铝电解槽阴极母线熔断过程仿真研究

摘要

阴极母线熔断事故会给电解铝厂造成重大的经济损失，本文在充分收集现场信息和资料的基础上，对母线熔断事故的原因进行了初步推断，进而以ANSYS商业软件为平台，以事故槽的母线系统为研究对象，建立了正常母线、实际有缺陷的母线以及三槽导电体系的三维电热仿真模型，对整个事故过程中母线电热平衡过程进行了数值仿真研究。 本文的主要创新点及结论如下： （1）运用ANSYS建立了阴极母线的物理模型和数学模型，确定了其边界条件。同时根据同系列槽在相同工况下的实测数据，确定了母线与周围环境之间的换热系数，修正了母线对流换热公式； （2）对正常阴极母线的电热场进行了仿真计算，结果表明母线的压降（558mV）与同系列槽的实测值（560mV）非常接近；在母线中段偏出电端的部位，压降梯度稍大于其它位置，与实测情况吻合，证明计算模型和计算方法是可靠的，获得的换热系数修正值也是合理的； （3）对实际有空洞的阴极母线进行电热平衡过程仿真研究，计算了母线电流、换热系数、环境温度以及母线载流量对母线平衡电压和最高温度的影响。得到的结论是：母线电流和母线的载流量是影响母线达到电热平衡时的电压和温度的显著因素，相比之下，换热系数和环境温度的影响则较小； （4）根据事故过程中实测的母线电压变化将事故划分为两个阶段，分别对各阶段电热平衡过程进行了仿真计算，计算结果与实际记录的数据吻合。另外还对母线在当时所受的电磁力进行了估算。通过综合分析，得到了母线熔断的原因，解决了实际的问题，为工厂以后的安全生产提供了科学依据，其研究成果可为类似企业避免发生类似事故提供指导。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 铝电解工业概况

1.1.1现代铝电解工业简介

1.1.2我国铝电解工业发展现状

1.1.3铝电解工业技术展望

1.2本文的研究内容和意义

1.2.1研究背景和意义

1.2.2本文研究的主要内容

第二章 铝电解槽物理场仿真研究进展

2.1概述

2.2铝电解槽电热场仿真技术的研究进展

2.2.1电场仿真技术的研究进展

2.2.2热场仿真技术的研究进展

2.2.3电热场耦合仿真技术的研究进展

2.3铝电解槽电磁场仿真技术的研究进展

2.3.1铝电解槽磁场概述

2.3.2电磁场耦合仿真技术

2.4本章小结

第三章 阴极母线熔断事故分析与仿真建模

3.1事故描述及事故原因分析

3.1.1母线熔断及断口情况

3.1.2事故发生前的槽电压记录及分析

3.1.3事故现场当班人员口述情况

3.1.4事故原因的初步推定

3.2阴极母线电热耦合计算的数值仿真模型

3.2.1单条母线的实体模型

3.2.2母线电热场的控制方程

3.2.3边界条件

3.3本章小结

第四章 阴极母线电热平衡过程数值仿真研究

4.1正常阴极母线电热平衡过程仿真

4.1.1正常阴极母线的测试结果

4.1.2正常母线的模拟结果

4.1.3正常母线计算结果分析

4.2有空洞的阴极母线电热平衡过程仿真

4.2.1基准条件下的仿真结果

4.2.2母线电流的影响

4.2.3换热系数的影响

4.2.4环境温度的影响

4.2.5母线载流量对平衡电压与最高温度的影响

4.3本章小结

第五章 母线熔断过程仿真分析

5.1停电和恢复供电过程中的母线温度变化

5.2恢复供电后体系电热平衡状况仿真分析

5.2.1三槽导电体系物理模型

5.2.2三槽导电体系达到电热平衡时的计算结果及分析

5.2.3前大面出现裂纹时的计算结果及分析

5.3第一阶段电压升高过程仿真分析

5.4后大面母线出现裂纹时导电系统的电流电压分布

5.5第二阶段电压升高过程仿真分析

5.6本章小结

第六章 母线所受电磁力的估计

6.1母线周围电磁场的测试结果

6.2母线电磁力的估计

6.3本章小结

第七章 全文总结

7.1主要结论

7.2主要创新点

7.3几点建议

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果