20kA級惰性電極鋁電解槽多物理場仿真及結構優(yōu)化.pdf

1、本文在國家“863”計劃項目的資助下,以“20kA級惰性電極鋁電解槽工程化試驗”為目標,配合使用NiFe2O4基金屬陶瓷惰性陽極、TiB2復合陰極和低溫電解質,提出一套20kA級惰性電極鋁電解槽的結構設計方案,并運用已在大型傳統(tǒng)槽物理場優(yōu)化設計中成功推廣的計算機仿真方法,對所設計槽結構進行了物理場的深入研究和優(yōu)化設計。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)借鑒傳統(tǒng)預焙槽的內襯保溫結構配置,提出20kA級惰性電極鋁電解槽的結構設計

2、方案。針對NiFe2O4基深杯狀惰性陽極,提出一種合理的陽極配置方案:兩個陽極組成一個陽極組,陽極組設置為大面方向27排,小面方向4列共216根陽極。主要設計工藝參數(shù)為:陽極電流密度0.78A·cm-2,陰極電流密度0.50A·cm-2,鋼棒電流密度25A·cm-2,電解溫度870℃,過熱度15℃。
　　 (2)針對該新型小容量槽熱平衡難以維持,對熱波動敏感,且電流效率值難以確定的難題,本文應用熱平衡計算算法開展了深入的仿真優(yōu)化

3、研究,獲得能承受“寬電流效率波動區(qū)域”的內襯結構及相關工藝。具體優(yōu)化方案如下:首先確定電流效率為50％,能夠達到電熱平衡、溫度分布和槽周散熱分布均比較合理的槽結構,并作為建槽基準結構;若電流效率為70％甚至90％,則提高極距、配合使用內外保溫或者綜合運用兩種方案,使電解槽達到熱平衡。由此,通過預先設計的操作,在電流效率50％～90％范圍內該槽均能夠穩(wěn)定運行。
　　 (3)針對所建立的電解槽結構,考慮槽殼材料的結構非線性,計算了熱

4、載荷和重力作用下槽殼和陰極的應力應變情況。結果顯示,槽殼主要發(fā)生彈性應變,在與鋼棒接觸位置存在較大的塑形變形。陰極應力整體上比較小,僅在端部稍大。整體而言,此電解槽槽殼和陰極的應力、應變與大型槽相比均比較小,在安全范圍以內。
　　 (4)建立包括母線在內的全槽模型,進行電-磁-流場的順序耦合計算。結果表明,鋁液內存在由進電端指向出電端的水平電流?？傮w而言,水平電流,垂直磁場以及熔體流速,相比于大型傳統(tǒng)槽,均比較小,對小容量鋁電解