惰性陽極鋁電解槽物理場仿真研究.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。傳統(tǒng)鋁電解工藝一直沿用消耗性的炭素陽極，由此產(chǎn)生了一系列的問題，惰性陽極及其電解新工藝因能解決這些問題而成為國際鋁業(yè)界的研究焦點，因此開展惰性陽極鋁電解槽設計方面的研究具有十分重要的意義。 本文以滿足國家“863”重點項目中關于“構建擴大試驗用(5kA級)惰性陽極鋁電解槽”的需求為目標，以本課題組研發(fā)的一種金屬陶瓷惰性陽極為應用原型，開發(fā)了惰性陽極鋁電解槽的物理場仿真

2、方法。主要研究成果如下： (1)在充分研究用金屬陶瓷惰性陽極替換現(xiàn)行炭素陽極后電解槽在結構和工藝參數(shù)等方面所發(fā)生的顯著變化的基礎上，建立了惰性陽極鋁電解槽“電-磁-熱-流-應力”等物理場的仿真計算方法及程序。經(jīng)驗證，此方法合理可行、收斂性好、精度較高，為惰性陽極鋁電解槽的開發(fā)提供了技術支持。 (2)針對本課題組研發(fā)的一種深杯狀金屬陶瓷惰性陽極，深入研究了其熱應力的分布與演變規(guī)律。計算結果表明：壓應力作用于陽極大部分區(qū)域，

3、在陽極與電解質及空氣接觸的三相界面處存在較大的軸向拉應力，是陽極破裂的主要原因；通過優(yōu)化陽極結構參數(shù)、陽極浸入電解質中的深度以及電解工藝參數(shù)(包括陽極電流密度和電解溫度等)可以達到減緩陽極熱應力的目的，例如，適當增加陽極高度、陽極中孔深度和降低中孔半徑、陽極浸入電解質中的深度以及降低電解溫度均可降低陽極熱應力。 (3)針對已有的鋁電解槽熔體流動場(即流場)仿真計算方法對流場(尤其是結構相對較復雜的惰性陽極周邊的流場)仿真計算效果

4、不佳的問題，提出了鋁電解槽準三相流仿真計算方法。通過將氣體作用等效為體積力作用，將復雜的電解質-鋁液-氣泡三相流計算轉化為多步兩相流計算，從而能夠實現(xiàn)在氣體及電磁力共同作用下電解質和鋁液流場的耦合計算。應用該方法對惰性陽極鋁電解槽的流場仿真計算表明，通過優(yōu)化陽極結構參數(shù)、陽極浸入電解質中的深度以及電解工藝參數(shù)可以達到優(yōu)化電解質和鋁液流場的目的。 (4)提出了多種5kA級惰性陽極鋁電解槽結構原型，研究了電解槽的電熱場、熱應力、電磁