预焙阳极铝电解槽电场、磁场、流场的耦合方法及应用研究

【摘要】：铝电解槽内电场、磁场、流场与电热场等物理场的相互耦合作用，对铝电解槽电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。因此，深入了解铝电解槽内铝液电场、磁场和流场之间的耦合关系，选择合适计算数学模型，提高电场、磁场及流场数值计算结果的精确度对提高铝电解槽优化设计水平、工程分析以及新型槽的开发与设计均具有重要的理论与实践指导意义。 本文利用铝电解槽内电场、磁场与流场的最新研究进展，优选和推导了电场、磁场及流场仿真模型，并根据电场、磁场及流场之间的耦合关系，对其进行了详细的计算与分析。以商业软件ANSYS为开发平台，经二次开发形成了铝电解槽内铝液电、磁、流场三场耦合集成仿真系统，实现了电场、磁场及流场共平台的耦合仿真计算。 应用本文的仿真集成软件系统，对三种不同结构的预焙铝电解槽(154kA两端进电、154kA侧部四点进电以及200kA侧部四点进电铝电解槽)内的铝液电场、磁场、流场进行了系统的数值计算，并应用测试数据验证了本文提出的数学模型以及仿真集成软件系统的可用性和准确性，本文的仿真磁场误差不超过20.0％、流场误差不超过10.0％。 以154kA侧部四点进电铝电解槽为对象，研究了电解质过热度对铝电解槽铝液电场、磁场及流场的影响。结果表明：电解质过热度对阴、阳极电流分布、铝液层电位差、铝液平均磁感应强度几乎无影响；随着电解质过热度的增加，铝液层电流密度减小，而铝液最大流速和平均流速稍有增大。并针对154kA侧部四点进电槽较为突出的槽寿命问题，论证了目前其电解槽电解质过热度偏高，应适当降低电解质过热度，本文推荐为12～15℃。 针对我国电解槽电流密度偏低的实际，以154kA侧部四点进电铝电解槽为对象，研究了系列电流强度对铝电解槽铝液电场、磁场及流场的影响。结果表明：铝液中部磁感应强度分量绝对最大值|B_x|max、|B_y|max、|B_z|max与电流强度呈相同的比率增加；铝液最大流速、铝液平均流速的增大比率也基本相近。针对龙祥铝业公司的实际，提出了与电流强化配套优化的措施：增长阳极和阴极；适当提高铝液水平；适当降低极距和调低电解质分子比等。经工业现场应用，取得了良好成效。