论文摘要
铝电解工艺中,强大的电流通过铝电解槽产生磁场,磁场分布将直接影响到熔体流动状态,而熔体流动,特别是电解质／铝液界面波动,对铝电解槽的生产操作、能耗、电流效率及电解槽寿命等技术经济指标有重大影响。因此,研究铝电解槽电磁场及其熔体流动情况,对于电解铝工业节约能耗、提高电流效率具有重要的意义。本研究针对冯乃祥教授提出的异型阴极结构炭块,基于Maxwell电磁场方程组并结合N-S湍流运动方程,利用有限元棱边单元法和有限体积法求解异型结构铝电解槽电磁场及铝液波动,分析对比异型结构电解槽内电流、磁场、流场及电解质／铝液界面波动变化情况。铝电解槽结构复杂,且槽内外媒质形状大小各异,这使得网格剖分、边界条件施加等非常繁杂。本文在建立模型网格时,对尺寸变化大的接触部件采用较为精密的规则结构网格,以保证部件之间的连通性及结果的精确性；对最外层空气使用规则结构网格,内层空气使用非结构网格,以减少总网格数量从而减少求解时间。本文研究了不同阴极结构对电解槽内电场、磁场分布的影响,并对其计算结果进行分析对比。研究结果表明：异型阴极结构铝电解槽中阴极电流密度值提高,其分布较传统型电解槽更加均匀,同时在凸起表面形成较弱的水平电流,其间接削弱了铝液纵向波；异型结构电解槽整体槽压降比传统型槽压降均有所减小,且减小最大值为178mV；异型结构电解槽铝液磁场分布较为均匀平缓,且总的磁感应密度较传统型电解槽有所减小。以电磁力作为流体运动的主要动力源,利用均相流模型及N-S湍流运动方程组,研究异型阴极结构电解槽内熔体的运动状态,分析对比不同阴极结构炭块对流场的影响。研究结果表明：仅电磁力作用时,铝液是以水平运动为主,且在铝液的流场中呈现两个反向漩涡：异型阴极结构炭块降低了铝液的流速,其平均流速减小的最大值为0.0582m·s-1；异型阴极结构电解槽电解质／铝液界面振幅相对与传统型电解槽最大减小了0.83cm。传统型阴极结构电解槽与异型阴极结构电解槽相比,异型电解槽具有铝液磁场较为平缓,分布亦较均匀：电解槽电压降降低；电解质／铝液界面的波动幅度减小等特点,由此可以得出异型结构电解槽较传统型电流效率提高,大大减小了能耗。