鋁電解槽內(nèi)鋁液界面Marangoni對(duì)流傳質(zhì)特性研究.pdf

1、鋁電解槽作為鋁冶煉的重要設(shè)備，其運(yùn)行性能體現(xiàn)著鋁冶煉行業(yè)的技術(shù)水平。在工業(yè)生產(chǎn)中，槽內(nèi)熔體流動(dòng)狀況是衡量鋁電解槽工作性能的重要指標(biāo)。建立合理可靠的槽內(nèi)熔體流動(dòng)傳質(zhì)模型，得到熔體流動(dòng)的準(zhǔn)確形態(tài)和槽內(nèi)熔體的濃度分布，對(duì)鋁電解槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝的改革創(chuàng)新有著重要的理論與實(shí)踐意義，為我國(guó)鋁冶煉工業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能降耗的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目——“磁場(chǎng)中兩層流體的Marangoni對(duì)流傳質(zhì)特性研究”的資助下

2、，針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁電解流動(dòng)數(shù)學(xué)模型中鋁液/電解質(zhì)界面張力、鋁液/電解質(zhì)相間傳質(zhì)等研究的不足，開發(fā)一套精度較高的能反映實(shí)際工業(yè)工程的鋁電解槽內(nèi)熔體流動(dòng)傳質(zhì)模型，探索了鋁液擴(kuò)散機(jī)理及影響因素。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及研究成果如下:
　　(1)建立了鋁電解槽鋁液/電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)兩相流模型，實(shí)現(xiàn)了該模型下全域流場(chǎng)及鋁液/電解質(zhì)界面變形的模擬仿真。對(duì)某175KA系列鋁電解槽的全槽流場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)研究，結(jié)果表明，鋁電解槽中的不同高度界面的流場(chǎng)較為一致，

3、四個(gè)界面上的速度矢量都呈現(xiàn)出兩個(gè)軸對(duì)稱的大漩渦——左邊的大漩渦是逆時(shí)針方向的，右邊的則是順時(shí)針方向;此外，在煙道端、出鋁端和大面中部位置，存在大小不一的小漩渦。仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。
　　(2)基于槽內(nèi)鋁溶解損失機(jī)理分析，并結(jié)合多相流相間傳質(zhì)機(jī)理，建立了基于熔體流場(chǎng)的鋁液傳質(zhì)輸運(yùn)模型，得出了鋁電解槽極距區(qū)間鋁液濃度分布。應(yīng)用本模型分析某175KA系列工業(yè)鋁電解槽的極距區(qū)間鋁液溶解過程。結(jié)果表明，由于工業(yè)槽內(nèi)熔體流速及湍流擴(kuò)散

4、的區(qū)域性差異，在達(dá)到飽和濃度之前，進(jìn)電側(cè)的鋁液濃度比出電側(cè)的鋁液濃度低。對(duì)流擴(kuò)散幾乎決定了鋁液的濃度分布。
　　(3)針對(duì)前人建立的鋁電解槽流場(chǎng)計(jì)算模型中忽視了鋁液/電解質(zhì)界面表面張力的不足，本文建立了鋁電解槽內(nèi)Marangoni對(duì)流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究了Marangoni對(duì)流對(duì)熔體運(yùn)動(dòng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，鋁電解槽中的Marangoni對(duì)流不處于主導(dǎo)地位，Marangoni對(duì)流驅(qū)動(dòng)的熔體流速的數(shù)量級(jí)為10-3m/s，和鋁電解