鋁電解槽鋁液擴(kuò)散傳質(zhì)過程數(shù)值模擬及其應(yīng)用研究.pdf

1、我國(guó)鋁電解工業(yè)發(fā)展迅速，年產(chǎn)鋁量已連續(xù)13年位居世界第一，高能耗問題制約著電解鋁工業(yè)的發(fā)展。電流效率是反映電解槽能耗的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其影響因素眾多，鋁液的溶解擴(kuò)散損失是主要因素之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁液溶解擴(kuò)散的研究相對(duì)較少，且主要停留在實(shí)驗(yàn)階段。因此，研究鋁液擴(kuò)散傳質(zhì)過程，建立鋁液擴(kuò)散的數(shù)值模型對(duì)鋁電解工業(yè)節(jié)能降耗有著重要意義。
　　本文以貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院的雙擴(kuò)散模型項(xiàng)目為依托，研究了鋁電解槽內(nèi)多相流動(dòng)規(guī)律和鋁液擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理，建立

2、了350kA和420kA系列鋁電解槽流場(chǎng)計(jì)算模型和極距間鋁液湍流擴(kuò)散模型，分析了氣液相間作用與流場(chǎng)和鋁液擴(kuò)散之間的關(guān)系，計(jì)算分析了不同磁場(chǎng)工況對(duì)流場(chǎng)和鋁液濃度場(chǎng)的影響，并給出了相應(yīng)槽型的磁場(chǎng)優(yōu)化方案或有效的節(jié)能措施。本文的主要研究成果如下:
　　(1)考慮了鋁電解槽內(nèi)熔體復(fù)雜的相間作用力，選擇合適的湍流模型，并對(duì)湍流粘度進(jìn)行修正，以CFX為計(jì)算平臺(tái)，建立了電磁力和氣泡驅(qū)動(dòng)力共同作用下350kA和420kA系列鋁電解槽的三相流模型，

3、分析了兩系列槽型的流動(dòng)特征及陽極氣體行為對(duì)流動(dòng)的的影響。
　　(2)研究了鋁液擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理，考慮了濃度邊界層以及湍流傳質(zhì)對(duì)鋁液擴(kuò)散過程的影響，建立了鋁液擴(kuò)散傳質(zhì)模型。分析了極距間鋁液濃度分布特征，計(jì)算結(jié)果表明鋁液溶解擴(kuò)散與電解槽流場(chǎng)密切相關(guān)，速度較大的區(qū)域濃度邊界層較薄，擴(kuò)散速率大。分析極距間鋁液濃度分布發(fā)現(xiàn)，在濃度邊界層內(nèi)，鋁濃度急劇下降至10-5級(jí)別，湍流傳質(zhì)區(qū)濃度變化不大，而陽極底部鋁粒子被氧化，濃度顯著降低。極距間濃度分布

4、趨勢(shì)與國(guó)內(nèi)學(xué)者實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為吻合。
　　(3)不同磁場(chǎng)工況下的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明:電磁力和氣泡作用力共同影響鋁液擴(kuò)散過程，當(dāng)磁場(chǎng)降低到一定程度，氣泡行為主導(dǎo)鋁液擴(kuò)散過程;不同槽型的母線配置不同，各方向磁場(chǎng)對(duì)流動(dòng)而擴(kuò)散略有差別。
　　(4)350kA系列槽Y方向磁場(chǎng)對(duì)鋁損失的影響較大，優(yōu)化Y方向磁場(chǎng)效果更佳。X方向磁場(chǎng)增幅超過10％后鋁損失顯著增加，因此優(yōu)化Y方向磁場(chǎng)同時(shí)應(yīng)保證X方向磁場(chǎng)增幅不超過10％。420kA系列