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新型阴极结构铝电解槽多物理场数值仿真研究

姜艳丽  
【摘要】:铝电解槽的物理场对铝电解槽的电流效率和槽寿命等技术指标影响显著,因此,铝电解槽多物理场的模拟研究对铝电解槽物理场的优化设计和新槽型的开发都具有十分重要的意义,本论文采用计算机仿真技术,以大型有限元软件ANSYS为平台,以160kA原阴极铝电解槽和东北大学冯乃祥所研发的新型阴极结构铝电解槽为研究对象,对原阴极铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽的多物理场进行模拟计算。 原阴极铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽三维电场和磁场的计算结果表明:新型阴极结构铝电解槽与原阴极铝电解槽铝液和电解质中的电流分布规律基本相似,不同的是,新型阴极结构铝电解槽中铝液Z向垂直电流减小,阴极凸台表面上部的铝液中X向(长轴)水平电流增加,此外,新型阴极结构铝电解槽的电解质电压降比原阴极铝电解槽的电解质电压降降低0.38V,说明新型阴极结构铝电解槽更加节能; 新型阴极结构铝电解槽和原阴极铝电解槽铝液与电解质中磁场分布规律相似,磁场值相差也不大,其磁力线基本上可以看做一个绕Z轴顺时针的大旋涡,其计算结果与测量结果基本吻合; 新型阴极结构铝电解槽与原阴极铝电解槽铝液和电解质中的电磁力分布趋势不同,但其值大小差别不大,原阴极铝电解槽铝液中的总电磁力离阴极上表面越近其值越大,而新型阴极结构铝电解槽的总电磁力矢量和则是先减小,至阴极凹槽内升高,原阴极铝电解槽电解质中的总电磁力离阴极上表面越远其值越大,至阳极问隙时达到最高,而新型阴极结构铝电解槽的总电磁力在阳极底掌下变化不大,分布均匀,至阳极间隙时降低。 原阴极铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽三维流场的计算结果表明:新型阴极结构铝电解槽铝液与电解质的速度都要小于原阴极铝电解槽铝液与电解质的速度,且存在更大面积的零速度区域,在铝液与电解质交界面上,铝液与电解质的Z向垂直速度低于原阴极铝电解槽铝液与电解质的Z向垂直速度,且具有较多的小峰值,取代了原阴极铝电解槽铝液与电解质交界面上稀疏的高峰值,从而可以推断在铝液与电解质交界面上,新型阴极结构铝电解槽的波动幅度小而光滑,因此将比原阴极铝电解槽更为稳定。 原阴极铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽三维温度场的计算结果表明:其计算结果与测量结果基本吻合,采用新型阴极结构后,底部保温不足,导致新型阴极结构铝电解槽过冷,重新设计后整个新型阴极结构铝电解槽的底部保温效果良好,符合电解槽热设计原则。 原阴极铝电解槽和新型阴极结构铝电解槽三维热应力场的计算结果表明:新型阴极的应力集中区出现阴极凸起与阴极表面的连接处,原阴极的应力集中区出现在长轴两端,新型阴极与原阴极相比,其正应力最大值差别不大,XZ面的应力集中虽然有所增强,但缓解了XY面与YZ面的应力集中。 综上所述,本研究为新型阴极结构铝电解槽各物理场提供了有效的分析手段,从而为大型新型阴极结构铝电解槽的物理场优化设计以及对工业生产槽的工程分析与诊断都将有重要的参考价值。


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8 赵秀富;让世界仰视中国铝工业[N];中国矿业报;2001年
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