（有色金属冶金专业论文）铝电解槽温度场模拟计算与测试.pdf

at h e s i si nn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y t h e r m a lf i e l ds i m u l a t i n gc a l c u l a t i o na n d t e s t i n g o fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l b yc h e ng u a n g h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gz h a o w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 _ i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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： 南 华 日 期： 加0 9 ，7 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名：3j l 签字日期： l-rr l i ir11 ，j 东北大学硕士学位论文摘要 铝电解槽温度场模拟计算与测试 摘要 节能和环保是铝电解工业发展需要解决的两个关键问题。集成有多项先进技术的 大型预焙阳极电解槽的开发与应用，是解决这两个问题的有效途径。本文针对目前世 界上最大容量的新型工业铝电解槽系歹l j 丝必，进行了工业电解槽温度场的计算与逊一 试，为电解槽稳定运行提供基础数据，以便于制定合理的工艺条件。同时对2 0 0 0 a 新 型换热式铝电解槽的温度场进行了计算与测试，为设计大型换热式铝电解槽提供基础， 实现回收铝电解余热的目的。 本文采用大型有限元a n s y s 软件4 0 0 k a 铝电解槽进行了温度场进行了的模拟， 同时对电解槽的热平衡进行了测试计算，结果表明4 0 0 k a 电解槽正常电解时，能量总 收入为每秒8 2 4 8 k w ，能量支出为每秒8 2 3 7 6 k w ，计算误差o 1 3 。电解槽上部、侧 部和底部散热分别占5 1 1 3 、4 4 9 6 和3 9 1 ，说明电解槽的侧部散热较好，底部保 温很好。在现场对2 台4 0 0 k a 铝电解槽进行了能量平衡测试。测试结果表明2 台槽的 散热分布与模拟计算结果略有差异，槽上部和底部散热比模拟结果高，侧部散热不够。 在对比分析的基础上，我们对工业电解槽结构提出了改进的措施，对电解槽的操作工 艺进行调整，包括盖好槽罩、加盖好氧化铝保温层以及调节电解槽烟气系统的抽力等。 本文采用a n s y s 软件对2 0 0 0 a 新型换热铝电解槽进行了温度场的模拟计算，建 立了换热型铝电解槽的温度场计算模型。在实验过程中通过温度场分析，发现了初期 电解槽设计中存在的问题并给出了解决的方案：在电解槽改进之后，对改进后的实验 室换热电解槽在焦粒焙烧和正常电解2 个阶段进行了温度场分析和测试，得到了换热 电解槽特殊的散热分布。在焙烧阶段，电解槽换热器带走热量占总散热量的3 9 3 ， 槽上部、侧部和底部散热量分别占3 5 4 、1 9 和5 。在稳定电解阶段，电解槽换热 器带走的热量占总散热量的4 6 3 ，槽上部、侧部和底部散热量分别为3 1 7 、1 7 1 和4 5 。 关键词：铝电解槽；温度场；模拟；a n s y s ：换热电解槽 q 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e r m a l s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o na n dt e s t i n g o fa l lm i n u mr e d u c t i o nc e l l u m i n u mh e t l u c t i o ne l l a bs t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r et w ok e yp r o b l e m si na l u m i n u m e l e c t r o l y t i ci n d u s t r y d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f l a r g ep r e b a k e d c e l lw i t h m u l t i - i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y i sa l le f f e c t i v ew a yt os o l v et h et w op r o b l e m s t h e r m a lf i e l d o ft h el a r g e s tn e w - t y p ec e l l ( 4 0 0 k a ) w a sc a l c u l a t e da n dm e a s u r e di n t h i s p a p e r t 1 1 i s p r o v i d e sb a s i cd a t af o rs t a b l eo p e r a t i o na n de s t a b l i s h e s r e a s o n a b l ep r o c e s sc o n d i t i o n s m o r e o v e r ，t h e r m a lf i e l do f n e w - t y p eh e a t e x c h a n g ec e l l ( 2 0 0 0 a ) w a sc a l c u l a t e da n d m e a s u r e dt oo b t a i nb a s i cd a t ao fl a r g e - - s c a l eh e a t - e x c h a n g ec e l la n d a c h i e v et h ea i mo f h e a tr e c o v e r y t m sp a p e rs i m u l a t et h et h e r m a lf i e l do ft h el a r g e s tp r e b a k e dc e l l ( 4 0 0 k a ) b ya n s y s a n d c a l c u l a t et h ee n e r yb a l a n c ea c c o r d i n gt ot h et e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h et o t a le n e r yi n c o m e a n dc o n s u m p t i o na r e8 2 4 8 k wa n d8 2 3 7 6k w p e rs e c o n d ，c a l c u l a t i o ne r r o ri s0 1 3 t h e h e a tl o s so fa n o d e ，s i d ea n db o n o ma r e51 13 ，4 4 9 6 a n d3 91 ，w h i c hc l a i mt h a tt h eh e a t l o s so fs i d ea n di n s u l a t i o no fb o t t o ma r eg o o d t h er e s u l t so nt h et w oi n d u s t r i a l ( 4 0 0 k a ) c e l l s d a c l a r et h a tt h ec e l l sh a v em o r eh e a tl o s si na n o d ea n dl e s sh e a tl o s si nb o t t o mt h a nt h e s i m u l a t e dd a t a o nt h eb a s e o fc o m p a r i s i o n ，w eg i v es o m ea d v i s e sa n d i m p r o v e m e n t m e a s u r e s o nt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o nt e c h n o l o g y o ft h ec e l l s t 1 1 i sp a p e rs t u d i e dt h et h e r m a lf i e l do fn e w l yh e a tr e v e r e dc e l l ( 2 0 0 0 a ) i no u rl a bb y a n s y s ，w ed i s c o v e r dt h ep r o b l e m so ft h ed e s i g ni nt h ee a r l yc e l la n dg i v et h es o l u t i o n s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h e r m a lf i e l d w eg e tt h es p e c i a lt h e r m a ld i s t r i b u t i o nw h i c hi s e n t i r e l yd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r ya l u m i n u mc e l lb ys l i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n dt e s to nt h e i m p r o v e dc e l li ns t a g e so fp r e b a k e da n de l e c t r o l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eh e a tl o s so f h e a tr e c o v e r e r , t o p ，s i d ea n db o s o ma c c o u n tf o r3 9 3 ，3 5 4 ，19 a n d5 o ft o t a lh e a t1 0 s s ， r e s p e c t i v e l y ，i np r e - b a k e ds t a g e i nt h en o r m a le l e c t r o l y s i ss t a g e ，t h eh e a tl o s sp e r c e n to fh e a t r e c o v e r e r ，t o p ，s i d ea n db o r o ma c c o u n tf o r4 6 3 ，31 7 ，17 1 a n d4 5 o ft o t a lh e a tl o s s ， r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a l u m i n i u mr e d u c t i o nc e l l ；t h e r m a lf i e l d ；s i m u l a t i o n ；a n s y s ；h e a tr e c o v e r e d a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l v 、_ 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t 1 0 r 第一章绪论1 1 1 铝电解工业概述1 1 2 铝电解节能降耗2 1 3 铝电解槽温度场计算的意义6 1 3 1 规整槽膛内形一6 1 3 2 优化内衬设计7 1 4 铝电解温度场模拟研究现状7 1 5 课题研究的主要内容1 0 第二章铝电解槽温度场计算方法和模型1 3 2 1 铝电解槽温度场计算物理模型1 3 2 2 铝电解槽温度场计算数学模型13 2 2 1 控制方程1 3 2 2 2 边界条件1 4 2 3 通用有限元a n s y s 在铝电解槽温度场中的应用1 6 2 4 铝电解槽能量平衡测试一1 7 2 4 1 测试目的：二：17 2 4 2 能量平衡测试计算原理17 2 4 3 能量收入的计算18 2 4 4 能量支出的计算18 2 4 5 测试方案及测试内容2 1 第三章4 0 0 k a 工业铝电解槽温度场分析2 5 3 1 模拟计算主要依据( 参数的选取和计算) 2 5 3 2 电解槽内衬结构模型建立、边界条件及计算方法。2 6 3 2 1 确定物性参数、建立实体模型2 6 3 2 2 加载边界条件2 8 3 1 3 求解过程与结果分析j 2 9 3 3 1 全槽温度分布2 9 3 3 2 全槽电压分布3 2 v 1 1 东北大学硕士学位论文目录 3 3 3 内衬设计方案的结论对比分析3 3 3 44 0 0 k a 铝电解槽能量平衡测试3 4 3 4 1 槽能量平衡计算结果及其分析3 4 3 4 2 槽总热损失计算结果及其分析3 7 3 4 3 槽体系热损失计算结果及其分析3 9 3 4 4 槽壳温度分布4 1 3 4 5 槽膛内形4 2 3 5 模拟与测试对比4 3 3 6 卅、结4 3 第四章新型换热式铝电解槽温度场计算与测试。4 5 4 1 模拟计算主要依据( 参数的选取和计算) 4 5 4 2 换热电解槽内衬结构模型建立及加载边界条件4 6 4 2 1 确定物性参数、建立实体模型4 6 4 2 2 加载边界条件并求解4 6 4 3 实验换热型电解槽的温度场测试4 7 4 4 模拟与测试结果分析4 8 4 4 1 早期换热型电解槽的温度场分析4 8 - 4 4 2 换热电解槽的改进分析5 0 4 5 改进后换热电解槽的三维温度场分析5 3 4 5 1 焦粒焙烧时的温度场分析5 3 4 5 2 正常电解时的温度场分析5 6 4 6 ，j 、结：- ：j 。5 9 第五章结论5 9 参考文献6 1 致谢6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和科研情况6 9 v i i i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 铝电解工业概述 铝是地壳中含量最为丰富的金属元素，约占地壳总量的8 ，仅次于氧和硅而居第 三位。铝不仅重量轻、质地坚硬，并且具有良好的导电、导热性能，被广泛应用在交通 运输、航空航天、冶金工业、农业及日常生活等诸多方面，是国民经济发展的重要基础 原料【l 】。铝冶金工业发展水平是已经成为一个国家工业化水平，特别是国防工业和航空 航天工业发展水平的重要标志之一。 铝的化学性质十分活泼，在自然界中很少发现有元素状态的铝存在。早期的商品铝 是由化学法生产而来，它是利用钾汞、钾、钠等还原无水氯化铝及其络合盐的方法来获 取金属铝，那时候的铝的产量极低。直到1 8 8 6 年，美国人h a l l 和法国人h e r o u l t 同时申 请了冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，称为h a l l h e r o u l t 法 z l 。熔盐电解法炼铝诞 生后的一百多年以来，电解铝始终建立在这一方法的基础之上，并且铝电解无论在理论 上还是在生产技术上都取得了突飞猛进的进展。尽管近一些年来开展了许多新法炼铝的 研究，如美国先后投资巨额在氯化铝电解【3 】和氧化铝在离子流体中进行低温还原的新工 艺【4 l 试图取代现行的h a l l h e r o u l t 法，但是最终都以各种原因而以失败告终，专家们预 测，不仅是现在，而且在未来很长的一段时问内，h a l l h e r o u l t 法都将是工业上唯一可 以适用于大规模工业生产金属铝的方法。 阴极母线 阴 软 图1 1 预焙铝电解槽示意图 f i g i 1s c h e m a t i cd r a w i n go fap r e b a k e dc e l l 熔盐电解法生产金属铝的过程是在铝电解槽中实现的，如图1 1 是现代预焙铝电解 槽的示意图。铝电解槽是以冰晶石氧化铝熔盐做电解质，碳素材料作为阳极和阴极， 论文 入，经过电解质熔体和铝液层后从阴极钢棒导出，氧化 极上生成二氧化碳气体，在阴极上析出液体金属铝的过 不断进行，电解质熔体中的氧化铝和阳极碳块不断消耗，因此，生产过 电解槽中补充氧化铝和更换新阳极【踊1 。 h a l l h e r o u l t 熔盐电解法炼铝的基本原理【7 1 可以表示如下： 2 a 1 2 0 3 ( b a t h ) + 3 c ( s o l i d ) = 4 a l ( 1 i q ) + 3 c 0 2 ( g a s ) ( 1 1 ) 铝电解工业经过一百多年的探索发展和改善，电解铝技术在氧化铝原料生产、电解 质改良、提高电流效率、降低碳素材料消耗和环境保护等方面都取得了巨大的进步8 ，9 1 ， 现代铝电解工业的生产规模也在逐步扩大。 尤其是进入2 1 世纪，随着我国4 0 0 k a 大型系列铝电解槽和法国5 0 0 k a 的特大型预 焙槽的出现，标志着铝电解工业已经进入一个崭新的发展阶段【l o l 。 1 2 铝电解节能降耗 铝电解工业是耗电大户，是国家实现节约能源目标的主要对象。由表1 1 我们可以 看出，我国原铝的的产量逐年递增，我国于2 0 0 1 年已经成为世界第一产铝大国【l i 】，2 0 0 8 年我国电解铝产量达到1 3 1 0 5 万吨，连续8 年居世界第一位。2 0 0 8 年，全国铝电解的 用电量超过全过发电总量的7 0 ，但是铝电解行业对我国g d p 的贡献值不足o 5 。 表1 1 铝电解耗电量占全国发电量的比例 t a b l e1 1p r o p o r t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o no fa l u m i n u me l e c t r o l y s i si nn a t i o n a lg e n e r a t e de n e r g y 随着铝电解理论和技术的不算进步，现有的h a l l h e r o u l t 铝电解槽，尽管尺寸和电 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 解工艺各不相同，但都存在电能效率低的问题。工业铝电解槽的吨铝能消q 电能可以用公 式1 2 表示( 其中e 槽电压是电解槽的槽电压；1 1 是电流效率) 【1 2 】。 q 电能= ( 2 9 8 0 e 槽电压) 佃( 1 2 ) 目前，工业上铝电解槽的槽电压在4 0 v 左右，国外电流效率最好的可以达到 9 4 9 5 。全世界的铝电解生产每吨铝的电耗量最低值约1 3 0 0 0k w h ( 直流电) 。而我们 知道，为保持电解槽在所要求条件下连续而稳定的进行生产，理论上电解铝的吨铝电耗 值不过6 3 2 0k w h ，这表明铝电解槽的电能效率很低，一般在4 5 5 0 之间【1 1 1 。除了理 论上将氧化铝还原成铝所需要的能量外，实际在电解槽生产中一半以上的电能均以热量 的形式向外散失到空气当中。 我国铝电解槽在技术开发，工艺研究，生产实践管理和技术推广应用领域与国际先 进水平还有一定的差距，这主要表现在：电流效率相差2 - - 3 个百分点；吨铝直流电单 耗相差3 0 0 - - 一8 0 0 k w h t a i ：电解槽寿命相差1 0 0 0 天左右【”】。此外，电解铝阳极吨铝消 耗相差5 0 1 0 0 k g t a l ( 折合标准煤约1 0 0 - - 一2 0 0 k g ) ：阳极效应系数国际先进为0 0 1 次 天槽以下，我国目前最好水平在0 2 次天槽左右。这些导致了目前我国电解铝能源综 合利用效率比国际先进水平低1 5 左右。所以我国的铝电解工业在节能降耗，提高能源 利用率上的潜力也是巨大的【l4 1 。 电能效率低造成了工业电解槽上巨大电能的无谓消耗，激发了人们寻求新型铝电解 槽以及其他铝冶炼新工艺以降低能耗的热情。由公式( 1 2 ) 我们知道，铝电解槽的节能降 耗有两种手段，一种是提高电流效率，另一种就是降低槽电压。一百多年以来，各国科 学工作者都在积极的寻求铝电解的节能途径1 5 圳1 ，如低温铝电解、惰性阳极、阳极丌槽 技术、石墨化阴极碳块、阴极t i b 2 涂层等方面的研究都在一定程度上降低了电解槽的 能量消耗，但是提高的幅度都并不大。图1 2 为最近5 0 年来世界铝工业电解槽的电流增 长趋势【1 0 1 ，由图1 2 可以看出5 0 年来铝电解槽的电流强度愈来愈大，这主要是因为电流 效率随槽电流增大而提高，而且电流强度愈大投资费愈少，生产费用愈低。铝电解槽大 型化的趋势越来越明显，我国近年来开发了大型4 0 0 k a 铝电解槽，这是世界范围内最大 型的工业系列电解槽。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 萋 蜊 鹱 嫣 甚 图1 2 近5 0 年间铝电解槽电流强度增大趋势 f i g 1 2i n c r e a s i n gt e n d e n c yo fc u r r e n ti n t e n s i t yo f a l u m i n i u me l e c t r o l y s i sc e l l s i nr e c e n t5 0y e a r s 输入到电解槽的电能利用主要有以下三种： w = f + w 热损+ w 导线( 1 3 ) 此式便是按照单位铝产量核算的能量平衡式，f 是用于铝电解本身的电能，w 热损是 电解槽的热量损失，w 导线是导线上的热量损失。由于电流效率r i 变化不大，一般为 9 0 9 5 ，故f 值可当作恒定看待。( 1 3 ) 式右侧诸项中，比重最大的项目是w 热损，它 约占供入总量的5 0 以上。当电解槽的电流强度增大后，电解槽的热量损失即w 热损减 少，所以大型槽可以达到节能的效果。 ( 1 3 ) 式是我们讨论节电问题的依据。实际上，铝工业一白年来所以能够节省电解中 的电能，主要是靠减小w 热损而实现的，一方面是设法减少电解槽的热损失量( w 热损) ， 另一方面是提高电流强度和电流效率( r 1 ) r i o 。 以往对于铝电解节能降耗的研究主要是从降低平均电压和提高电流效率角度考虑 的。铝电解生产吨铝直流电耗量是是1 3 0 0 0 k w h ，而理论上电解铝的吨铝电耗值不过 6 3 2 0 k w h ，而其余的电能是以热能的方式散发出去，如果将这部分热能回收，将大大提 高能源的利用率，将是铝电解工业节能的新举措。由表1 2 可以看出，铝电解槽以散热的 形式损失了大量能量，而且回收铝电解槽的散热量是完全可行的，完全可以达到节能降 耗的效果。 、 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 22 0 0 k a 至4 0 0 l a 的的电解槽散热量k w ) 1 1 3 】 t a b l ei 2h e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yo f2 0 0 k at o4 0 0 k ac e l l 铝电解槽单槽散热量可分为项部散热量、底部散热量、侧部散热量三部分，各部分 散热比率由槽体结构来决定。当电解槽设计完毕后，各种内衬材料的性质，包括热阻也 就确定了。对于正常稳定工作的电解槽来说，各部分散热比例基本是固定的。国外典型 预焙阳极电解槽散热分布结果见图1 3 【2 2 1 。铝冶金生产2 l 世纪国际课程教材关于预焙阳 极电解槽散热分布结果见图1 4 t 2 3 - 2 4 1 。 将图1 3 和图1 4 的结果列在表1 3 中，从中可以清晰的看出，国外典型预焙阳极电解 槽的侧部散热量占总散热量的4 5 ，国内预焙阳极电解槽侧部散热量占占总散热量的 4 3 ，相差不过2 ，这说明了电解槽所散发的热量中有4 3 - 4 5 左右是通过侧壁散发 出去的。 鬣黼” 孽= j ：一 撼h p 埒 _ 啊 ：o 。ol ： 嘲 魏二，、 图1 3 国外典型预焙掰l 极电解槽散热分布 f i g 1 3h e a td i s s i p a t i n go fd i f f e r e n tp a r t so fc e l l s 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 3 蟹4 鞔餮譬t 乏t ， ；l 螽k 管 甚缸妊筝 l z 置 2 3 )勰 巴 熨：搿貔铀。澎7 ： “。獭 ；雹咖 。- 置? j j 彩” 7 、? l 3 缸# 一” 势稍蚴二 瑟瑟= 鬣翟= 篪缓貔筑赫菇黝埔施碰簪镌籀糍巍缸雅蝴觑舰黝 ；：铥，滞 图1 4 预焙阳极电解槽散热分布 f i g 1 - 4h e a td i s s i p a t i n gd i s t r i b u t i o no fp r e - b a k e da n o d ec e l l 表1 3 电解槽散热比例对比 t a b l e1 3c o m p a r i s o na m o n gh e a td i s s i p a t i n g p e r c e n t a g eo fc e l l s 对于电解槽热流分布的问题，国内外学者均认为：在现代电解铝生产中大约5 0 总 能量输都散失到环境中去了，而总损失量中又有4 3 - - - 4 5 ( 甚或更多从侧部散失。因 此回收利用侧部热量具有重要意义。 1 3 铝电解槽温度场计算的意义 ： 铝电解槽是铝工业生产的一个重要环节，铝电解槽的“三场是指在铝电解生产过 程中，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 是其他物理场的根源，因此对于电热场分布状况的深入研究具有重要意义。 1 3 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正常又有很大的影响。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j 下投影周围，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。 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 优化内衬设计 铝电解槽的热损失，主要取决于电解槽的结构设计和操作。过分的保温妨碍侧部结 壳的形成，容易导致侧部腐蚀和槽的早期损失。但是如果保温效果太差而导致槽帮结壳 过厚，则容易造成压槽等生产事故。铝电解槽内衬设计的要求电解时侧部散热良好，以 形成比较完整的结壳，同时底部保温要好，以防止底部保温不足导致沉淀产生甚至病槽。 借助铝电解槽的电热解析模型，通过研究电解槽的电热平衡，得到电解槽内各部分结构 中的电压和温度分布，可以判断电解槽内衬各部分设计的合理性，从而优化设计。 1 4 铝电解温度场模拟研究现状 国内外学者对铝电解槽热电模型的研究经历了局部到整体的变迁，早在1 9 7 1 年， h a u p i n t 2 5 】率先提出了一个计算铝电解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。 在最初静念模型的大量研究中，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的选择上。p e a c y 2 6 】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，在同一网格假定 是相同物性性质。由于其网格划分为均匀网格，因此并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 l 2 7 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 丰斤结果的精确度有了较大的改善。m a r cd p u i s 2 8 1 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，整槽模型和全槽模型 等。 半阳极模型，如图1 5 ，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间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问，缺点是其结果只给出了阳极的热损失。 - 7 东 在 内 缺 下 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。 图1 6 铝电解槽阴极侧边切片模型 f i g 1 6c a t h o d es i d es l i c em o d e l 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1 1 2 6 6 上运行需要超过4 h ，计算时间比较长，即使是现在的 计算机也需要花费相当长的时问。 一8 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 整槽切片模型图1 7 。该模型的计算结果比单独计算阴、阳极时的精度提高了2 。 图1 7 铝电解槽三维整槽切片模型 f i g 1 73 df u l lc e l ls l i c em o d e l 随着技术的不断进步，l 4 整槽模型( 如图1 8 ) 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，需要大量的计算机资源较大。由于计算精度很高，而且 适应了当代计算机技术的进步，1 4 整槽模型已经成为主要的分析现代工业铝电解槽的 模型。后来国外又从三维模型回到了准二维模型( 如图1 9 ) 【2 9 1 ，原因是准二维热电模型 也能在很大程度上代表铝电解槽的热平衡状况，并且它占用的计算机资源较少，求解时 间短，适合于铝电解生成的实时分析。 图1 8 铝电解槽i 4 整槽模型 f i g 1 8q u a r t e rf u l lc e l lm o d e l 一9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9 铝电解槽准二维模型 f i g 1 9q u a s i - 2 ds l i c em o d e lo f c e l l 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 5 课题研究的主要内容 众所周知合理的槽内衬结构设计是电解槽长寿、高效、稳定运行的基础之一，大型 铝电解槽在生产运行期间的经济指标如何，物理场设计的优劣起着决定性的作用，电解 槽物理场分布情况的好坏直接影响到槽帮的形状和整个槽的电热平衡，进而影响电流效 率、能量消耗和槽寿命等技术经济指标。槽内衬设计技术的核心是电热平衡和能量平衡 的精确计算。 本文首先针对现代铝工业最大型4 0 0 k a 电解槽的设计建立了电解槽的全槽切片模 型，分析了电解槽的全槽热损失分布情况。之后对工业4 0 0 k a 大型电解槽温度场做了现 场测试，并做了能量平衡计算。通过模拟分析和测试的比较，给出了4 0 0 k a 大型电解槽 的散热分布，并提出了改进。 其次，针对实验室2 0 0 0 a 型换热电解槽的设计建立了二维模型，分析了换热电解槽 的温度分布和热损失分布，指出了初期设计的不足，对电解槽设计作出了改进。并对改 进后的电解槽重新进行了温度场计算和测试，给出了实验室换热型电解槽的散热分布。 图1 1 0 是实验室换热型电解槽的示意图。 1 0 o 5 8 1 4 7 0 3 6 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 0 实验室换热型电解槽的示意图。 f i g 1 10s c h e m a t i cd r a w i n go fi m p r o v e dh e a tr e c o v e r e dc e l 东北大学硕士学位论丈第二章铝电解槽温度场计算方法和模型 第二章铝电解槽温度场计算方法和模型 2 1 铝电解槽温度场计算物理模型 现代预焙阳极铝电解槽主要包括以下几个部分：阳极装置、阴极装黄、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。此期间一定数量的金属铝在阴 极生成，同时伴随着大量的热向周围空气散失。 在铝电解槽内，由于电解质和铝液的温度很高，流动又很剧烈，使熔体中的热量不 断的向电解槽的槽帮和内衬材料传递。在槽内衬内，热量以热传导的形式经由碳素材料， 耐火砖，保温砖以及槽壳部分传向电解槽的槽壳表面，再由槽壳表面以对流和辐射的形 式向周围环境散发出去【3 0 j 。 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。本文对4 0 0 k a 大型槽分析采用全槽切片模型，作了如下假设： ( 1 ) 槽长轴和槽短轴对称面两侧的电、热分布与熔体流动情况轴对称； ( 2 ) 各阴极电流分布均匀：阴极间无电、热传递现象发生； ( 3 ) 各阳极电流分布均匀；阳极间电、热传递现象发生。 2 2 铝电解槽温度场计算数学模型 在铝电解的过程中，铝电解槽的热量来源于通过电解槽的电流所产生的焦耳热，一 部分用于电解铝生产本身，另一部分的热量以对流和热传递的方式向槽内衬传递。在槽 内衬中，热量以传导的形式经由碳素材料、耐火材料、保温材料等传向铝电解槽钢壳表 面，再由钢壳表面向周围环境以对流和辐射的方式散发出去。 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，三维导电拉普拉斯方程为f 3 1 j ： 1 3 对称关系，铝电解槽中心对称面可认识无热传递现象发生，此处采用绝热边界条件，即 穿过对称面的热流率为0 ；在阳极碳块与边部结壳和上部氧化铝粉接触的表面，采用绝 热边界条件，热流率为0 l 3 7 。3 引。 另外，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： j l z ，= + o o c ( ：r j 一巧) ( z 一瓦)( 2 3 ) 式中： 臃是槽体外表面的散热系数，w ( m 2 k ) ； 瓦是槽体外表面绝对温度，k ； 死是环境绝对温度，k ： 1 4 第二章铝电解槽温度场计算方法和模型 万。是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 6 6 x1 0 8 w k 4 ： f 是槽壳外表面的黑度； h o 是槽壳外表面与环境的对流换热系数，单位w ( m 2 k ) ，计算公式如下： 向上平面： o = 1 5 2 ( z s 7 b ) “3( 2 4 ) 垂直面：厅o = 1 3 ( t s r b ) 1 乃( 2 5 ) 向下平面：h o = o 5 8 ( t s r b ) l 1 腿( 2 6 ) 其中：l 是水平面的短边长度。 电解槽内部存在的液固之间的传热系数的确定是一个比较复杂的问题，因为它处 于高温腐蚀性介质中，测定很困难。国内外相关研究所计算的各有差别，取值范围变化 较大f 3 9 4 3 1 。它包括电解质炉帮，铝液炉帮，熔体和碳块之间的传热系数。相关的计算 公式分别如下。 电解质与槽帮问的换热系数，按下式计算【删： n u = 0 0 3 6 6 r e o - s p r 0 3 ( 2 7 ) 上式中： r e = v s v a( 2 8 ) p r = v a a 8 ( 2 9 ) n u = h b c l 2 b( 2 10 ) 其中：h b f 是电解质和槽帮间的换热系数，i 风是槽帮表面电解质流速； 三是电解质深度与阳极与槽帮距离之和； v b 是电解质运动粘度； 知是电解质热扩散系数； 是电解质导热系数； v s = 0 1 7 5 g f o 4 5 啊户。4 6 三矿。2 5 8 乃句0 4 4 ( 6 咖b ) - 0 1 6 5 ( 2 a i a l d ) o 2 5 ( 2 11 ) 上式中： g f 是单位阳极周长的气体流量； 彳，是阳极浸入深度； a l d 是阳极和侧壁结壳表面问的距离； 6 b p b 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4 5 】： n u = 5 + 0 0 2 5 r e n w 8 ( 2 12 ) 1 5 东北大学硕士学位论文第二章铝电解槽温度场计算方法和模型 2 3 通用有限元a n s y s 在铝电解槽温度场中的应用 有限元分析( f i n i t ee l e m e