基于数学模型的铝电解槽动态过程及其预报系统研究

论文摘要

现代铝电解槽普遍趋向于采用低电压、低过热度、低效应系数的操作模式,这就对铝电解槽的能量平衡与物料平衡控制提出了更高的要求。而当前铝电解过程的生产管理与控制过多地依靠专家经验与控制算法,往往忽略铝电解过程的动态特性,因此已难以满足对电解工艺过程实施精细控制的要求。而基于铝电解槽动态过程数学模型的控制理念则从机理上追踪铝电解过程,是铝电解技术的重要发展方向。铝电解过程具有能量与物料输入—输出不平衡的特征,因而具有动态特性。本文以某200kA电解槽为研究对象,在大量查阅中外文献的基础上,深入分析了可能影响铝电解槽能量平衡与物料平衡状态的每一个过程,并分别建立了相应的数学模型,进而通过编程将这些分散的数学模型集成为软件系统,实现了对铝电解槽槽况与发展趋势的动态预测。主要研究内容与创新性成果如下：1)总结了铝电解槽电—热平衡理论,详细归纳了槽体输入、输出能量的理论计算方法；以某200kA铝电解槽为研究对象,采用理论计算与数值仿真相结合的方法,建立了其能量平衡的理论模型,确定了铝电解槽内的主要传热系数。研究了换极与下料操作对铝电解槽能量与物料平衡的影响与传热不平衡造成的电解质成分变化及其数学模型,并详细归纳了各种电解质损失及其数学模型。2)在总结氧化铝溶解研究现状的基础上,深入讨论了氧化铝溶解过程及其溶解机理,针对氧化铝溶解过程的复杂性以及影响因素众多的特征,将氧化铝溶解过程分成相对独立的两步进行研究：建立了下料量与氧化铝物性参数对氧化铝扩散特性影响的数学模型,并依此对氧化铝结块的数目与尺寸进行了计算；提出了氧化铝溶解的传质与传热控制模型,以此求解不同大小氧化铝粒子的溶解速率。经此两步,首次建立了铝电解槽内氧化铝溶解的数学模型,并采用数值方法实现了模型的求解,得到了实验槽的氧化铝溶解曲线。研究结果表明,此溶解模型是有效可靠的。3)深入讨论了气泡夹带机理,借鉴文献给出的气流夹带模型,使用统计方法建立了以液滴尺寸分布与液滴速度分布为待定量的气泡夹带关系式。由于液滴的尺寸分布难以获得,因此引入参数Eo（Ddr,DB）（表示当气泡大小一定时直径小于Ddr的液滴组成的夹带率）来代替液滴尺寸分布,并使用文献给出的实验数据归纳了E0（Ddr,DB）的无量纲表达式；又通过拟合文献数据,建立了液滴夹带的初速度与母体气泡直径以及液体物性参数的通用无量纲关系式；还得到了气泡临界直径与气泡夹带产生的液滴特性（直径、数目、初速度等）的无量纲表达式。据此首次建立了气泡夹带的通用预测模型,以预测不同气—液系统中气泡夹带的夹带率。以此为基础,定量地计算得到某200kA铝电解槽中,由于气泡夹带造成的电解质损失约为3.2kg/h,而这些电解质主要被覆盖层所吸收。4)在深入讨论铝电解槽顶部覆盖层与结壳的形成与退化机理的基础上,以铝电解槽顶部覆盖层为Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系,通过相平衡分析,创造性地提出了描述铝电解槽覆盖层的加热、电解质渗透与熔化过程以及相应成分变化的数学模型,并以此为基础对铝电解槽覆盖层的动态过程进行了有限元分析。计算结果表明,铝电解槽覆盖层的电解质渗透与成分变化主要受其温度场（传热）控制；200kA实验槽的新极从安装到完全通电约需要14小时,随着时间的推移,铝电解槽顶部覆盖层逐渐变薄；覆盖层的退化速率与与文献给出的实测结果基本吻合；阳极中缝处的覆盖层退化速率（约1.2 mm/h）略快于侧部（约0.8mm/h）；从新极初装到安装后约24小时,约有60kg电解质渗入覆盖层,这段时间内覆盖层升温速率较快,电解质的渗透速率较高；随着时间的推移,覆盖层的温度逐渐稳定,电解质的渗透速率逐渐减少,直到维持在一个较低的水平：每块阳极对应的覆盖层每小时约吸收0.25kg电解层；对于一台有28组阳极的200kA铝电解槽,由覆盖层渗透造成的电解质损失约为7kg/h,这种电解质损失仅影响铝电解槽中电解质的重量,而对其成分影响不大。5)使用MATLAB软件将电解过程所涉及的数学模型集成为铝电解过程动态预测系统。该系统由数据输入、初始求解、计算、数据输出等几个部分组成,可以跟踪预测铝电解过程中各个参数的变化,从而实现了铝电解过程的监测。对某200kA实验铝电解槽中电解质成分的预测结果表明,当氧化铝原料中的AlF3量从1%（wt）降到0%（wt）时,每天消耗的AlF3从28.8kg增加到56.7kg以上。预测结果与实测结果对比表明,此模型对电解质温度的预测误差小于0.6%,对分子比的预测误差小于5.5%,而且随着预测周期的减少,预测精度还有进一步提升的空间。表明本文研究和开发的铝电解过程动态预测系统基本具备了工业应用所要求的功能和精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电解铝技术简介
• 1.2 铝电解槽动态特性及其研究的必要性
• 1.2.1 铝电解槽的稳态与非稳态传热特性
• 1.2.2 铝电解槽的物料非平衡态
• 1.2.3 铝电解槽的动态特性
• 1.2.4 铝电解槽动态特性研究的必要性
• 1.3 建立动态模型的可行性
• 1.4 本文的研究目的与主要研究内容
• 第二章 铝电解槽数学模型与控制模型综述
• 2.1 铝电解槽数学模型
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 稳态分布式模型
• 2.1.3 瞬态集总式模型
• 2.1.4 瞬态分布式模型
• 2.2 铝电解槽的过程控制
• 2.2.1 控制策略和应用
• 2.2.2 现有的电解过程控制模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 铝电解槽能量收支理论
• 3.1 铝电解槽中的槽电压组成
• 3.1.1 反电动势
• 3.1.2 欧姆电压
• 3.2 铝电解槽能量消耗理论
• 3.2.1 主要电化学反应能耗
• 3.2.2 槽体热损失
• 3.3 本章小结
• 第四章 铝电解槽稳态电—热平衡模型
• 4.1 某200kA铝电解槽的电—热平衡测试结果与主要参数
• 4.2 铝电解槽电场的数值解析
• 4.2.1 物理模型和数学模型
• 4.2.2 电场模型的边界条件和求解
• 4.2.3 结果讨论与分析
• 4.3 某200kA铝电解槽的电—热场耦合数值解析
• 4.3.1 物理模型和数学模型
• 4.3.2 电—热场模型的边界条件与求解方法
• 4.3.3 求解方法
• 4.3.4 计算结果及其分析
• 4.3.5 覆盖层厚度与烟气量对顶部散热量影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 铝电解槽物料非平衡态及其数学模型
• 5.1 氧化铝的下料、溶解和消耗
• 5.2 颗粒物逃逸造成的电解质损失
• 5.2.1 电解质的挥发损失模型
• 5.2.2 电解质的夹带损失
• 5.3 HF生成造成的电解质损失
• 5.3.1 由电解质与氧化铝水分反应生成的HF
• 5.3.2 由电解质与炭阳极所含的氢反应生成的HF
• 5.3.3 溶解水生成的HF
• 5.4 钠的阴极吸收
• 5.5 其它方面的电解质损失
• 5.5.1 氧化铝所含的杂质
• 5.5.2 氟化锂损失
• 5.6 非稳态传热造成的电解质成分的改变
• 5.7 本章小结
• 第六章 氧化铝溶解模型
• 6.1 先前的研究成果
• 6.2 已有的氧化铝溶解模型
• 6.2.1 半经验模型
• 6.2.2 化学反应控制模型
• 6.2.3 传质控制模型
• 6.2.4 传热控制模型
• 6.2.5 讨论
• 6.3 本文提出的氧化铝溶解模型
• 6.3.1 建模原理
• 6.3.2 氧化铝扩散特性及其数学模型
• 6.3.3 传质控制模型（Mass transfer controlled model）
• 6.3.4 传热控制模型（Heat transfer controlled model）
• 6.4 氧化铝物性参数对氧化铝溶解的影响
• 6.4.1 氧化铝物性参数的内在联系
• 6.4.2 参数拟合
• 6.5 模型的应用方法
• 6.6 本章小结
• 第七章 气泡夹带现象与理论模型
• 7.1 研究方法
• 7.1.1 夹带现象及其机理
• 7.1.2 研究现状
• 7.1.3 主要研究方法
• 7.2 在液体自由表面破裂的临界气泡直径
• 7.2.1 待分析的文献数据
• 7.2.2 无量纲分析
• 7.3 气泡破裂产生的液滴数目
• 7.3.1 已有研究成果
• 7.3.2 文献数据拟合
• 7.3.3 分析与讨论
• 7.4 气泡破裂产生的液滴尺寸
• 7.4.1 空气—水系统
• 7.4.2 无量纲分析
• 7.5 夹带率的无量纲分析
• 7.5.1 夹带率实验结果与无量纲分析
• ratio(D_dr)'>7.5.2 液滴大小分布及E_ratio(D_dr)
• 7.6 液滴运动速度的研究
• 7.6.1 液滴速度模型
• 7.6.2 液滴速度的无量纲分析
• 7.6.3 应用方法
• 7.7 液滴夹带模型的应用
• 7.7.1 电解质的主要物理性质
• 7.7.2 计算方法与步骤
• 7.8 本章小结
• 第八章 顶部覆盖层动态过程的综合建模
• 8.1 概述
• 8.1.1 已有的研究进展
• 8.1.2 顶部覆盖层的动态特性分析
• 8.2 阳极更换的数值模拟
• 8.2.1 模型假设
• 8.2.2 数学模型
• 8.2.3 物料性质和边界条件
• 8.2.4 计算结果讨论
• 8.3 顶部覆盖层动态过程的机理与模型
• 3AlF₆-AlF₃-Al₂O₃三元系基本理论'>8.3.1 Na₃AlF₆-AlF₃-Al₂O₃三元系基本理论
• 8.3.2 顶部覆盖层动态过程及其基本假设
• 8.3.3 顶部覆盖层动态过程的计算模型
• 8.3.4 讨论
• 8.4 覆盖层动态过程的数值仿真模型
• 8.4.1 有限元模型及主要假设
• 8.4.2 数学模型与边界条件
• 8.4.3 计算方法与计算流程
• 8.4.4 计算结果与讨论
• 8.5 本章小结
• 第九章 动态模型系统集成软件的开发及应用
• 9.1 系统集成方法
• 9.2 软件的主要结构与功能
• 9.2.1 开发软件的选择
• 9.2.2 数据输入模块
• 9.2.3 初始化与求解模块
• 9.2.4 数据输出模块
• 9.3 氧化铝溶解模型的预测结果及分析
• 9.4 电解质中各主要物质的收支情况预报
• 9.4.1 电解质夹带损失
• 9.4.2 电解质的其它损失
• 9.5 主要槽况参数的动态特性与发展趋势预报
• 9.6 模型验证
• 9.7 本章小结
• 第十章 全文总结
• 10.1 研究工作总结
• 10.2 主要创新点
• 10.3 进一步工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 1.发表的论文
• 2.参与的科研项目