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320kA铝电解槽电磁场分布计算与优化设计

杨枝  
【摘要】:铝电解槽内电场、磁场分布状况直接影响铝电解生产过程的稳定性、电流效率、直流电耗和槽寿命。而且,在生产过程中,铝电解槽的电场和磁场分布难以直接测量。因此,铝电解槽电磁场分布计算仿真研究对电解槽的优化设计和开发新型电解槽具有重要的实际指导意义。本文以320kA预焙铝电解槽为研究对象,着重研究了电解槽的电场和磁场分布规律,并以优化电磁场分布为目标,从电解槽结构设计与优化出发,研究可实现低极距运行,降低槽电压,改善电磁场分布的铝电解槽模型。 首先,利用ANSYS电磁场有限元法,建立了320kA预焙铝电解槽三维电磁场有限元模型,计算了铝电解槽内的电场分布和磁场分布,计算结果与实测结果相吻合,验证了该计算模型的正确性,同时得到了320kA铝电解槽的电场、磁场和电磁力分布规律。 其次,以改善电磁场分布,降低能耗为目的,设计了一种新型底部出电阴极结构的铝电解槽。应用参数化设计语言(APDL),建立了该结构的电磁场计算模型,并对该结构铝电解槽进行了整体优化设计。采用非对称性补偿母线设计优化电磁场分布,通过与普通槽的电磁场分布情况进行对比,该结构铝电解槽能减小铝液层水平电流,磁场分布对称性好,且垂直磁场Bz有所降低,铝液层所受电磁力也相对减小,有利于改善槽内铝液的流动状态,具备较大的节能潜力。 最后,研究了不同极距和铝水平的电场、磁场和电磁力场分布规律,以及对电解槽生产过程稳定性的影响。研究结果表明:对于该槽型的320kA铝电解槽,在其它技术参数不变的条件下,极距为4.2cm—5.0cm,铝水平为22—27cm,磁场和电磁力场基本无变化,均可获得良好的稳定性。增加极距和铝水平虽然可以提高铝电解槽的稳定性,但槽内平均电压也随之增大,使能耗增加。不适当地增加极距和铝水平来改善铝电解过程的稳定性是不可取的。


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