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铝电解槽磁流体稳定性及母线配置的仿真优化研究

李茂  
【摘要】: 随着国内外铝冶金工业的迅猛发展,低能耗、高效环保的大容量铝电解槽的开发与设计越来越成为电解铝工作者的重点研究方向,特别是500kA以上级别的大容量、强电流铝电解槽的技术研究与设计开发已经成为掌握未来核心专有技术的关键,而大型铝电解槽的母线配置与磁流体稳定性是电解槽设计中的关键环节。经过电解铝工作者长期的生产实践与理论研究,基于磁流体稳定性的基础上进行大型铝电解槽的开发与设计,能够有效地增强铝电解槽的稳定,提高电解槽的电流效率,延长电解槽的有效使用寿命。 本文重点研究了基于磁流体稳定性的大型铝电解槽母线配置的参数组合及其优化问题。本文首先简要概述了铝电解槽的基本原理与工艺以及当前国内外电解槽技术的发展方向,简要分析了我国与国外技术指标的主要差距及其优劣点,对于目前得到广泛采用的数值分析技术在电解槽物理场如电磁场、流场、磁流体稳定性等方面的应用进行了综合概括与讨论。 针对河南某厂300kA铝电解槽的实际原型,建立了三维电、磁、流物理场仿真分析模型,在有限元基础上运用标量磁位法进行了电、磁场计算,在有限体积法的基础上运用两方程湍流模型求解电解质、铝液湍流流场,计算出电解质、铝液之间的波动界面,并与实际测试结果予以对比验证和分析。同时针对对电解槽稳定运行有较大干扰的角部阳极更换这一复杂工况,展开了相应的电磁流三场的耦合数值模拟与讨论。通过电、磁、流三个物理场顺序耦合依次求解的方式实现了对300kA铝电解槽较准确的物理场仿真分析。 在铝电解槽的磁流体稳定性分析方面,详细阐述了磁流体不稳定的来源与产生机理,对电解槽磁流体的物理特性进行了讨论与分析,在磁流体浅水模型的数学近似基础上,运用线性稳定性分析方法,对于电解槽内分层运动的导电磁流体,讨论了磁流体不稳定性的几个主要因素,即K-H不稳定性、行波不稳定性、重力内波不稳定性以及水平方向磁场的影响,结合线性稳定性分析提出了一个简易的稳定性评估方法及其计算分析方法,并应用于大面5点进电的500kA铝电解槽母线配置参数中立柱进电比的仿真计算研究,其中在10:9:10:9:10的立柱进电配比下物理场分布与稳定性相对最佳。 建立了初步的500kA铝电解槽仿真计算的数学物理模型,对于500kA铝电解槽的母线配置参数逐个进行了详细的计算研究,并结合自定义的磁流体稳定性评估指标予以分析讨论,重点研究了立柱进电比、大面阴极母线位置、端头阴极母线位置、立柱母线直线段、横梁母线位置以及槽底母线补偿配置,邻边槽数目与邻列槽间距等母线配置参数在磁场设计中的具体作用。 考虑到电解槽内多物理场的复杂耦合效应,以及电解槽母线配置参数组合的复杂性与多样性,在对母线配置结构参数化的基础上,依据磁流体稳定性评估指标,首次运用现代遗传优化算法,针对500kA铝电解槽的母线配置参数组合进行了面向多物理场的遗传进化计算,对优化后的参数组合配置下的物理场进行了讨论与分析,得到了较为满意的结果。优化后的物理场具有较低的垂直磁场以及水平梯度,且铝液界面波幅小,磁流体稳定性较佳。数值仿真的研究方法与结果对于大型电解槽的母线配置和物理场设计具有较大的参考价值。


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