铝电解槽熔体区散热分析

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1、·38·中固有色冶金口研究与探讨铝电解槽熔体区散热分析黄俊，姚世焕(中铝国际贵阳铝镁设计研究院，贵州贵阳550004)[摘要】解析电解槽内衬热耗散机理对于电解槽设计十分重要，关键考虑电解槽两个区域的热损失，第一区域是槽温与槽周空气温度所形成的温度梯度产生的驱动力，另一个区域主要的驱动力是槽子的过热度。文中着重分析了电解槽熔体区的散热现象。【关键词]铝电解槽；炉帮；过热度；对流换热[中图分类号]TF821[文献标识码】B【文章编号]1672—6103(2008)05—0038—03l电解槽热损失的

2、形式和区域在电解槽的能量平衡分析中，其能量消耗可分tn——————、为两类：①欧姆型的热(或能量)损失，即消耗于母线、阳极、阴极和极距问的能量；②化学型能量损失，即预热反应物质所需的能量，为了生产所需的能量(吸热反应)和铝的再氧化或铝的二次反应(放l解槽熔体区tow【1I＼tdw2’外部空气区热反应)所需的能量。电解槽的热损失可以简单地t’．．．．．．．～ti2分成两个区域(见图1)：区A是电解槽侧部，由于结壳或伸腿的存在．结壳与电解质界面上的温度受电解质初晶温度的约束，因此，从伸腿传出的热损失

3、图2电解槽熔体区传热模型示意图是属于电解质过热度(一t。j。)的热损失；区B是属于在电解质温度条件下传出的热损失。其存在如下关系：Q1=0c1(一t1)a(1)电解质条件下件下的散热舍·(2)Q3=2(舵-t~)A(3)翥lv-A~-41(4)式中：图1电解槽热损失区域示意图Q、Q：、Q，、Q一分别为从熔体区通过对流换传热到内衬的热量、从内衬内壁通过热传导传向槽本文主要分析了电解槽熔体区(区A)的传热原壳的热量、从槽壳通过对流换热传到外部空气区的理及电解槽采取不同优化措施时可能引起的电解热量、电

4、解槽熔体区向外的总散热量：槽物理参数的变化。、厂分别为内部、外部对流换热系数；2电解槽熔体区传热分析t小t_厂壁面温度，分别为炉帮温度(即液相2．1传热类型线温度)与侧部槽壳温度；电解槽熔体区的传热类型可简化为图2模式。t／、f分别为熔体温度与外部空气温度；A——传热系数：[作者简介]黄俊(1974一)，男，高级工程师。2008年l0月第5期黄俊等：铝电解槽熔体区散热分析·39·6——内衬等的厚度：式(3)中，由于Q，不变，空气温度和不变，——面积面积A的增加使得槽壳温度t降低，即把槽壳表面对电

5、解槽熔体区(槽壳、炭块、扎糊、结壳等)的高温区域的温度降下来，使得槽壳表面温度分布均多层传热，式(4)可进一步表示为：匀。式(2)中，(twl-t以)的增加将使∑A届降低，于Q=是，类似于电解槽侧部吹风的结果，炉帮厚度随者+∑者+六(5)着∑A的降低而增大。由传热理论可知，由于热量平衡，电解槽熔体以上分析可知。对于在运行状态下已建立了热区的散热量有下列等式：平衡的电解槽，侧部吹风与电解槽侧部加设散热片Q=Q-=Q2=Q所带来的最直接结果是槽壳温度的降低与炉帮厚即从熔体区传到内衬的热量等于从内衬内

6、壁度的增大。而不是散热量的增加。通过热传导传向槽壳的热量，同时也等于从槽壳通3电解槽热状态时的散热特征过对流换热传到外部空气区的热量。这三项热量都下面通过公式推导及数值计算，分析电解槽热等于电解槽熔体区向外的总散热量。状态时的散热特征。其中的计算数据及模型不特定由式(1)可知，电解槽的散热量仅与对流换热某一电解槽，仅限于对电解槽的基本特征进行探讨。系数(即铝液一炉帮对流换热系数，电解质一炉帮分析的基本条件如下：对流换热系数)和温差(即过热度)有关。。在生产槽壳：8l=16mm，A】=50W／(m

7、·K)过程中难以通过操作来改变，要改变(增大或减小)侧部炭块：82=120mm，A2=20W／(m·K)电解槽散热量，最终取决于改变的途径是否能使过扎糊：83=100mm，AF9W／(m·K)热度产生变化。炉帮：A=1．3W／(m·K)2．2电解槽侧部吹风对散热量的影响3．1侧部吹风吹风即增大外部对流换热系数，在不改变其当热流量不变时(即电解槽过热度与内部换热他操作条件、电解槽已经运行的状态下，从式(1)看系数不变)，通过槽侧部吹风(改变换热系数)使壁出，电解质液相温度与电解温度不变，即过热度不

8、面温度降低100℃，如t从350℃降至250℃，通过变，同时如前述不变，则Q不变。因此QI=Q总式(1)～式(5)，可得出此时的炉帮厚度理论变化为：的散热量不变。瓯_2=1．17一1+3．85Q不变，由式(3)可知：Q，=p散热量不变，空气其中：，分别为变化前、后炉帮的厚度。温度不变，增大，则槽壳温度t降低；表1列出了通过建立简化的数值模型计算出的由式(2)可知：Q：、t。不变，t降低，则∑AHi降槽壳温度与炉帮厚度随的变化量。基础条件：槽低，即内衬传导层热阻降低：温(960cC)与过热度(8℃