懸浮式陰極鋁電解槽的設(shè)計及其電場的有限元分析.pdf

1、鋁電解槽是鋁電解生產(chǎn)的主體設(shè)備，實驗室用鋁電解槽多采用石墨槽體加氧化鋁瓷管內(nèi)襯做槽體，以避免電解過程的側(cè)部導(dǎo)電。采用該結(jié)構(gòu)的鋁電解槽，其電流強度一般都很小，產(chǎn)鋁量少，難以滿足實驗室在研究鋁電解技術(shù)時的需要。如果實驗室用鋁電解槽具備一定的產(chǎn)鋁能力，并且造價適中，這無疑為鋁電解技術(shù)的研究提供很大地便利。鋁電解槽內(nèi)的電場分布是否合理在很大程度上決定了電解槽設(shè)計的合理性，并且對理解槽內(nèi)的電解過程有著重要的意義。
　　 本文針對實驗室研究

2、鋁電解技術(shù)時對小型電解槽的需要，在借鑒現(xiàn)有電解槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變電解槽傳統(tǒng)的陰、陽極結(jié)構(gòu)，設(shè)計了兩種實驗室用小型懸浮式陰極鋁電解槽：豎直棒式陰極和懸浮托盤式陰極鋁電解槽。兩種結(jié)構(gòu)的鋁電解槽均采用石墨作為陰、陽極和槽體材料。
　　 利用兩種結(jié)構(gòu)的鋁電解槽分別進(jìn)行了生產(chǎn)純鋁、鋁-鈦及鋁-鈧合金的電解試驗，結(jié)果表明，豎直棒式陰極鋁電解槽電流效率不足30％，效率較低，存在一些技術(shù)難題需要進(jìn)一步研究；而懸浮托盤式陰極鋁電解槽，在電解

3、電流為300A的條件下，其電流效率接近80％，持續(xù)工作時間在十二小時以上。該結(jié)構(gòu)鋁電解槽徹底解決了側(cè)部導(dǎo)電問題，在實驗室條件下，具備一定量的電解鋁生產(chǎn)能力，且造價低廉，為實驗室研究鋁電解技術(shù)提供了一種有效的實驗手段。
　　 本文在成功設(shè)計和建造了兩種鋁電解槽的基礎(chǔ)上，采用有限元方法建立了電解槽電場的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS有限元軟件對電解槽的電場分布進(jìn)行了仿真模擬計算。結(jié)果表明：豎直棒式陰極鋁電解槽的整體電壓為1.518V，電解

4、槽內(nèi)的電流密度分布滿足鋁電解的要求，但由于電解槽內(nèi)鋁液電位與陽極電位相接近，造成鋁原子的再氧化，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)鋁電解槽的電解效率較低，不具備實際使用的價值；對于懸浮托盤式陰極鋁電解槽，電解電流300A的條件下，其整體電壓為1.344V，其中電解質(zhì)熔體電壓1.210V左右，電解電流主要從陽極經(jīng)電極間的電解質(zhì)流向陰極，陰極表面的電流密度可達(dá)0.4A/cm2～0.6A/cm2，超過了鋁電解對陰極電流密度的要求。分析結(jié)果從理論上證明了該結(jié)構(gòu)電解槽的