丁培林，王 恒，黃 俊，王紫千，曹 斌

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鋁電解槽下料過程對(duì)電解質(zhì)溫度場(chǎng)的影響

丁培林1，王 恒1，黃 俊2，王紫千2，曹 斌2

(1. 華中科技大學(xué) 力學(xué)系，武漢 430074；2. 貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，貴陽 550081)

鋁電解槽內(nèi)保持良好的熱平衡可以減少鋁電解過程中的能耗，而氧化鋁周期性的下料會(huì)破壞電解槽熱平衡。建立鋁電解槽電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)瞬態(tài)模型，在精確模擬氧化鋁濃度分布的基礎(chǔ)上，研究下料期間電解質(zhì)溫度及熱平衡的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：氧化鋁下料時(shí)，電解質(zhì)極距層局部溫度降低5 ℃左右，上表面附近區(qū)域最多降低十幾度；下料結(jié)束20 s內(nèi)，逐漸恢復(fù)到正常溫度；氧化鋁下料會(huì)打破電解質(zhì)內(nèi)的熱平衡，其中部分熱量(最高達(dá)300 kW)用來加熱氧化鋁顆粒；20 s后，電解質(zhì)會(huì)達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)。

鋁電解槽；氧化鋁濃度分布；濃度；熱場(chǎng)；熱平衡

鋁電解是高能耗工業(yè)，在氧化鋁電解生成金屬鋁的過程中需要消耗大量的電能，同時(shí)，電流生成的熱量維持電解所需要的溫度。電解槽生產(chǎn)時(shí)，熱量的生成區(qū)域主要集中在陽極與鋁液間的極距層，極間生成的熱量隨著電解質(zhì)的流動(dòng)而散發(fā)，通過電解質(zhì)與內(nèi)襯界面的對(duì)流傳熱向內(nèi)襯傳遞，再通過內(nèi)襯材料的熱傳導(dǎo)向槽外表面?zhèn)鬟f[1]。電解質(zhì)作為主要的產(chǎn)熱源，其溫度變化對(duì)全槽熱平衡影響很大，因此，正確認(rèn)識(shí)電解質(zhì)溫度場(chǎng)一直是鋁電解行業(yè)亟待解決的重要課題。

實(shí)踐證明，鋁電解質(zhì)溫度的高低，與電流效率的高低有直接關(guān)系。電解質(zhì)溫度每降低10 ℃，電流效率將提高1%~1.5%。在下料過程，由于常溫氧化鋁的添加，會(huì)對(duì)電解槽原有的熱平衡產(chǎn)生干擾；隨著氧化鋁下料的結(jié)束，氧化鋁顆粒在流動(dòng)電解質(zhì)的帶動(dòng)下逐漸擴(kuò)散到全槽，并被加熱到電解溫度950 ℃左右，然后達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)[2]。在電解槽運(yùn)行過程中，每隔幾十秒就要打殼下料一次，這勢(shì)必會(huì)頻繁地改變電解質(zhì)的溫度場(chǎng)，進(jìn)而打破電解槽的熱平衡。因此，為了保持良好的熱平衡，提高電流效率，迫切需要了解下料期間電解質(zhì)的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。

對(duì)于電解質(zhì)溫度場(chǎng)，不少學(xué)者已做了大量深入的研究，TABSH等[3]和DUPUIS等[4?5]采用ANSYS軟件建立了電解槽的三維半槽和全槽模型，對(duì)400、500以及600 kA級(jí)大型電解槽進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。崔希鳳等[6?7]采用ANSYS電?熱場(chǎng)耦合模塊計(jì)算了300 kA級(jí)電解槽3D槽幫形狀，同時(shí)考察其溫度分布以及各部分壓降，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，但其只考慮了1/4槽的情況。對(duì)氧化鋁顆粒在電解質(zhì)中的擴(kuò)散，有很多學(xué)者運(yùn)用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬研究。例如，THOMAS[8]對(duì)氧化鋁顆粒的溶解過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，但其計(jì)算方法過于復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。詹水清等[9]通過Fluent軟件對(duì)鋁電解槽內(nèi)氣液兩相流多組分模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，但他們采用氧化鋁均一消耗模型。張翮輝等[10?12]通過CFX軟件建立了420 kA和500 kA鋁電解槽氧化鋁輸運(yùn)過程的多組分多相流模型，并引入了渦結(jié)構(gòu)分析方法來研究電解質(zhì)流場(chǎng)和下料過程，但其計(jì)算時(shí)間較短，氧化鋁濃度未呈現(xiàn)出周期性穩(wěn)定變化。關(guān)于下料過程對(duì)電解質(zhì)溫度場(chǎng)的影響，國(guó)內(nèi)外很少有人做過相關(guān)的研究?；谶@些認(rèn)識(shí)，本文作者結(jié)合電解質(zhì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和氧化鋁濃度場(chǎng)，建立電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)瞬態(tài)模型，采用仿真模擬手段來研究氧化鋁下料對(duì)電解質(zhì)溫度場(chǎng)的影響。

為此，本文作者首先在ANSYS Workbench電?熱場(chǎng)模塊中建立了3D全槽電?熱場(chǎng)模型，求解電解質(zhì)熱量及電解質(zhì)底面電流分布；然后，在Maxwell平臺(tái)上建立了電磁場(chǎng)模型，求解電解質(zhì)區(qū)域的電磁力分布；

最后，基于CFD計(jì)算軟件CFX，建立了電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)瞬態(tài)模型，分析研究下料過程中電解質(zhì)溫度場(chǎng)變化規(guī)律以及電解質(zhì)熱平衡狀態(tài)的變化，旨在為鋁電解槽生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)計(jì)算模型

1.1 模型簡(jiǎn)化

鋁電解槽內(nèi)的熔體流動(dòng)及氧化鋁擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過程，受很多因素的影響。為了方便對(duì)電解質(zhì)進(jìn)行計(jì)算模擬，對(duì)其簡(jiǎn)化是必要的。為此，本文作者做如下假設(shè)：1) 電解質(zhì)視為由冰晶石和氧化鋁兩種組分組成的均相、不可壓縮流體，且爐幫形狀一定；2) 陽極底掌平整；3) 只考慮電解質(zhì)層，忽略鋁液層的存在；4) 陽極氣體為直徑不變的氣體顆粒，氣泡直徑當(dāng)量取為6 mm[13?14]。

1.2 電解質(zhì)壁面?zhèn)鳠峒敖苟鸁?/p>

由于流體流速在壁面附近迅速下降并趨于0，因而近壁面區(qū)域的流動(dòng)狀況與流體主體有很大區(qū)別，一般采用壁函數(shù)對(duì)流體流動(dòng)的邊界層進(jìn)行近似處理[15]。對(duì)于電解質(zhì)與內(nèi)襯的換熱，采用牛頓表面冷卻定律進(jìn)行描述和計(jì)算，其形式如下：

式中：、b、w和f分別為熱流密度、換熱系數(shù)、表面溫度和流體溫度。

鋁電解槽的電解質(zhì)區(qū)域是鋁電解槽中的主要產(chǎn)熱源，其產(chǎn)熱規(guī)律符合焦耳定律，發(fā)熱功率按下式計(jì)算：

式中：為通過電解質(zhì)的電流，A；為電解質(zhì)電阻，Ω；為壓降，V。

為了得到電解質(zhì)產(chǎn)熱效率，本文作者在ANSYS平臺(tái)上建立了三維全槽電?熱場(chǎng)模型，模型包括陽極部分、爐幫、覆蓋料、保溫內(nèi)襯、電解質(zhì)、鋁液、陰極部分等，通過加載電流載荷和對(duì)流散熱邊界條件進(jìn)行求解，然后根據(jù)式(2)提取每個(gè)單元內(nèi)的焦耳熱，最后求和得到整體電解質(zhì)的產(chǎn)熱效率為600 kW。

1.3 歐拉?歐拉非均相流模型及控制方程

均相流模型認(rèn)為氣液兩相混合的很好，具有相同的流動(dòng)速度和溫度，但這與實(shí)際中的流動(dòng)不符合。為此，本文作者基于歐拉?歐拉非均相多相流模型來描述電解質(zhì)?氣泡的兩相流動(dòng)。在模擬中，將電解質(zhì)視作連續(xù)相；考慮到陽極氣泡直徑很小且體積分?jǐn)?shù)很小，將陽極氣泡視作離散相。

在模擬中，將電解質(zhì)區(qū)域中的電解質(zhì)定義為1相，氣泡定義為2相，則控制電解質(zhì)流場(chǎng)連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程分別為[10]

本文作者通過仿真軟件MAXWELL建立鋁電解槽的電磁場(chǎng)模型，求解得到了鋁電解槽電解質(zhì)區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布；然后，根據(jù)得到電解質(zhì)區(qū)域內(nèi)的電磁力的分布；在此基礎(chǔ)上，采用CFX軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，將電磁力以質(zhì)量源項(xiàng)的方式進(jìn)行加載。

1.4 氧化鋁消耗與下料模型

基于李劼等[9?11]提出的電解質(zhì)?鋁液界面氧化鋁發(fā)生還原反應(yīng)的理論，本文作者在電解質(zhì)?鋁液界面上設(shè)置氧化鋁消耗分布函數(shù)。為了保證氧化鋁流入和消耗的平衡，通過氧化鋁消耗函數(shù)計(jì)算得到氧化鋁的消耗量，并將其作為氧化鋁顆粒的下料量。

1) 氧化鋁消耗模型

根據(jù)法拉第定律、氧化鋁電解方程，氧化鋁的質(zhì)量消耗速率可表達(dá)為[10]

式中：loc為氧化鋁的局部消耗速率；b為底面電流密度分布；為電化學(xué)當(dāng)量；為電流效率。

由式(5)可知，電解質(zhì)局部消耗速率loc和電流密度分布b有關(guān)，因此，本文作者在電磁場(chǎng)模型中提取底面電流密度分布，根據(jù)式(5)得到氧化鋁消耗的分 布。然后根據(jù)消耗量及物料平衡計(jì)算出下料量約為 0.07 kg/s。

2) 氧化鋁下料模型

氧化鋁下料后，首先形成一個(gè)料堆漂浮在電解質(zhì)表面，隨后被陽極氣泡擊碎攪動(dòng)，逐漸分散并沒入電解質(zhì)中。因此，本文作者認(rèn)為氧化鋁進(jìn)入電解質(zhì)有時(shí)間滯后性，且氧化鋁溶入電解質(zhì)相也需要一定的時(shí)間，假設(shè)為10 s。

為此，本文作者采用的基準(zhǔn)周期為72 s，每個(gè)周期的下料量根據(jù)全槽氧化鋁消耗量得到。假設(shè)下料點(diǎn)為6個(gè)(見圖1)，按照工藝設(shè)計(jì)要求，下料期間6個(gè)點(diǎn)同時(shí)下料，氧化鋁的擴(kuò)散系數(shù)設(shè)為1.5×10?9m2/s。

圖1 鋁電解槽下料點(diǎn)位置示意圖

1.5 材料屬性與邊界條件

在熱場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算中，需要給定材料屬性包括電解質(zhì)和陽極氣泡的密度、黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。參考以前的研究工作[10, 16?18]，本研究中的材料屬性設(shè)置如表1所列。

表1 鋁電解槽流體相關(guān)物性參數(shù)

1) Heat.

為了瞬態(tài)計(jì)算收斂性，本文作者首先建立穩(wěn)態(tài)電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)模型，并將穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)濃度?熱場(chǎng)計(jì)算的初始條件，然后進(jìn)行計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算時(shí)，舍去氧化鋁下料、消耗邊界，計(jì)算類型由瞬態(tài)改為穩(wěn)態(tài)，初始流體域內(nèi)電解質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)1=1，氧化鋁占電解質(zhì)比例為2.5%，氣相的體積分?jǐn)?shù)2=0，其他條件不變。

1.6 物理模型

本文作者以某420 kA鋁電解槽作為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)模型的求解計(jì)算。在建模及計(jì)算過程中所需的基本結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)如表3所示。

表3 某420kA鋁電解槽工藝與結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赟olidWorks平臺(tái)上建立電解質(zhì)的物理模型，并在CFD ICEM上劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在陽極間縫、中縫等位置進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量約為30萬，網(wǎng)格質(zhì)量如圖2。

圖2 420 kA電解質(zhì)濃度?熱場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格

2 結(jié)果與分析

2.1 電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)濃度?熱場(chǎng)模型結(jié)果分析

為了保證電解質(zhì)瞬態(tài)濃度?熱場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性，本文作者計(jì)算穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為瞬態(tài)模型的初始條件，提取穩(wěn)態(tài)電解質(zhì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及氧化鋁濃度分布進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，如圖3所示(面為極距中間截面)。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)溫度中間稍高、四周稍低，由于電解質(zhì)的流動(dòng)，整體溫度分布比較均勻；在陽極炭塊下方，溫度有些許變化，這是陽極炭塊底部產(chǎn)生陽極氣體的原因。電解質(zhì)區(qū)域的水平流速存在較大的差異，在陽極投影四周和槽子角部區(qū)域流速較大，且在小面附近形成兩個(gè)漩渦，這與文獻(xiàn)[10,18]結(jié)果一致。在穩(wěn)態(tài)模型中，全槽氧化鋁濃度為2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并作為瞬態(tài)模型的初始濃度。

圖3 穩(wěn)態(tài)濃度?熱場(chǎng)電解質(zhì)區(qū)域XY面溫度分布、流速分布及濃度分布圖

2.2 氧化鋁濃度分布及周期穩(wěn)定性分析

在鋁電解槽運(yùn)行過程中，氧化鋁濃度分布隨著下料過程呈周期性變化，為了驗(yàn)證計(jì)算中氧化鋁濃度場(chǎng)是否達(dá)到了周期性穩(wěn)定變化狀態(tài)，本文作者給出面氧化鋁最大、最小濃度隨時(shí)間變化曲線。由圖4可以看出，隨著氧化鋁下料，其最大濃度由2.65%上升到3.65%，但隨氧化鋁的消耗，其濃度又逐漸降低到2.65%，且很快呈現(xiàn)出周期性穩(wěn)定變化；最小濃度則由2.5%一直降低，在400 s(第5個(gè)周期)左右趨于平緩，并隨下料周期的變化稍有波動(dòng)。由最大、最小濃度可知，在400 s之后，氧化鋁濃度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果已趨于穩(wěn)定的周期性變化狀態(tài)，可視作已達(dá)到收斂。

圖4 XY面氧化鋁濃度最大、最小濃度隨時(shí)間周期性變化圖

面(距離電解質(zhì)上表面0.175 m)在極距中間，氧化鋁顆粒到達(dá)面時(shí)溫度已經(jīng)升高較多，為了更全面地分析電解質(zhì)上層區(qū)域溫度變化趨勢(shì)，本文作者進(jìn)一步給出了1面(距離電解質(zhì)表面0.08 m)上的最小溫度及特征點(diǎn)(下料點(diǎn)附近)的溫度隨下料周期的變化曲線，分別如圖7(a)和(b)所示。從圖7(a)可以看出，在1面內(nèi)，溫度最多降低19 ℃左右；從圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)在下料期間溫度迅速降低16 ℃左右，然后快速升溫10 s左右，最后溫度緩慢升至950 ℃保持不變。電解槽的過熱度一般在10 ℃左右，在下料期間1面最小溫度會(huì)降低超過10 ℃，這只是在電解質(zhì)上表面附近很小的一部分區(qū)域，且很快會(huì)被加熱到正常溫度；極距層電解質(zhì)溫度場(chǎng)是電解槽正常運(yùn)行的主要因素，在極距層溫度最多降低5 ℃左右，屬于正常范圍內(nèi)，不會(huì)影響電解槽的正常運(yùn)行。

圖7 電解質(zhì)XY最小面溫度和特征點(diǎn)P的溫度隨時(shí)間變化曲線

為了分析鋁電解槽的熱平衡，本文作者采用生熱量(h)減去散熱量(d)，即作為電解質(zhì)的熱平衡衡量指標(biāo)。圖8所示為電解質(zhì)熱平衡指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線。由圖8可以看出，正常情況下電解質(zhì)保持很好的熱平衡，但下料過程會(huì)破壞原有的熱平衡，部分產(chǎn)熱量用來加熱常溫氧化鋁，最高可達(dá)到300 kW(見圖8(a))。隨著氧化鋁溫度達(dá)到電解溫度，電解質(zhì)在下料后20 s左右達(dá)到新的熱平衡(見圖8(b))。

圖8 電解質(zhì)熱平衡隨時(shí)間變化曲線

基于以上分析可以發(fā)現(xiàn)，下料期間極距層的電解質(zhì)溫度最多降低5 ℃左右，電解質(zhì)上表面小部分區(qū)域會(huì)降低到十幾度，但很快會(huì)被加熱，下料結(jié)束十幾秒內(nèi)，常溫氧化鋁會(huì)被加熱到正常的電解溫度。溫度降低的電解質(zhì)部分與氧化鋁的濃度分布相關(guān)，且在氧化鋁擴(kuò)散過程總會(huì)被加熱，因此，距離下料點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域電解質(zhì)溫度幾乎不受影響。下料會(huì)破壞電解質(zhì)的熱平衡，部分產(chǎn)熱量會(huì)用來加熱常溫氧化鋁顆粒，不過在下料結(jié)束20 s左右會(huì)形成新的熱平衡。

4 結(jié)論

1) 本研究模型很好地模擬全槽氧化鋁濃度分布。電解質(zhì)流動(dòng)帶動(dòng)氧化鋁向全槽輸運(yùn)，同時(shí)氧化鋁由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，并且氧化鋁濃度分布在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)周期性穩(wěn)定變化。

2) 在下料過程中，下料點(diǎn)下方的電解質(zhì)溫度，在電解質(zhì)上表面附近降低十幾度；下降過程中逐漸加熱，在極距層只有5 ℃左右的下降變化。下料結(jié)束后，溫度降低的電解質(zhì)先快速升溫10 s，然后緩慢上升，20 s左右電解溫度達(dá)到950 ℃。

3) 下料期間熱平衡會(huì)被破壞，部分熱量用來加熱氧化鋁顆粒，最多每秒可達(dá)到300 kW。隨后20 s左右，電解質(zhì)溫度會(huì)被加熱到電解溫度，且形成新的熱平衡。

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(編輯 李艷紅)

Effect of feeding in aluminum reduction cell on electrolyte temperature

DING Pei-lin1, WANG Heng1, HUANG Jun2, WANG Zi-qian2, CAO Bin2

(1. Department of Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Guiyang Aluminum-Magnesium Design and Research Institute Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

Keeping good heat balance in the aluminum reduction cell can decrease the energy consumption in the process of aluminum electrolysis, but the feeding can destroy the heat balance. The transient model of alumina concentration and thermal field in cell was established. Based on the accurate simulation of the alumina concentration distribution, the temperature and heat balance were studied. The results show that the local electrolyte temperature decrease about 5 ℃ in the electrolyte space layer and the dozen degrees around the bath surface, and gradually restored to the original temperature after 20 s. The feeding can break the heat balance of the cell, and heat at 300 kW is used to heat the alumina particles. After 20 s, the cell reaches a new heat balance state.

aluminum reduction cell; alumina concentration distribution; concentration; thermal field; heat balance

Project(2013DFB70220) supported by the National Science and Technology Cooperation of China

2015-08-11; Accepted date: 2015-12-02

DING Pei-lin; Tel: +86-13387545829; E-mail: dingpeilin@hust.edu.cn

1004-0609(2016)02-0430-09

TF821

A

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFB70220)

2015-04-08；

2015-12-08

丁培林；電話：13387545829；E-mail：dingpeilin@hust.edu.cn