《工程科学学报》：铝电解槽废阴极炭块电——热耦合处理过程数值模拟（北京科技大学）

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值棋拟 卢婷婷李荣斌赵洪亮谢明壮刘风琴 Numerical simulation of electro-thermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell LU Ting-ting,LI Rong-bin,ZHAO Hong-liang.XIE Ming-zhuang.LIU Feng-qin 引用本文： 卢婷婷，李荣斌，赵洪亮，谢明壮，刘风琴.铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟.工程科学学报，2020,42(6)： 731-738.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.002 LU Ting-ting.LI Rong-bin,ZHAO Hong-liang,XIE Ming-zhuang.LIU Feng-qin.Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(6):731-738. doi10.13374/1.issn2095-9389.2019.06.10.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报.2018,40(6：754htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.014 铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算 Temperature field simulation in directional solidification casting of NbSi based alloys 工程科学学报.优先发表https:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.10.02.001 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报.2020.42(4：516 https:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.07.001 基于多场耦合碳/碳复合材料传热及烧蚀响应研究 Study on heat transfer and ablation of carbon/carbon composites based on multi-field coupling 工程科学学报.优先发表htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.30.002 连铸坯脱氢退火数值模拟研究 Numerical Simulation of Dehydrogenation Annealing in Bloom 工程科学学报.优先发表htps:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.03.16.003

铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 卢婷婷 李荣斌 赵洪亮 谢明壮 刘风琴 Numerical simulation of electro−thermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell LU Ting-ting, LI Rong-bin, ZHAO Hong-liang, XIE Ming-zhuang, LIU Feng-qin 引用本文: 卢婷婷, 李荣斌, 赵洪亮, 谢明壮, 刘风琴. 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟[J]. 工程科学学报, 2020, 42(6): 731-738. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 LU Ting-ting, LI Rong-bin, ZHAO Hong-liang, XIE Ming-zhuang, LIU Feng-qin. Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 731-738. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报. 2018, 40(6): 754 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014 铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算 Temperature field simulation in directional solidification casting of NbSi based alloys 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.02.001 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报. 2020, 42(4): 516 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.07.001 基于多场耦合碳/碳复合材料传热及烧蚀响应研究 Study on heat transfer and ablation of carbon/carbon composites based on multi-field coupling 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.002 连铸坯脱氢退火数值模拟研究 Numerical Simulation of Dehydrogenation Annealing in Bloom 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.003

工程科学学报.第42卷，第6期：731-738.2020年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.6:731-738,June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002;http://cje.ustb.edu.cn 铝电解槽废阴极炭块电-热耦合处理过程数值模拟 卢婷婷，李荣斌，赵洪亮，谢明壮，刘风琴四 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:liufq@ustb.edu.cn 摘要废阴极炭块是铝电解槽大修时产生的一种危险固体废弃物，对其进行安全处置和资源化利用的关键是深度分离其 中的有价组分炭和氟化盐。采用火法工艺对废阴极炭块进行处理，明确了氟化盐的挥发温度.基于氟化盐的挥发析出性质， 设计了高温热处理电阻炉，并对其传热特性、控温规律以及氟化盐有效挥发区域进行了三维数值解析.实验确定氟化物的有 效挥发温度为≥1700℃，该温度段下其挥发率可达93.1%以上.通过模拟不同供电模式下炉内温度场的演变规律，得到：在 12V升温24h,9V保温12h的供电条件下，升温阶段炉内最高温度可达2250℃，氟化盐理论挥发区域占比可达98%：采用 逐级递减的电压供给制度可以保证1700℃以上温度区域维持20，大幅度延长了有效热处理时间，有利于废阴极炭块中炭 与氟化盐的深度分离 关键词废阴极炭块：数值模拟：高温电阻炉：电-热耦合：温度场 分类号TF09 Numerical simulation of electro-thermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell LU Ting-ting,LI Rong-bin.ZHAO Hong-liang.XIE Ming--huang.LIU Feng-gin School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liufq @ustb.edu.cn ABSTRACT Spent cathode carbon block(SCCB)is considered to be a kind of hazardous waste,because it contains a large amount of soluble fluoride salts and toxic cyanides.The life of an aluminum electrolytic cell is generally 5-8 years,and the SCCB would be produced during the overhaul of the cell.Currently,most SCCBs are piled in landfills or stored for disposal in China.The unreasonable disposal of SCCBs will cause serious pollution and damage to the ecological environment,and wastage of valuable carbon material and fluoride salts.The key to the safe disposal and resource utilization of SCCBs is to separate the carbon and fluoride salts deeply.In this study,SCCB was treated by the pyrometallurgical process,and the characteristics of volatilization temperature of fluoride salts were firstly experimentally determined.For a laboratory-scale self-designed high temperature resistance furnace,a three-dimensional model was built and numerical calculation was performed.The heat transfer characteristics,temperature control law and effective volatilization region of fluoride salts were analyzed in detail.The experimental results demonstrate that the effective volatilization temperature of fluoride is higher than 1700 C,and the volatilization rate is higher than 93.1%.By simulating the evolution of the temperature field in the furnace under different power supply modes,it is obtained that under the power supply condition of heating at 12 V for 24 h and holding9 V for 12 h,the maximum temperature in the furnace during the heating phase can reach 2250 C,and the theoretical volatilization volume of fluoride salts can reach 98%.After optimization,a step-by-step decreasing mode of power supply can improve the efficiency of treating SCCBs.Moreover,the treating temperature can be maintained for 20 h at 1700 C,which is beneficial to the 收稿日期：2019-06-10 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2302018FRF-TP.18-095A1):宁夏回族自治区重点研发计划资助项目(2018BDE02050)

铝电解槽废阴极炭块电−热耦合处理过程数值模拟 卢婷婷，李荣斌，赵洪亮，谢明壮，刘风琴苣 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：liufq@ustb.edu.cn 摘    要    废阴极炭块是铝电解槽大修时产生的一种危险固体废弃物，对其进行安全处置和资源化利用的关键是深度分离其 中的有价组分炭和氟化盐. 采用火法工艺对废阴极炭块进行处理，明确了氟化盐的挥发温度. 基于氟化盐的挥发析出性质， 设计了高温热处理电阻炉，并对其传热特性、控温规律以及氟化盐有效挥发区域进行了三维数值解析. 实验确定氟化物的有 效挥发温度为≥1700 ℃，该温度段下其挥发率可达 93.1% 以上. 通过模拟不同供电模式下炉内温度场的演变规律，得到：在 12 V 升温 24 h，9 V 保温 12 h 的供电条件下，升温阶段炉内最高温度可达 2250 ℃，氟化盐理论挥发区域占比可达 98%；采用 逐级递减的电压供给制度可以保证 1700 ℃ 以上温度区域维持 20 h，大幅度延长了有效热处理时间，有利于废阴极炭块中炭 与氟化盐的深度分离. 关键词    废阴极炭块；数值模拟；高温电阻炉；电−热耦合；温度场 分类号    TF09 Numerical simulation of electro−thermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell LU Ting-ting，LI Rong-bin，ZHAO Hong-liang，XIE Ming-zhuang，LIU Feng-qin苣 School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liufq@ustb.edu.cn ABSTRACT    Spent cathode carbon block (SCCB) is considered to be a kind of hazardous waste, because it contains a large amount of soluble fluoride salts and toxic cyanides. The life of an aluminum electrolytic cell is generally 5−8 years, and the SCCB would be produced during the overhaul of the cell. Currently, most SCCBs are piled in landfills or stored for disposal in China. The unreasonable disposal of SCCBs will cause serious pollution and damage to the ecological environment, and wastage of valuable carbon material and fluoride salts. The key to the safe disposal and resource utilization of SCCBs is to separate the carbon and fluoride salts deeply. In this study, SCCB was treated by the pyrometallurgical process, and the characteristics of volatilization temperature of fluoride salts were firstly experimentally determined. For a laboratory-scale self-designed high temperature resistance furnace, a three-dimensional model was built and numerical calculation was performed. The heat transfer characteristics, temperature control law and effective volatilization region of fluoride salts were analyzed in detail. The experimental results demonstrate that the effective volatilization temperature of fluoride is higher than 1700 ℃, and the volatilization rate is higher than 93.1%. By simulating the evolution of the temperature field in the furnace under different power supply modes, it is obtained that under the power supply condition of heating at 12 V for 24 h and holding 9 V for 12 h, the maximum temperature in the furnace during the heating phase can reach 2250 ℃, and the theoretical volatilization volume of fluoride salts can reach 98%. After optimization, a step-by-step decreasing mode of power supply can improve the efficiency of treating SCCBs. Moreover, the treating temperature can be maintained for 20 h at 1700 ℃, which is beneficial to the 收稿日期: 2019−06−10 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2302018FRF-TP-18-095A1）；宁夏回族自治区重点研发计划资助项目（2018BDE02050） 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期：731−738，2020 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 6: 731−738, June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002; http://cje.ustb.edu.cn

·732 工程科学学报，第42卷，第6期 deep separation of carbon material and fluoride salts in SCCB. KEY WORDS spent cathode carbon block;numerical simulation;high temperature resistance furnace;electro-thermal coupling; temperature distribution 我国是原铝生产大国，随着铝电解槽使用年 化利用程度低，容易造成二次污染等问题.2013年 限的延长，阴极及耐火保温材料中氟的吸附量也 北京矿冶研究总院与中电投宁夏能源铝业联合开 逐年递增，一般炭砖和耐火保温砖使用5~8a后 发了一种综合利用废阴极炭块和废耐火材料的湿 需要进行更换四，会产出大量的固体废弃物.统计 法处理技术，有价物质炭可以得到有效回收，但是 显示电解铝厂平均每生产1t铝会产生20~30kg 流程工艺较长，废水处理成本高.一般来讲，湿法 废阴极四，废阴极中炭占30%~70%，石墨化程度 处理存在工艺流程长、有害物质进入溶液引起二 高达80%~90%，其余物质主要包括冰晶石、氟化 次污染等问题，而火法未能实现有价组分炭、氟化 钠、氟化锂等有价组分).铝电解槽废阴极炭块因 盐的有效回收利用，其工业化的道路仍然在不断 含有可溶性氟和微量氰化物而被列为危险固体废 探索.除此之外，废阴极炭块处理还被用于炼钢和 弃物，其在常温常压下遇水即可发生剧烈反应，并 水泥制造等其他行业+16，但是由于废阴极炭块 放出有害气体，如果处置不当还会造成严重的生 中含有钠、氟等有害物质，以及各国对环境严格的 态破坏)国家政策规定危险固体废弃物堆放时间 监控力度，使其推广应用受到限制 不得超过1a,迫于环境压力以及铝工业可持续发 基于目前我国废阴极炭块存量大，现有技术 展的需求，废阴极炭块无害化和资源化的处理技 消纳量较小且资源化程度较低等问题，本文提出 术在国内外都备受关注 了一种针对铝电解槽废阴极炭块的电加热高温热 目前国内外对铝电解危险废弃物的处理技术 处理技术，利用废阴极炭块高导电、高石墨化度、 还主要停留在就地防渗堆存、填埋或高成本无害 以及高温氟化盐易挥发等特点，在高温炉通电加 化、低值化处理阶段习针对无害化或低值化的 热的条件下，实现炭与氟化盐高效分离、有价组分 处理基本可以概括为火法和湿法两种.在火法工 回收的目的，并建立了一套实验规模的电加热高 艺方面，美国铝业公司与澳大利亚奥斯麦特公司 温热处理炉，根据实验确定满足颗粒级氟化盐有 联合开发的废旧阴极奥斯麦特处理技术，以氟化 效挥发所需的温度后，利用数值模拟的方法研究 铝的形式回收氟，将炭质直接燃烧，焚烧熔渣可用 高温电阻炉温度演变规律，优化调节工艺控制参 作筑路；法国彼施涅铝业开发了在废槽衬中加入 数，给出合理的供电曲线，为工业化加热炉的工艺 矿物添加剂的热解工艺M:加拿大普基铝业网将破 控制提供参考.需要说明的是，针对电加热高温电 碎磨细后的废阴极炭块与硫酸钙混合后，通过高 阻炉的仿真模拟计算，本文只考虑升温和保温阶 温煅烧的方法来固化氟化物：澳大利亚科尔马克 段，冷却过程及氟化盐冷却回收过程将在后续进 铝业公司在1992年报道了已经通过试验阶段的 Comalco SPL处理工艺9，该工艺在物料准备阶段，将 一步研究 废旧电解槽内衬材料粉碎成粒度小于1mm的颗 1 电加热高温热处理炉及物理模型 粒，经煅烧后回收氟化物：中国铝业郑州研究院 以废阴极炭块为原料，以富含SiO2和Al2O3的粉 根据传热计算，并参照艾奇逊石墨化炉刀、碳 煤灰为反应分散剂，进行焙烧处理后再用硫酸和 化硅炉侧等炉型参数，设计了如图1所示的高温 石灰常温分解，最终实现了废阴极炭块的无害化处 电阻炉，主要由炉膛、电极和保温材料构成，且各 理.以上这些工艺都可以实现废阴极的无害化，但 部分为方形.保温材料包括上层保温材料和四周 是并未重视其中有价物质的回收利用，真正经济 耐火保温材料，其中上层保温材料起到炉盖的作 地实现工业化仍然面对诸多挑战.湿法处理则主 用，包括炭板、石墨毡和岩棉3部分：四周耐火保 要包括浮选法、高温水解法2]和硫酸处理法] 温料由炭砖、填料、高铝砖、保温砖和岩棉共5部 等.已经初步实现工业化的主要有国外力拓加铝 分构成.左右两侧各1个供电电极，贯穿耐火保温 (Rio Tinto Alcan)开发的一套综合湿法处理废槽衬 层，电极中心距离炉型底部790mm.炉芯位于炉 (含废阴极炭块)的工艺技术，该法在2008年4月 膛中心位置.各部分具体尺寸参数如表1所示.图2 投产，2014年产量达到最大，但是一直面临着资源 为炉内各层详细保温结构

deep separation of carbon material and fluoride salts in SCCB. KEY  WORDS    spent cathode carbon block； numerical simulation； high temperature resistance furnace； electro−thermal coupling； temperature distribution 我国是原铝生产大国，随着铝电解槽使用年 限的延长，阴极及耐火保温材料中氟的吸附量也 逐年递增，一般炭砖和耐火保温砖使用 5～8 a 后 需要进行更换[1] ，会产出大量的固体废弃物. 统计 显示电解铝厂平均每生产 1 t 铝会产生 20～30 kg 废阴极[2] ，废阴极中炭占 30%～70%，石墨化程度 高达 80%～90%，其余物质主要包括冰晶石、氟化 钠、氟化锂等有价组分[3] . 铝电解槽废阴极炭块因 含有可溶性氟和微量氰化物而被列为危险固体废 弃物，其在常温常压下遇水即可发生剧烈反应，并 放出有害气体，如果处置不当还会造成严重的生 态破坏[4] . 国家政策规定危险固体废弃物堆放时间 不得超过 1 a，迫于环境压力以及铝工业可持续发 展的需求，废阴极炭块无害化和资源化的处理技 术在国内外都备受关注. 目前国内外对铝电解危险废弃物的处理技术 还主要停留在就地防渗堆存、填埋或高成本无害 化、低值化处理阶段[4‒5] . 针对无害化或低值化的 处理基本可以概括为火法和湿法两种. 在火法工 艺方面，美国铝业公司与澳大利亚奥斯麦特公司 联合开发的废旧阴极奥斯麦特处理技术[6] ，以氟化 铝的形式回收氟，将炭质直接燃烧，焚烧熔渣可用 作筑路；法国彼施涅铝业开发了在废槽衬中加入 矿物添加剂的热解工艺[7] ；加拿大普基铝业[8] 将破 碎磨细后的废阴极炭块与硫酸钙混合后，通过高 温煅烧的方法来固化氟化物；澳大利亚科尔马克 铝业公司在 1992 年报道了已经通过试验阶段的 Comalco SPL 处理工艺[9] ，该工艺在物料准备阶段，将 废旧电解槽内衬材料粉碎成粒度小于 1 mm 的颗 粒，经煅烧后回收氟化物；中国铝业郑州研究院[10] 以废阴极炭块为原料，以富含 SiO2 和 Al2O3 的粉 煤灰为反应分散剂，进行焙烧处理后再用硫酸和 石灰常温分解，最终实现了废阴极炭块的无害化处 理. 以上这些工艺都可以实现废阴极的无害化，但 是并未重视其中有价物质的回收利用，真正经济 地实现工业化仍然面对诸多挑战. 湿法处理则主 要包括浮选法[11]、高温水解法[12] 和硫酸处理法[13] 等. 已经初步实现工业化的主要有国外力拓加铝 （Rio Tinto Alcan）开发的一套综合湿法处理废槽衬 （含废阴极炭块）的工艺技术[1] ，该法在 2008 年 4 月 投产，2014 年产量达到最大，但是一直面临着资源 化利用程度低，容易造成二次污染等问题. 2013 年 北京矿冶研究总院与中电投宁夏能源铝业联合开 发了一种综合利用废阴极炭块和废耐火材料的湿 法处理技术，有价物质炭可以得到有效回收，但是 流程工艺较长，废水处理成本高. 一般来讲，湿法 处理存在工艺流程长、有害物质进入溶液引起二 次污染等问题，而火法未能实现有价组分炭、氟化 盐的有效回收利用，其工业化的道路仍然在不断 探索. 除此之外，废阴极炭块处理还被用于炼钢和 水泥制造等其他行业[14‒ 16] ，但是由于废阴极炭块 中含有钠、氟等有害物质，以及各国对环境严格的 监控力度，使其推广应用受到限制. 基于目前我国废阴极炭块存量大，现有技术 消纳量较小且资源化程度较低等问题，本文提出 了一种针对铝电解槽废阴极炭块的电加热高温热 处理技术，利用废阴极炭块高导电、高石墨化度、 以及高温氟化盐易挥发等特点，在高温炉通电加 热的条件下，实现炭与氟化盐高效分离、有价组分 回收的目的，并建立了一套实验规模的电加热高 温热处理炉. 根据实验确定满足颗粒级氟化盐有 效挥发所需的温度后，利用数值模拟的方法研究 高温电阻炉温度演变规律，优化调节工艺控制参 数，给出合理的供电曲线，为工业化加热炉的工艺 控制提供参考. 需要说明的是，针对电加热高温电 阻炉的仿真模拟计算，本文只考虑升温和保温阶 段，冷却过程及氟化盐冷却回收过程将在后续进 一步研究. 1    电加热高温热处理炉及物理模型 根据传热计算，并参照艾奇逊石墨化炉[17]、碳 化硅炉[18] 等炉型参数，设计了如图 1 所示的高温 电阻炉，主要由炉膛、电极和保温材料构成，且各 部分为方形. 保温材料包括上层保温材料和四周 耐火保温材料，其中上层保温材料起到炉盖的作 用，包括炭板、石墨毡和岩棉 3 部分；四周耐火保 温料由炭砖、填料、高铝砖、保温砖和岩棉共 5 部 分构成. 左右两侧各 1 个供电电极，贯穿耐火保温 层，电极中心距离炉型底部 790 mm. 炉芯位于炉 膛中心位置. 各部分具体尺寸参数如表 1 所示，图 2 为炉内各层详细保温结构. · 732 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

卢婷婷等：铝电解槽废阴极炭块电-热耦合处理过程数值模拟 733· Insulating layer Electrode ww 0891 Monitoring point Furnace 3210mm hearth 1780mm 图1高温电阻炉结构示意图及炉膛内部细节 Fig.1 Schematic of the high temperature resistance furnace and its interior detail 表1炉型结构尺寸 Rock wool Insulating brick Table 1 Structure size of the high temperature resistance High alumina brick furnace mm Insulating filler Parameters Numbers Carbon block Graphite felt Length 3210 Furnace hearth Height 1680 Electrode Width 1780 Furnace core Thickness of carbon brick 230 Monitoring line Thickness of insulating filler 65 图2高温电阻炉沿x轴方向(=1.605m)的横截面 Thickness of high alumina brick 230 Fig.2 Cross-section of the high temperature resistance furnace in x direction (x=1.605 m) Thickness of insulating brick 230 Thickness of rock wool 50 2.2控制方程 Dimensions of electrode 300×300×805 数学模型的控制方程主要为传热和电场控制 Dimensions of fumace hearth 500×500×1600 方程，具体表述如下： Dimensions of furnace core 50×50x1600 (1)计算区域热量主要以导热的方式传递，因 此传热控制方程为傅里叶导热微分方程： 2数值模型 ar a(ar a aT 2.1模型假设 为了描述炉内传热情况，本模型做出以下假设： 式中：p为堆积密度，kgm3:cp为比热容，JkgK； (1)假设在整个加热过程中，炉料是各向同性的： 1为有效导热系数，WmlK;gs为热源强度（单位 (2)炉内物料为多孔介质，废阴极炭块尺寸为 体积热产生率)，Wm3:T为绝对温度，K;t为时间， 30~70mm,设定其孔隙率为0.52： S;x,y,为坐标，各物性参数取值见表2 (3)堆积物料间热量传递以导热为主，根据 导电区电流产生的焦耳热为热源强度主要来源： Russel提出的经验公式I91计算出有效导热系数为 9s rIVo2 (2) 6Wm K; 式中：r为电阻率，2m;p为电势，V. (4)假定物料密度、导热系数、比热容和电阻 (2)电势控制方程. 率不随温度变化： (5)外壁面发生对流换热与辐射换热，综合换 ++= (3) 热系数8取14.31wm2K- 式中：y为材料的电导率，Sm;p为电势，V

2    数值模型 2.1    模型假设 为了描述炉内传热情况，本模型做出以下假设： （1）假设在整个加热过程中，炉料是各向同性的； （2）炉内物料为多孔介质，废阴极炭块尺寸为 30～70 mm，设定其孔隙率为 0.52； （ 3）堆积物料间热量传递以导热为主，根据 Russel 提出的经验公式[19] 计算出有效导热系数为 6 W·m−1·K−1 ； （4）假定物料密度、导热系数、比热容和电阻 率不随温度变化； （5）外壁面发生对流换热与辐射换热，综合换 热系数[18] 取 14.31 W·m−2·K−1 . 2.2    控制方程 数学模型的控制方程主要为传热和电场控制 方程，具体表述如下： （1）计算区域热量主要以导热的方式传递，因 此传热控制方程为傅里叶导热微分方程： ρcp ∂T ∂t = ∂ ∂x ( λ ∂T ∂x ) + ∂ ∂y ( λ ∂T ∂y ) + ∂ ∂z ( λ ∂T ∂z ) +qs （1） ρ cp λ qs T t x y z 式中： 为堆积密度，kg·m−3 ； 为比热容，J·kg−1·K−1 ； 为有效导热系数，W·m−1·K−1 ； 为热源强度（单位 体积热产生率），W·m−3 ； 为绝对温度，K； 为时间， s； ， ， 为坐标，各物性参数取值见表 2. 导电区电流产生的焦耳热为热源强度主要来源： qs = τ|∇φ| 2 （2） 式中：τ为电阻率，Ω·m； φ 为电势，V. （2）电势控制方程. ∂ ∂x ( γ ∂φ ∂x ) + ∂ ∂y ( γ ∂φ ∂y ) + ∂ ∂z ( γ ∂φ ∂z ) = 0 （3） 式中： γ 为材料的电导率，S·m φ −1 ； 为电势，V. 表 1 炉型结构尺寸 Table 1 Structure size of the high temperature resistance furnace mm Parameters Numbers Length 3210 Height 1680 Width 1780 Thickness of carbon brick 230 Thickness of insulating filler 65 Thickness of high alumina brick 230 Thickness of insulating brick 230 Thickness of rock wool 50 Dimensions of electrode 300×300×805 Dimensions of furnace hearth 500×500×1600 Dimensions of furnace core 50×50×1600 Insulating layer Monitoring point y z x Furnace hearth Electrode 1680 mm 1780 mm 3210 mm 图 1 高温电阻炉结构示意图及炉膛内部细节 Fig.1 Schematic of the high temperature resistance furnace and its interior detail Rock wool Insulating brick High alumina brick Insulating filler Carbon block Graphite felt Furnace hearth Electrode Furnace core Monitoring line 图 2 高温电阻炉沿 x 轴方向（x=1.605 m）的横截面 Fig.2 Cross-section of the high temperature resistance furnace in x direction (x=1.605 m) 卢婷婷等： 铝电解槽废阴极炭块电−热耦合处理过程数值模拟 · 733 ·

.734 工程科学学报，第42卷，第6期 表2热物性参数 Table2 Thermophysical properties used in this study Parameters Density /(kg'm3) Specific heat/(Jkg-K-) Thermal conductivity /(W'm-K-1) Conductivity /(S'm) Carbon block 1500 800 o 1×10~o Insulating filler 450 1465 0.65 1×1010 High alumina brick 1500 1100 0.786 1×10-1o Insulating brick 1000 1200 0.3 1×10-0 Rock wool 135 900 0.06 1×10-10 Graphite felt 1400 900 0.01 1×10o SCCB 850 840 6 2.127×103 Electrode 1600 700 12.4 1.13×10-5 2.3边界条件 实验用铝电解槽废阴极炭块来自青铜峡铝业集团， (1)炉侧壁和炉底外表面与车间环境进行对 采用化学分析检测其主要成分如表3所示 流换热，即： a 表3废阴极炭块的元素组成与含量 - -=hs(T-Te) (4) Table 3 Composition and the content of various elements 式中：为导热系数，WmK;T为壁面温度，K; in SCCB % Te为环境温度，K;h为综合对流换热系数，W C F Na Al Ca Fe Else m2.K-1 59.2 16.73 13.62 7.871.430.940.21 综合换热包括对流换热和辐射换热两部分： 利用颚式破碎机将实验用废阴极炭块进行破 ls hc+h (5) 碎，每次实验前取具有一定粒度的20g样品装入 式中：he为对流换热系数，Wm2K;h为辐射换热 坩埚，放入100℃的干燥箱中干燥4h后称重，记 系数，Wm2K; 录数据A.首先向高温节能气氛炉（最高耐热温度 he Nu-(A.L-!) (6) 达1800℃)通入一段时间氨气，再将干燥后的样 式中：为导热系数，WmK;L为热传递方向定 品放入，设置实验温度，加热至质量不再改变后取 性尺寸：Nu为努赛尔数 出称重，记录数据B.两次称重差值与初始值A的 hr =s(t-to )(t1-to) (7) 比值即为废阴极炭块烧损率. 式中：ε为辐射物体黑度：σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常 物质炭的熔点较高，在铝电解槽废阴极炭块 数，5.67×108Wm2K;t1和to分别为壁面温度和环 加热过程中主要是氟化盐受热挥发析出.根据实 境温度，K 验用废阴极炭块成分表可知处理前炭质量分数占 (2)耐火保温层及炉膛内物料传热遵循傅里 59.2%,氟化盐及其他物质总占比40.8%.由图3可 叶导热定律： 知，随处理温度升高，氟化盐析出占比逐渐增大， dt 当温度超过1200℃后析出趋势变缓.1600℃温 (8) 度处理后废阴极炭块烧损率为36.73%，有约90% 式中：q为通过保温层壁面的热量，Wm3;:为第 的氟化盐挥发.1700℃高温处理后有93.1%的氟 i层导热系数(5层耐火保温材料及3层上部保温 化盐挥发.由于氟化盐中含有挥发点较高的 材料)，WmK;△为第i层两侧壁面温度差，K; CaF2以及少量不易挥发的含铁类物质，因此本文 6为保温层厚度，m. 将1700℃定为铝电解槽废阴极炭块氟化盐的充 电场边界条件设定阳极为供电电位给定变 分挥发温度 量，阴极设定为零电位，其余表面均为绝缘面 3.2温度场分布 通电周期设定为36h,通过对高温炉加热过程 3 结果与讨论 中炉内温度场的模拟计算，获得了不同时刻的炉 3.1氟化盐挥发温度确定 内温度分布以及该过程中炉料和耐火保温层不同 利用实验方法确定氟化盐的挥发温度节点， 位置的升温曲线，并对升温过程（前24h)电压进

2.3    边界条件 （1）炉侧壁和炉底外表面与车间环境进行对 流换热，即： −λ ∂T ∂n = hs (T −Te) （4） λ T Te hs 式中： 为导热系数，W·m−1·K−1 ； 为壁面温度，K； 为环境温度 ， K； 为综合对流换热系数 ， W· m −2·K−1 . 综合换热包括对流换热和辐射换热两部分： hs = hc +hr （5） 式中： hc为对流换热系数，W·m hr −2·K−1 ； 为辐射换热 系数，W·m−2·K−1 ； hc = Nu ·(λ · L −1 ) （6） λ L Nu 式中： 为导热系数，W·m−1·K−1 ； 为热传递方向定 性尺寸； 为努赛尔数. hr = εσ(t1 4 −t0 4 )/(t1 −t0) （7） ε σ t1 t0 式中： 为辐射物体黑度； 为斯蒂芬−玻尔兹曼常 数，5.67×10−8 W·m−2·K−4 ； 和 分别为壁面温度和环 境温度，K. （2）耐火保温层及炉膛内物料传热遵循傅里 叶导热定律： q = −λi dt dx = λi ∆ti δ （8） λi ∆ti δ 式中：q 为通过保温层壁面的热量，W·m−3 ； 为第 i 层导热系数（5 层耐火保温材料及 3 层上部保温 材料），W·m−1·K−1 ； 为第 i 层两侧壁面温度差，K； 为保温层厚度，m. 电场边界条件设定阳极为供电电位给定变 量，阴极设定为零电位，其余表面均为绝缘面. 3    结果与讨论 3.1    氟化盐挥发温度确定 利用实验方法确定氟化盐的挥发温度节点， 实验用铝电解槽废阴极炭块来自青铜峡铝业集团， 采用化学分析检测其主要成分如表 3 所示. 利用颚式破碎机将实验用废阴极炭块进行破 碎，每次实验前取具有一定粒度的 20 g 样品装入 坩埚，放入 100 ℃ 的干燥箱中干燥 4 h 后称重，记 录数据 A. 首先向高温节能气氛炉（最高耐热温度 达 1800 ℃）通入一段时间氮气，再将干燥后的样 品放入，设置实验温度，加热至质量不再改变后取 出称重，记录数据 B. 两次称重差值与初始值 A 的 比值即为废阴极炭块烧损率. 物质炭的熔点较高，在铝电解槽废阴极炭块 加热过程中主要是氟化盐受热挥发析出. 根据实 验用废阴极炭块成分表可知处理前炭质量分数占 59.2%，氟化盐及其他物质总占比 40.8%. 由图 3 可 知，随处理温度升高，氟化盐析出占比逐渐增大， 当温度超过 1200 ℃ 后析出趋势变缓. 1600 ℃ 温 度处理后废阴极炭块烧损率为 36.73%，有约 90% 的氟化盐挥发. 1700 ℃ 高温处理后有 93.1% 的氟 化盐挥发 . 由于氟化盐中含有挥发点较高 的 CaF2 以及少量不易挥发的含铁类物质，因此本文 将 1700 ℃ 定为铝电解槽废阴极炭块氟化盐的充 分挥发温度. 3.2    温度场分布 通电周期设定为 36 h，通过对高温炉加热过程 中炉内温度场的模拟计算，获得了不同时刻的炉 内温度分布以及该过程中炉料和耐火保温层不同 位置的升温曲线，并对升温过程（前 24 h）电压进 表 2 热物性参数 Table 2 Thermophysical properties used in this study Parameters Density /（kg·m−3） Specific heat /（J·kg−1·K−1） Thermal conductivity /（W·m−1·K−1） Conductivity /（S·m−1） Carbon block 1500 800 10 1×10−10 Insulating filler 450 1465 0.65 1×10−10 High alumina brick 1500 1100 0.786 1×10−10 Insulating brick 1000 1200 0.3 1×10−10 Rock wool 135 900 0.06 1×10−10 Graphite felt 1400 900 0.01 1×10−10 SCCB 850 840 6 2.127×103 Electrode 1600 700 12.4 1.13×10−5 表 3 废阴极炭块的元素组成与含量 Table 3 Composition and the content of various elements in SCCB % C F Na Al Ca Fe Else 59.2 16.73 13.62 7.87 1.43 0.94 0.21 · 734 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期