超大型铝电解槽内衬结构优化与热电场解析

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June 2010

超大型铝电解槽内衬结构优化与热电场解析

班允刚,王德全,戚喜全,杨青辰,毛 宇

(东北大学设计研究院(有限公司),沈阳110013)

摘 要:利用ANSYS 软件对大型铝电解热电场进行了反复的优化计算,最终优化出了适合于超大型铝电解槽的内衬结构.ANSYS 热电场耦合计算结果表明:电解槽各区域能量分布合理,散热比例适当,可形成稳定合理的槽帮,进而确保电解槽在合理的热平衡状态下运行.文献标识码:A 文章编号:167126620(2010)S120011203

目前我国的铝电解槽寿命与国外仍有较大差距,除了材料质量因素以外,主要原因是电解槽内衬结构配置,以及生产工艺参数选取和生产管理

等方面的原因.内衬结构的配置和合理的能量平衡的设计将在很大程度上影响电解槽寿命和电流效率等重要指标

[1~3]

.

良好的能量平衡是铝电解槽稳定生产的前提.铝电解槽热电场的分布状态,直接影响到槽帮的形状和整个槽的电热平衡,进而影响电流效率、吨铝能耗、槽寿命等重要指标.保持良好的热平衡是减少铝电解能耗的关键因素之一.在铝电解槽的设计上,要求在保持适当的电解温度时,电解槽侧部散热比例适当,可自热生成一定厚度的炉帮,形成规整的槽膛内型,同时保证电解槽侧部内衬材料免受熔融电解质和铝液的侵蚀.在电解槽底部防渗保温结构的设计上,要求加强底部保温,控制阴极钢棒的散热量,以避免生成沉淀,增大炉底压降.

随着电解槽容量的增大,电解槽单位表面积散热负荷逐渐增大.因此,如何确保超大型铝电解槽稳定的能量平衡,以及合理的炉膛形状和内衬温度分布,成为摆在设计者面前的重要课题.笔者利用自行开发的基于ANS YS 三维热电模拟软件,对超大型铝电解槽热电场进行了反复的模拟计算,最终优化出了适于超大型铝电解槽的内衬结构,确保实现理想的的温度场分布和炉膛形状.

1 内衬结构优化配置

笔者针对现行大型铝电解槽内衬结构配置方面进行了改进,主要体现在:

(1)在电解槽侧下部内衬的设计中采用了可压缩性材料,即阴极碳块端部与槽壳内壁间由阴极糊料、高强浇注料和陶瓷纤维板构成电解槽端

部浇注轻质浇注料,其内侧至阴极碳块间捣固阴

极糊料.本结构具有一定的可压缩性,在保证能量平衡的前提下,可最大限度地吸收内衬膨胀,延长电解槽槽寿命.

(2)加强电解槽侧下部保温,控制阴极钢棒散热量,避免伸腿过长.

(3)在电解槽端部和角部采用炭块进行拼接,缩小加工面,加强电解槽端部保温,避免角部槽帮过厚而影响电解生产.

2 铝电解槽热电场解析

211 计算模型

选取电解槽切片模型,利用基于A NS YS 的铝电解槽热电场模拟软件以及ANS YS 特有的电热耦合分析模块,实现对电解槽热电场的耦合计算,以获得理想的温度场分布和炉膛形状.500kA 级大型铝电解槽热电场计算有限元模型如图1所示.

图1 铝电解槽热电场计算有限元模型

212 基本假设

由于铝电解槽内电场与温度场的强烈耦合关系,一般不解析温度场,而是将电场与温度场进行偶合计算.本文选取电解槽稳定生产时的状

态来分析计算,即按稳态处理,电解质成分固定,结壳在固定的初晶温度值下凝结和熔化,不考虑相变潜热.此时,电热问题的实质是求解导电的拉普拉斯方程和有内热源导热的泊松方程.由于铝液和电解质较强烈的湍流运动,认为熔体温度基本均匀,它以对流的方式向槽内衬传递热量,热量在槽内衬中以传导的方式经由各层传到槽壳外表面,再以对流和辐射的方式散失到周围环境中.熔体温度作为熔体与阳极、阴极和结壳进行对流的流体边界温度,熔体与阳极、阴极和结壳间的对流换热系数给定经验值.由于电解槽内衬包含多种材料,各层材料由内到外的温度变化范围很大(一般从100e 至960e ),因此各种材料的导热系数和电阻率等参数按非线性处理.213 边界条件21311 热边界条件

本文热电场计算模型的热边界条件如下:(1)熔体温度均匀给定;

(2)环境温度按车间平均温度给定;

(3)槽体表面散热系数按特定函数公式给定;

(4)阴极母线与软母线的接触点的温度为给定值;

(5)不同材料接触面间的接触热阻和接触电阻问题在模型中考虑.21312 电边界条件

模型的电边界条件如下:

(1)结壳不导电,电流全部通过阴极炭块,从阴极钢棒导出;

(2)各阳极导杆电流均匀给定;

(3)阴极钢棒电流为总电流的平均分摊值;(4)设定阴极炭块上表面为基准电位,铝液层电位均匀.214 计算结果

21411 温度分布

图2和图3分别为电解槽温度分布云图和温度等值线图.由图可看出,电解槽侧部等温线陡直,底部等温线平直.900e 等温线在阴极碳块以下,可确保电解质结晶温度线在阴极碳块内的长度最短,对阴极的破坏性最小,有利于槽寿命的延长.800e 等温线在保温砖以上,槽底及侧下部保温良好.在槽帮结壳部分温度下降梯度较大,等温线密集,符合侧部散热的要求.各部分温度在合理范围内.

21412 阴极电压

图4为NEU I 500型铝电解槽阴极压降分布

云图,由图可知,阴极压降为31716mV .

21413 槽帮形成情况

利用ANSYS 有限元计算软件可循环计算炉帮形状

[4]

,经过多次迭代计算得到的NEU I500型

铝电解槽槽帮形状及温度云图如图5所示.

由计算结果可知,电解质层对应的平均结壳厚度约为1417c m ,铝液处平均结壳厚度约为514c m .电解槽槽帮形成情况比较理想.21414 热平衡情况

大型铝电解槽热平衡计算结果如表1所示,各区域具体散热比例如图6所示.

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材料与冶金学报 第9卷

表1500kA级大型铝电解槽热平衡计算结果名称参数/k W比例/%

1热收入(不含反应能耗)1075160

2热损失1055115100

211阳极热损失49015446149

其中:覆盖料22915021175

钢爪19414618143

导杆661586131 212阴极热损失516153151

其中:槽壳304183281

摇篮架17910616197

钢棒及软带801727165

3热不平衡度1.90%

由图6可知,大型铝电解槽各区域散热比例合理,电解槽热收入与热支出的不平衡度仅为1190%,在计算误差允许范围内

.

图6500kA级大型铝电解槽各区域散热分布

3结论

利用ANSYS软件对超大型铝电解槽进行了反复的优化计算,对内衬结构的配置进行了改进.计算结果表明,内衬结构优化后的电解槽热电场分布及各区域散热比例合理,各部分温度在合理范围内,炉帮厚度适中,槽膛形状理想,可确保超大型铝电解槽在理想的热平衡状态下运行,进而提高电解槽的各项技术经济指标.

(上接第10页)

(1)可以采用Na NO2-KNO3-N a NO3系熔盐体系作为换热介质,对铝电解槽侧部散热进行回收,得到的高温熔盐可以在氧化铝生产中的管道化溶出工序作为加热介质使用,实现了余热回收利用.

(2)设计了可以在工业上使用的换热器结构,并将换热器与电解槽结构有机地结合起来,在保证铝电解平稳运行的同时,最大幅度地回收热量.

(3)系统地研究了N a NO2-K NO3-N a NO3系熔盐体的物理化学性质,优化了换热介质成分,为给体系换热介质在铝电解槽上应用奠定了理论基础.

(4)设计研制了2000A新型换热电解槽,并进行了换热电解试验,试验结果表明该电解槽可以平稳的运行,并可成功回收侧部散热量的80%,在回收热量的同时,还可以通过换热系统的运行,来人为控制电解槽的侧部结壳厚度,实现铝电解槽炉帮的可控制.

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