300kA新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解機理的電磁場模擬分析.pdf

1、在鋁電解槽中，磁場分布好壞影響流場分布好壞，從而影響鋁電解生產(chǎn)電能消耗，所以，通過模擬分析鋁電解槽電磁場，研究降低鋁生產(chǎn)電能消耗和提高電流效率意義重大。
　　新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽陰極表面有26對凸起，這樣相當(dāng)于分割了鋁液流速場，使其流速大大降低，進一步削弱鋁液重力波的作用，最終降低了鋁液波動。其次凸起的陰極結(jié)構(gòu)使鋁液內(nèi)的電流分布更均勻，從而減少了鋁液流動的動力，同時在凸起的表面會形成較小的水平電流，這種小水平電流產(chǎn)生的電磁力不但可

2、以削減電解槽縱向方向波的作用，而且鋁液循環(huán)有利于氧化鋁的溶解，可減少因為局部氧化鋁濃度過低而發(fā)生陽極效應(yīng)。相比傳統(tǒng)的陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽，新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽鋁液面具有較小的有效面積，更少的二次溶解。所以，新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽鋁液波動小，穩(wěn)定性強，提高了鋁電解槽電流效率。
　　本文研究工作主要分三大步完成:第一步，我們以貴陽鋁鎂設(shè)計院300kA鋁電解槽二維設(shè)計圖紙為原型，靈活運用PRO/E建立新型鋁電解槽和傳統(tǒng)型鋁電解槽三維立體模型，

3、其中陽極導(dǎo)桿、陽極炭塊、陰極炭塊、鋼棒等塊狀實體拉伸而成，立柱母線、軟母線等復(fù)雜實體掃描而成。第二步，在完成PRO/E建模后，將其導(dǎo)入ANSYS建立有限元網(wǎng)格模型，在網(wǎng)格劃分過程中，我們本著網(wǎng)格盡力規(guī)則化的原則，因為鋁電解槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以劃分網(wǎng)格是研究工作的一個難關(guān)。首先我們簡化模型，用直角替代圓角，用等效網(wǎng)絡(luò)電阻替代母線，其次對于結(jié)構(gòu)極不規(guī)則和縱橫比較大的實體，對其進行不同方位的切割后再劃分網(wǎng)格，在我們的不懈努力下，本文完成了一個基本

4、上全部規(guī)則化的有限元模型。第三步，基于ANSYS平臺計算求解電場、磁場和電磁力場，我們使用SOLID231單元進行穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析以便得到導(dǎo)電體的電場分布情況，然后分別嘗試標量法、棱邊單元法和節(jié)點法進行磁場計算，對應(yīng)使用了SOLID5，SOLID97，SOLID117單元，通過幾十次的嘗試對比，得出棱邊單元法計算結(jié)果可行可靠。
　　計算結(jié)果表明:與傳統(tǒng)型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽相比，新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽垂直電壓降較低，證實了新型電解槽的節(jié)