1 合金材料效果较 好，电解得到的金属铝中，杂质元素c u 、c r 等含量均小于o 1 。t h e o d o r er b e c k l ”j 用c u n i - f e 合金做阳极材料，在低温熔盐中进行电解试验，得到的铝产品纯度 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 符合标准，且能耗很低( 吨铝能耗11 0 0 0 k w h ) 。s e k h a r j a 等t 1 4 j 对n i a 1 c u - f e 金属合金阳极进行了研究，但因腐蚀速度过快而失败。 金属陶瓷惰性材料具有陶瓷材料的耐腐蚀、抗氧化的特性和金属材料的良好 导热性、抗热震性，所以是最有希望被选作为铝电解惰性阳极的材料。c f w i n d i s c h 等【1 5 】在实验室电解槽内对f e 2 0 3 和n i o 组成的金属陶瓷材料进行长达 3 1 4 h 的电解实验。结果发现：同时满足电流密度小于0 5 a e m 2 和熔体中氧化铝浓 度接近饱和两个条件的情况下，阳极材料变形较小。e o l s e n 等【l6 】研究了金属陶 瓷阳极n i c u o 的制备工艺，并用n i f e 2 0 4 为基体的惰性阳极进行t 5 0 h 的电解实 验【1 7 】，经推算其腐蚀速率小于3 3 5 5 i u n d ，电解产生的铝中其他金属杂质f e 、 c u 、n i 所占比率均很小，通过数据分析镍的传质系数比f e 和c u d x ，向惰性阳极 材料中添加金属镍的应成为今后研究的重点。 2 0 0 2 年，o d d a m el o r e n t s e n 1 8 】在氧化铝饱和电解液中对含17 c u 的n i f e 2 0 4 基金属陶瓷阳极进行电解试验，定期取样分析电解液中n i 、f e 、c u 含量。具体 测定数据表明：金属f e 和c u 浓度很稳定，且其溶解度均低于在熔盐中；镍的浓 度高于铁和铜，检测电解后的阳极表面发现不存在金属铜。 国内对金属陶瓷材料研究的主要是东北大学的于先进、杨宝钢掣1 9 啦j 。对氧 化物陶瓷惰性阳极材料的研究，主要是考虑锡氧化物基阳极。2 0 0 1 年，a r i a - m a r i a p o p e s c u 等t 2 3 】对冰晶石一氧化铝熔盐中s n 0 2 基惰性阳极的导电性和极化过程与其 微观结构之间的关系进行了分析与探究。 国内对s n 0 2 惰性阳极的研究始于2 0 世纪8 0 年代，国内最早的研究是邱竹贤 做成功的1 0 0 a g g 解槽的扩大实验【2 4 , 2 5 】和刘业翔等【2 6 s n 0 2 基惰性电极掺杂r u 具有 明显的电催化作用测定实验。研究已经证明，金属氧化物陶瓷具有良好的抗氧化 和耐腐蚀性能，但作为电解阳极材料的机械强度不够以及导电性较差，不能满足 铝电解的要求。因此，今后对氧化物陶瓷材料的研究重点是提高机械强度和导电 性能。 1 2 新型铝电解槽结构研究进展 与研制惰性阳极材料同步的是新型铝电解槽的设计和铝电解槽新工艺的开 发。曾提出的新型铝电解槽有：可润湿性阴极铝电解槽、惰性阳极铝电解槽、双 极性铝电解槽、垂直电极铝电解槽等。 1 3 1 单独采用可润湿性惰性阴极电解槽 j e f fk e n i r y n i a l t o nt a b e r e a u x 等) k 2 7 ，2 剐采用蘑菇状的可润湿性阴极，冠状阴 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 极为可润湿材料并与阳极底掌平行，根部与槽底阴极导杆连接。铝液在阴极表面 析出，积聚于槽底，良好的润湿材料使得阴极表面只存在一层很薄的铝液，这样 可以不考虑铝液的界面波动问题而适当的减小极距。这类电解槽的不足之处是阴 极材料耐腐蚀性较弱，容易被熔蚀或电极断裂。 另一种电解槽是采用阴极表面涂覆可润湿材料的导流槽，从2 0 世纪7 0 年代开 始，导流槽一直被研究并看好。在1 9 8 7 1 9 9 8 年期间，澳大利亚c o m a l c o 公司研 究开发、并建立了2 5 台电流强度为9 0 k a 的单聚铝沟导流槽。这种导流槽采用与 阴极相适应的炭素阳极，聚铝沟在电解槽的中部。与普通预焙槽结构上不同的是 向内倾斜的t i b 2 涂层阴极为槽底，阴极倾斜面上有3 5 c m 厚度的铝液层，极距 ( 2 5 e r a ) 远低于传统槽极距。为保持铝电解槽的热量平衡，把电流强度由9 0 k a 提高到1 2 0 k a ，阳极电流密度随之增至1 1 5 a c m 2 ，铝产量提高了4 0 ，能耗为 1 3 2 k w h k g a 1 【2 9 】。此类导流槽阳极材料为炭素，通过增加电流密度保持槽内热 量平衡，与传统槽面临相同的高能耗和环境污染等问题，但表面倾斜的可润湿性 阴极与相同寿命的普通预焙槽相比，极距降低了，电流密度增大，电解槽产能增 加了，相应也就降低了吨铝投资成本。v i r o d od en o r 一如j 专利给出一种结构与澳 大利亚开发相似的单聚铝沟导流槽，专利中的炭素阳极可以是单个形式也可以是 双块排布结构。g e o r g e sb e r c l a z 3 4 】专利中给出了一种炭素电极多聚铝沟导流槽。 这种导流槽的阴极( 阴极是炭素材料，表面涂覆可润湿材料t i b 2 ) 块在槽底横向排 列成许多凹槽( 聚铝沟) ，铝液顺着阴极斜坡流向两边的凹槽中。但这种阴极排列 形式电极更换时调整极距比较的费事。 1 3 2 惰性阳极铝电解槽 惰性阳极铝电解槽一般联合可润湿性阴极使用。g e o r g e sb e r c l a z 专利【3l 】 公开了另一种采用惰性阳极的单聚铝沟导流槽，电解槽的阳极采用的是表面涂覆 氧化物保护层的n i f e 一舢合金或n i f e 一舢一c u 合金。另外，v i a o d od en o r a 在其专 利 3 0 1 中也给出了几种惰性阳极多聚铝沟铝电解槽，阳极材料的基体可以是金 属、合金或者陶瓷，外表面涂覆氟氧化物保护层。工业生产中此类惰性阳极电解 槽的结构复杂，类惰性材料的制备比较困难，因此在现在的h f l l - h d r o u l t 铝电解 槽结构上进行改装具有一定的挑战性。 v i a o f i od en o r a 在另一个专利【3 2 】中公开了一种使用惰性阳极和可润湿性阴 极、结构比较复杂的新型导流电解槽。惰性阳极材料是金属、合金或者陶瓷，倾 斜呈人字形与楔形阴极表面平行，阳极上有开口，用于阳极气体逸出和电解质循 环流动，极板之间的距离一半在1 5 - 2 0 m m 之间。阴极表面涂覆具有良好导电性、 铝液润湿性和保护阴极的硼化钛涂层，可以通过植入或粘结等方式固定在槽底， 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 也可以在阴极炭块内部加入铸铁使其沉于槽底。这种电解槽实际上是对蘑菇状阴 极的改进，在电解条件下，楔形阴极存在断裂、涂层剥落和电极寿命的问题。 1 3 3 双电极电解槽 j e a n - j a c q u e sd u r u z 3 3 在专利中公开了一种双电极电解槽。电解槽的每一块 电极的两面是不同极性和不同材料，一面是炭素阴极，另一面是金属基体和过渡 金属氧化物保护层组成的惰性阳极，阴极与阳极之间是阳极防渗透层，每一个电 极都可以看作是一个电解槽。电流是从一端第一个阳极流入，通过电解质从最后 一个阴极流出。保护层中过渡金属的溶解量较小，可以降低电解铝中其他金属杂 质含量。另外，惰性阳极材料可以保持电解生产中极距的稳定、减少阳极工作面 的更换操作量以及降低排放气体对环境的污染。此类电解槽即使在低温、低电流 和高槽电压的条件下也可以稳定运行，由于电流输送比较容易，电解槽的极距可 以控制在一个很小的范围之内，使得整个电解槽的结构比较紧凑，而且可达到较 高的产出。这类电解槽在电解镁工业生产中应用较为广泛【3 钔。但是双电极电解 槽有一个明显的缺点是电流的旁路问题比较严重。 1 3 4 垂直电极铝电解槽 垂直电极电解槽最多是应用在镁电解生产，目前这种电极摆放模式还没有广 泛应用于铝电解生产，因此对此类电解槽的研究较少。一种是v i t t o f i od en o r a 等 人申请的专利 3 5 , 3 6 公开的采用竖式电极的铝电解槽。专利中给出的多种单极性电 极铝电解槽，阳极通过导杆垂直悬挂于阳极母线，阴极与槽底部母线相接并一起 平行于阳极垂直固定于电解槽底部，垂直电极铝电解槽相比于传统铝电解槽，有 效电解面积增大，电解过程在较低的阳极电流密度便可以进行，在电解温度较低 和氧化铝溶解比较低度的情况下，也能保证一定的单位面积产出率。在阴极和阳 极的两侧都留有一定的空间，作为电解质向下循环流动的流体空间和下料点。 还有一种从电极的放置方式可以认为是垂直电解槽的是r i c h a r dj b r o o k s 等 人在其专利1 37 j 中提出一种料浆电解槽。由于低温电解对惰性阳极而言，尤其是 金属惰性阳极，可以减小阳极表面金属氧化物的溶解度，降低阳极的消耗量。但 是温度降低会严重影响氧化铝的溶解度，氧化铝溶解度低，即使氧化铝浓度达到 饱和状态，电解过程也只能在小电流密度下进行，随电解过程的不断进行，阳极 附近氧化铝浓度逐渐降低，至使阳极电位升高，引起阳极表面氧化物与电解质反 应加剧，电极溶解速度增加；为了保证电解过程的顺利进行，可以向电解质中加 入过量未溶的氧化铝，及时补充电极( 主要是阳极) 附近消耗的氧化铝，维持电流 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 密度在一个合理的便变化范围之内，但是这样会造成大量氧化铝沉淀于槽底。为 了解决氧化铝沉淀问题，提出一种采用竖式单极性电极的料浆铝电解槽。此种电 解槽将阳极布置于槽底，电解进行过程中，阳极产生的气体不断地向上溢出，能 保证未溶氧化铝悬浮在电解质中。阴极壁面电解产生的铝液随着电解质流动汇集 到槽底侧边的聚铝沟中。电解温度通过电解槽侧壁和底部冷却管控制。但是这种 电解槽很难保证铝液在沉淀过程中不会被气体重新氧化，以致电流效率不会很 高。因此，虽然这种电解可以解决一些问题，但是不适用于工业化生产。 1 3 电解槽内电解质流动研究进展 流场是影响铝电解槽内的传质和传热、氧化铝在电解质中的溶解及扩散、槽 内衬的完整性和槽寿命等最重要的因素。目前主要从三个方面研究电解质的流 场：物理模拟实验、工业测试和数值模拟。 1 4 1 物理模拟试验 由于电磁力是电场和磁场两个物理场交错产生，在物理模拟的过程中存在一 定的难度，所以有关模拟电磁力作用下电解质流场的实验较少。e v a n s 等 3 8 , 3 9 采 用几何相似对电磁力作用下电解质流场进行了物理模拟实验。用低熔点融合金属 合金替代实际中的电解质，通以电流，电解过程中阳极不产生气体。为了得到更 好的实验效果，实验模型槽采用与实际槽相同电流密度，几何相似采用尺寸为实 际槽尺寸的1 1 0 ，因此实验得到的磁场结果比实际电解槽降了一个数量级，磁场 作用下的电磁力也相应降了一个数量级，电磁力作用下的电解质速度也相应的降 一个数量级。实验发现，不考虑气体的情况下，电磁力作用下的电解质主要是水 平运动，测得平均速度为l c m s 。 气体作用下电解质运动的物理实验相对于电磁力较为容易操作及实现，也为 了更好的研究电解槽中流场，国内外学者的研究做了大量的模拟实验。模拟实验 方法主要分为两种：一种方法是冷态模拟实验。冷态模拟实验一种是用室温水作 为电解质 4 0 垅】( 满足实验模型与工业模型的几何和动力相似，以实现近似认为流 场相似) ，般用钢盒或铝盒模拟阳极，把阳极悬挂在电解槽中，阳极倾斜或提 升来改变阳极倾斜度和极距。阳极下为一层与之平行的带孔的固体板，把阳极隔 为几个室，每一个室安装流量计控制流量，控制向其中通压缩空气或其他气体的 气流量以保证气体均匀从阳极表面逸出，以此更好的模拟阳极气体的产生。根据 电流密度设定气流量的大小。 d e m e d d e 等【4 3 】研究了阳极边部电解质的流动情况。实验采用二维室温模型实 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 验，用水代替电解质、有机物代替铝液、空气代替阳极气体，施予有机物外界扰 动模拟铝液的运动。加入示踪剂来跟踪流体的轨迹。结果发现：电解质在阳极气 体驱动力的作用下，从极间流出，然后沿阳极边部向上，最后沿槽帮附近向下流 回极板间；定性分析得出电解质运动的平均速度与气体流量、淹没阳极深度以及 阳极边部与槽帮之间的距离等参数有关。s f o r t i n 等【4 4 人用水溶液模型模拟 1 5 0 k a 预焙铝电解槽阳极气体形成以及运动行为，分析了极距( a c d ) 、电流密度、 阳极倾斜角度和电解质流速对气体层形状、阳极覆盖率、气体速率和气泡释放频 率的影响。分析实验数据得出：( 1 ) 极距不影响气体行为；( 2 ) 随电流密度增加， 气泡层尺寸、阳极边部气泡层厚度、阳极覆盖率和气泡速率均增加，对气泡释放 频率无明显影响；( 3 ) 随电解质