420KA鋁電解槽電-磁-流場(chǎng)仿真研究.pdf

1、鋁電解槽生產(chǎn)鋁是一個(gè)涉及到電、磁、熱、力、流等多物理場(chǎng)耦合變化的復(fù)雜過程。鋁電解槽內(nèi)部電-磁-流場(chǎng)的研究涉及到電磁學(xué)和流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。另一方面，對(duì)鋁電解槽內(nèi)多物理場(chǎng)的認(rèn)識(shí)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(chǎng)耦合，實(shí)驗(yàn)測(cè)量槽內(nèi)電磁流場(chǎng)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(chǎng)

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(duì)某420KA電解槽的電-磁-流場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真計(jì)算，重點(diǎn)探討了電磁力與氣泡作用對(duì)鋁電解槽流場(chǎng)的影響，分析了不同方向上的磁場(chǎng)對(duì)電解槽流場(chǎng)的影響，同時(shí)還對(duì)電解槽的各個(gè)工況、異型陰極情況進(jìn)行了計(jì)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(tái)構(gòu)建了電解槽電磁流耦合計(jì)算模型。首先，采用了SolidWorks軟件建立了一個(gè)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(duì)其進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析；然后，在CFX平臺(tái)上建立了三相流穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)模型并進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算；最后，得到了正常情況下鋁電解槽內(nèi)的流場(chǎng)形態(tài)和電解質(zhì)-鋁液界面形狀。
　　（2）通過計(jì)算模擬，重點(diǎn)探討了電磁力和氣泡對(duì)鋁液流場(chǎng)的作用，并比較了不同方向上磁場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)的影響；槽內(nèi)的流場(chǎng)形態(tài)則是X方向和Y方向磁場(chǎng)共同影響的

4、結(jié)果，Y方向磁場(chǎng)的增強(qiáng)會(huì)增強(qiáng)鋁電解槽兩端的兩個(gè)大渦，X方向磁場(chǎng)的增強(qiáng)則會(huì)使槽內(nèi)局部流動(dòng)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(duì)不同鋁水平、換極工況以及異型陰極等進(jìn)行了建模和計(jì)算分析。結(jié)果表明：當(dāng)鋁水平為23cm和25cm時(shí)，鋁液平均流速和電解質(zhì)-鋁液界面變形量均相對(duì)較小,但當(dāng)鋁水平為27cm時(shí)，流場(chǎng)中形成了4個(gè)完整的大渦；電解槽邊角處換極對(duì)電解槽流場(chǎng)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