铝电解槽阴极块形状的优化.doc

《铝电解槽阴极块形状的优化.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、铝电解槽阴极块形状的优化要点:1、铝电解槽阴极的热电模型是合适的2、设计优化工具已发展经济型的研究3、结果
表明减少CVD和优化阴极寿命增加20%。（cathodevoltagedrop阴极电压降，简称CVD）关键词：铝电解槽优化节能设计阴极磨损热电分析摘要：一个有限元优化模型确定的一个AP-30型铝电解槽【AP-30电解槽技术及技术指标法国彼施涅铝公司在开发280kA电解槽后，于1986年初又起动了有120台电解槽的G系列。在此以后，世界上又有4个电解系列采用此项技术，并将系列电流提高到近300kA（简称AP-30型电解槽）】阴极块的最佳形状。最佳的设计形状是使得在阴极块表面上的电

2、场的电流密度尽可能均匀，同时延长其寿命，以尽量减少其能量消耗，并尽量减少材料的成本。结果表明：通过对集电极棒的设计进行一些改变，可使阴极电压降降低93mV，电池的寿命可提高20%。1、简介图1所示为典型的铝电解槽生产铝的示意图。电解过程是由直流电流从阳极通过冰晶石电解质流到铝液层，铝在电解质中溶解。由于电解质具有较低的电导率，电流仍然主要是垂直的通过4~5厘米电解质间隔流到带负电荷的铝液表面。一旦电流进入高电导率的铝液层，它不再局限于一个垂直的路，因为其他在电解槽侧壁和阴极固化电解质成分的电阻远大于铝液。其结果是，铝液层中生成水平的电流，并导致磁流体动力扰动，从而在熔融铝产生波。从金

3、属焊盘上，电流流入阴极碳块，然后通过阴极内嵌入到铸铁密封件中的钢制集电极棒中。集电极棒将电流从槽中带出，并连接到每一个槽周边的更大的铝母线上。这些母线进入在槽系中的下一个槽的阳极棒。图1霍尔-埃鲁铝电解槽示意图在电解槽运行中，一个具有挑战性的问题是阴极碳块成分的磨损。这个问题显而易见会缩短设备寿命。尽管事实上，阴极炭块的磨损与钠渗透的降解在过去已经进行了深入的研究，对潜在的现象仍然存在几个问题。磨损的来源可以是化学，电化学和机械的原因。结构和在内衬碳表面和铝液和电解质混合液的大量交换看起来是磨损的主要因素。它们依赖于碳材料，孔隙率，氟化铝的含量和熔融氧化铝的扰动。据目前的研究，电流密

4、度的影响是占主要地位。事实上，电流密度分布曲线和阴极普遍的W型磨损曲线直接相关。尽管有实际利益，很少有研究致力于集电极棒或碳块组件对金属的电稳定性影响。在一些这些调查中，提出为了使电流密度更均匀设计修改的阴极。不幸的是，这些研究没有考虑到碳块的磨损。本论文从设计角度探讨了阴极块的这个问题。一个AP-30型电解槽阴极组件三维有限元模型第一次被开发。该模型接下来用于调查块表面上电流密度对其磨损率的影响。这些结果将产生的阴极寿命的预测模型。集电极棒和炭块组件的设计修改提出在优化过程中采用经济分析作为对不同的操作标准比较的基础。2、数学模型一个AP-30铝电解槽正在研究阴极炭块组件示意图如图

5、2所示。集电极棒是碳钢制成用铸铁密封。内衬碳是由石墨化碳制成。在块表面的液体是铝液和电解质的混合，它的比例依赖于槽的热稳定性和电流流动。图2AP-30阴极炭块组装和识别模型的边界条件（阴极块的四分之一）为了模拟块组件中电位的分布和传热，根据以下假设建立数学模型：槽子寿命主要受阴极上的非均匀电流密度影响；瑞尼和威尔金对AP-30阴极块电化学磨损形曲线进行的测度仍然保留；瑞尼和威尔金发现
磨损速率与时间无关；在整个磨损过程
阴极电压降（CVD）保持不变；
集电极棒内嵌铜和钢之间的接触热阻可以忽略不计（内嵌铜已被添加到集电极棒以达到优化的目的，见图9）；阴极碳材料的导电性认为是各向异性的。

6、各向异性和阴极的挤压制备工艺直接相关。控制方程的电势分布和传热，然后可以表示为(1)(2)是电导率，V是电势，k是导热系数，T是温度。体积热源项代表了焦耳效应，它由下式给出：(3)电场是由公式（1）中电势V的解得到的，其中公式（1）和（2）的边界条件如下：在混合液的表面（边界1，图2）：（4）在于槽壁接触的表面，在阴极组件的底面以及在集电极棒的密封面（边界2和，图2）：（5）h是热传导系数：T（n）为集电极棒表面或块的外表面温度处的温度。是槽周围的环境空气温度。暴露于周围空气的表面传热系数h，已与自然对流的相关性的实证估计（边界2）。对于接触的绝缘壁或与底部的电池的块组件的表面，该系

7、数小时计算，以便考虑到所有的材料层之间的块和空气以外的壳（边界）的整体热电阻。对于密封铸铁表面的接触电阻（边界3，图2）：（6）为两接触面之间单位长度的导电率，V为每个表面的电压。在混合液上表面（边界4，图2）：（7）在棒的末梢（边界5，图2）;（8）是被许多块分隔的电解槽的电流最后，一个施加在中央平面上和在阴极以及混合液的横向表面对称的边界条件（边界6，图2）：（9）数值解以上公式（1）~（3）和边界条件（4）~（9）用牛顿-拉普森残余量有限元法解决。计