鋁電解槽多物理場數(shù)學建模及應用研究.pdf

1、鋁電解槽是煉鋁的核心設備，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、槽壽命等技術經(jīng)濟指標。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雜。鋁電解槽內(nèi)外分布著形狀各異的幾十種媒質材料，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，在使用少量假設條件、合理分割場域、多場共享模型信息和結果的前提下，建立起了較為完整的鋁電解槽多物理場仿真模型。在大型預焙槽、特大型預焙槽及導流槽等不同槽型上應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)導體與復雜母線系統(tǒng)組成的多槽電磁場模型及母線磁場轉換模型。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-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)導體及母線配置對電、磁、流場分布的影響，總結了磁場分布特征、母線設計思路，獲得了場量分布的協(xié)調一致性規(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力場計算。研究表明，設計的非均勻電阻率焦粒層鋪設方法分別使內(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炭塊時槽體位移與熱應力最大，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力最大，采用石墨化炭塊時電解槽應力最小。 （6）針對導流槽和特大型槽開發(fā)必須解決的