20kA級惰性電極鋁電解槽多物理場仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、本文在國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目的資助下,以“20kA級惰性電極鋁電解槽工程化試驗(yàn)”為目標(biāo),配合使用NiFe2O4基金屬陶瓷惰性陽極、TiB2復(fù)合陰極和低溫電解質(zhì),提出一套20kA級惰性電極鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并運(yùn)用已在大型傳統(tǒng)槽物理場優(yōu)化設(shè)計(jì)中成功推廣的計(jì)算機(jī)仿真方法,對所設(shè)計(jì)槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理場的深入研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)借鑒傳統(tǒng)預(yù)焙槽的內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)配置,提出20kA級惰性電極鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)陽極組成一個(gè)陽極組,陽極組設(shè)置為大面方向27排,小面方向4列共216根陽極。主要設(shè)計(jì)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(dòng)敏感,且電流效率值難以確定的難題,本文應(yīng)用熱平衡計(jì)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(dòng)區(qū)域”的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及相關(guān)工藝。具體優(yōu)化方案如下:首先確定電流效率為50％,能夠達(dá)到電熱平衡、溫度分布和槽周散熱分布均比較合理的槽結(jié)構(gòu),并作為建槽基準(zhǔn)結(jié)構(gòu);若電流效率為70％甚至90％,則提高極距、配合使用內(nèi)外保溫或者綜合運(yùn)用兩種方案,使電解槽達(dá)到熱平衡。由此,通過預(yù)先設(shè)計(jì)的操作,在電流效率50％～90％范圍內(nèi)該槽均能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 (3)針對所建立的電解槽結(jié)構(gòu),考慮槽殼材料的結(jié)構(gòu)非線性,計(jì)算了熱

4、載荷和重力作用下槽殼和陰極的應(yīng)力應(yīng)變情況。結(jié)果顯示,槽殼主要發(fā)生彈性應(yīng)變,在與鋼棒接觸位置存在較大的塑形變形。陰極應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)變與大型槽相比均比較小,在安全范圍以內(nèi)。
　　 (4)建立包括母線在內(nèi)的全槽模型,進(jìn)行電-磁-流場的順序耦合計(jì)算。結(jié)果表明,鋁液內(nèi)存在由進(jìn)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