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300kA预焙阳极铝电解槽流场的仿真

薛晶晶  
【摘要】: 当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。 本文首先建立了铝液流场的数学模型,采用k-ε双方程模型描述铝液流动所遵循的基本原则。边界条件的处理采用壁面函数法。其次,对300kA铝电解槽内铝液的受力情况进行了细致的分析,确定电磁力是铝液循环流动的主要驱动力。根据现有数据,使用COMSOL Script预先计算电磁力场,将得到的结果保存为.txt文件,存放在指定文件夹下,以备调用。然后,基于有限元分析软件COMSOL,建立了铝液流场的有限元模型。添加内嵌函数,导入电磁力场作为求解计算的体积力。最后,进行求解计算,并对结果进行后处理和可视化,绘制各种图形。 本文针对不同槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳300kA铝电解槽铝液流场的分布规律,并分析产生各种结果的原因。即:铝液在靠近电解槽边角部的流速较快;铝液流场的分布不仅受立柱母线进电的影响,还与槽膛内形有关;保持良好的槽膛内形有助于使铝液保持较好的流动状态,当伸腿长度刚好位于阳极底掌在阴极表面的投影边缘时,铝液流场分布较为理想。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和优化设计提供理论依据。


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