惰性陽(yáng)極鋁電解槽物理場(chǎng)仿真研究.pdf

1、鋁電解槽是煉鋁的核心設(shè)備，其發(fā)展與進(jìn)步代表了電解鋁工藝的革新。傳統(tǒng)鋁電解工藝一直沿用消耗性的炭素陽(yáng)極，由此產(chǎn)生了一系列的問題，惰性陽(yáng)極及其電解新工藝因能解決這些問題而成為國(guó)際鋁業(yè)界的研究焦點(diǎn)，因此開展惰性陽(yáng)極鋁電解槽設(shè)計(jì)方面的研究具有十分重要的意義。 本文以滿足國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目中關(guān)于“構(gòu)建擴(kuò)大試驗(yàn)用(5kA級(jí))惰性陽(yáng)極鋁電解槽”的需求為目標(biāo)，以本課題組研發(fā)的一種金屬陶瓷惰性陽(yáng)極為應(yīng)用原型，開發(fā)了惰性陽(yáng)極鋁電解槽的物理場(chǎng)仿真

2、方法。主要研究成果如下： (1)在充分研究用金屬陶瓷惰性陽(yáng)極替換現(xiàn)行炭素陽(yáng)極后電解槽在結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等方面所發(fā)生的顯著變化的基礎(chǔ)上，建立了惰性陽(yáng)極鋁電解槽“電-磁-熱-流-應(yīng)力”等物理場(chǎng)的仿真計(jì)算方法及程序。經(jīng)驗(yàn)證，此方法合理可行、收斂性好、精度較高，為惰性陽(yáng)極鋁電解槽的開發(fā)提供了技術(shù)支持。 (2)針對(duì)本課題組研發(fā)的一種深杯狀金屬陶瓷惰性陽(yáng)極，深入研究了其熱應(yīng)力的分布與演變規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：壓應(yīng)力作用于陽(yáng)極大部分區(qū)域，

3、在陽(yáng)極與電解質(zhì)及空氣接觸的三相界面處存在較大的軸向拉應(yīng)力，是陽(yáng)極破裂的主要原因；通過優(yōu)化陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)、陽(yáng)極浸入電解質(zhì)中的深度以及電解工藝參數(shù)(包括陽(yáng)極電流密度和電解溫度等)可以達(dá)到減緩陽(yáng)極熱應(yīng)力的目的，例如，適當(dāng)增加陽(yáng)極高度、陽(yáng)極中孔深度和降低中孔半徑、陽(yáng)極浸入電解質(zhì)中的深度以及降低電解溫度均可降低陽(yáng)極熱應(yīng)力。 (3)針對(duì)已有的鋁電解槽熔體流動(dòng)場(chǎng)(即流場(chǎng))仿真計(jì)算方法對(duì)流場(chǎng)(尤其是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜的惰性陽(yáng)極周邊的流場(chǎng))仿真計(jì)算效果

4、不佳的問題，提出了鋁電解槽準(zhǔn)三相流仿真計(jì)算方法。通過將氣體作用等效為體積力作用，將復(fù)雜的電解質(zhì)-鋁液-氣泡三相流計(jì)算轉(zhuǎn)化為多步兩相流計(jì)算，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在氣體及電磁力共同作用下電解質(zhì)和鋁液流場(chǎng)的耦合計(jì)算。應(yīng)用該方法對(duì)惰性陽(yáng)極鋁電解槽的流場(chǎng)仿真計(jì)算表明，通過優(yōu)化陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)、陽(yáng)極浸入電解質(zhì)中的深度以及電解工藝參數(shù)可以達(dá)到優(yōu)化電解質(zhì)和鋁液流場(chǎng)的目的。 (4)提出了多種5kA級(jí)惰性陽(yáng)極鋁電解槽結(jié)構(gòu)原型，研究了電解槽的電熱場(chǎng)、熱應(yīng)力、電磁