大型铝电解槽多物理场的工业测试分析及反映铝液液面状态新方法的研究

摘要

工业化的发展使得各行业一直保持着对铝的高需求量状态。随着铝电解生产规模的扩大和发展，我国已具备独立自主设计和建造大型预焙阳极铝电解槽的技术和能力，在烟气净化和自动化控制技术上也取得了长足的进步。但能源和原材料的供应压力以及国内劳动力优势的逐年递减，使得我国铝电解工业正面临着巨大的风险和挑战。现阶段，我国铝电解行业发展的重点正在向铝电解槽的优化设计与研发、工艺技术的改进与创新、生产管理的精细控制等方向转移，以达到生产运行高效低耗的目的。
　　铝电解槽的设计要求从分析各种结构材料的性能及其与生产工艺关系的角度出发，借助于计算机仿真软件模拟计算各物理场，比较不同设计方案的可行性及优势，进而达到设计的优化。对大量工业实测数据的研究与分析不仅是槽况诊断装置、自动化操作控制程序和系统开发的前提，也是物理场计算中数学模型选择和建立的基础，更是验证仿真计算准确性、可靠性以及电解槽设计合理性的依据。现阶段国内铝电解领域的研究焦点多集中在对物理场及槽况的模拟，由于测试设备和能力等条件的制约，对于铝电解槽多物理场的大型工业测试与分析，只有少数专业测试团队能够进行，其以数据为主的测试报告内容相对简单，测试数据与分析也仅限于与企业内部的交流，很少见于外界。
　　本文以东北大学设计研究院（有限公司）设计的山东南山集团怡力铝电有限公司、河南豫联集团林丰铝电有限公司400kA级大型预焙阳极铝电解槽为研究对象，将底部垂直出电电解槽与侧部水平出电电解槽相对照，高低组合普通阴极炭块、异型阴极炭块与等高度普通阴极炭块相对照，通过对电压平衡、阴极和阳极电流分布、母线电流分配、能量平衡、铝液层内磁感应强度、铝液流速场等多项工业测试与分析，全面深入了解实际生产中六种不同结构设计方案下的铝电解槽各物理场的分布特性，并以新的视角研究反映导杆等距压降状态和铝液液面状态的新方法。其主要研究成果如下：
　　(1)提出由阳极导杆等距压降波动曲线的周期及同周期相邻导杆波动曲线的相位差来推断铝液在水平方向上沿槽大面形成的主要漩涡形态、由电解槽大面A、B两侧阴阳极电流分布比例计算得出的水平电流流向仅限于总体平均流向、由左手定则全面分析水平方向磁场力、由流场测试结果可以细化水平方向铝液形成的漩涡形态并可推断铝液在垂直方向上形成的局部小旋流等观点，建立起一套较为完整的工业测试与分析模式。
　　(2)研究和分析发现电、热、磁、流场的测试结果之间存在相互关联性与相互验证性，包括阴极压降、电解槽侧壁温度、槽膛内形、槽底沉淀量、磁场力和水平加速度、阴极电流分布、阴极钢棒和立柱母线的连接配置、斜立柱母线电流分布、由阳极导杆等距压降曲线及铝液水平流速推断铝液在水平方向上形成的主体漩涡形态、水平最大流速起伏高点或水平流速值较大的位置、铝液在垂直方向上可能形成的局部小旋流位置、沉淀量较高的测点位置。
　　(3)在阳极导杆等距压降曲线研究与分析中发现阳极效应前兆、气泡或漂移炭块的产生以及阳极长包三种特殊的曲线形态。流场测试结果中发现溶蚀后的铁棒表面存在正常溶蚀、溶蚀面扭转、溶蚀坑较多三种溶蚀特征。
　　(4)考察六种设计方案下铝电解槽生产运行的稳定性及设计的合理性，并有针对性地在槽内衬、槽底结构、母线配置等设计方面提出改进要求。主要分析结果为侧部水平出电设计电解槽的物理场设计较为合理，底部垂直出电设计电解槽的问题主要集中在热场。与等高度普通阴极炭块结构相比，高低组合普通阴极炭块和带凸台的异型阴极炭块结构在一定程度上可以改变流体水平方向上的走向，促进相邻漩涡的融合，且正是因为漩涡的融合变大加大了槽内铝液的水平流速，加强了铝液的波动程度和局部小旋流的发生。同时，带凸台的异型阴极表面的“沟槽”，尤其是普通阴极炭块高低组合更易于沉淀物沉积在槽底部。此外，与等高度普通阴极炭块相比，普通阴极炭块高低组合和带凸台的异型阴极炭块的使用在电解槽铝液水平电流的减少、磁感应强度绝对值的减小和极值位置等问题上并未体现设计优势。
　　(5)利用电热及导热理论完整地推导出阳极导杆三维温度场方程，以及反映导杆温度值与导杆内部电流值、导杆内部电流值与不同导杆对应的铝液层高度值、导杆温度值与不同导杆对应的铝液层高度值之间关系的计算公式，证明了反映铝电解槽不同导杆对应的等距压降和铝液液面状态的可变因素均为导杆表面温度t导杆、槽内导杆周围烟气的温度t烟气、槽内导杆周围烟气的流速v烟气、导杆和水平罩板交汇处至导杆顶端的距离l导杆、阳极大母线下沿至水平罩板上沿的距离l1五项参数。通过对大量工业实测数据进行分析，拟合得出一组经验公式，建立起通过对五项参数的在线工业测试，并根据所得经验公式进行计算得出的拟合曲线，来反映导杆等距压降状态和铝液液面状态的新方法。大量数据表明，根据该方法所得拟合曲线与实测曲线相关系数均达0.90以上，反映了这一新方法的普遍适用性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 铝的发现与工业化生产的发展

1．1．1 铝的发现

1．1．2 铝电解的工业化生产

1．2 冰晶石-氧化铝熔盐电解法

1．2．1 基本原理

1．2．2 电解铝生产工艺流程

1．2．3 铝电解槽的类型

1．3 课题提出的背景及意义

1．3．1 原铝产量与消费量

1．3．2 国内外铝电解生产水平与成本的差距

1．3．3 现阶段亟待解决的问题及课题的提出

1．4 我国铝电解槽多物理场仿真与工业测试研究现状

1．4．1 我国铝电解槽多物理场仿真研究现状

1．4．2 我国铝电解槽多物理场工业测试研究现状

1．5 课题内容安排与创新点

1．5．1 内容安排

1．5．2 课题创新点

第2章 多物理场测试内容及方法

2．1 课题研究的对象与测试手段

2．2 电压平衡测试

2．2．1 电压平衡测试的内容

2．2．2 阳极电流分布测试方法

2．2．3 电压平衡测试参数与计算方法

2．2．4 阴极电流分布测试与计算方法

2．2．5 斜立母线电流计算方法

2．3 能量平衡测试

2．3．1 能量平衡测试的内容

2．3．2 能量平衡的计算方法

2．3．3 能量平衡测点布置与测试方法

2．4 磁场测试

2．4．1 测试仪器、设备和测点布置

2．4．2 计算方法

2．5 流速场测试

2．5．1 测试原理

2．5．2 测试点分布与测试步骤

第3章 多物理场工业测试数据分析与结果

3．1 电压平衡测试数据分析与结果

3．1．1 阳极电流分布计算数据分析与结果

3．1．2 电压平衡测试计算数据分析与结果

3．1．3 阴极电流分布计算数据分析与结果

3．1．4 斜立柱母线电流计算数据分析与结果

3．1．5 阳极导杆等距压降测试数据分析与结果

3．2 能量平衡测试数据分析与结果

3．2．1 能量平衡与热平衡计算数据分析与结果

3．2．2 槽内形数据分析与结果

3．3 磁场测试数据分析与结果

3．3．1 磁感应强度计算数据分析与结果

3．3．2 电磁力数据分析与结果

3．3．3 铝液水平环流与电流分布之间的关系

3．3．4 母线结构配置分析

3．4 流速场测试数据分析与结果

3．4．1 水平流速场的分析

3．4．2 铁棒的溶蚀

3．4．3 铝水平、水平最大流速位置与沉淀高度

3．5 小结

3．5．1 多物理场测试分析的新视角

3．5．2 多物理场测试结果分析总结

3．5．3 存在的问题与建议

第4章 反映导杆等距压降状态新方法的参数确定

4．1 研究问题的提出与理论研究思路

4．2 阳极导杆三维温度场方程的推导和建立

4．3 与阳极导杆等距压降相关的参数确定

4．4 方程及参数确定的现实意义与应用

第5章 拟合公式与工业测试验证

5．1 参数的工业测试

5．2 拟合公式及物理意义

5．3 拟合曲线与等距压降曲线等效的数据分析说明

5．3．1 数据分析完整示例说明

5．3．2 其他数据图示说明

5．4 结论

第6章 温度场反映铝液液面状态的理论研究

6．1 问题研究的可行性

6．2 理论研究与公式推导

6．2．1 电流和温度的关系的建立

6．2．2 导杆电流公式的推导与建立

6．2．3 导杆温度与铝液高度间关系式的建立

6．3 结论

第7章 总结与展望

7．1 研究内容与结论

7．1．1 电、热、磁、流场测试结果间的相互关系

7．1．2 电解槽的生产运行稳定性和设计的合理性

7．1．3 反映导杆等距压降状态和铝液液面状态的新方法

7．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参加的科研项目和主要工作