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5 kA级惰性阳极铝电解槽热平衡仿真

来源期刊:中国有色金属学报2009年第2期

论文作者:李劼 王志刚 张红亮 赖延清 徐宇杰

文章页码:339 - 345

关键词:铝电解;惰性阳极;电解槽;热平衡;数值模拟, aluminum electrolysis; inert anode; reduction cell; heat balance; numerical simulation

Key words:aluminum electrolysis; inert anode; reduction cell; heat balance; numerical simulation

摘    要:使用有限元软件Ansys仿真计算5 kA级惰性阳极铝电解槽的槽膛内形及热平衡情况。结果表明:过热度和侧部炭块类型对槽膛内形产生显著影响,过热度增加10 ℃,槽帮厚度减少约50%,伸腿宽度减少约30%;侧部炭块散热性越好,槽帮厚度和伸腿宽度越大;半石墨质类型的侧部炭块能够在保证形成满足要求的槽膛内形时降低热量损失,建议采用这类侧部炭块;采取一定措施后,采用半石墨质阴极和石墨化阴极的电解槽均能实现热平衡,石墨化阴极电解槽比普通阴极电解槽所需能量约多9%,但在热平衡时阴极底部等温线分布更合理。

Abstract: The cell profile and heat balance of 5 kA grade aluminum reduction cell with inert anodes were calculated and simulated by finite element software Ansys. The results show that the superheat temperature and type of side carbon block have great influence on the cell profile. When the superheat temperature increases 10 ℃, the ledge thickness is reduced by about 50%, the ledge width is reduced by about 30%. The better the heat dissipation capability of side carbon block is, the thicker the cell ledge is. The semi graphitic side carbon block is advised because it can not only assure the required cell profile but also reduce the heat dissipation. The heat balance calculation shows that both the cell with semi graphitic cathode and graphitized cathode can achieve heat balance by taking some measures, while the cell with graphitized cathode needs about 9% more energy input than the cell with semi graphitic cathode, but it can assure more reasonable temperature distribution in the cathodes.

基金信息:国家自然科学基金资助项目
国家高技术研究发展计划资助项目
国家重点基础研究发展计划资助项目



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文章编号:1004-0609(2009)02-0339-07

5 kA级惰性阳极铝电解槽热平衡仿真

李  劼,王志刚,张红亮,赖延清,徐宇杰

(中南大学 冶金科学与工程学院,长沙 410083)

摘  要:使用有限元软件Ansys仿真计算5 kA级惰性阳极铝电解槽的槽膛内形及热平衡情况。结果表明:过热度和侧部炭块类型对槽膛内形产生显著影响,过热度增加10 ℃,槽帮厚度减少约50%,伸腿宽度减少约30%;侧部炭块散热性越好,槽帮厚度和伸腿宽度越大;半石墨质类型的侧部炭块能够在保证形成满足要求的槽膛内形时降低热量损失,建议采用这类侧部炭块;采取一定措施后,采用半石墨质阴极和石墨化阴极的电解槽均能实现热平衡,石墨化阴极电解槽比普通阴极电解槽所需能量约多9%,但在热平衡时阴极底部等温线分布更合理。

关键词:铝电解;惰性阳极;电解槽;热平衡;数值模拟

中图分类号:TF 821; O 441.4     文献标识码:A

Simulation of heat balance in 5 kA grade aluminum reduction cell with inert anodes

 

LI Jie, WANG Zhi-gang, ZHANG Hong-liang, LAI Yan-qing, XU Yu-jie

 (School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The cell profile and heat balance of 5 kA grade aluminum reduction cell with inert anodes were calculated and simulated by finite element software Ansys. The results show that the superheat temperature and type of side carbon block have great influence on the cell profile. When the superheat temperature increases 10 ℃, the ledge thickness is reduced by about 50%, the ledge width is reduced by about 30%. The better the heat dissipation capability of side carbon block is, the thicker the cell ledge is. The semi graphitic side carbon block is advised because it can not only assure the required cell profile but also reduce the heat dissipation. The heat balance calculation shows that both the cell with semi graphitic cathode and graphitized cathode can achieve heat balance by taking some measures, while the cell with graphitized cathode needs about 9% more energy input than the cell with semi graphitic cathode, but it can assure more reasonable temperature distribution in the cathodes.

Key words: aluminum electrolysis; inert anode; reduction cell; heat balance; numerical simulation

                    


工业铝电解过程一直采用炭作为阳极,由此产生如能耗高、污染大等许多问题。惰性阳极及其电解新工艺因能解决使用炭阳极时产生的问题,而成为国际铝业界和材料界的关注焦点和研究热点[1?3]。使用惰性阳极的优点包括降低劳动强度和减轻温室效应,因为阳极的气体产物为氧气而不是二氧化碳。氧气还可以作为副产品,估计回收的氧可能是原铝产品价值的3%[4]。目前研究的重点主要集中在阳极材料的制备工艺[5?7]及电解腐蚀性能[8],而对惰性阳极电解槽的设计研究的较少。ANTILLE等[9]数值模拟了25 kA惰性阳极铝电解槽的各个物理场,表明电解槽的物理场分布合理,通过合理的设计,能够保证电解槽的稳定运行,在此基础上他们还对阳极结构进行了相应的改进。小容量电解槽的成功运行可以为更大容量电解槽的设计提供参考,然而,容量小容量的电解槽由于热收入比较少,加上惰性阳极在电解时的理论能耗要比使用炭阳极的高[10],因此,这种小的惰性阳极电解槽更难实现热平衡。本文作者运用大型商用有限元软件Ansys建立5 kA级惰性阳极铝电解槽槽膛内形和热平衡计算模型,考查过热度和侧部炭块类型对槽膛内形的影响,并分别计算底部采用普通阴极炭块(半石墨质)和石墨化阴极炭块时的热平衡情况。其设计思路可以为其他同类型槽的建立和操作提供指导和建议。

1  5 kA级惰性阳极铝电解槽的基本参数

根据本课题组关于惰性阳极铝电解槽的设计经验,5 kA级惰性阳极铝电解槽应用如图1所示的阳极布置,采用6根阳极组成一个阳极组,电解槽两侧各布置4组阳极,共计48根阳极,阳极组外形尺寸为320 mm×210 mm。阳极为课题组自行研制的深杯状NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极,其截面尺寸如图2所示,电解槽的其他结构及工艺参数见表1。

图1  电解槽阳极布置示意图

Fig.1  Schematic diagram of anode configuration in cell

图2  惰性阳极截面尺寸示意图

Fig.2  Schematic diagram of section dimension for inert  anode (m)

表1  电解槽基本结构及工艺参数

Table 1  Basic structural and technical parameters of cell

 

2  仿真研究方法

2.1  电热控制方程

铝电解槽内的电传递和热传递分别服从拉普拉斯方程和带有内热源的泊松方程[11]

2.2  槽膛内形计算方法

本文作者在前人工作的基础上,采用简化的二维模型计算槽膛内形,有限元模型如图3所示。计算时,忽略电解质和铝液的存在,并忽略槽膛内形在电解槽长轴方向的差异,具体计算步骤如下。

图3  槽膛内形计算模型

Fig.3  Cell profile of calculation model

1) 施加边界条件,计算模型的温度分布,获得结壳表面各点的温度分布,并选择若干个代表点作为迭代的计算点。

2) 根据代表点的温度以一维传热模型计算理论的结壳厚度并与实际结壳厚度相比较,若误差在指定的范围内则停止计算,否则进入下一步。一维传热理论公式为[12]

式中  xf为炉帮厚度;λf为炉帮导热系数;hb为熔体与炉帮之间的对流换热系数;tb、tf和ts分别为熔体温度、炉帮表面温度和侧部炭块内表面温度。

3) 根据理论结壳厚度与实际结壳厚度的差值确定结壳表面点的移动方向,输入更新后的代表点坐标,建立新的槽膛内形。

4) 重复1)~3)步,直到结壳表面代表点计算的理论结壳厚度与实际结壳厚度的差值在指定的范围之内则终止程序,输出槽膛内形的计算结果。

2.3  热平衡计算方法

假定阳极气体的显热为零并忽略母线部分的热损失,以电解槽整体作为计算体系和电解温度作为计算基础,则输入铝电解槽的电能分配在以下3个方面:   1) 电化学反应能耗;2) 将物料加热到反应温度所需要的能量;3) 理论上的热量损失。前两部分能量可以由电化学反应计算出来,输入电解槽的总电能可以由电流强度与电压的乘积得到,则电解槽的理论热损失可以求得。电解槽的实际热量损失可以由有限元法计算出来,判断电解槽是否达到热平衡即判断理论热损失与实际热损失之间的差距,如果两者差距在5%以   内[13],就认为电解槽的热量是平衡的,否则就应采取相应的措施直到实现热平衡,具体措施包括强化电流、增加极距和加强保温。

为了准确计算电解槽的电压降,在模型中考虑了阴极与钢棒及阴极与铝液之间的电接触,以TARGE170单元划分目标面,以CONTA173单元划分接触面,并保证接触面与目标面的法线方向相对,接触电导率取自文献值[14?15],模型网格划分如图4所示。

图4  热平衡计算模型示意图

Fig.4  Schematic diagram of heat balance calculation model

2.4  计算方法验证

采用同样的计算方法计算了某厂200 kA大型预焙阳极铝电解槽的槽膛内形,计算结果与实测结果对比如表2所列。

从表2可以看出,槽膛内形计算值与实测平均值吻合较好,证明本模拟选取的计算方法正确、可行。此外,也应用了热平衡的计算方法对大型槽的热平衡情况进行研究,计算结果与实测结果相吻合。

表2  槽膛内形计算值与实测值对比

Table 2  Comparison of calculated and measured cell profile

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