（热能工程专业论文）导流型铝电解槽的电热场仿真与优化研究.pdf

中南人学硕士学位论文摘要 摘要 导流型铝电解槽是1 9 8 0 s 中期提出来的一种新概念铝电解槽，拥有巨 大的节能潜力和诱人的市场前景。本文作为国家“9 7 3 项目提高铝材 质量基础研究一的研究内容的一部分，就导流型铝电解槽展开研究，这 对跟踪和掌握该项新技术，并尽快形成具有自主知识产权的技术原型有 着积极的理论与现实意义。 本文以中国铝业股份有限公司郑州研究院沁阳试验厂0 4 # 槽为研究 对象，首先借助于a n s y s 有限元分析软件，建立了铝电解槽1 4 槽电热 模型；继而对常规预焙阳极铝电解槽进行了解析，并根据实测的槽运行 工况数据对模型进行了检验；然后利用经验证的1 4 槽电热模型，对导流 型铝电解槽进行仿真研究，获得了导流型铝电解槽电热场特性的较全面 知识，在此基础上提出了改造型导流型铝电解槽的结构优化方案；重点 分析了炉帮结壳对聚铝沟的填充率的影响；对比了不同的电流密度、电 解温度和覆盖层厚度对槽壳表面温度、阴极与阳极的压降、槽体系散热 状况及炉帮厚度的影响规律；并对导流型铝电解槽的抗热扰动的能力进 行了评估。 本文的主要创新点及结论如下： 1 ) 利用a n s y s 有限元分析软件建立了铝电解槽的1 4 槽模型，能较 方便的解析铝电解槽的电热场，解析结果与实测结果能较好地吻 合，本文的电压仿真误差不超过5 ，槽壳侧部温度误差不超过 4 ，炉帮厚度误差不超过3 0 1 2 ) 提出了适合于对常规预焙阳极铝电解槽进行改造的导流型铝电解 槽的新型结构； 3 ) 提出了在目前的技术条件下，导流型铝电解槽最优工艺参数：电 流密度为0 9 a c m 2 ，电解温度为9 4 0 ( 电解质过热度l7 ) ，氧 化铝覆盖层厚度为1 5 5 - - - 1 8 0 m m 之间，合适极距为2 6 c m ； 4 ) 对导流型铝电解槽的抗热扰动能力进行了评估，得到在上述工艺 参数条件下，导流槽将具有抵抗电流波动为1 0 、持续时间为 3 0 m i n 的冷行程热扰动的能力。 关键词：铝电解槽，导流槽，电热场，数值仿真，a n s y s 建模，优化 a b s t r a c t t h ed r a i n e da l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，f i r s tp r e s e n ti nm i d d l eo f19 8 0 s h a sg r e a t m a r k e tp o t e n t i a lf o ri t se n e r g ys a v i n g a sap a r to ft h en a t i o n a l “9 7 3 ”p r o j e c t ，t h eb a s i c s t u d yo ni m p r o v e m e n to ft h ea l u m i n u mq u a l i t y , t h i sd i s s e r t a t i o ns p r e a d sr e s e a r c ho nt h e d r a i n e dc e l l i nm i sd i s s e r t a t i o nt h ea u t h o rh a se s t a b l i s h e dat h r e e d i m e n s i o nt h e r m a l e l e c t r i cm o d e l o nt h eq u a r t e ro ft h en o 4c e l l i nt h ee x p e r i m e n tf a c t o r yo fz h e n g z h o ur e s e a r c hi n s t i t u t e o fc h a l cw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s b a s e do nt h a t f i r s t l y , 也e c o n d i t i o n a le e l lh a sb e e na n a l y z e da n dv a l i d a t e db vt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e df r o m t h ei n d u s t r yc e l l t h e nw i t ht h ev a l i d a t e dt h e r m a l e l e c t r i cm o d e lo ft h eq u a r t e rc e l l t h e d r a i n e de e l lh a sb e e na n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ec o m p r e h e n s i v ek n o w l e d g e o ft h et h e r m a l e l e c t r i cp r o p e r t i e si nt h ed r a i n e de e l lh a sb e e no b t a i n e d s e c o n d l y , a s t r u c t u r ep r o j e c tw i t ho p t i m i z a t i o no ft h ed r a i n e dc e l lh a sb e e np r e s e n t e d t h j r d t h ee f f e c t o ft h ef r o z e nl e d g eo nt h ea l u m i n u mc o l l e c t i o ng r o o v eh a sb e e na n a l y z e d t h ee f f e c t so f t h ec u r r e n td e n s i t y , e l e c t r o l y t i ct e m p e r a t u r e ，a n da l u m i n ac o v e r a g et h i c k n e s so nt h es h e l l s u r f a c et e m p e r a t u r e ，v o l t a g ed r o pi nc a t h o d ea n da n o d e ，h e a tr e l e a s eo fe e l ls y s t e ma n dt h e f r o z e nl e d g et h i c k n e s sh a v eb e e nc o m p a r e d a tl a s t t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gh e a t d i s t u r b a n c ei nt h ed r a i n e dc e l lh a sb e e ne v a l u a t e d t h ei n n o v a t i o na n dc o n c l u s i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( i ) u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n s y s ，t h em o d e lo ft h eq u a r t e r c e l lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ee l e c t r i c t h e r m a lf i e l do ft h ec e l lc a nb er e s o l v e d e x p e d i e n t l y t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o w sag o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ：t h ev o l t a g ee r r o rl e s st h a n5p e r c e n lt h ee r r o ro ft e m p e r a t u r eo nt h es h e l ll e s s t h a n4 p e r c e n t a n dt h ef r o z e nl e d g et h i c k n e s se r r o rl e s st h a n3 0p e r c e n t ( i i lan e ws t r u c t u r ew a ss u g g e s t e df o rt h ed r a i n e dc e l l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e c o n d i t i o n a lc e l lr e f o r m a t i o n ( i i i ) as e r i e so fo p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h ed r a i n e dc e l lo nt h ea c t u a l c o n d i t i o nh a sa l s ob e e np r e s e n t e d ，i e ，t h ec u r r e n td e n s i t yi s0 9 a c m z ，t h ee l e c t r o l y t i c t e m p e r a t u r ei s9 4 0 w i t hl7 s u p e r - h e a t i n g t h ea l u m i n ac o v e r a g et h i c k n e s sr a n g e i sl5 5 - 18 0 m m t h ea p p r o p r i a t ea n o d ec a t h o d ed i s t a n c ei s2 6 c mo nt h ep r e s e n t t e c h n o l o g yc o n d i t i o n ( i v ) t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gh e a td i s t u r b a n c eo ft h ed r a i n e de e l lh a sa l s ob e e n e v a l u a t e df o rt h ef i r s tt i m e g i v e nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e ra b o v e m e n t i o n e d ，t h e d r a i n e dc e l lh a st h ea b i l i t yt or e s i s tt h eh e a td i s t u r b a n c ew i m10p e r c e n tc u r r e n t f l u c t u a t i o na n d3 0m i n u t ep e r s i s t e n c et i m e k e y w o r d s ：d r a i n e da l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，t h e r m a l - e l e c t r i cf i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a n s y sm o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o n u 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在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 茎2 塾翻日期：丛年上月丛日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：压乜鲴导师签名：蜱 日期：盈衅上月幺日 中南人学硕士学位论文第1 章文献综述 1 1 铝电解工业概述 第1 章文献综述 1 1 1 现代铝电解工业简介 铝是世界上最丰富的金属元素，由于其良好的物理化学性能，铝的用途日益广泛， 因此铝工业呈现出蓬勃发展的状况。目前世界上每年原铝产量约2 4 4 7 万吨，我国约 为4 5 0 万吨，居世界第3 位，我国近十年来年平均增长率达1 0 以上。 霍尔一埃鲁特电解炼铝法诞生一百多年来，一直是工业上大规模炼铝的唯一方 法。虽然近年来开展了一些炼铝新方法的研究，以试图取代现行的霍尔一埃鲁特法， 但目前还未在工业应用方面取得实质性进展。专家们估计，在相当长时间内霍尔一埃 鲁特电解炼铝法仍然是工业上唯一的炼铝方法。 霍尔一埃鲁特电解铝法，即冰晶石一氧化铝熔盐电解法，其实质是氧化铝熔于含多 种氟化物添加剂的冰晶石熔体中，电流从阳极碳块导入，阴极碳块导出，在阳极上析 出c o ：和c o 气体，在阴极上沉积金属铝。此法经过一百多年来的发展，无论在生产工 艺、还是技术水平上都有巨大的进步。目前，现代大型预焙铝电解槽电流强度已达到 5 0 0 k a ，电流效率超过9 5 ，电耗低于1 3 0 0 0 k w h t - a 1 乜1 ，采用点式自动加料系统，自 动控制与生产环境达到较高的水平。 目前，铝电解工业的发展主要有以下特点： 1 ) 采用大容量预焙阳极铝电解槽口 1 。2 0 世纪9 0 年代以来，大型预焙阳极铝电解槽 占据了主导地位，为了确保大容量电解槽有良好的电场、热场、磁场、流场特性， 在设计大容量槽型时采用了大量新技术与新方法：如采用大面多点进电和母线补 偿以减小槽内磁场和流速；采用船形结构和窄加工面以减少投资和加强侧部散 热；采用计算机优化设计来优化铝电解槽内“三场 分布。 2 ) 筑炉新材料的应用哺刀。在筑炉中铝电解槽底部采用干式防渗料，简化了施工和 加强了底部保温；侧部采用碳化硅及其复合块增强侧部防腐蚀能力及加强侧部散 热；阴极采用t i b ：涂层技术，提高了电流效率、延长了槽使用寿命；阳极部分采 用掺杂技术增加了阳极导电性能和减小了阳极过电压。 3 ) 工艺条件的优化与控制随刮。采用低分子比、低氧化铝浓度、低温、低效应系数、 高槽电压、“按需下料 的模糊控制技术，采用动态仿真与神经网络技术加强对 槽况的监测和预报，采用焦粒或燃气进行铝电解槽的焙烧启动。 1 1 2 铝电解工业现状 我国铝电解工业现状主要表现在以下几个方面n 州门“7 1 ： 中南人学硕十学位论文 第l 章文献综述 1 )电解槽容量偏小。在我国1 6 0 k a 一- 2 0 0 k h 槽型占预焙槽的绝大多数，仍有部分自 焙槽在生产。目前，国外大型预焙槽电流强度已达到5 0 0 k a ，国内达到3 5 0 k h 。 2 ) 我国铝电解生产的电流效率不高，与国外先进指标相比有3 - - , 5 个百分点的差距 ( 见表1 - 1 ) 。目前国外通过铝电解槽内衬、母线等合理设计，已使电解槽的平 均电流效率达9 5 以上。相比之下，我国同类型槽平均电流效率除少数1 8 5 2 0 0 k a 电解槽系列能达到9 1 9 2 之外，大多数电解槽的电流效率只在8 7 - - 一9 0 ( 按整流效率9 8 核算) 左右。 表卜1 我国铝厂与国外部分铝厂电流效率的对比( 预焙槽) n 我国铝厂( 按整流效率9 8 核算)国外铝厂 电解槽类型 电流效率 电解槽类型电流效率 7 0 8 0 k a ，纵向排列8 7 8 8 8 0 k a ，纵向排列( 俄) 9 4 o 1 3 5 k a ，横向排列 8 7 8 8 1 7 5 k a ，纵向排列( 挪) 9 2 4 1 6 0 k a ，横向排列 9 0 9 1 2 0 0 k a ，横向排列( 新西兰) 9 5 5 1 8 5 2 0 0 k a ，横向排列 9 1 9 2 2 1 0 k a ，横向排列( 法国) 9 5 3 3 2 5 k a ，横向排列( 加拿大)9 6 o 3 ) 铝电解生产的直流电耗偏高，与国外相比相差1 0 0 0 k w h t a 1 。目前，国外直流 电耗已降到1 3 0 0 0 k w h t a 1 以下，我国某些大型预焙槽的直流电耗达到1 3 3 0 0 - - , 1 3 5 0 0 k w h t a l ，已接近或达到了同类槽的国际先进水平，但多数厂的电耗仍偏 宣 1 2 】 问0 4 ) 铝电解槽的平均寿命短。目前国外系列电解槽平均寿命可达到2 5 0 0 - - 3 0 0 0 天， 而我国电解槽平均寿命为1 3 0 0 天左右，约为国外槽平均寿命的一半左右n l l 。 5 ) 大部分电解槽阳极长期在低于0 7 5 k a c m 2 电流密度下运行，低于国外运行电流 密度o 1a c m 2 左右。相比之下，我国同类型槽有增大1 2 1 5 电流密度、提高 1 2 - 1 5 生产率和降低成本3 0 0 - - 3 5 0 元吨的潜力n 驯。 6 ) 我国阳极生产缺乏现代化的检测手段和检测设备，对材料质量、结构、成份、性 能、烧成热工制度之间的关系缺乏系统而深入的研究，窑炉装备技术水平和控制 手段低下，导致阳极生产质量低下，能量消耗高，窑炉产量偏低，电解槽上阳极 消耗远高于国外的消耗。目前，我国多数环式炉的能耗为国外环式炉的2 倍，产 量仅为国外同类型炉的三分之一，国内大型预焙槽阳极消耗达4 6 0 5 0 0 k g t a 1 ， 而国外仅在4 1 0 k g t a 1 铝左右，高出5 0 l o o k g t a l 铝n 刳。 我国电解铝厂生产成本比国外高1 0 0 0 - - 2 0 0 0 元吨左右，加入w t o 后，使我国在 竞争中更加处于不利地位。因此，加强铝电解工业方面的科学研究和技术创新，具有 紧迫性和战略意义n 引。 针对我国铝电解工业存在的现状，国家也正在组织各有关高校、科研院所、企业 2 中南人学硕士学位论文第1 章文献综述 集团进行铝电解槽新技术的丌发研究和现有铝电解槽的技术改造。如在“9 7 3 ”项目 中就列入了“新型导流型铝电解槽设计基础研究” 1 4 - 1 7 、“低温电解理论研究 1 8 1 、 “阴极涂层研究”、“惰性阳极材料研究”n 叫等专项，所有这些新技术的研究与开 发将为整体提高我国铝电解工业水平起到重大的推动作用。 本论文结合“9 7 3 ”项目子课题“新型导流型铝电解槽设计基础研究”，将主要针 对新型导流型铝电解槽的热场设计进行研究。 1 2 铝电解槽电热场仿真方法评述 1 2 1 概述 铝电解槽的电热场分布，直接影响到槽帮的形状、水平电流的大小、铝液界面的 形状和整个槽的电热平衡，进而影响电流效率、吨铝电耗和电解槽寿命。合理的内衬 设计和热场设计将使电解槽获得良好的电热特性、较高的电流效率、较低的吨铝直流 电耗和较长的槽寿命。如何快速设计出内衬设计合理、电热特性良好的电解槽? 对导 流型铝电解槽而言，由于电解质水平的降低，导致槽内的焦耳热生成量减少，这些减 少的焦耳热是否会导致槽正常生产时的热平衡状态破坏? 这些都涉及到对铝电解槽 电热场的深入研究。而电热场仿真技术已经被证明是一种对电热场进行研究的行之有 效的手段。 电热场仿真技术就是根据槽的结构参数( 几何形状、保温层配置、阴阳极大小及 相对位置等) 、工艺参数( 电流强度、槽温、电解质水平、铝液水平、电解质分子比) 、 材料物性及传热条件等建立描述传热过程的数学模型，用一定的计算方法在计算机上 模拟电解槽内电热场的分布情况。其计算结果一般包括如下几个方面：1 ) 电场计算 结果：阴、阳极电压降及电流分布、铝液中电流分布状况；2 ) 等温线分布；3 ) 槽帮 和伸腿位置及形状；4 ) 槽壳热流分布及总的热流损失等。这样就可在计算机上通过 改变槽内衬结构参数、物性参数、工艺参数及外部散热条件，使得电解槽在槽帮结壳 形状、等温线分布和槽电热场特性等方面获得较满意的结果，进而达到优化槽内衬结 构参数和工艺技术参数的目的。 1 2 2铝电解槽电热仿真研究的意义 建立铝电解槽电热场仿真模型在以下方面具有积极意义。 1 ) 优化设计 铝电解槽本身既是一个电化学反应装置，又是一个电一热不可逆转换装置，外部 供给电解槽的电能被消耗在两个方面：一是使电解质达到电解温度并在此温度下完成 电解反应；二是补偿电解槽对周围环境散热所造成的能量损失。 铝电解槽热耗电压每增加o 1 v ，电耗率相应增加3 4 0 k w h t a 1 ，影响极为显著脚1 。 中南人学硕十学位论文第1 章文献综述 因此如何降低热耗对提高电解效率有重要意义。 对阳极来说，需要寻找一种最优的阳极、钢爪尺寸和钢爪排布方式，使阳极的电 压降和散热量尽可能的小；对阴极来说，控制阴极的热量损失的关键在于阴极结构设 计参数即槽底保温能力的选择。要想达到上述目标，必须对阳极和钢爪结构的变化、 阴极内衬的结构变化、材料变化以及周围环境变化对电解槽中的温度分布、电压分布 和热流密度产生的影响有定量的了解，分析哪些是主要影响因素，哪些是次要影响因 素，各因素如何起作用以及各因素之间的相互作用。 通过模拟的方法建立电热场的数学模型，其目的是模拟实际的槽况，给出阳极内 部各点、槽体及阴极棒的温度、电压、电流密度、焦耳热、热流密度、热平衡状况等。 同时，通过模拟计算可以给出结构尺寸的改变、材料性质的改变对电热场分布和热平 衡的影响。这样通过对电热解析切片模型的分析，就可以设计出理想的阳极和钢爪结 构、阴极内衬结构、合理的加工面及稳定的热平衡状态，减少槽内水平电流并缩小阴 极镜面，使电流效率的提高和槽寿命的延长提供有利条件。 这就是目前正在快速发展的计算机辅助工程分析( c a e ) 技术。与计算机辅助设 计相结合，可以进行电解槽结构设计、材料选择等优化，以达到设备的最优设计。通 用有限元分析程序a n s y s 将有限元分析、计算机图形学与优化技术相结合，形成完整 的计算机辅助分析系统，具备能求解耦合物理场的优点，因而成为铝电解槽c a e 的首 选工具。 2 ) 优化控制 铝电解槽内所发生的物理化学变化非常复杂，外界边界条件的影响也十分复杂。 因此，铝电解槽是非线性时变系统。目前可在线检测的信号只有槽电压和系列电流， 而浓度、极距和温度等参数信号目前还难以实现在线检测。对于这样一个复杂的工业 过程体系，仅靠建立简单的数学模型难于实现生产过程的最优控制。因此，对这种被 控对象，采用智能控制方法比采用常规控制方法更容易达到预期效果。 建立铝电解槽电热解析的计算机动态仿真模型，可对反映电解槽电热平衡的重要 特征参数电解质温度和槽膛内形( 槽帮厚度、伸腿长度、伸腿高度) 进行在线仿 真计算，为控制专家系统提供判断依据，用于对槽况进行诊断和作出槽况维护与处理 决策。建立以动态数学模型为基础的设备运行状态诊断、运行优化和控制专家系统， 为解决铝电解槽复杂多变的工业过程控制开辟了一条新的途径。这是开发铝电解槽物 理场动态在线仿真技术的重要价值所在。 1 2 3 铝电解槽电热场仿真的研究方法 铝电解槽的电热场研究方法主要有实验和数值研究方法两类。 1 2 3 1电热场的实验研究方法 1 ) 直接测试方法 4 中南大学硕十学位论文 第1 章文献综述 该方法利用测温仪表、热流计、电压测量仪表、简易的槽膛内形、极距、两水平 测试工具及化学定量分析等，对有代表性的点进行热场测试，然后根据测试结果对电 解槽的热场进行分析，将分析结果反馈于指导生产。 由于测试工作量较大，加之铝电解槽周围工作环境恶劣，进行一次测试所需的准 备时间较长，实测时劳动强度大，这种方法不能适应实际生产经常性监控的需要。同 时，由于槽膛内形的不规整及简易的槽膛内形测量工具的高温变形，使得测量的精度 降低，而且因每次测试时需要打开槽罩和砸开氧化铝结壳，导致铝电解槽热损失增加， 破坏了电解槽的热平衡，致使所测得的槽膛内形和槽内温度与电解槽的实际情况有相 当的差距，测试结果不能完全代表槽的真实运行槽况。此外，在进行电热场测试时， 每次只能对有代表性点进行测试，不能获得电解槽的全部热场数据。尽管如此，它仍 是目前电解铝厂对电解槽运行状况进行诊断的主要方法。数值研究方法中也常用它来 校验电解槽热场计算的数学模型和检验仿真计算结果的可靠性。 2 ) 经验公式法 指的是将已往生产中的数据归纳整理成经验公式用于指导生产实践的方法。例 如，在一定时间内通过测定槽壳外表温度和对应位置的槽帮厚度数据，通过对所测得 的数据进行整理、分析和回归，得到槽帮厚度随温度变化的关系式，以后就根据测量 的槽壳表面温度由此关系式计算槽帮厚度乜。从电解槽热流分布情况的研究结果得 知，在槽帮最薄处，电解槽的热流方向近似垂直于槽壳厚度方向，传热可作一维处理， 此处槽帮厚度与温度之间有一定的对应关系，使用经验公式可获得较满意的结果。然 而经验公式是在一定条件下从具体电解槽获得的，因此只适应用于一定条件下的具体 电解槽，不能推广应用于其它槽上，即使是同一台电解槽，或因电解槽使用时间较长， 电解槽材质逐步发生改变，或因工艺技术条件发生较大变化，使用经验公式时需重新 进行校正魄1 。此外还有应用出铝数据和极距估算槽帮厚度的方法1 和计算机辅助测量 确定槽膛内形的方法瞳4 1 等。 1 2 3 2电热场数值仿真研究方法 铝电解槽电热场的数值仿真有静态热解析和动态仿真二种方法。 1 ) 静态热解析模型 概述 静态热解析指的是在给定的电解槽结构参数、工艺参数、工作电流、熔体温度、 两水平、槽帮结壳形状、电解槽筑炉材料物性参数及给定的外界传热条件下，采用稳 态的导电、导热模型，通过计算机求解电解槽内的电压分布、温度分布及电解槽的热 平衡状态，为电解槽的优化设计、技术改造、槽况诊断提供依据。 描述铝电解槽静态电场和热场的守恒微分方程为： 导电微分方程 5 中南人学硕士学位论文第1 章文献综述 v ( o v v ) = 0 ( 1 1 ) 式中：盯一导电率，q 一r 1 ；为温度的函数；v 电位，v ； 导电部分导热方程： v ( 2 v r ) + g 耐= 0 ( 卜2 ) 式中：卜温度，k ；五一导热系数，w ( m ) ；为温度的函数，g 耐一控制单元的焦 耳热，w m 3 ； 从上述方程可以看出，铝电解槽内的电场和温度场存在强烈的耦合关系，必须联 立求解。 静态模型发展过程 在早期的铝电槽的电热解析数值计算中，h a u p i n 汹3 在1 9 7 1 年率先提出了一个计 算槽膛内形的一维纯导热模型，这个模型可以用来粗略估计电解槽内各区的散热损失 和槽帮最薄处的厚度。该模型的优点是简单、方便、计算速度快，缺点是模型过于简 单，不能提供准确而详细的槽膛内形，用来预报槽膛内形误差较大，不能用于精确的 热场分析，特别不适应用于计算伸腿长度。因此，为适应铝电解槽槽内复杂的电热场 计算的需要，保证电解槽电热解析的准确性，随后的研究都是建立在二维或三维的数 学模型基础上，其中尤以二维切片模型的研究最充分。 由于研究角度和具体情况的不同，静态模型可分为二类：一类是侧重于各种不同 边界条件或者网格划分以及计算方法选择的研究上；另一类是侧重于模型的改进上。 前一类研究进展较快。p e a c y 瞳町用修正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，在同一网格内假定具有相同物性性质( 即同一网格由同一种 材料组成) 。由于其网格的划分为均匀网格，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 等人凹1 则对网格划分作了改进，将切片视边界 不同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。 我国从事铝电解槽的电热场仿真研究起步相对较晚，始于1 9 8 1 年对引进的“日 轻”程序的消化。由中南工业大学与贵阳铝镁设计院合作，设计了一个介于二维与三 维之间的混合切片模型。研究中考虑到端部与侧部传热情况的不同，分别在端部和侧 部各取1 个切片构成区域切片模型，而在侧部切片模型中，由于阴极碳块部分在厚度 方向上包含着两种材料：钢棒和碳块，所以该部分作三维处理，其余部分仍按二维处 理，构成二维和三维的混合模型瞳引。这种方法目前在国内铝电解槽电热场设计和槽膛 内形的研究中仍然有广泛的应用，具有一定的代表性。 j n b r u g g e m a n 等认为嘞3 三维模型在当时占用内存太多，耗时长，没有必要：而 一维模型不能准确地反应槽膛内形，特别是“伸腿”长不能准确反应，因此，仍然采 用二维模型。但在他的二维切片模型中，对多种参数作了改进，如考虑到在原二维模 6 中南 学碗十学位论文 第1 亭文献综述 ，诅中没有包含的许多材料在z 方向上小连续，此在计算这些材料的平均传热系数 时，假定在z 方向的热阻是并联的。以端墙测出的热流作为z 方向的热流，在总输入 热量计算时需扣除这部分热量。另外，模型对熔体与槽帮之i m f f j 对流换热系数以及带 有筋板的槽壳的对流换热系数都作了改进，槽膛内形的计算值与实测值吻合较好。 h aa h m e d 等1 在模型研究中作了一定的改进，考虑到在槽帮与电解质界面以及 槽帮与金属锅渡界面存在着相变，因此提出了在数学控制方程中应加上一个相变热， 即： 寿c z 筹，+ 嘉c z 箸 ， 式中：s 为相变热。 日本轻金属株式会社的新井一正。”等在计算阳极的电压和温度分布时，考虑了阳 极p 部与下部材料和形状的不同( 如预焙阳极的导电棒) 将l 部碳块和下部碳块区 分开柬，并沿垂直方向上重叠。另外，将导电棒同阳极本体独立起来，进行单独的网 格划分。 随着计算机向高速度和大内存的方向发展，数值计算方法也因此得到了很大的改 进。有限兀法以其适用于求解具有复杂的儿何形状和复杂的边界条件的问题而倍受亲 睐，而月各种数值计算的商q k 软件相继推出，如a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a d i n a ，s a p 等，这为铝电解槽电热解析模型的研究向三维模型转变创造了条件。 早在铝电解槽数值模拟研究的初期，c l a i r “2 1 等人就曾于1 9 5 7 年研究过电解槽电 热场的三维模型。故模型的优点是将导热系数 、导电率o - 看作是温度和材料特性的 晒数，模型的计算结果比较理想，缺点是只考虑了阴极碳块以下部分，无法解析电解 质及铝液侧部温度分如和槽侧部的槽帮厚度。 m a r cd u p u l s 等人认为”1 ，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、1 4 整槽模型等。 图卜l 所示的半阳极模型，可用来有效地计 算阳极的热损失和压降。考虑到阳极的对称性， 取半个阳极作为研究对象( 没有考虑阡j 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 嘲嘏麟冒耐 图卜1 半阳极模型 中南人学硕士学付论文第1 章文献综述 是町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如图l2 所 型提供了准确的电流密度，缺点是建模和 图1 - 3 三维整褙切片模刑 求解需要较多的时间和计算机资源，在当时的p e n t i u m 2 6 6 上运行需要超过4 个 小时，所以，即使在现在最快的p e n t i u mi v 上运行，也至少需要3 0 分钟左右。 1 4 槽模型是在汁算机处理速度得到不断发展而提 h 的“，该模型可以避免因为 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 切割和阴极小面热损失的估计所带来的误差，可得到更高精度的结果，但需要大量的 计算机资源。 2 ) 动态仿真模型 铝电解槽是非常复杂的高温电化学反应器，其运运行工况受很多因素的影响，各 种因素的变化将导致槽子工况的摆动。恶劣的运行工况将导致槽子电耗的上升、产量 下降及槽寿命的缩短。各种工艺参数对电解槽运行工况的影响难以用静态模型进行准 确描述。 动态仿真的目的是：根据在线检测到的信息，用计算机模拟槽的热平衡过程，并 输出预报结果，达到在线监视槽子运行工况和指导生产操作的目的，如果与自动控制 装置结合，还可实现铝电解槽的在线优化监控。 对电解槽运行有决定影响的三个因素是电解质温度、槽膛内形、电流效率。它们 的测量至今还未找到可行的实用的在线检测方法，因而电解质温度、电流效率及槽膛 内形的动态预报就成了目前电解槽动态仿真的主要任务。 第一个用于描述电解质温度随时间变化的关系，预测槽帮厚度的一维动态数值计 算模型是t h a s h i m o t o 和h i k e u c h i 两人于1 9 8 0 年提出的。为了提高计算效率， 他们将电解槽划分为铝液、电解质、阳极、阴极碳块、电解质区的槽帮、金属铝液区 的槽帮、槽内衬和氧化铝结壳等八个部分，根据一维导热方程和各个部分的传热情况， 用有限差分法求出了各节点的温度与时间变化的关系。该模型为提高槽帮厚度预测精 度，在槽帮与电解质液和铝液之间引入了边界层。该模型的优点是考虑了加料及内衬 热阻的变化时对电解质温度和槽帮厚度的影响，对槽帮厚度计算具有较高的精度；缺 点是忽略了电解质与槽帮结壳之间的对流换热系数的变化，将其视为常数，使得模型 在模拟电解过程的动态行为时受到局限啪1 。 另一具有开拓意义的工作是k ap a u l s e n 等h 阳对电解槽侧部槽帮厚度和槽侧壁温 度的动态行为进行的研究，该研究给出了计算槽帮、槽壁温度分布以及热量的一维动 态模型。 h a s h i m o t o 与p a u l s e n 的一维动态模型处理方法简便，对于粗略估计槽内温度分 布和槽膛内形的变化有一定的作用。特别是p a u l s e n 创造性地提出用热焓替代温度作 为自由变量和移动边界的方法对槽膛模型深入的研究提供了一种新的思路。但是，这 个模型假定沿电解槽长度方向和高度方向温度均匀，这与实际不符，因而计算是粗略 的。事实上，因许多内衬材料的物性参数的各向异性，铝电解槽热流方向并不是朝某 一个方向传递的。因此采用二维和三维动态模型更为合理。 d o w 等曾对各种操作参数对电解质温度和槽内热分布的影响作过研究h ，a e k 等 人在此基础上进行了电解槽传质和能量平衡的计算“副；张明杰、赵恒先等h 3 “1 通过测 量我国北方某厂4 5 k a 自焙槽的动态热平衡，研究了环境温度变化对电解槽热平衡的 9 中南人学硕十学位论文第1 章文献综述 影响，对电解槽的现场操作有较大的指导意义。不足之处是上述研究对于全参数的热 场动态模拟和槽膛内形预报没有进一步深入研究。 另一种有意义的研究方法是在槽外壳面上布置一定数量的热电偶，根据热电偶所 测温度的变化来反推槽内的温度分布和槽膛内形的变化，以达到槽膛内形连续监测的 目的。w s c h m i d h a l r i n g 在二维模型的基础上，用三维动态模型来解析电解槽热场 和槽膛内形h 引。为简化计算过程和工作量，s c h m i d h a l t i n g 引入了一个伪导热系数。 进一步的研究是在原有静态二维模型的基础上，采用“热平衡在线自校验”的方 法建立的二维与三维混合热场动态仿真模型，在线计算出槽膛内形m 1 。我国的梅炽、 游旺等乜3 4 7 4 8 3 通过详细分析槽膛内形的动态影响因素，给出了多个动态影响因素对槽 膛内形影响的数值估算方法。在该模型中，阴极与阴极钢棒部分采用三维解析，其余 部分采用二维解析，并由此开发了一套在线显示槽膛内形的软件。该软件系统由槽况 解析、动态仿真、静态参数查看与修改、离线校验、报表生成与打印、联机帮助等六 大功能模块构成，可实现在线采集的主要参数显示、槽膛内形仿真结果显示、电解质 和金属铝液温度动态预报、槽膛特征尺寸仿真结果显示、静态物性参数的查看和修改、 工艺参数的离线输入和浏览；运行历史纪录与查看、通信状态指示与报警；报表生成、 查看与打印输出等功能。 总的来说，相对于静态模型，动态仿真模型的研究还不充分，不完全，有待更进 一步的研究和开发。 本文将采用静态模型方法来对铝电解槽的电热场展开研究。 1 3 导流型铝电解槽的研究进展 1 3 1 研究背景 h a l 卜h e r o u l t 铝电解槽已经在全世界推广应用达一个多世纪，作为现今唯一工 业炼铝方法，虽然技术上已取得了很大进展，然而h a l l - h e r o u l t 槽本身还存在许多 的缺陷。 其中主要缺陷是槽底必须保持一定深度( 1 8 - - - - 2 4 伽) 的金属铝液，以保持铝液 与阴极炭块的良好润湿，这不仅使大量电解铝液积存于电解槽内，造成成本的积压和 大量热量的损耗，而且由于较大深度的铝液存在，在电解过程中，强大的电场和磁场 的相互作用产生电磁力，使槽内熔体循环加速，铝液面隆起，偏斜和波动。由于铝液 的加速循环和波动，使电解得到的金属卷入电解质中，与电解产生的阳极气体反应而 被氧化；阳极中心部分的铝液隆起，会引起极距的缩小，局部电流密度增大和阳极局 部损耗加快；而铝液的波动可以造成短路，带来不必要的电能消耗；电磁场引起的熔 体流速超过最大值时，会引起阴极部分槽壳变形，铝电解槽的槽帮被熔体冲蚀，严重 1 0 中南人学硕士学位论文第1 章文献综述 时甚至造成电解槽早期破损。总之，铝液的剧烈扰动对铝电解生产稳定性、电流效率、 电解能耗、槽寿命都将产生重要的影响h 引。 近半个世纪以来，人们尝试着对h a l l h e r o u l t 槽进行改进。在过去2 0 年里，曾 提出的新型炼铝方法有：导流型铝电解槽炼铝法、使用用非消耗性的惰性阳极和可润 湿性阴极取代现行炭素阳极和阴极的电解槽炼铝法，氯碱工艺、硫化铝工艺和炭热工 艺等。而使用炭素阳极的导流型铝电解槽是目前技术条件下最有望取代现有普通预焙 铝电解槽的一种槽型n 钔。 1 3 2导流型铝电解槽的优越性 与常规槽相比，导流型铝电解槽的优越性主要体现在以下几个方面： 1 ) 使用表面涂覆硼化钛复合材料的炭素阴极嘞1 。硼化钛是一种高技术材料，它的 熔点高( 2 9 8 0 ) ，导电率高( 室温下电阻率1 2 10 7q1 1 1 ) ，致密性能好( 密 度4 4 5 9 c f l l 3 ) ，硬度大( 莫氏硬度大于9 ) ；能被铝等金属良好润湿，铝液在 t i b ：板上的润湿角为5 7 。，而在普通碳块、半石墨质块和石墨块上润湿角为 1 8 0 。从而使槽底不再需要1 8 2 4 锄深度铝液，仅在阴极表面吸附一层0 3 0 5a n 厚的铝液膜就可以保证铝液与阴极的良好接触；同时还降低了铝液与阴极 表面的接触电压降。 2 ) 极距可由目前普通预焙槽的4 - - 4 5 c m 降低到3 c m 以下，从而减少了电解质压降 带来的巨大能量损耗n ： 3 ) 大大减少了电解槽内铝液造成的成本积压和对流热损失： 4 ) 由于阴极表面铝液厚度很小，电解槽产生的强大电磁场对其的作用很小，从而避 免了铝液波动所带来的电解不稳定和局部短路现象，从而减少了无谓的电能消 耗，提高了电流效率； 5 ) 表面涂覆硼化钛复合材料的炭素阴极，能耐熔融铝液和冰晶石熔体的浸蚀，防止 钠膨胀，从而提高阴极部分的寿命n ； 6 ) 采用与阴极表面斜坡相适应的倾斜底面的阳极，使气体排放更加顺畅，可以减少 阳极效应的次数，减少阳极效应带来的电能消耗。 1 3 3国内外研究现状 国外从上个世纪六七十年代开始研究硼化钛可润湿性材料的阴极或者阴极涂层 技术，并在1 9 8 0 s 中期提出了导流型铝电解槽概念，并开始进行工业实验n 蜘。澳大 利亚c o m a l c o 公司已经建立了2 5 台电流强度为9 0 k a 的导流槽。槽底为两侧向内倾斜 的t i b ：涂层阴极，采用相适应的倾斜底面的炭素阳极，工业实验性聚铝沟( 即凹槽) 位于槽底中部。阴极上铝液层的厚度为3 一- 5 m m ，极距为2 5 c m ，为了保持热平衡，电 流强度从9 0 k a 提高到了1 2 0 k a ，阳极电流密度增至1 1 5 a c m 2 ，因而产量提高了4 0 ， 而能耗仅为1 3 2 0 0 k w h t a l 。图1 - 4 是该公司进行工业实验的9 0 k a 导流型铝电解槽 中南人学硕士学位论文第1 章文献综述 的结构示意图。 目癸 瞄 低极 运 j ： 图1 - 4c o m a l c o 公司9 0 k a 导流型铝电解槽的结构示意图刀 美国专利先后出现了几种使用硼化钛复合材料的导流槽畸。最开始的槽体结构是 聚铝沟平行于大面，位于槽底中部，阴极采用炭素，表面涂覆可润湿材料( 如：t i b 。) ， 并由两侧向聚铝沟倾斜。阴极导杆可以从槽两侧插入槽体，与内部槽壳相连，也可以 采用从槽底的垂直开孔引入，阴极导杆处于槽底阴极块的几何中心处，并且焊接在内 部槽壳上。阳极采用普通的预焙阳极，在电解过程中自动形成与底面相适应的倾斜坡 度，可以为单块形式，也可以