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基于ANSYS的铝电解槽电场分布计算与电极结构优化研究

高洁  
【摘要】: 铝电解槽是铝电解生产的核心设备,其内部电场、磁场及流场等物理场的分布对铝电解槽的电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。而电场又是电解槽运行的能量基础,是其它各物理场形成的根源。因此,对电场的研究十分重要。但在实际生产中,电场分布很难直接测量,所以铝电解槽电场分布的计算机仿真研究对电解槽设计和铝电解生产具有重要意义。 针对铝电解生产中直流电耗高的问题,研究设计了可实现低极距运行的新型电极结构铝电解槽,对电解槽电极结构进行了优化。并利用有限元分析软件ANSYS,对普通槽及新型电极结构铝电解槽的电场分布进行了对比计算和研究,验证其可行性及优越性。 主要研究工作包括: (1)从铝电解槽实际情况出发,应用电场基本定律,推导出铝电解槽电场的数学模型,利用ANSYS有限元分析软件建立了铝电解槽三维电场的有限元模型,对其电场进行了仿真,计算了铝电解槽导电各部分的电场分布,研究了分布规律。 (2)以减小铝液中的水平电流,降低能耗为出发点,提出了竖向出电的两种新型电极结构铝电解槽方案。利用ANSYS软件建立了新型电极结构铝电解槽三维电场的有限元模型,计算了其导电各部分的电场分布,并与普通槽的电场分布情况进行对比,验证了设计方案的可行性及其优势。 (3)在所建立的新型电极结构铝电解槽的基础上,利用ANSYS的优化功能,对两种方案新型电极结构铝电解槽阴极竖向钢棒的嵌入位置进行了优化。得到了使铝液层水平电流达到最小时的最佳位置。


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