铝电解槽多物理场耦合分析之电热场耦合计算

铝电解槽是冰晶石—氧化铝熔盐电解法的核心设备，也是铝电解工业发展的最重要的标志。一百多年来，铝电解槽结构不断改进优化，尤其是阳极结构部分，由最初的小型预焙电解槽、侧插自焙阳极电解槽、上插自焙阳极电解槽，发展到大型不连续、连续预焙阳极电解槽，到今天使用的中间下料大型预焙阳极电解槽。铝电解槽设计制造的容量也从160 kA、200 kA、280 kA逐步提高到320 kA、350 kA、420 kA、500 kA等大型预焙电解槽，现已成为铝电解工业的主流，占世界产能的40%，并不断地朝着大型化、现代化方向发展。

虽然我国铝产量处于世界第一位，但是我国铝工业存在着许多问题。总体上产能过剩，行业内竞争激烈；国内氧化铝、电力供应价格不断上涨，原铝的生产成本也相应增加；铝土矿资源短缺；环境污染严重等制约着铝产业的进一步发展^[7]。开发新技术，使铝电解槽更加节能，降低铝电解成本是铝工业的发展趋势。然而，铝电解过程是一个电场、磁场、热场、力场、流场以及浓度场复杂多物理场共同作用的过程，分析各场的作用机理，才能准确的描述铝电解槽运行规律。开展多物理场仿真研究，逐步掌握铝电解槽的运行规律，实现高效率、低能耗的铝电解槽生产是铝电解技术发展的趋势。，

 电热场耦合计算

1 模型说明

电热场计算模型主要包括：立柱母线、大母线、阳极导杆、爆炸焊、阳极钢爪、磷生铁、阳极炭块、电解质、铝液、炉帮、阴极炭块、钢棒、扎糊、槽壳、摇篮架以及侧部和底部的保温材料。

槽帮模型的建立是通过建立槽帮横截面形状再拉伸而成。通过不断调整横截面形状，可以调整槽帮模型，最终使槽帮表面节点温度达到电解质结晶点。

拉伸而成的槽帮模型和角部炭块模型有一部分是重叠的，需要进行布尔操作，而Solidworks里面没有相减的布尔操作，所以布尔操作在导入workbench后进行。

阳极高度根据换极表确定。

图1热场计算整体模型

2 边界条件

1、电场边界条件

（1）立柱母线底部施加总电流420KA

（2）阴极钢棒端头施加零电位

2、热场边界条件

（1）电解槽周围温度按照车间实测温度施加为50℃，覆盖料表面温度施加为槽内烟气温度120℃，其余位置根据实测结果给出。

（2）覆盖料与槽罩内的空气为对流和辐射换热，综合传热系数由公式确定。

3 后处理

1、电场计算结果

电解槽导电部分电位分布如图3- 2所示，从图中可以看到，电解槽的总的压降约为2.07V。

图 2 电解槽电位分布

         电解槽各部分的电压降不能直接通过云图进行提取，而是要利用公式U=Q/I，根据各部件产生的焦耳热提取。因此要先把热场模型导入ANSYS APDL中进行计算，然后利用ANSYS后处理中的单元表提取焦耳热，再根据焦耳热计算出各部件的压降。

2、温度场计算结果

电解质和铝液温度分布如图3和图4所示。电解质和铝液温度为950~953℃左右，与实际生产中的电解温度比较接近。

 图3 电解质温度

 图4 铝液温度

4 结论

本文建立了电解槽全槽电-热耦合计算模型。模型中考虑了阳极高度的变化，阳极高度分布由换极表确定。模型还考虑了电化学反应吸热以及阳极炭块和磷生铁的接触压降等因素，使模型与实际情况更加接近。利用此模型对电解槽的电热场进行计算，得出了电解槽的温度分布、压降分布、散热量分布等，CAE分析与实际测试结果一致，模型可靠性得到了验证。