导流型铝电解槽燃气预热焙烧过程中多场数值仿真研究

论文摘要

铝电解槽的预热焙烧过程对槽寿命有着十分重要的影响。然而,导流型铝电解槽本身的结构特点决定了其预热焙烧过程存在着一定的难度。因此,导流槽预热焙烧过程的研究,对导流槽的研究与开发具有重要的意义。本文结合国家“973”项目的子课题“新型导流型铝电解槽设计基础研究”,应用数值模拟方法对导流槽燃气预热焙烧过程中多场进行了研究。 文献资料表明,数值模拟法广泛应用于普通铝电解槽的研究,并取得了显著效果。相对于静态而言,铝电解槽预热焙烧过程的研究较少,导流型铝电解槽燃气预热焙烧过程的研究未见相关文献报道。 本文建立了铝电解槽燃气预热焙烧过程中流场、温度场及热应力场的数学模型。以160kA普通槽为研究对象,取半槽为解析区域,运用商业软件FLUENT和ANSYS对多场进行了数值仿真研究,并将计算结果与测试数据及文献结果进行了比较,结果表明其模型与方法是可行的。 利用已经验证的模型,对156kA导流槽燃气预热焙烧过程中的流场与温度场进行了数值仿真研究,结果表明: （1）采用普通槽燃气喷口布置方式时,经过72小时的焙烧,阴极碳块表面的平均温度为910℃,聚铝沟的平均温度为846℃,槽底的平均温度为64.1℃,基本上可以满足导流槽启动的工艺要求; （2）阴极碳块周围捣固糊的平均温度达到720℃,得到了充分的焙烧,与焦粒焙烧法相比,这是燃气预热焙烧法的优点; （3）为了提高阴极碳块表面温度的均匀性,调整端部喷口的偏角,并对不同偏角时（如10°、15°、20°、30°）导流槽内的流场、温度场进行了数值模拟,得到了端部喷口的最佳偏角为15-20°。 在此基础上,对其热应力场进行了数值仿真研究,结果表明: （1）焙烧终了时,导流槽的最大位移量为6.17mm,最大热应力位于端部槽壳与摇篮架的交接处,阴极碳块的最大热应力位于燕尾槽的角部; （2）采用半石墨质碳块后,槽体温度升高,导致槽体的最大位移量增加0.84mm,槽壳的最大热应力增加57MPa,但阴极碳块的最大热应力不变,聚铝沟的平均热应力减小2.3MPa。考虑到阴极碳块的形变是影响槽寿命的关键环节,因此,建议将导流槽中的普通阴极碳块改成半石墨质阴极碳块。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 导流槽概述
• 1.2 预热焙烧过程研究的意义
• 1.3 课题背景及本文的主要研究内容
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 铝电解槽预热焙烧方法概述
• 2.1.1 预热焙烧的机理
• 2.1.2 预热焙烧方法的比较
• 2.2 铝电解槽温度场的数值仿真研究
• 2.2.1 静态数值仿真
• 2.2.2 非稳态数值仿真
• 2.3 铝电解槽应力场的数值仿真研究
• 2.3.1 槽壳的应力研究
• 2.3.2 阴极内衬的热应力研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 燃气预热焙烧过程中的数学模型及其验证
• 3.1 燃气部分的流场、温度场的数学模型
• 3.2 槽体部分的温度场、热应力场的数学模型
• 3.2.1 槽体温度场的数学模型
• 3.2.2 槽体热应力场的数学模型
• 3.3 数值计算方法
• 3.4 数学模型与计算方法的验证
• 3.4.1 流场、温度场的数学模型与计算方法的验证
• 3.4.2 热应力场数学模型与计算方法的验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 流场、温度场的数值仿真与优化
• 4.1 物理模型及定解条件
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 定解条件
• 4.2 计算结果及分析
• 4.3 喷口偏角的优化
• 4.4 阴极碳块材料的优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 热应力场的数值仿真研究
• 5.1 物理模型及边界条件
• 5.1.1 物理模型
• 5.1.2 边界条件
• 5.2 计算结果及分析
• 5.3 阴极碳块材料的优化
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢