鋁電解槽多物理場(chǎng)數(shù)學(xué)建模及應(yīng)用研究.pdf

1、鋁電解槽是煉鋁的核心設(shè)備，其發(fā)展與進(jìn)步代表了電解鋁工藝的革新。多物理場(chǎng)在鋁電解槽內(nèi)產(chǎn)生、演變并相互作用，影響鋁電解生產(chǎn)的能耗、效率、槽壽命等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，建立可靠、靈活、易用的鋁電解槽多場(chǎng)耦合仿真模型對(duì)開(kāi)發(fā)高效率、高產(chǎn)率、低能耗與長(zhǎng)壽命的先進(jìn)槽型具有重要意義。 鋁電解槽的多場(chǎng)耦合仿真計(jì)算非常復(fù)雜。鋁電解槽內(nèi)外分布著形狀各異的幾十種媒質(zhì)材料，這使得數(shù)值計(jì)算的前期準(zhǔn)備工作如網(wǎng)格剖分、邊界條件施加等非常繁雜。單個(gè)物理場(chǎng)或耦合場(chǎng)求

2、解的實(shí)施步驟難易程度不同，耦合關(guān)系、接觸現(xiàn)象、磁場(chǎng)開(kāi)域及收斂性等問(wèn)題進(jìn)一步增加了計(jì)算的難度。 本文以鋁電解槽內(nèi)電、磁、熱、流、力五個(gè)物理場(chǎng)為對(duì)象，在使用少量假設(shè)條件、合理分割場(chǎng)域、多場(chǎng)共享模型信息和結(jié)果的前提下，建立起了較為完整的鋁電解槽多物理場(chǎng)仿真模型。在大型預(yù)焙槽、特大型預(yù)焙槽及導(dǎo)流槽等不同槽型上應(yīng)用該模型進(jìn)行了各種仿真研究。 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： （1）從降低方法誤差的角度出發(fā)，把接觸方程引入至電磁場(chǎng)模型，

3、消除水平電流及垂直磁場(chǎng)計(jì)算誤差；建立了槽內(nèi)導(dǎo)體與復(fù)雜母線系統(tǒng)組成的多槽電磁場(chǎng)模型及母線磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換模型。研究表明，接觸模型的運(yùn)用使電力線分布更平緩，水平電流明顯降低：在電場(chǎng)分布較均勻的情況下降低垂直磁場(chǎng)計(jì)算誤差的幅度較小，但在電場(chǎng)分布不均的情況下降低垂直磁場(chǎng)計(jì)算誤差達(dá)0.6mT；無(wú)論電場(chǎng)分布是否均勻，與單一面積常數(shù)母線模型相比，考慮母線截面變化可降低垂直磁場(chǎng)計(jì)算誤差0.3～0.4mT。 （2）基于VOF自由面跟蹤法和自定義的電磁力離

4、散插值函數(shù)建立了單一求解域內(nèi)的電解質(zhì)-鋁液兩相流模型，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的求解。研究表明，在2000～3000次迭代后流場(chǎng)計(jì)算的最大殘差水平低于1×10-4。在河南某電解鋁廠350kA槽上進(jìn)行了電-磁-流場(chǎng)模型的驗(yàn)證，結(jié)果說(shuō)明了仿真模型的可行性和準(zhǔn)確性。 （3）以現(xiàn)代大面進(jìn)電鋁電解槽為對(duì)象，深入研究了槽內(nèi)導(dǎo)體及母線配置對(duì)電、磁、流場(chǎng)分布的影響，總結(jié)了磁場(chǎng)分布特征、母線設(shè)計(jì)思路，獲得了場(chǎng)量分布的協(xié)調(diào)一致性規(guī)律，即電場(chǎng)分布越均勻，磁場(chǎng)分

5、布亦越均勻，界面變形越小。 （4）針對(duì)垂直磁場(chǎng)數(shù)據(jù)多、分布離散的特點(diǎn)，建立了正交最小二乘法曲面擬合函數(shù)，突破了常量或線性函數(shù)給波動(dòng)穩(wěn)定性分析造成的應(yīng)用局限，同時(shí)提高了計(jì)算精度。將不同長(zhǎng)寬比下的磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果耦合到波動(dòng)方程中，計(jì)算得到了槽穩(wěn)定性隨長(zhǎng)寬比的變化趨勢(shì)。研究表明，槽內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布規(guī)律相似，數(shù)值隨長(zhǎng)寬比增加而減小，從而槽子穩(wěn)定性變好；附加母線產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，槽子穩(wěn)定性變差。 （5）開(kāi)發(fā)了瞬態(tài)焙燒啟動(dòng)熱場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)模

6、型，對(duì)河南某電解鋁試驗(yàn)廠300kA槽上進(jìn)行了熱場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。研究表明，設(shè)計(jì)的非均勻電阻率焦粒層鋪設(shè)方法分別使內(nèi)襯溫差降低8.0％～30.0％、升溫速度降低4.5％～12.5％，從而有效避免早期槽破損；根據(jù)線彈性理論，在熱膨脹階段采用半石墨質(zhì)炭塊時(shí)槽體位移與熱應(yīng)力最大，采用石墨化炭塊時(shí)最小，而在隨后30d的熱鈉膨脹階段，采用無(wú)煙煤炭塊時(shí)槽體位移與應(yīng)力最大，采用石墨化炭塊時(shí)電解槽應(yīng)力最小。 （6）針對(duì)導(dǎo)流槽和特大型槽開(kāi)發(fā)必須解決的