鋁電解穿孔陽極多場耦合模型及節(jié)能應(yīng)用研究.pdf

1、鋁電解槽的高能耗和低能量利用率與節(jié)能和環(huán)境保護(hù)等全球性問題相沖突，尋求鋁電解工業(yè)在低能耗下的運行方式成為鋁電解行業(yè)科技的發(fā)展方向。改進(jìn)傳統(tǒng)鋁電解槽的工藝和結(jié)構(gòu)進(jìn)而在保證高電流效率的基礎(chǔ)上降低槽電壓成為鋁電解節(jié)能技術(shù)發(fā)展的主要途徑。陽極結(jié)構(gòu)的改變對鋁電解槽結(jié)構(gòu)的影響較小，但是過電壓和氣泡壓降很大，因此開展針對鋁電解陽極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究具有重要意義。
　　 本文針對本科研團(tuán)隊提出的鋁電解穿孔結(jié)構(gòu)新型陽極進(jìn)行了研究。通過數(shù)值仿真和工業(yè)試

2、驗相結(jié)合的方法，建立了一套穿孔陽極多物理場耦合模型，從理論上揭示了穿孔陽極的節(jié)能原理。計算了不同的電解工藝和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對穿孔陽極多物理場的影響，在分析其變化規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了穿孔陽極結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗與應(yīng)用研究。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)基于鋁電解槽極距區(qū)三分層理論，建立了穿孔陽極多物理場耦合模型。計算結(jié)果與工業(yè)試驗結(jié)果相符，可借鑒此模型對鋁電解槽陽極進(jìn)行更為有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化。
　　 (

3、2)引入多孔介質(zhì)模型研究了穿孔結(jié)構(gòu)下氣泡的運動。結(jié)果表明穿孔陽極底掌下氣泡擾動層厚度為1.28cm，相比普通陽極減薄了0.69cm，對應(yīng)槽電壓降低了0.22V。氣泡分別從孔中和陽極邊部逸出，氣泡逸出頻率為0.8Hz，流場的最大速度為0.33m/s，炭塊底部流體向穿孔處和陽極邊部運動。
　　 (3)穿孔陽極結(jié)構(gòu)和相關(guān)工藝參數(shù)對流場的影響。計算結(jié)果表明低溫電解更有益于氣泡的逸出，電流強(qiáng)度不宜過大，同時極距壓縮到4cm以下，陽極寬度保

4、持在450mm至500mm以內(nèi)是比較合適的。
　　 (4)提出了一種通過不斷迭代計算接觸電阻，更精確地建立穿孔陽極電-熱-應(yīng)力耦合場的模型。計算結(jié)果表明:炭塊下部同一水平面上穿孔處溫度最高，但是在炭塊表面穿孔處溫度最低，只有704.4℃。穿孔陽極電壓分布與普通陽極基本一致，鐵碳接觸電阻為99.26mV，計算接觸電阻為5.96×10-5Ω。等效熱應(yīng)力集中在炭塊和磷生鐵的接觸部分以及穿孔周圍，最大值為17.4MPa，小于炭塊的許用應(yīng)

5、力30MPa。
　　 (5)研究了穿孔陽極熱應(yīng)力的分布及變化規(guī)律，并結(jié)合流場的變化規(guī)律，得到穿孔陽極的結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)。穿孔陽極主要受到拉應(yīng)力作用，膨脹后呈現(xiàn)微弓字型，并且Z方向熱應(yīng)力大于Y方向和X方向熱應(yīng)力。結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)為陽極寬度520mm、高度600mm、碳碗深度110mm、碳碗半徑87.5mm、穿孔半徑20mm。
　　 (6)試驗團(tuán)隊研制出性能達(dá)標(biāo)的工業(yè)用穿孔結(jié)構(gòu)陽極，并經(jīng)過兩年兩輪的工業(yè)試驗，解決了試驗槽熱平衡失衡，