鋁電解槽內鋁液界面Marangoni對流傳質特性研究.pdf

1、鋁電解槽作為鋁冶煉的重要設備，其運行性能體現著鋁冶煉行業(yè)的技術水平。在工業(yè)生產中，槽內熔體流動狀況是衡量鋁電解槽工作性能的重要指標。建立合理可靠的槽內熔體流動傳質模型，得到熔體流動的準確形態(tài)和槽內熔體的濃度分布，對鋁電解槽的優(yōu)化設計及生產工藝的改革創(chuàng)新有著重要的理論與實踐意義，為我國鋁冶煉工業(yè)實現進一步節(jié)能降耗的目標奠定基礎。
　　本文在國家自然科學基金青年基金項目——“磁場中兩層流體的Marangoni對流傳質特性研究”的資助下

2、，針對當前國內外對鋁電解流動數學模型中鋁液/電解質界面張力、鋁液/電解質相間傳質等研究的不足，開發(fā)一套精度較高的能反映實際工業(yè)工程的鋁電解槽內熔體流動傳質模型，探索了鋁液擴散機理及影響因素。本文的主要創(chuàng)新點及研究成果如下:
　　(1)建立了鋁電解槽鋁液/電解質穩(wěn)態(tài)兩相流模型，實現了該模型下全域流場及鋁液/電解質界面變形的模擬仿真。對某175KA系列鋁電解槽的全槽流場進行了穩(wěn)態(tài)研究，結果表明，鋁電解槽中的不同高度界面的流場較為一致，

3、四個界面上的速度矢量都呈現出兩個軸對稱的大漩渦——左邊的大漩渦是逆時針方向的，右邊的則是順時針方向;此外，在煙道端、出鋁端和大面中部位置，存在大小不一的小漩渦。仿真結果與測試結果基本一致。
　　(2)基于槽內鋁溶解損失機理分析，并結合多相流相間傳質機理，建立了基于熔體流場的鋁液傳質輸運模型，得出了鋁電解槽極距區(qū)間鋁液濃度分布。應用本模型分析某175KA系列工業(yè)鋁電解槽的極距區(qū)間鋁液溶解過程。結果表明，由于工業(yè)槽內熔體流速及湍流擴散

4、的區(qū)域性差異，在達到飽和濃度之前，進電側的鋁液濃度比出電側的鋁液濃度低。對流擴散幾乎決定了鋁液的濃度分布。
　　(3)針對前人建立的鋁電解槽流場計算模型中忽視了鋁液/電解質界面表面張力的不足，本文建立了鋁電解槽內Marangoni對流傳質的數學模型，重點研究了Marangoni對流對熔體運動的影響。計算結果表明，鋁電解槽中的Marangoni對流不處于主導地位，Marangoni對流驅動的熔體流速的數量級為10-3m/s，和鋁電解