目录 摘要 Abstract. 第一章绪论…..,,,,,,,…,… 1.1铝电解工业简介… 12铝电解槽电热场的研究… 121研究电热场的方法 122边界条件简介 245 1.3本课题主要研究内容和方案 13.1本课题的主要研究内容 132本课题的主要研究方案… 14本章小结 第二章铝电解槽电热场物理数学模型 5566 2.1建立铝电解槽物理模型 22建立铝电解槽数学模型. 23 COMSOL Multiphysics在电热场耦合计算中的应用 24本章小结 第三章 COMSOL Multiphysics建模过程 3.1铝电解槽物理建模过程 3.1.1定义铝电解槽的模型 3.1,2建立铝电解槽的几何模型 8899999 3.1.3选择模型各部分对应的材料 3.14设定电场和热场 3.1.5网格剖分 3.1.6求解计算模型 3.1.7后处理和结果的可视化
目 录 摘 要..................................................................................................... I Abstract............................................................................................... II 第一章 绪论......................................................................................... 1 1.1 铝电解工业简介....................................................................................................1 1.2 铝电解槽电热场的研究....................................................................................... 1 1.2.1 研究电热场的方法..................................................................................... 2 1.2.2 边界条件简介..............................................................................................4 1.3 本课题主要研究内容和方案...............................................................................5 1.3.1 本课题的主要研究内容.............................................................................5 1.3.2 本课题的主要研究方案.............................................................................5 1.4 本章小结.................................................................................................................5 第二章 铝电解槽电热场物理数学模型.............................................. 6 2.1 建立铝电解槽物理模型....................................................................................... 6 2.2 建立铝电解槽数学模型....................................................................................... 7 2.3 COMSOL Multiphysics 在电热场耦合计算中的应用.....................................8 2.4 本章小结.................................................................................................................8 第三章 COMSOL Multiphysics 建模过程........................................... 9 3.1 铝电解槽物理建模过程....................................................................................... 9 3.1.1 定义铝电解槽的模型.................................................................................9 3.1.2 建立铝电解槽的几何模型.........................................................................9 3.1.3 选择模型各部分对应的材料.................................................................... 9 3.1.4 设定电场和热场....................................................................................... 10 3.1.5 网格剖分....................................................................................................13 3.1.6 求解计算模型........................................................................................... 13 3.1.7 后处理和结果的可视化...........................................................................14
3.2结果分析和讨论… 3.3本章小结 第四章覆盖料厚度对铝电解槽温度场的影响… r79 41计算过程和结果 42结果分析和讨论 43本章小结 第五章更换阳极工艺对槽体温度场的影响 51不同温度的新阳极对槽体温度的影响 51.1计算过程和结果 51.2结果分析和讨论 52换极后新阳极温度的变化 5.21计算过程和结果 522结果分析和讨论… 53本章小结 40 第六章结论.,,… 参考文献 在学校期间研究成果 致谢
3.2 结果分析和讨论..................................................................................................17 3.3 本章小结.............................................................................................................. 17 第四章 覆盖料厚度对铝电解槽温度场的影响.................................19 4.1 计算过程和结果..................................................................................................19 4.2 结果分析和讨论..................................................................................................21 4.3 本章小结.............................................................................................................. 23 第五章 更换阳极工艺对槽体温度场的影响.....................................24 5.1 不同温度的新阳极对槽体温度的影响............................................................24 5.1.1 计算过程和结果...................................................................................... 24 5.1.2 结果分析和讨论...................................................................................... 28 5.2 换极后新阳极温度的变化.................................................................................30 5.2.1 计算过程和结果...................................................................................... 30 5.2.2 结果分析和讨论....................................................................................... 38 5.3 本章小结.............................................................................................................. 40 第六章 结论....................................................................................... 41 参考文献............................................................................................... 43 在学校期间研究成果............................................................................46 致谢....................................................................................................... 47
北方工业大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 11铝电解工业简介 铝在自然界的分布极广,除了用作导电、导热的材料外,还在交通运输业 航空工业、冶金工业以及农业上具有非常重要的应用。由于氧化铝中氧和铝非常 难分离,目前工业上采用冰晶石一氧化铝熔盐电解法电解铝。 现代铝工业除了从铝土矿生产原铝之外,还有从低品位铝矿用电热还原法生 产铝一硅一铁钛合金。 铝电解槽中发生多个化学反应,包括冰晶石解离、氧化铝溶解、阳极反应和 阴极反应,这些反应的总和可以表示为下列化学反应式 2A10,+3C==4A/+3C0 (1-1) 铝电解的总反应是将氧化铝还原出铝,同时炭阳极与氧结合生成二氧化碳。 12铝电解槽电热场的研究 在铝电解时,会给电解槽通入300KA(或者其他数值)的直流电,在实际 生产中,电解槽都会保持良好的热平衡,槽体的电压和温度的分布都会在合理的 范围内,这将促使形成良好的槽帮、减少铝液波动、提髙电流效率、增长槽体寿 命等。通入电解槽的直流电由铝导杆导入,依次流过钢爪、阳极炭块、熔融电解 质、铝液、阴极炭块,由阴极钢棒流出输送给另一台电解槽。通入强大直流电 的电解槽部分结构都会因为电产生热,而且在铝电解质部分产生的热量极高,这 是因为电解质的电导率很低,所以电解质升温可以供给化学反应所需的热量,由 耐火砖、保温砖等组成的槽体底部可以起到保温的作用,而电解槽的上部和侧部 可以起到散热的作用⑤。 铝电解槽中电场和热场都会对铝生产带来一定的影响,具体的影响主要包括 水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度,进而就会影 响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。合理的电热场 分布和槽内衬设计会使槽体达到良好的电热平衡,铝液波动减小,得到规整的槽 膛内形,同时提高电流的效率,降低消耗的电能,并且达到增加槽寿命的目的 通过对电热场的计算仿真,可以在较短时间内轻松得到适合的内衬结构参数,从
北方工业大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 铝电解工业简介 铝在自然界的分布极广，除了用作导电、导热的材料外，还在交通运输业、 航空工业、冶金工业以及农业上具有非常重要的应用。由于氧化铝中氧和铝非常 难分离，目前工业上采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法电解铝 [1]。 现代铝工业除了从铝土矿生产原铝之外，还有从低品位铝矿用电热还原法生 产铝—硅—铁钛合金。 铝电解槽中发生多个化学反应，包括冰晶石解离、氧化铝溶解、阳极反应和 阴极反应，这些反应的总和可以表示为下列化学反应式[2]： 2 3 2 2Al O 3C 4Al 3CO (1-1) 铝电解的总反应是将氧化铝还原出铝，同时炭阳极与氧结合生成二氧化碳 [3]。 1.2 铝电解槽电热场的研究 在铝电解时，会给电解槽通入 300KA（或者其他数值）的直流电，在实际 生产中，电解槽都会保持良好的热平衡，槽体的电压和温度的分布都会在合理的 范围内，这将促使形成良好的槽帮、减少铝液波动、提高电流效率、增长槽体寿 命等。通入电解槽的直流电由铝导杆导入，依次流过钢爪、阳极炭块、熔融电解 质、铝液、阴极炭块，由阴极钢棒流出输送给另一台电解槽 [4]。通入强大直流电 的电解槽部分结构都会因为电产生热，而且在铝电解质部分产生的热量极高，这 是因为电解质的电导率很低，所以电解质升温可以供给化学反应所需的热量，由 耐火砖、保温砖等组成的槽体底部可以起到保温的作用，而电解槽的上部和侧部 可以起到散热的作用 [5][6]。 铝电解槽中电场和热场都会对铝生产带来一定的影响，具体的影响主要包括 水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度，进而就会影 响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。合理的电热场 分布和槽内衬设计会使槽体达到良好的电热平衡，铝液波动减小，得到规整的槽 膛内形，同时提高电流的效率，降低消耗的电能，并且达到增加槽寿命的目的 [8]。 通过对电热场的计算仿真，可以在较短时间内轻松得到适合的内衬结构参数，从
北方工业大学硕士研究生学位论文 而得到经济技术指标良好的电解槽。 对铝电解槽的电热场仿真首先得确定槽体的结构参数,比如槽体的形状、阳 极和阴极炭块的大小及数量、侧部内衬和底部内衬的结构等等;然后得确定槽体 的工艺参数,比如通入电解槽的直流电的大小、铝液和电解质的厚度、电解质的 成分和配比、槽体部分的温度等等:最后还得设定槽体各部分材料的属性参数值 和设定电热场的边界条件,最后进行求解计算。在一般的电热场仿真中,会对 以下几种参数进行计算:(1)槽体电场中电流的分布状况、水平电流的大小和槽 体从上到下各部分电压的大小;(2)槽体热场中的温度分布:(3)槽帮的形状、 伸腿的位置:(4)槽体的电热平衡状况:(5)槽壳热流分布及总的热流损失等。 对计算出的这些参数的大小进行分析,通过改变上述的结构、工艺和材料属性等 参数或者是改变边界条件,从而改变槽体电压和电流的分布状况、等温线分布 槽帮形状等等,直到达到较好的结果,得到稳定生产铝的电解槽。 121研究电热场的方法 铝电解槽硏究电热场的方法主要有数值仿真法、经验公式法、直接测试法。 (1)数值仿真法 铝电解槽中存在着多种物理场,包括电场、热场、磁场、应力场、流场等。 在这些物理场中每一个物理场都不是相互独立的,而是相互影响的,每一种物理 场都会对其他的几种物理场产生或大或小的影响,关系非常复杂m。电解槽中 物理场的综合作用会对电解槽的电流效率和其他技术经济指标产生很大影响。虽 然铝电解槽中存在着各种物理场,但是可以根据它们的相关程度划分为两大部分, 一个是电热-应力场,另一个是电-磁-流场。目前,研究物理场的最实用的方 法就是数值仿真法。而硏究槽体电热场的数值仿真方法分为静态数值仿真和动态 数值仿真两种方法。其中,静态数值仿真是指在给定的工艺参数和物理结构下, 建立相应的物理模型和对应的电热场的边界条件,利用计算机的仿真软件对电解 槽中电热场分布(电压和温度)、槽体的热平衡进行求解计算。但是铝电解槽的 高温熔盐电解反应特别复杂,它的运行受到非常多的共同的作用,从而导致了槽 体工作状态的变化。这种恶劣的槽况会导致电解过程中的电流效率降低、能耗上 升、槽寿命减少等等情况m。然而在静态模型中难以求解每个工艺参数对槽体 运行状况的影响,这是因为稳态的电热场是不存在的,在实际生产中电解槽都是 围绕着某个稳定的状态进行了小幅度波动。动态仿真则是将动态的数据(通过实 时监测得到的数据)输入计算机,进行计算并分析得出结果,从而能够实现在线 监测电解槽的工作状态和指导实际生产。而且动态数值仿真方法和自动控制系统
北方工业大学硕士研究生学位论文 2 而得到经济技术指标良好的电解槽[9]。 对铝电解槽的电热场仿真首先得确定槽体的结构参数，比如槽体的形状、阳 极和阴极炭块的大小及数量、侧部内衬和底部内衬的结构等等；然后得确定槽体 的工艺参数，比如通入电解槽的直流电的大小、铝液和电解质的厚度、电解质的 成分和配比、槽体部分的温度等等；最后还得设定槽体各部分材料的属性参数值 和设定电热场的边界条件，最后进行求解计算 [10]。在一般的电热场仿真中，会对 以下几种参数进行计算：（1）槽体电场中电流的分布状况、水平电流的大小和槽 体从上到下各部分电压的大小；（2）槽体热场中的温度分布；（3）槽帮的形状、 伸腿的位置；（4）槽体的电热平衡状况；（5）槽壳热流分布及总的热流损失等 [11]。 对计算出的这些参数的大小进行分析，通过改变上述的结构、工艺和材料属性等 参数或者是改变边界条件，从而改变槽体电压和电流的分布状况、等温线分布、 槽帮形状等等，直到达到较好的结果，得到稳定生产铝的电解槽。 1.2.1 研究电热场的方法 铝电解槽研究电热场的方法主要有数值仿真法、经验公式法、直接测试法。 (1)数值仿真法 铝电解槽中存在着多种物理场，包括电场、热场、磁场、应力场、流场等[12]。 在这些物理场中每一个物理场都不是相互独立的，而是相互影响的，每一种物理 场都会对其他的几种物理场产生或大或小的影响，关系非常复杂 [13][14]。电解槽中 物理场的综合作用会对电解槽的电流效率和其他技术经济指标产生很大影响。虽 然铝电解槽中存在着各种物理场，但是可以根据它们的相关程度划分为两大部分， 一个是电-热-应力场，另一个是电-磁-流场 [15]。目前，研究物理场的最实用的方 法就是数值仿真法。而研究槽体电热场的数值仿真方法分为静态数值仿真和动态 数值仿真两种方法。其中，静态数值仿真是指在给定的工艺参数和物理结构下， 建立相应的物理模型和对应的电热场的边界条件，利用计算机的仿真软件对电解 槽中电热场分布（电压和温度）、槽体的热平衡进行求解计算。但是铝电解槽的 高温熔盐电解反应特别复杂，它的运行受到非常多的共同的作用，从而导致了槽 体工作状态的变化。这种恶劣的槽况会导致电解过程中的电流效率降低、能耗上 升、槽寿命减少等等情况 [16][17]。然而在静态模型中难以求解每个工艺参数对槽体 运行状况的影响，这是因为稳态的电热场是不存在的，在实际生产中电解槽都是 围绕着某个稳定的状态进行了小幅度波动。动态仿真则是将动态的数据（通过实 时监测得到的数据）输入计算机，进行计算并分析得出结果，从而能够实现在线 监测电解槽的工作状态和指导实际生产。而且动态数值仿真方法和自动控制系统
北方工业大学硕士研究生学位论文 如果结合利用,就可以实现槽体的在线监控。对于影响铝生产的三大因素槽体温 度、电流效率和槽膛内形这些参数到现在为止都没有经济和技术上的可行在线检 测的方法,所以检测这三大指标就成了以后电解槽动态仿真的重要任务。 (2)经验公式法 经验公式法是指理论获得的某些数据、通过测试得到的数据和记录进行经验 总结,这样就形成了某些经验公式,从而获得一些用于生产的数据方法。下面就 举个运用经验公式法的例子。由经验可知,槽帮的厚度、伸腿长度往往和此位置 的槽壳外表的温度存在着某种特定的关系,所以就可以通过测量槽帮厚度、伸腿 长度在槽体某些位置的数据,同时测量这些位置对应的槽壳外表的温度,通过这 些测得的数据,找出它们之间存在的经验公式,这样在以后测得槽壳外表的温度 之后就可以根据经验公式计算出槽壳外表的温度了。研究槽体热流分布的状况, 可以知道,在槽帮的最薄的地方,热流的方向是近似垂直于槽壳厚度方向的,所 以我们可以把这部分的传热看作是一维热处理,槽帮的厚度和槽壳外表温度之间 存在着某种对应的关系公式,这样利用经验公式就可以某种程度上满足需求。经 验公式法得到了比较广泛的应用,是因为它具有便捷的计算过程,但是对于在某 一台和某种特定的情况下得出的经验公式来说,它并不一定适合其他状况或者其 他的电解槽。因为不同电解槽的工艺条件可能相差比较大或者是同一台电解槽随 着时间的变换使得它的材质发生了一定的形变。这时候使用经验公式就会得出不 准确的结论,必须重新总结经验公式或对其进行校正。除此之外,计算机辅助测 量来确定槽膛内形的方法、利用出铝数据和极距估算槽帮的厚度的方法也得到了 应用。 (3)直接测试法 直接测试法,是对铝电解槽进行直接测试,然后用测得的数据对铝电解槽的 电热场进行分析总结,得出一些结论。在测试的过程中需要运用一些测量工具, 而且由于恶劣的生产环境,测量的难度相当大,工作量也很大。也是因为直接测 量的这种局限性,导致不能测槽体所有的位置、所有的数据参数。只能测量槽体 的某些具有代表性的槽体位置和具有代表性的参数,所以对铝电解槽的研究用直 接测试法不能掌握槽体的整体全面的数据进行分析。在实际的测量中,铝厂只是 针对有限数量的电解槽的电热场参数进行测量。针对一台电解槽测得的数据分析 所得的结论不能应用在另一台电解槽上,因为每台电解槽所处的状态是有很大差 异的。在测量数据之前都要移走阳极炭块上方的槽罩、氧化铝结壳也要被破坏掉, 导致电解质裸露在空气中,这样会使槽体自身散失大量的热量,使本来处在热平 衡状态的电解槽变得不平衡了,直接影响了槽体的温度,这样测得的数据就不够
北方工业大学硕士研究生学位论文 3 如果结合利用，就可以实现槽体的在线监控。对于影响铝生产的三大因素槽体温 度、电流效率和槽膛内形这些参数到现在为止都没有经济和技术上的可行在线检 测的方法，所以检测这三大指标就成了以后电解槽动态仿真的重要任务。 (2)经验公式法 经验公式法是指理论获得的某些数据、通过测试得到的数据和记录进行经验 总结，这样就形成了某些经验公式，从而获得一些用于生产的数据方法。下面就 举个运用经验公式法的例子。由经验可知，槽帮的厚度、伸腿长度往往和此位置 的槽壳外表的温度存在着某种特定的关系，所以就可以通过测量槽帮厚度、伸腿 长度在槽体某些位置的数据，同时测量这些位置对应的槽壳外表的温度，通过这 些测得的数据，找出它们之间存在的经验公式，这样在以后测得槽壳外表的温度 之后就可以根据经验公式计算出槽壳外表的温度了 [18]。研究槽体热流分布的状况， 可以知道，在槽帮的最薄的地方，热流的方向是近似垂直于槽壳厚度方向的，所 以我们可以把这部分的传热看作是一维热处理，槽帮的厚度和槽壳外表温度之间 存在着某种对应的关系公式，这样利用经验公式就可以某种程度上满足需求。经 验公式法得到了比较广泛的应用，是因为它具有便捷的计算过程，但是对于在某 一台和某种特定的情况下得出的经验公式来说，它并不一定适合其他状况或者其 他的电解槽。因为不同电解槽的工艺条件可能相差比较大或者是同一台电解槽随 着时间的变换使得它的材质发生了一定的形变。这时候使用经验公式就会得出不 准确的结论，必须重新总结经验公式或对其进行校正。除此之外，计算机辅助测 量来确定槽膛内形的方法、利用出铝数据和极距估算槽帮的厚度的方法也得到了 应用 [19]。 (3)直接测试法 直接测试法，是对铝电解槽进行直接测试，然后用测得的数据对铝电解槽的 电热场进行分析总结，得出一些结论。在测试的过程中需要运用一些测量工具， 而且由于恶劣的生产环境，测量的难度相当大，工作量也很大。也是因为直接测 量的这种局限性，导致不能测槽体所有的位置、所有的数据参数。只能测量槽体 的某些具有代表性的槽体位置和具有代表性的参数，所以对铝电解槽的研究用直 接测试法不能掌握槽体的整体全面的数据进行分析。在实际的测量中，铝厂只是 针对有限数量的电解槽的电热场参数进行测量。针对一台电解槽测得的数据分析 所得的结论不能应用在另一台电解槽上，因为每台电解槽所处的状态是有很大差 异的。在测量数据之前都要移走阳极炭块上方的槽罩、氧化铝结壳也要被破坏掉， 导致电解质裸露在空气中，这样会使槽体自身散失大量的热量，使本来处在热平 衡状态的电解槽变得不平衡了，直接影响了槽体的温度，这样测得的数据就不够