铝电解槽三维电热场耦合分析.pdf

2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 铝电解槽三维电热场耦合分析 崔青玲1 ，喻海良1 ，田庭辽2 ，刘相华1 ，王国栋1 1 ．轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，东北大学，辽宁沈阳 1 1 0 0 0 4 2 ．沈阳铝镁设计研究院，辽宁沈阳1 1 0 0 0 3 摘要利用有限元软件A N S Y S ．建立了包含摇篮架在内的铝电解槽完整的有限元模型。针对沈阳铝镁 设计研究院设计的3 0 0 k A 铝电解槽，进行了三维电热场耦合分析。模拟结果说明所建模型是正确的，为 电解槽的优化设计和改造提供参考。 关键词铝电解槽；电热场；耦合分析 中国分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 0 5 0 40 0 2 8 0 3 3 DT h e r m o - e l e c t r i cC o u p l i n gA n a l y s i so fA l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l C U IQ i n l i n 9 1 ．Y UH a l l i a n 9 1 ，T I A NT i n g l i a o z ，I A UX i a n g h u a l ，W A N GG u o d o n 9 1 1T h eS t a t eK e yL 扎．o fR o l l i n g ＆A u t o m a t i o n ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，L i m n i n g ．S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 S h e n y a n gA l u m i n u m ＆M a g a e s i u mA c a d e m e ，L i a o n i n g ，S h e n y a n g1 1 0 0 0 3 ．C h i n a A b s t r a c t F i n i t ee l e m e n t m o d e l so fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l i n c l u d i n gc r a d l e i sb u i l tb y t h es o f t w a r e A N S Y S ，a n d 3 Dt h e r m o - e l e c t r i cc o u p l ef i e l da n a l y s i sf o rt h e3 0 0 k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l ld e s i g n e db yS h e n y a n gA l u m i n u m ＆M a g n e s i u mA c a d e m e ．T h ev a l i d i t yo ft h em o d e li st e s t e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ．a n dt h er e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o ra l u m i n u mr e d u c t i o nc e l ld e s i g n ． K e y w o r d s A l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ；T h e r m o e l e c t r i cf i e l d ；C o u p l i n g 在电解铝正常生产条件下，电解槽在额定电流 强度下生产，其它参数如电压、温度都达到规定的数 值，形成规整的结壳，从而获得良好的生产指标。而 电解槽电热场的分布状态，直接影响到结壳的形状 和整个槽的电热平衡，进而影响电流效率、吨铝能耗 以及槽的寿命。为了使电解槽能够优化运行，需要 从设计和运行控制两方面人手，对铝电解槽有更深 一步的量化研究⋯1 。 本文利用A N S Y S 大型通用有限元分析软件进 行电解槽的电热场分析，通过耦合计算求解电解槽 内的电压和温度分布、结壳的形状以及槽体的热平 衡状态，为电解槽的优化设计和改造以及新型电解 槽的开发提供依据。 作者简介崔青玲 1 9 7 3 一 ．女．山西夏县人，讲师 1 铝电解槽电热耦合分析模型 1 ．1 物理模型 电解槽的结构如图1 所示，由于对称性，只取其 l ／4 作为研究对象。直流电由阳极导杆导人，经钢 爪进入阳极碳块，电流均匀地通过电解质和铝液层， 经阴极碳块由阴极钢棒导出。电解过程中电流产生 热量，使电解质升温电解，阴极碳块下面为保温材 料。整个电解槽安放在摇篮架上。 在槽膛内，由于铝液和电解质的良好的导热性 能，可以认为温度基本均匀，它与槽内衬以对流方式 向槽内衬传递热量。在槽内衬中，热量以传导方式 经中间各介质传至钢壳及摇篮架。槽达到稳定状态 时，在内衬内侧和阴极碳块上表面形成电解质的结 壳，起到缩小加工面，提高电流效率的作用。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 2 9 图1 铝电解槽几何模型 F i g ．1 A l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l g e o m e t r i c a lm o d e l 1 ．2 数学模型 1 ．2 ．1 控制方程 控制方程为导热和导电联立方程组 蚓O 艮IO 。。V l 一3 【la V 卜手- 7 l aVOyP y3 y 3 z3 zI 。a zl 艮a z { ’ I ’ 。 1 五al k 瓦O T l 弓卜五a T l 乏卜瓦a T I 。 。 2 式中，凡、丹、＆分别为材料在三维方向的电阻 率，随温度和方向而变化；V 为电位，T 为温度， 。 k ⋯k 为材料三维方向的导热系数，随温度而变化。 q 为单位容积中由于电流通过而产生的焦耳热，在 不导电部分为0 。 1 ．2 ．2 边界条件 求解传热方程的边界条件 1 铝液与电解质的温度均匀给定； 2 上部结壳与阳极问的接触面为绝热面； 3 周围环境温度按车间的平均温度给定； 4 槽体表面散热系数为 O W A 口 O “ 0 e W 丁乞一T 1 ／ L T 3 式中T 。一钢壳外表面温度，T 一环境温度， a o 一斯蒂芬一波耳兹曼常数，e 。一钢壳外表黑度，a 一槽钢壳外表面与周围空气的自然对流换热系数。 5 其它数据如电解质与槽帮表面的换热系数 等均由沈阳铝镁设计院提供。 求解导电方程的边界条件 1 阴极钢棒出口处取为基准电位，即为零电位 面； 2 结壳部分不导电，电流全部通过阴极碳块； 3 阳极导杆的电流为总电流的平均分摊值。 2 铝电解槽有限元模型 铝电解槽有限元模型如图2 所示。在不导电部 分只需进行热分析，选用S O L I D 7 0 单元，对导电部 分采用耦合单元S O L I D 6 9 。在需要辐射和对流的 面上采用S U R F l 5 2 单元。由于电解槽结构非常复 杂，所以采用四面体单元自由划分网格。在网格划 分时，在保证各单元连续的基础上，为进一步求解结 壳模型，细化结壳、铝液和电解质区单元，采用手动 控制单元大小，使单元形状合理，单元总数为 2 6 92 7 0 ，节点总数为4 62 7 4 。 图2 铝电解槽有限元模型 F i g ．2 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l 电解槽用到的材料多达十几种，有的为各向同 性，有的为各向异性。材料的特性随温度变化的，而 且从槽体表面到内部实际温度在0 ～10 0 0 ℃，所以， 在A N S Y S 中采用步长为5 0 ℃建立材料模型，其实 际数据由沈阳铝镁设计研究院提供。 按上述的边界条件进行加载，由于所求解的模 型单元总数多达二十几万个，故采用预条件共扼梯 度法求解。求解时，先假定结壳的形状，利用求解的 结果进行结壳边界形状的修正计算，判断两者是否 一致，若一致，则求解结束，否则再假定结壳边界重 新计算。 由于电解槽本身结构庞大，形状复杂，建模时必 须进行适当的简化。再加上有的材质厚度只有 1 0 r a m ，而长度和宽度却有4 0 m ，宽厚比相差几千 倍，网格的质量就势必受到影响，而网格质量对温度 场计算的误差又有很大的影响，最终影响结果的精 万方数据 - 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 度。 3 结果分析 图3 电解槽的电压分布。计算结果与文献 [ 2 - 3 ] 的数据基本一致。由图3 可以看出，整个电 解槽的电压降为4 ．2 4 4 v ，与铝电解槽实际电压降相 差不大，说明本文所建模型的正确性。 图3 铝电解槽的电位 F i g ．3 P o t e n t i a l so fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l 铝电解槽各部分的电压降是铝电解槽设计时关 注的对象之～，优良的电位分布不仅使电解槽获得 好的电热平衡，而且能降低铝电解槽总的电压降，起 到节能提效的作用。下表1 为各导体部分相对基准 面的电位分布情况。由表1 可知电解液部分的压降 变化最大，而且整个电解槽的压降主要集中在电解 液部分。阴极炭块部分的压降在采用新的材质后， 比原材料有所减少，说明新材料性能比原材料的要 好。 表1 电位分布表 T a b l eT h ed i s t r i b u t i o no fp o t e n t i a l s 电解槽的温度分布情况如图4 所示。由图4 可 知，在槽帮结壳部分，温度下降梯度较大。因为结壳 较薄，温度梯度主要集中在这里，所以等温线密度很 大。这一区域的槽壳表面温度比底部高，符合侧部 散热底部保温的要求。在槽底，温度差主要集中在 阴极下面的保温材料中。在阴极碳块与底部保温材 料界面上的温度为9 6 0 ℃左右，在底部保温材料和 工字钢之间的温度为8 5 ℃左右，说明槽的底部保温 效果良好。 图4 铝电解槽的温度分布 F i g ．4T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fa l u m i n u m r e d a c t i o nc e l l 4 结论 利用A N S Y S 有限元软件所建的铝电解槽的三 维电热模型能较好地反映实际情况，为电解槽的优 化设计和改进提供参考。阴极炭块部分的压降在采 用新的材质后，比原材料有所减少，说明新材料性能 比原材料的要好。计算结果表明新设计的铝电解槽 比较合理。 参考文献 【1 ] 李劫，程迎军．大型预焙铝电解槽电、热场的有限元计 算[ J ] ．计算物理，2 0 0 3 7 3 5 1 ～3 5 5 ． [ 2 ] 罗海岩，陆继东．铝电解槽三维电热场的A N S Y S 分析 【J ] ．华中科技大学学报，2 0 0 2 9 3 6 ． [ 3 ] M a r cD u p u i s ，G e n iS i m ．C o m p u t a t i o no fA I u m i n u mR e - d u c t i o nC e l lE n e r g yB a l a n c eU z i n gA N S Y SF i n i t eE l e m e a t M o d e l s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 8 4 0 9 4 1 7 ． 万方数据