铝电解槽铝液扩散传质过程数值模拟及其应用研究

摘要

我国铝电解工业发展迅速，年产铝量已连续13年位居世界第一，高能耗问题制约着电解铝工业的发展。电流效率是反映电解槽能耗的一项重要指标，其影响因素众多，铝液的溶解扩散损失是主要因素之一。目前国内外对铝液溶解扩散的研究相对较少，且主要停留在实验阶段。因此，研究铝液扩散传质过程，建立铝液扩散的数值模型对铝电解工业节能降耗有着重要意义。
　　本文以贵阳铝镁设计研究院的双扩散模型项目为依托，研究了铝电解槽内多相流动规律和铝液扩散传质机理，建立了350kA和420kA系列铝电解槽流场计算模型和极距间铝液湍流扩散模型，分析了气液相间作用与流场和铝液扩散之间的关系，计算分析了不同磁场工况对流场和铝液浓度场的影响，并给出了相应槽型的磁场优化方案或有效的节能措施。本文的主要研究成果如下:
　　(1)考虑了铝电解槽内熔体复杂的相间作用力，选择合适的湍流模型，并对湍流粘度进行修正，以CFX为计算平台，建立了电磁力和气泡驱动力共同作用下350kA和420kA系列铝电解槽的三相流模型，分析了两系列槽型的流动特征及阳极气体行为对流动的的影响。
　　(2)研究了铝液扩散传质机理，考虑了浓度边界层以及湍流传质对铝液扩散过程的影响，建立了铝液扩散传质模型。分析了极距间铝液浓度分布特征，计算结果表明铝液溶解扩散与电解槽流场密切相关，速度较大的区域浓度边界层较薄，扩散速率大。分析极距间铝液浓度分布发现，在浓度边界层内，铝浓度急剧下降至10-5级别，湍流传质区浓度变化不大，而阳极底部铝粒子被氧化，浓度显著降低。极距间浓度分布趋势与国内学者实验测试结果较为吻合。
　　(3)不同磁场工况下的流场和浓度场计算结果表明:电磁力和气泡作用力共同影响铝液扩散过程，当磁场降低到一定程度，气泡行为主导铝液扩散过程;不同槽型的母线配置不同，各方向磁场对流动而扩散略有差别。
　　(4)350kA系列槽Y方向磁场对铝损失的影响较大，优化Y方向磁场效果更佳。X方向磁场增幅超过10％后铝损失显著增加，因此优化Y方向磁场同时应保证X方向磁场增幅不超过10％。420kA系列铝电解槽母线配置比较合理，进一步优化磁场的空间较小，但该系列槽极距相对较低，可采用开槽阳极或穿孔阳极来促进阳极气体逸出，降低气体对流场和扩散的影响，更有利于电流效率的提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 铝电解工业

1．1．1 铝电解概述

1．1．2 我国铝电解工业的发展

1．1．3 我国铝电解工业所面临的问题

1．1．4 铝电解工业节能发展方向

1．2 铝电解槽电流效率

1．2．1 电流效率的定义

1．2．2 影响铝电解槽电流效率的主要因素

1．2．3 电流效率模型

1．3 铝电解槽流场

1．3．1 铝电解槽流场的研究意义

1．3．2 铝电解槽流场的研究进展

1．4 铝电解槽铝液溶解扩散

1．4．1 铝液溶解扩散的研究意义

1．4．2 铝液扩散的研究进展

1．5 计算传质研究

1．6 本文研究内容和意义

1．6．1 项目研究意义

1．6．2 课题研究的主要内容

2 铝电解槽三相流模型建立及应用

2．1 铝电解槽熔体及阳极气体运动分析

2．2 铝电解槽液-液-气三相流物理模型

2．2．1 基本假设

2．2．2 几何模型及网格划分

2．3 铝电解槽液-液-气三相流模型

2．3．1 多相流模型

2．3．2 湍流模型

2．3．3 曳力模型

2．3．4 流动基本方程

2．3．5 模型边界条件及相关物性参数

2．4 结果分析

2．4．1 350kA系列槽速度场分布

2．4．2 420kA系列槽速度场分布

2．4．3 350kA系列槽湍流分布

2．4．4 420kA系列槽湍流分布

2．4．5 气泡行为对湍流的影响

2．5 模型验证

2．6 本章小结

3 铝电解槽铝液扩散传质模型建立及应用

3．1 铝液扩散传质数学模型

3．1．1 湍流传质模型

3．1．2 模型参数的确定

3．1．3 铝液接触损失统计模型

3．1．4 浓度边界层模型

3．1．5 电流效率计算

3．2 物理模型及边界条件

3．2．1 几何模型及网格划分

3．2．2 边界条件

3．2．3 浓度源项

3．3 结果分析

3．3．1 350kA系列槽铝液浓度场分析

3．3．2 420kA系列槽浓度场分析

3．4 结果验证

3．4．1 铝浓度分布验证

3．4．2 铝损失验证

3．5 本章小结

4 磁场对铝电解槽流场和铝浓度场的影响

4．1 铝电解槽磁场工况选定

4．2 磁场对流场的影响

4．2．1 熔体速度分布计算分析

4．2．2 熔体湍流计算结果分析

4．3 磁场对铝液扩散的影响

4．3．1 铝液浓度场计算结果分析

4．3．2 电流效率分析模型

4．3．3 磁场优化思路

4．4 本章小结

5 结论和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢