鋁電解槽下料過程對電解質溫度場的影響

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電解質溫度場的影響

丁培林1，王 恒1，黃 俊2，王紫千2，曹 斌2

(1. 華中科技大學 力學系，武漢 430074；2. 貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 技術研發(fā)中心，貴陽 550081)

鋁電解槽內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破壞電解槽熱平衡。建立鋁電解槽電解質濃度?熱場瞬態(tài)模型，在精確模擬氧化鋁濃度分布的基礎上，研究下料期間電解質溫度及熱平衡的變化趨勢。結果表明：氧化鋁下料時，電解質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；下料結束20 s內，逐漸恢復到正常溫度；氧化鋁下料會打破電解質內的熱平衡，其中部分熱量(最高達300 kW)用來加熱氧化鋁顆粒；20 s后，電解質會達到新的熱平衡狀態(tài)。

鋁電解槽；氧化鋁濃度分布；濃度；熱場；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，電流生成的熱量維持電解所需要的溫度。電解槽生產時，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的流動而散發(fā)，通過電解質與內襯界面的對流傳熱向內襯傳遞，再通過內襯材料的熱傳導向槽外表面?zhèn)鬟f[1]。電解質作為主要的產熱源，其溫度變化對全槽熱平衡影響很大，因此，正確認識電解質溫度場一直是鋁電解行業(yè)亟待解決的重要課題。

實踐證明，鋁電解質溫度的高低，與電流效率的高低有直接關系。電解質溫度每降低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，會對電解槽原有的熱平衡產生干擾；隨著氧化鋁下料的結束，氧化鋁顆粒在流動電解質的帶動下逐漸擴散到全槽，并被加熱到電解溫度950 ℃左右，然后達到新的熱平衡狀態(tài)[2]。在電解槽運行過程中，每隔幾十秒就要打殼下料一次，這勢必會頻繁地改變電解質的溫度場，進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的溫度場的變化規(guī)律。

對于電解質溫度場，不少學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400、500以及600 kA級大型電解槽進行了數(shù)值仿真研究。崔希鳳等[6?7]采用ANSYS電?熱場耦合模塊計算了300 kA級電解槽3D槽幫形狀，同時考察其溫度分布以及各部分壓降，計算結果與實際情況相符，但其只考慮了1/4槽的情況。對氧化鋁顆粒在電解質中的擴散，有很多學者運用仿真軟件對其進行了模擬研究。例如，THOMAS[8]對氧化鋁顆粒的溶解過程進行了數(shù)值模擬，但其計算方法過于復雜，不便于工程應用。詹水清等[9]通過Fluent軟件對鋁電解槽內氣液兩相流多組分模型進行了數(shù)值計算，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過程的多組分多相流模型，并引入了渦結構分析方法來研究電解質流場和下料過程，但其計算時間較短，氧化鋁濃度未呈現(xiàn)出周期性穩(wěn)定變化。關于下料過程對電解質溫度場的影響，國內外很少有人做過相關的研究?；谶@些認識，本文作者結合電解質溫度場、流場和氧化鋁濃度場，建立電解質濃度?熱場瞬態(tài)模型，采用仿真模擬手段來研究氧化鋁下料對電解質溫度場的影響。

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

最后，基于CFD計算軟件CFX，建立了電解質濃度?熱場瞬態(tài)模型，分析研究下料過程中電解質溫度場變化規(guī)律以及電解質熱平衡狀態(tài)的變化，旨在為鋁電解槽生產設計提供技術指導。

1 電解質濃度?熱場計算模型

1.1 模型簡化

鋁電解槽內的熔體流動及氧化鋁擴散是一個復雜的過程，受很多因素的影響。為了方便對電解質進行計算模擬，對其簡化是必要的。為此，本文作者做如下假設：1) 電解質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，氣泡直徑當量取為6 mm[13?14]。

1.2 電解質壁面?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)域的流動狀況與流體主體有很大區(qū)別，一般采用壁函數(shù)對流體流動的邊界層進行近似處理[15]。對于電解質與內襯的換熱，采用牛頓表面冷卻定律進行描述和計算，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。

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

式中：為通過電解質的電流，A；為電解質電阻，Ω；為壓降，V。

為了得到電解質產熱效率，本文作者在ANSYS平臺上建立了三維全槽電?熱場模型，模型包括陽極部分、爐幫、覆蓋料、保溫內襯、電解質、鋁液、陰極部分等，通過加載電流載荷和對流散熱邊界條件進行求解，然后根據式(2)提取每個單元內的焦耳熱，最后求和得到整體電解質的產熱效率為600 kW。

1.3 歐拉?歐拉非均相流模型及控制方程

均相流模型認為氣液兩相混合的很好，具有相同的流動速度和溫度，但這與實際中的流動不符合。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?氣泡的兩相流動。在模擬中，將電解質視作連續(xù)相；考慮到陽極氣泡直徑很小且體積分數(shù)很小，將陽極氣泡視作離散相。

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

本文作者通過仿真軟件MAXWELL建立鋁電解槽的電磁場模型，求解得到了鋁電解槽電解質區(qū)域的電場和磁場分布；然后，根據得到電解質區(qū)域內的電磁力的分布；在此基礎上，采用CFX軟件進行流場計算時，將電磁力以質量源項的方式進行加載。

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?鋁液界面氧化鋁發(fā)生還原反應的理論，本文作者在電解質?鋁液界面上設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

根據法拉第定律、氧化鋁電解方程，氧化鋁的質量消耗速率可表達為[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；為電化學當量；為電流效率。

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

2) 氧化鋁下料模型

氧化鋁下料后，首先形成一個料堆漂浮在電解質表面，隨后被陽極氣泡擊碎攪動，逐漸分散并沒入電解質中。因此，本文作者認為氧化鋁進入電解質有時間滯后性，且氧化鋁溶入電解質相也需要一定的時間，假設為10 s。

為此，本文作者采用的基準周期為72 s，每個周期的下料量根據全槽氧化鋁消耗量得到。假設下料點為6個(見圖1)，按照工藝設計要求，下料期間6個點同時下料，氧化鋁的擴散系數(shù)設為1.5×10?9m2/s。

圖1 鋁電解槽下料點位置示意圖

1.5 材料屬性與邊界條件

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

表1 鋁電解槽流體相關物性參數(shù)

1) Heat.

為了瞬態(tài)計算收斂性，本文作者首先建立穩(wěn)態(tài)電解質濃度?熱場模型，并將穩(wěn)態(tài)計算結果作為瞬態(tài)濃度?熱場計算的初始條件，然后進行計算。在穩(wěn)態(tài)模型計算時，舍去氧化鋁下料、消耗邊界，計算類型由瞬態(tài)改為穩(wěn)態(tài)，初始流體域內電解質相的體積分數(shù)1=1，氧化鋁占電解質比例為2.5%，氣相的體積分數(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象，實現(xiàn)電解質濃度?熱場模型的求解計算。在建模及計算過程中所需的基本結構與工藝參數(shù)如表3所示。

表3 某420kA鋁電解槽工藝與結構參數(shù)

根據設計圖紙在SolidWorks平臺上建立電解質的物理模型，并在CFD ICEM上劃分結構化網格，在陽極間縫、中縫等位置進行局部加密，網格數(shù)量約為30萬，網格質量如圖2。

圖2 420 kA電解質濃度?熱場計算網格

2 結果與分析

2.1 電解質穩(wěn)態(tài)濃度?熱場模型結果分析

為了保證電解質瞬態(tài)濃度?熱場模型的準確性，本文作者計算穩(wěn)態(tài)結果作為瞬態(tài)模型的初始條件，提取穩(wěn)態(tài)電解質溫度場、流場及氧化鋁濃度分布進行簡單分析，如圖3所示(面為極距中間截面)。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，電解質溫度中間稍高、四周稍低，由于電解質的流動，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生陽極氣體的原因。電解質區(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漩渦，這與文獻[10,18]結果一致。在穩(wěn)態(tài)模型中，全槽氧化鋁濃度為2.5%(質量分數(shù))，并作為瞬態(tài)模型的初始濃度。

圖3 穩(wěn)態(tài)濃度?熱場電解質區(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，為了驗證計算中氧化鋁濃度場是否達到了周期性穩(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個周期)左右趨于平緩，并隨下料周期的變化稍有波動。由最大、最小濃度可知，在400 s之后，氧化鋁濃度場的計算結果已趨于穩(wěn)定的周期性變化狀態(tài)，可視作已達到收斂。

圖4 XY面氧化鋁濃度最大、最小濃度隨時間周期性變化圖

面(距離電解質上表面0.175 m)在極距中間，氧化鋁顆粒到達面時溫度已經升高較多，為了更全面地分析電解質上層區(qū)域溫度變化趨勢，本文作者進一步給出了1面(距離電解質表面0.08 m)上的最小溫度及特征點(下料點附近)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，溫度最多降低19 ℃左右；從圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，點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面最小溫度會降低超過10 ℃，這只是在電解質上表面附近很小的一部分區(qū)域，且很快會被加熱到正常溫度；極距層電解質溫度場是電解槽正常運行的主要因素，在極距層溫度最多降低5 ℃左右，屬于正常范圍內，不會影響電解槽的正常運行。

圖7 電解質XY最小面溫度和特征點P的溫度隨時間變化曲線

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)，即作為電解質的熱平衡衡量指標。圖8所示為電解質熱平衡指標隨時間的變化曲線。由圖8可以看出，正常情況下電解質保持很好的熱平衡，但下料過程會破壞原有的熱平衡，部分產熱量用來加熱常溫氧化鋁，最高可達到300 kW(見圖8(a))。隨著氧化鋁溫度達到電解溫度，電解質在下料后20 s左右達到新的熱平衡(見圖8(b))。

圖8 電解質熱平衡隨時間變化曲線

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

4 結論

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

2) 在下料過程中，下料點下方的電解質溫度，在電解質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。下料結束后，溫度降低的電解質先快速升溫10 s，然后緩慢上升，20 s左右電解溫度達到950 ℃。

3) 下料期間熱平衡會被破壞，部分熱量用來加熱氧化鋁顆粒，最多每秒可達到300 kW。隨后20 s左右，電解質溫度會被加熱到電解溫度，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

國家國際科技合作專項項目(2013DFB70220)

2015-04-08；

2015-12-08

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