全数字化500kA虚拟铝电解槽.pdf

有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 0 5 全数字化5 O ok A 虚拟铝电解槽 邱泽晶1 ，张红亮2 ，王振宇1 ，李劫 1 ．南瑞 武汉 电气设备与工程能效测评中心，武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ．中南大学冶金与环境学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要以某5 0 0k A 特大型铝电解槽为对象，通过数值仿真研究碍到电解槽各物理场的分布结果，进而提 出一种将仿真结果与虚拟现实技术相融合的方法，最终创建一个数字化的5 0 0k A 虚拟铝电解槽。通过 在3 D 虚拟现实平台上展示的结果表明，该成果能够创建一个完全基于计算机的虚拟世界，能让参与者 非常直观地全面掌握电解槽结构、槽内物理场的分布等，从而为铝电解的培训、展示、槽况诊断等提供强 有力工具。 关键词5 0 0k A 铝电解槽；物理场；数值模拟；虚拟现实 中图分类号T F 8 2 l文献标志码A文章编号1 0 0 7 ～7 5 4 5 2 0 1 5 0 1 0 0 1 8 一0 5 5 0 0k AN u m e r i c a lV i r t u a lA l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l Q I UZ e j i n 9 1 ，Z H A N GH o n g l i a n 9 2 ，W A N GZ h e n y u l ，L IJ i e 2 1 ．N A R I W u h a n E l e c t “c a lE q u i p m e n ta n dE n g i n e e n n gE f f i c i e n c yE v a l u a t i o nC e n t e r ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a 2 ．S c h 0 0 1o fM e t a l l u r g ya n dE n v i r o n m e n t ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t M u l t i p h y s i c a lf i e l d s s i m u l a t i o nm o d e Ib a s e do no n e5 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw e r e e s t a b l i s h e da n ds o l v e di nA N S Y Ss o f t w a r e ．o n ev i r t u a l5 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw a se s t a b l i s h e db y c o m b i n i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hV i r t u a lr e a l i t y ．Ac o m p u t e r _ b a s e dw o r l dw a sc r e a t e di nw h i c hp e o p l e w h ow e r en o ta n a l y s i se x p e r t sc a ns e ed e t a i l e dc e l ls t r u c t u r ei nac o n t e x tt h a tt h e yc a ne a s i l yu n d e r s t a n d ， a n dac l o s ei n s p e c t i o no fc o m p o n e n to ra c t i v i t yo fm o d e lw a sr e a l i z e d ．T h i ss e r v e sa sat r a i nt o o lf o rn e w o p e r a t o r sa n de n g i n e e r sl e a r nr e d u c t i o nc e l lo p e r a t i o nm o r ee f f i c i e n t l y ． K e yw o r d s 5 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ；m u l t i p h y s i c a lf i e l d s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v i r t u a lr e a l i t y 目前，我国铝电解工业未来的发展呈现出以下 几大新趋势一是铝电解企业朝着大规模、集团化方 向发展，产业集中度快速提高；二是产能向能源相对 丰富但人力资源 特别是高技能人力资源 相对匮乏 的地域转移；三是随着国家工业城镇化速度加快，铝 消费和铝生产仍将保持较快增速。尽管近年来，在 国人的不懈努力之下口。7 ] ，我国铝电解能耗指标取得 了较大突破，但巨大能源单价差异无疑会影响我国 电解铝的整体竞争力，因此节能仍将成为我国铝电 解工业未来的主旋律[ 8 ] 。 众所周知，大部分冶金反应器由于其高温、腐蚀 的恶劣生产环境，其内部的诸多操作与反应过程皆 无法直接观测[ 9 删。而电解槽内多物理场作用机理 复杂，且对电解槽指标影响较大，因此实现多物理场 优化是槽结构创新与电解工艺改进的核心目标，合 理分布的物理场是铝电解过程获得良好技术经济指 收稿日期2 0 1 4 一0 9 2 3 基金项目国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 1 0 4 1 8 7 ；国家自然科学基金面上项目 5 1 2 7 4 2 4 1 ；国家自然科学基金创新 群体资助项目 6 1 3 2 1 0 0 3 作者简介邱泽晶 1 9 8 4 一 ，男，湖北鄂州人，硕士，高级工程师；通信作者张红亮 1 9 7 9 一 ，男，湖南临湘入，博士，副教授． 万方数据 2 0 1 5 年第l 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 标的关键[ “。“。传统电解槽及其他冶金反应器的设 计依赖仿真专家对于反应器内多物理场仿真结果的 解释，这些结果也只能以有限的二维图或表形式给 出，这将导致许多能够在三维模型中发现的特征与 规律被忽视掉。此外，随着电解槽容量的不断增大， 仿真结果的数据量将变得越来越庞大，使得二维图 像已经无法完全表达。而且，二维图像需要一定的 空间想象能力，才能够完全理解。因此，为了分析巨 大的仿真数据、详细掌握电解槽结构与物理场的对 应关系，需要建立融合数值仿真和虚拟现实技术的 虚拟铝电解槽模型。近年来，虚拟现实技术取得了 飞速发展，它能够让人在一个虚拟的环境中分析海 量的仿真数据，即将仿真结果与虚拟现实融合成一 个虚拟工程系统。这一技术已经在钢铁冶金的高炉 中获得广泛的应用，为其优化设计与炉况诊断提供 有力的工具。但是，在铝电解及其他有色冶金领域， 该虚拟工程的研究尚未开展。 因此，本文主要目的是为了创建一个虚拟的铝 电解槽。在创建过程中，我们先通过开展电解槽的 物理场数值仿真，得到电解槽的物理场分布，进而将 仿真结果与虚拟现实技术相融合．开发出虚拟铝电 解槽，最后将虚拟铝电解槽在3 D 虚拟现实平台L 进行三维展示。 15 0 0k A 级铝电解槽物理场数值计 算模型 1 ．1 电场计算原理与模型 电解槽可用欧姆定律和电流守恒定律来表述 ．， 拉 1 V - 厂一0 2 式中，- ，为电流密度；E 为电场强度；盯为电导率。 本文所建立的5 0 0k A 铝电解槽含3 台电解槽 的有限元模型如图1 a 所示。 图l 5 0 0k A 预焙铝电解槽电场 a 和流场 b 仿真模型 F i g ．1 E l e c t r i c f i e l d a a n dm a g n e t i cf i e l d b m o d e lo f5 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l I 1 ．2 磁场计算原理与模型 铝电解槽含有大量的磁介质，且内外电流源复 杂，从而增加了计算的难度。磁场的求解精度取决 于电场分布的求解是否合理。铝电解槽的磁场满足 稳态麦克斯韦方程组 V H J 3 B 一“H 4 式中，H 为磁场强度 A ／m ；J 为电流密度 A ／ m 2 ；B 为磁场感应强度 T ；口为磁导率 N ／A 。 本文所建立的磁场计算的网格模型如图1 b 所 示，共考虑7 台电解槽。 1 ．3 稳态流场计算原理与模型 为了追踪电解质铝液自由表面的运动，采用 V F 法计算电解质一铝液界面形变，流场计算的网 格模型见图2 。 图25 0 0k A 预焙铝电解槽流场仿真模型 F i g ．2 F l o wf i e l dm o d e Io f5 0 0k A a I u m i n u mr e d u c t i o nc e 儿 25 0 0k A 级铝电解槽物理场计算结 果与分析 本文只列出关键磁场及流场的结果，详细计算 流程可参见作者前期研究成果m1 8 1 。根据双标量法 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l _ b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第l 期 计算磁场的原理和步骤进行了磁场的计算。图3 为 槽内铝液中部磁场在z 、y 与z 方向上的磁感应强 度B ，、B ，与B 的分布。可以看出，水平磁场B ，的 范围为一2 4 7 ．0 8 ～1 5 3 ．5 3G s 1T 一1 0 4G s ；水平 磁场B ，的范围为一2 6 ．5 2 ～2 7 ．5 1G s ；垂直磁场B 的范围为一3 6 ．7 0 ～3 2 ．0 1G s 。三个方向的平均值 分别为7 4 ．0 5 、5 ．8 3 、4 ．5 2G s 。磁场设计整体满足 电解槽对磁场的要求。 一l f 2 4j f 卅 一l } f 1 2 I l2 j i 一} 1 5 州m一I l _ 5 5一f l H l n ‘州 { 一l l I H l 24 5 2 1 H l Ⅳl l l } I h4 5I l I I 叫l lf l l J l 5 j 5 ； 一l l H l 2n S 2 一 M 2 础一 l H l4 S 2 一 18 S l E 一聃一l2 5 l E 一 { } { 4 口E 一} j1 q 烈 E 一 {l J w 1 1S 5 fJ l W l 2J 5 l 1 W 1 27 S 蘑 一I H l { n 一 f H 2 q n l l 1 2I 书{一l X I { 8_ } 1 6 E 一 { l J1 4 7 E 一 3 { ．q l l E 一 1 {I { X l “4 J ． HJ 2 4 懈 J l X l { 2 { 图35 0 0k A 预焙铝电解槽铝液中截面磁场分布 F i g ．3 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di nm i d d l eI a y e ro fa I u m i n u mp a do f 5 0 0k Aa I u m i n u mr e d u c t i o nc e 通过提取将电磁力导入至相应的流场计算网 格，在A N S Y S ．C F X 中进行了5 0 0k A 的流场计算。 图4 为铝液中截面水平速度分布图。可以看出，铝 a f uV e l O c i t v V e d O r l r 7 。∞1 f F j I j I j j1 00 0 0 e 0 0 0 液流场整体趋势约呈现4 个相对较大的旋涡分布， 最大流速为3 2 ．6 7c m ／s ，平均流速为1 0 ．4 0c m ／s 。 图45 0 0k A 预焙铝电解槽铝液中截面流场分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no ff I o wf i e l di nm i d d l el a y e ro fa l u m i n u mp a do f5 0 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l 万方数据 2 0 1 5 年第l 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 l 35 0 0k A 铝电解槽虚拟现实模型 3 ．1虚拟现实模型的建立方法 首先开展全面的三维数值仿真计算，进而将对 数值仿真的结果进行过滤、导出和可视化来创建一 个虚拟的环境。该技术允许用户应用三维鼠标在不 同的数据集直接进行漫游，从而理解结构与物理场 的深层次关系。整体而言，该虚拟现实技术主要包 含以下关键元素3 D 立体演示、以用户为中心、互动 及实施性。图5 给出了中南大学冶金与环境学院的 有色金属反应器三维虚拟现实系的示意图。该系统 由4 台专业工程高亮投影机、双通道金属硬环幕组 成，再辅以高性能图形工作站、视频矩阵切换器和图 象融合机等；铝电解模拟控制操作系统由槽控机、控 制上位机、输入和输出信号模拟器等部分组成。 r ’’一一 ■●～- 图5有色金属反应器三维虚拟现实 系统原理示意图 F i g ．5 S c h e m a t i cd i a g r a mo fV i r t u a lR e a l i t y S y s t e mo fn o n f e r r o u sm e t a lr e a c t o r 3 ．2 模型的实现与演示 5 0 0k A 虚拟铝电解的3 D 虚拟现实全槽模型如 图6 所示。该虚拟铝电解槽在有色金属反应器三维 虚拟现实系中的演示如图7 所示 该图为立体效果 图，为左右眼图像的叠加，故所拍摄图片存在一定的 虚影。 图6 虚拟铝电解槽全槽3 D 模型 F i 昏6 3 DI 肿d e lO f 、r i r t u a la l u m i n Ⅲnr e d u c t i 蚰c e I l 从图7 可见，通过这样一个3 D 虚拟现实模型， 首先可以实现对电解槽结构的全面掌握，对电解槽 复杂的母线网络走向有了直观了解，从而可以让初 学者、设计人员与工艺研究人员能够从容地进行学 习与结构优化；其次，通过实现仿真结果与虚拟现实 结果的有机融合，一方面能够非常清楚地掌握槽内 物理场的分布情况，另一方面，可以直观了解结构变 化 如母线走向的改变 对于电解槽物理场的直观影 响 如磁场、界面波动等 ，从而对仿真结果有最直观 的掌握。 按照本文所开发的虚拟铝电解槽技术，新疆其 亚铝电有限公司设计开发了5 0 0k A 预焙铝电解生 产系列，目前该系列生产稳定，各项指标均达到预 期。未来可实现特大型铝电解企业内管理网络、电 解槽控制系统与生产决策中心进行有机融合，实现 铝电解企业的全面信息化。 图7 有色金属反应器三维虚拟现实系统 a 及虚拟电解槽的演示结果 b F i g ．7 V i r t u a lR e a l i t yS y s t e m a o fn o n f e r r o u sm e t a lr e a c t o ra n d d e m o n s t r a t i o no f3 Dv i r t u a Ia l u m i n u mr e d u c t i o nc e n b 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 s 年第1 期 4结论 通过将数值仿真结果与虚拟现实技术融合，针 对5 0 0k A 特大型预焙铝电解槽，建立电一磁一流 模型，开展系统的多物理场计算。并开发了一种创 建虚拟有色冶金反应器的方法，建立了一个虚拟的 5 0 0k A 预焙铝电解槽，从而为研究人员、铝厂工程 师及操作工提供一个数字化虚拟现实平台，为电解 槽的诊断与槽况优化提供支撑。 参考文献 [ 1 ] 李勇，刘升，王有来，等．全保温型内衬配置在3 0 0k A 铝 电解槽上的应用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 1 0 2 0 一2 2 ． [ 2 ] 秦卫中，王有来，李勇，等．大型铝电解槽低电压物料与 能量双平衡控制技术[ J ] ．有色金属 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o g e n e o u st h r e e _ p h a s em o d e lf o rt h ef l o wi na l u m i n i u mr e d u c t i o nc e l l s 口] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM u l t i p h a s eF l o w ，2 0 1 1 ，3 7 4 6 5 4 ． [ 1 6 ] Z H A N GH o n g l i a n g ，L IJ i e ，W A N GZ h i g a n g ，e ta 1 ． T h en u m e r i c a lm o d e l i n go fm e l tf l o w a n dM H Di n s t a b i l 一 i t i e si na na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l [ J ] ．J M ，2 0 1 0 ，6 2 1 1 2 6 3 1 ． [ 1 7 ] X UY u j i e ，Z H A N GH o n g - l i a n g ，L IJ i e ，e ta 1 ．An o n l i n e a rs h a l l o 、 卜w a t e rm o d e lc o m b i n e dw i t hg a sb u b b l e e f f e c tf o rm e l tf l o w sa n di n t e r f a c ei n s t a b i l i t yi na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s [ J ] ．J O M ，2 0 1 3 ，6 5 1 1 1 4 5 9 1 4 6 6 ． [ 1 8 ] Z H A N GH o n g l i a n g ，Y A N GS h u a i ，Z H A N GH e - h u i ， e ta 1 ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa l u m i n a m i x i n gp r o c e s s w i t ham u l t i c o m p o n e n tf l o wm o d e lc o u p l e dw i t he l e c t r o m a g n e t i cF o r c e s i na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s [ J ] ． J O M ，2 0 1 4 ，6 6 7 1 2 1 0 一1 2 1 7 ． 万方数据