鋁電解槽多物理場數(shù)學(xué)建模及應(yīng)用研究.pdf

1、鋁電解槽是煉鋁的核心設(shè)備，其發(fā)展與進步代表了電解鋁工藝的革新。多物理場在鋁電解槽內(nèi)產(chǎn)生、演變并相互作用，影響鋁電解生產(chǎn)的能耗、效率、槽壽命等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。因此，建立可靠、靈活、易用的鋁電解槽多場耦合仿真模型對開發(fā)高效率、高產(chǎn)率、低能耗與長壽命的先進槽型具有重要意義。 鋁電解槽的多場耦合仿真計算非常復(fù)雜。鋁電解槽內(nèi)外分布著形狀各異的幾十種媒質(zhì)材料，這使得數(shù)值計算的前期準備工作如網(wǎng)格剖分、邊界條件施加等非常繁雜。單個物理場或耦合場求

2、解的實施步驟難易程度不同，耦合關(guān)系、接觸現(xiàn)象、磁場開域及收斂性等問題進一步增加了計算的難度。 本文以鋁電解槽內(nèi)電、磁、熱、流、力五個物理場為對象，在使用少量假設(shè)條件、合理分割場域、多場共享模型信息和結(jié)果的前提下，建立起了較為完整的鋁電解槽多物理場仿真模型。在大型預(yù)焙槽、特大型預(yù)焙槽及導(dǎo)流槽等不同槽型上應(yīng)用該模型進行了各種仿真研究。 論文主要創(chuàng)新點如下： （1）從降低方法誤差的角度出發(fā)，把接觸方程引入至電磁場模型，

3、消除水平電流及垂直磁場計算誤差；建立了槽內(nèi)導(dǎo)體與復(fù)雜母線系統(tǒng)組成的多槽電磁場模型及母線磁場轉(zhuǎn)換模型。研究表明，接觸模型的運用使電力線分布更平緩，水平電流明顯降低：在電場分布較均勻的情況下降低垂直磁場計算誤差的幅度較小，但在電場分布不均的情況下降低垂直磁場計算誤差達0.6mT；無論電場分布是否均勻，與單一面積常數(shù)母線模型相比，考慮母線截面變化可降低垂直磁場計算誤差0.3～0.4mT。 （2）基于VOF自由面跟蹤法和自定義的電磁力離

4、散插值函數(shù)建立了單一求解域內(nèi)的電解質(zhì)-鋁液兩相流模型，并進行穩(wěn)態(tài)流場的求解。研究表明，在2000～3000次迭代后流場計算的最大殘差水平低于1×10-4。在河南某電解鋁廠350kA槽上進行了電-磁-流場模型的驗證，結(jié)果說明了仿真模型的可行性和準確性。 （3）以現(xiàn)代大面進電鋁電解槽為對象，深入研究了槽內(nèi)導(dǎo)體及母線配置對電、磁、流場分布的影響，總結(jié)了磁場分布特征、母線設(shè)計思路，獲得了場量分布的協(xié)調(diào)一致性規(guī)律，即電場分布越均勻，磁場分

5、布亦越均勻，界面變形越小。 （4）針對垂直磁場數(shù)據(jù)多、分布離散的特點，建立了正交最小二乘法曲面擬合函數(shù)，突破了常量或線性函數(shù)給波動穩(wěn)定性分析造成的應(yīng)用局限，同時提高了計算精度。將不同長寬比下的磁場計算結(jié)果耦合到波動方程中，計算得到了槽穩(wěn)定性隨長寬比的變化趨勢。研究表明，槽內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場分布規(guī)律相似，數(shù)值隨長寬比增加而減小，從而槽子穩(wěn)定性變好；附加母線產(chǎn)生的磁場后，槽子穩(wěn)定性變差。 （5）開發(fā)了瞬態(tài)焙燒啟動熱場與應(yīng)力場模

6、型，對河南某電解鋁試驗廠300kA槽上進行了熱場及應(yīng)力場計算。研究表明，設(shè)計的非均勻電阻率焦粒層鋪設(shè)方法分別使內(nèi)襯溫差降低8.0％～30.0％、升溫速度降低4.5％～12.5％，從而有效避免早期槽破損；根據(jù)線彈性理論，在熱膨脹階段采用半石墨質(zhì)炭塊時槽體位移與熱應(yīng)力最大，采用石墨化炭塊時最小，而在隨后30d的熱鈉膨脹階段，采用無煙煤炭塊時槽體位移與應(yīng)力最大，采用石墨化炭塊時電解槽應(yīng)力最小。 （6）針對導(dǎo)流槽和特大型槽開發(fā)必須解決的