铝电解槽阳极铁—碳接触压降仿真与优化研究

论文摘要

随着经济的不断发展,在国民生产生活中铝需求量不断增加,铝工业的规模发展十分迅速。铝电解行业是耗能大户,在世界能源日益紧张的今天,对其进行节能降耗研究是十分必要的。针对国内铝电解槽阳极铁-碳压降过高的现状,本文以ANYSY有限元软件为平台,建立了铝电解槽阳极热场、应力场、电场耦合模型,对铝电解槽阳极铁-碳接触压降进行模拟计算,研究不同磷生铁膨胀性对接触压降的影响、不同质量的阳极炭块与磷生铁膨胀匹配性,并运用所建模型模拟计算了碳碗尺寸、形状的改变对阳极接触电阻的影响。主要成果如下：1)运用ANSYS有限元分析软件建立了含接触电阻的铝电解槽阳极热场、应力场和电场仿真模型,并对其进行了正确性验证。2)讨论了影响接触电阻的各项因素,得出影响铝电解槽阳极铁-碳接触电阻的主要因素为接触压力。针对接触压力为主要影响因素的接触电阻计算公式,通过仿真与现场测试相结合的手段确定铁-碳接触的接触电阻系数Kc,从而实现铝电解槽阳极铁-碳接触电阻的计算。3)运用仿真的手段确定某铝厂最佳磷生铁膨胀系数,仿真结果表明：在确保安全生产的前提下,通过膨胀系数的调整,可以降低阳极接触压降20.4 mV。4)通过不断调整磷生铁膨胀系数,得到不同磷生铁膨胀系数下阳极炭块应力及阳极压降,拟合出膨胀系数与阳极压降的匹配曲线。对各个铝厂不同质量阳极炭块采取不同的磷生铁膨胀系数进行匹配,以期最大限度的减小铁-碳接触电阻。5)针对阳极碳碗尺寸对接触压降的影响进行仿真模拟研究,分别对碳碗直径增大、深度增加进行了热场,应力场和电场研究,并与传统碳碗进行比较,分析总结了不同改造方式对降低阳极接触压降的贡献。6)针对阳极上开槽技术,本文对其进行仿真模拟研究,并与传统阳极进行比较,确定其对接触电阻的影响,并分析了上开槽在实践过程中可能存在的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 铝电解原理
• 1.2 铝电解工业现状
• 1.3 铝电解技术现状
• 1.4 铝电解槽阳极接触压降概述与研究现状
• 1.4.1 铝电解槽阳极接触压降概述
• 1.4.2 铝电解槽阳极接触压降研究进展
• 1.5 本文研究意义,研究内容和研究思路
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究思路
• 第二章 铝电解槽阳极数学模型及数值求解方法
• 2.1 铝电解槽阳极简介
• 2.2 铝电解槽预焙阳极数学模型控制方程
• 2.3 铝电解槽阳极热场、应力场、电场的数值计算方法
• 2.3.1 数值计算方法简介
• 2.3.2 有限差分解法
• 2.3.3 有限元解法
• 2.3.4 数值计算方法的选择
• 2.3.5 耦合方法的选择
• 2.3.6 铝电解槽阳极热场、应力场、电场数值仿真基本思路
• 2.4 本章小结
• 第三章 铝电解槽阳极热场、应力场和电场仿真模拟计算
• 3.1 铝电解槽阳极模型建立
• 3.1.1 阳极建模及网格划分
• 3.1.2 边界条件
• 3.2 仿真模拟结果分析
• 3.2.1 阳极热场仿真结果分析
• 3.2.2 阳极热应力场仿真结果分析
• 3.2.3 阳极电场仿真结果分析
• 3.3 模型验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 铝电解槽阳极铁-碳接触面接触电阻系数确定
• 4.1 接触电阻概念的提出及发展
• 4.2 铝电解槽阳极接触电阻影响因素讨论
• 4.2.1 接触电阻影响因素总结
• 4.2.2 铝电解槽阳极接触电阻主要影响因素讨论
• C系数的确定'>4.3 铝电解槽阳极铁-碳接触电阻K_C系数的确定
• 4.3.1 阳极铁-碳压降的测量
• 4.3.2 铁-碳接触电阻系数的计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 铝电解槽阳极接触压降的仿真及优化
• 5.1 磷生铁热膨胀性对阳极接触压降的作用规律探讨
• 5.1.1 某铝厂炭块许用应力下的磷生铁最优热膨胀性能研究
• 5.1.2 磷生铁热膨胀性能对阳极接触压降的影响规律探索
• 5.2 碳碗尺寸改变对接触压降的影响规律探讨
• 5.2.1 加大阳极碳碗直径对阳极接触压降的影响
• 5.2.2 加深阳极碳碗高度对阳极接触压降的影响
• 5.3 上开槽预焙阳极的数值仿真研究及节能效果探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 研究有待完善之处及建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研情况
• 致谢