铝电解槽铝液扩散传质过程数值模拟及其应用研究

作     者：韦隆和 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李贺松

授予年度：2014年

学科分类：080603[工学-有色金属冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：铝电解槽 数值模拟 电流效率 扩散传质 铝液浓度 

摘      要：我国铝电解工业发展迅速,年产铝量已连续13年位居世界第一,高能耗问题制约着电解铝工业的发展。电流效率是反映电解槽能耗的一项重要指标,其影响因素众多,铝液的溶解扩散损失是主要因素之一。目前国内外对铝液溶解扩散的研究相对较少,且主要停留在实验阶段。因此,研究铝液扩散传质过程,建立铝液扩散的数值模型对铝电解工业节能降耗有着重要意义。 本文以贵阳铝镁设计研究院的双扩散模型项目为依托,研究了铝电解槽内多相流动规律和铝液扩散传质机理,建立了350kA和420kA系列铝电解槽流场计算模型和极距间铝液湍流扩散模型,分析了气液相间作用与流场和铝液扩散之间的关系,计算分析了不同磁场工况对流场和铝液浓度场的影响,并给出了相应槽型的磁场优化方案或有效的节能措施。本文的主要研究成果如下： （1）考虑了铝电解槽内熔体复杂的相间作用力,选择合适的湍流模型,并对湍流粘度进行修正,以CFX为计算平台,建立了电磁力和气泡驱动力共同作用下350kA和420kA系列铝电解槽的三相流模型,分析了两系列槽型的流动特征及阳极气体行为对流动的的影响。 （2）研究了铝液扩散传质机理,考虑了浓度边界层以及湍流传质对铝液扩散过程的影响,建立了铝液扩散传质模型。分析了极距间铝液浓度分布特征,计算结果表明铝液溶解扩散与电解槽流场密切相关,速度较大的区域浓度边界层较薄,扩散速率大。分析极距间铝液浓度分布发现,在浓度边界层内,铝浓度急剧下降至10-5级别,湍流传质区浓度变化不大,而阳极底部铝粒子被氧化,浓度显著降低。极距间浓度分布趋势与国内学者实验测试结果较为吻合。 （3）不同磁场工况下的流场和浓度场计算结果表明：电磁力和气泡作用力共同影响铝液扩散过程,当磁场降低到一定程度,气泡行为主导铝液扩散过程;不同槽型的母线配置不同,各方向磁场对流动而扩散略有差别。 （4）350kA系列槽Y方向磁场对铝损失的影响较大,优化Y方向磁场效果更佳。X方向磁场增幅超过10%后铝损失显著增加,因此优化Y方向磁场同时应保证X方向磁场增幅不超过10%。420kA系列铝电解槽母线配置比较合理,进一步优化磁场的空间较小,但该系列槽极距相对较低,可采用开槽阳极或穿孔阳极来促进阳极气体逸出,降低气体对流场和扩散的影响,更有利于电流效率的提高。（图52幅,表11个,参考文献79篇）