420kA新型阴极铝电解槽电—热—结构特性研究

摘要

铝电解工业面临着巨大的节能减排压力，迫切需要对国内铝厂现有的生产线进行技术升级改造并开展节能技术研究，以期能够降低铝电解能耗。本文从铝电解槽的电-热场及应力场的研究出发，针对某420kA级新型阴极铝电解槽的电-热场及应力场进行了仿真分析与风险诊断研究。主要成果如下:
　　(1)基于物理学导电及传热理论及应力问题的理论基础，分别建立了铝电解槽电-热场及应力场模型，并提出了一套铝电解槽电-热场的计算方法，并在ANSYS平台实现了铝电解槽的电-热场的耦合数值计算以及内衬应力场的计算，可以对铝电解槽内电-热场及应力场所存在的问题进行诊断分析。
　　(2)利用建立的铝电解槽电-热耦合计算模型对某420kA级新型阴极槽的电-热场及应力场进行了计算分析。分析结果表明该槽在采用新型结构后电压分布合理，槽电压总体为3.962V左右，与设计值接近并具有较好的节能潜力;槽内衬结构保温性能良好，电解过热度12℃左右，电解质初晶温度线位于阴极炭块主体部分以下，槽底部保温砖工作温度合理;各部分散热比例基本合理，槽膛内形较为规整，但槽帮略薄。对此新型阴极电解槽的应力场研究表明，槽中除与绝缘糊(SiC)粘结的炭块部位存在较大应力外，其余内衬和阴极炭块中应力分布形态与普通阴极结构电解槽基本一致，炭块绝大部分区域第一主应力和等效应力分别在22MPa和33MPa以下。
　　(3)对某420kA新型阴极铝电解槽与使用传统阴极的420kA铝电解槽的电-热场及应力场进行了对比研究及风险诊断。结果表明，新型阴极铝电解槽电-热场及应力场与不使用新型阴极相差不大，但新型阴极的使用可以优化水平电流的分布，减小水平电流的总体均值。风险诊断结果表明，此新型阴极电解槽在钢棒与碳糊接触不甚良好的情况下，相较于普通阴极结构电解槽更易出现接触部位温度过高的情况。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 铝电解工业概况

1．2 铝电解槽的节能

1．3 铝电解槽新型结构

1．4 铝电解槽电-热-应力场仿真研究进展

1．4．1 热场研究进展

1．4．2 应力场研究进展

1．5 论文研究目的与意义

2 铝电解槽电-热-应力场研究建模

2．1 铝电解槽电-热及应力场基础

2．1．1 铝电解槽的热平衡

2．1．2 铝电解槽的内衬应力基本原则

2．2 铝电解槽电-热场的仿真数学模型

2．2．1 铝电解槽的电-热场计算模型基础

2．2．2 铝电解槽的电-热场槽外换热边界

2．2．3 铝电解槽内的接触问题及熔体与内衬换热系数定义

2．2．4 铝电解槽电-热场计算的物理模型

2．2．5 边界条件定义

2．2．6 计算流程

2．3 热应力计算方法

2．3．1 热应力方程组

2．3．2 热应力计算流程

2．3．3 模型简化及边界条件

2．4 本章小结

3 420kA级新型阴极铝电解槽电-热-应力场仿真计算分析

3．1 关键参数计算

3．1．1 结构及工艺参数

3．1．2 关键参数计算

3．2 电-热场及槽帮形状计算

3．2．1 计算参数及切片模型

3．2．2 总体保温性能

3．2．3 保温砖工作温度

3．2．4 槽体散热状况

3．2．5 电场结果分析

3．3 应力场计算结果

3．4 本章小结

4 420kA级新型阴极铝电解槽对比分析与风险诊断

4．1 对比分析

4．1．1 铝液中水平电流对比

4．1．2 阴极电场对比

4．1．3 热场对比

4．1．4 应力场对比

4．2 风险诊断

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望与建议

参考文献

攻读硕士学位期间的相关成果

致谢