420KA鋁電解槽電-磁-流場仿真研究.pdf

1、鋁電解槽生產(chǎn)鋁是一個涉及到電、磁、熱、力、流等多物理場耦合變化的復(fù)雜過程。鋁電解槽內(nèi)部電-磁-流場的研究涉及到電磁學(xué)和流體力學(xué)等多個學(xué)科的交叉，具有重要的學(xué)術(shù)價值。另一方面，對鋁電解槽內(nèi)多物理場的認(rèn)識可以優(yōu)化鋁電解生產(chǎn)工藝，有利于電解槽生產(chǎn)效率、槽壽命等重要指標(biāo)的提升，因此具有重要的工程意義。由于鋁電解槽運(yùn)行過程的復(fù)雜性，涉及高溫、高電流、多物理場耦合，實(shí)驗測量槽內(nèi)電磁流場的變化通常難以實(shí)現(xiàn)，因此，數(shù)值模擬現(xiàn)已成為研究鋁電解槽內(nèi)各物理場

2、變化規(guī)律，探尋其物理機(jī)理的重要手段。
　　本文采用數(shù)值模擬的方法對某420KA電解槽的電-磁-流場進(jìn)行了建模和仿真計算，重點(diǎn)探討了電磁力與氣泡作用對鋁電解槽流場的影響，分析了不同方向上的磁場對電解槽流場的影響，同時還對電解槽的各個工況、異型陰極情況進(jìn)行了計算模擬分析。本文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下：
　?。?）基于多仿真平臺構(gòu)建了電解槽電磁流耦合計算模型。首先，采用了SolidWorks軟件建立了一個精細(xì)的420KA鋁電

3、解槽全槽幾何模型；在此基礎(chǔ)上，通過Maxwell軟件對其進(jìn)行了電磁場分析；然后，在CFX平臺上建立了三相流穩(wěn)態(tài)流場模型并進(jìn)行了流場計算；最后，得到了正常情況下鋁電解槽內(nèi)的流場形態(tài)和電解質(zhì)-鋁液界面形狀。
　?。?）通過計算模擬，重點(diǎn)探討了電磁力和氣泡對鋁液流場的作用，并比較了不同方向上磁場對流場的影響。研究結(jié)果表明：氣泡能夠減緩鋁液的流速；電解質(zhì)-鋁液界面的變形主要受X方向磁場的影響；槽內(nèi)的流場形態(tài)則是X方向和Y方向磁場共同影響的

4、結(jié)果，Y方向磁場的增強(qiáng)會增強(qiáng)鋁電解槽兩端的兩個大渦，X方向磁場的增強(qiáng)則會使槽內(nèi)局部流動更加激烈。
　　（3）考慮到鋁電解生產(chǎn)過程和工藝的復(fù)雜性，本文對不同鋁水平、換極工況以及異型陰極等進(jìn)行了建模和計算分析。結(jié)果表明：當(dāng)鋁水平為23cm和25cm時，鋁液平均流速和電解質(zhì)-鋁液界面變形量均相對較小,但當(dāng)鋁水平為27cm時，流場中形成了4個完整的大渦；電解槽邊角處換極對電解槽流場的整體影響大于中間部位的換極；異型陰極的采用可明顯降低鋁液