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一种氧化铝真空还原炉温度场模拟与实验研究

周厚军  
【摘要】:铝是一种轻金属,具有银白色的金属光泽,在工业上被誉为万能金属。目前,全世界铝的产量和消费量仅次于钢铁。铝被广泛应用于机械电器、石油化工、文化卫生、冶金及电力、电信、农业建筑、交通运输、航空航天、国防军工等重要行业。本文对金属铝冶金工业的发展历程与目前的状况、铝冶金新工艺的研究现状等方面进行了综述并对大型通用软件ANSYS进行了简要的介绍,同时分析了氧化铝真空碳热还原-氯化过程中一些需要解决的问题及解决的可行性。 还原炉的瞬态温度模拟研究表明:在交流电压为220V,还原炉电流为200A左右,压强为70-90pa的条件下加热60min,随后在压强为60-80pa,电压为120V,电流为100A左右的条件下对还原炉下方连接的氯化铝升华装置加热60min,在此过程中氧化铝进行反应,此时模拟出不同压强下还原炉内的瞬态温度场从还原炉电极底部往还原炉冷凝区呈递减分布规律:大约以6cm为一个区内,每个区间大约以101℃依次递减;最高温度区间为:1545.0-1688.0,最低温度区间为:384.0-527.8;进行氧化铝碳热还原的坩埚内最高温度区间为1487.5±6.5℃,进行氧化铝氯化过程的冷凝区温度区间为646.25℃±7.25℃。 通过对模拟出还原炉内各主要节点的瞬态温度数值的热力学分析与计算表明:还原炉坩埚内进行的氧化铝真空碳热还原反应、氯化反应以及氯化铝的歧化分解反应相关反应方程式在热力学理论上是存在的。 通过具体的实验验证表明:氧化铝真空碳热还原炉模拟温度值与实际所测数值最大误差为2.51%;最小误差为1.95%;平均误差为2.14%。 通过分别对还原炉的尺寸放大2倍改变控温器输入功率的瞬态温度场模拟、增加一个热源并将尺寸放大2倍改变控温器输入功率的瞬态温度场模拟、将还原炉炉型由目前的圆柱形改为矩形(即矩形化)并将尺寸放大2倍改变控温器输入功率的瞬态温度场模拟研究,提供了一些还原炉优化设计的思路以及重要具有参考价值的热力学数据,同时在热力学理论上证明了优化设计思路的可行性。


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