20kA级惰性电极铝电解槽多物理场仿真及结构优化

摘要

本文在国家“863”计划项目的资助下,以“20kA级惰性电极铝电解槽工程化试验”为目标,配合使用NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极、TiB2复合阴极和低温电解质,提出一套20kA级惰性电极铝电解槽的结构设计方案,并运用已在大型传统槽物理场优化设计中成功推广的计算机仿真方法,对所设计槽结构进行了物理场的深入研究和优化设计。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)借鉴传统预焙槽的内衬保温结构配置,提出20kA级惰性电极铝电解槽的结构设计方案。针对NiFe2O4基深杯状惰性阳极,提出一种合理的阳极配置方案:两个阳极组成一个阳极组,阳极组设置为大面方向27排,小面方向4列共216根阳极。主要设计工艺参数为:阳极电流密度0.78A·cm-2,阴极电流密度0.50A·cm-2,钢棒电流密度25A·cm-2,电解温度870℃,过热度15℃。
　　 (2)针对该新型小容量槽热平衡难以维持,对热波动敏感,且电流效率值难以确定的难题,本文应用热平衡计算算法开展了深入的仿真优化研究,获得能承受“宽电流效率波动区域”的内衬结构及相关工艺。具体优化方案如下:首先确定电流效率为50％,能够达到电热平衡、温度分布和槽周散热分布均比较合理的槽结构,并作为建槽基准结构;若电流效率为70％甚至90％,则提高极距、配合使用内外保温或者综合运用两种方案,使电解槽达到热平衡。由此,通过预先设计的操作,在电流效率50％～90％范围内该槽均能够稳定运行。
　　 (3)针对所建立的电解槽结构,考虑槽壳材料的结构非线性,计算了热载荷和重力作用下槽壳和阴极的应力应变情况。结果显示,槽壳主要发生弹性应变,在与钢棒接触位置存在较大的塑形变形。阴极应力整体上比较小,仅在端部稍大。整体而言,此电解槽槽壳和阴极的应力、应变与大型槽相比均比较小,在安全范围以内。
　　 (4)建立包括母线在内的全槽模型,进行电-磁-流场的顺序耦合计算。结果表明,铝液内存在由进电端指向出电端的水平电流。总体而言,水平电流,垂直磁场以及熔体流速,相比于大型传统槽,均比较小,对小容量铝电解槽的设计,它们不是需要考虑的最重要因素。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 铝电解工业概况

1.1.1 铝电解工业的现状

1.1.2 惰性电极铝电解槽的开发

1.2 铝电解用惰性阳极研究进展

1.2.1 氧化物陶瓷阳极

1.2.2 金属合金阳极

1.2.3 NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极

1.3 铝电解槽多物理场仿真

1.4 铝电解槽多物理场仿真研究进展

1.4.1 电热场仿真研究

1.4.2 热应力场仿真研究

1.4.3 电-磁-流场仿真研究

1.5 论文研究的目的、内容与方案

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容与方案

第二章 20kA级惰性电极铝电解槽结构设计

2.1 阳极配置

2.2 阴极结构设计

2.3 内衬结构设计

2.4 本章小结

第三章 20kA级惰性电极铝电解槽电热场仿真优化

3.1 电热平衡计算方法描述

3.1.1 槽外换热边界

3.1.2 槽帮形状仿真计算

3.1.3 电热平衡仿真计算

3.2 铝电解槽热场设计准则

3.3 电热场仿真优化

3.3.1 优化方案

3.3.2 电流效率为50%达到热平衡的槽结构

3.3.3 电流效率为70%达到热平衡的槽结构

3.3.4 电流效率为90%达到热平衡的槽结构

3.4 本章小结

第四章 20kA级惰性电极铝电解槽应力场仿真研究

4.1 热应力计算方法描述

4.1.1 热应力方程组

4.1.2 热应力计算流程

4.1.3 模型简化及边界条件

4.2 热应力计算结果分析

4.2.1 基准结构应力场计算结果

4.2.2 结构2应力场计算结果

4.3 本章小结

第五章 20kA级惰性电极铝电解槽电磁流场仿真研究

5.1 电磁场计算方法

5.1.1 电磁场基本方程

5.1.2 电磁场有限元模型及边界条件

5.2 电磁场计算结果分析

5.2.1 电场计算结果

5.2.2 磁场计算结果

5.3 流场计算方法

5.3.1 稳态流场基本方程

5.3.2 自由面跟踪VOF法

5.3.3 物理模型简化及边界条件

5.3.4 流场计算流程

5.4 流场计算结果分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目

一、发表的论文

二、参与的主要科研项目