[發(fā)明專利]一種鋁電解槽電壓及熱平衡的計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310578987.0
• 申請(qǐng)日: 2013-11-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103603010A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張紅亮;楊帥;李劼;俆宇杰;田忠良;呂曉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C25C3/06
• 分類號(hào): C25C3/06;C25C3/20
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 黃美成

1.一種鋁電解槽電壓及熱平衡的計(jì)算方法，其特征在于，基于鋁電解槽的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工藝條件，采用有限元計(jì)算理論及方法建立鋁電解槽電熱場(chǎng)模型，應(yīng)用循環(huán)迭代計(jì)算得到鋁電解槽的電壓及熱平衡結(jié)果；

所述鋁電解槽的電壓及熱平衡結(jié)果包括溫度場(chǎng)分布、電勢(shì)分布、穩(wěn)態(tài)三維槽幫形狀及穩(wěn)態(tài)的電解溫度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁電解槽電壓及熱平衡的計(jì)算方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1：獲得鋁電解槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行工藝條件；

所述鋁電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)包括槽體各部分的尺寸和槽體各部分的材料屬性參數(shù)，其中，槽體各部分的尺寸是指陽(yáng)極、陰極、爐膛和各種內(nèi)襯材料的長(zhǎng)度、寬度以及高度或厚度；槽體各部分的材料屬性參數(shù)是指槽體各部分的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率；上述參數(shù)均為固有屬性參數(shù)；

所述運(yùn)行工藝條件包括極距、電解質(zhì)水平、鋁水平及電解質(zhì)組成成分；

步驟2：依據(jù)步驟1獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳熱學(xué)理論方法計(jì)算電解槽體與環(huán)境界面的換熱系數(shù)、電解質(zhì)與內(nèi)襯界面的換熱系數(shù)，使用現(xiàn)有的鋁電解槽電解質(zhì)經(jīng)驗(yàn)公式以及電壓降計(jì)算方法計(jì)算電解運(yùn)行過(guò)程基礎(chǔ)參數(shù)，所述電解運(yùn)行過(guò)程基礎(chǔ)參數(shù)包括電解質(zhì)的電導(dǎo)率和初晶溫度、化學(xué)反應(yīng)電壓降以及氣泡電壓降；

步驟3：采用有限元理論及方法建立鋁電解槽電熱場(chǎng)模型，鋁電解槽的初始槽幫形狀設(shè)定為弧形；如果不是初次計(jì)算時(shí)則按照迭代計(jì)算得到的一組新坐標(biāo)X_i+1設(shè)定槽幫形狀；

步驟4：利用數(shù)值方法計(jì)算步驟3建立的鋁電解槽電熱場(chǎng)模型的電壓及熱平衡情況，并從上至下在槽幫表面的熔體上表面、熔體界面等距間隔選定或者根據(jù)電解質(zhì)水平和鋁水平特征選定4-10個(gè)代表點(diǎn)作為槽幫形狀的迭代計(jì)算的判定點(diǎn)；

步驟5：根據(jù)步驟4得到的鋁電解槽電熱場(chǎng)模型的電壓及熱平衡情況中的溫度分布結(jié)果，將步驟4選取的各代表點(diǎn)的溫度與步驟2計(jì)算所得的電解質(zhì)初晶溫度進(jìn)行對(duì)比，如果誤差在設(shè)定范圍之內(nèi)，則停止迭代計(jì)算并輸出本次計(jì)算的電壓及熱平衡情況，否則，根據(jù)槽幫形狀迭代計(jì)算判定點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，以移動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)X_i+1建立新的槽幫形狀后，返回步驟3重新建立鋁電解槽電熱場(chǎng)模型，直至得出最終的鋁電解槽的電壓及熱平衡結(jié)果。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)焙鋁電解槽電壓及熱平衡3的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟4的計(jì)算過(guò)程中，針對(duì)電解槽陰極結(jié)構(gòu)內(nèi)部的陰極與鋼棒之間存在的電接觸，在陰極與鋼棒相接觸的單元上定義電接觸方程；針對(duì)電解質(zhì)與槽幫之間存在的熱交換，在電解質(zhì)與槽幫的接觸面上定義熱對(duì)流方程：

（1）電接觸方程：J=ECC×(φ_t-φ_c)

（2）熱對(duì)流方程：q=TCC×(T_t-T_c)

其中：J為通過(guò)接觸面的電流，ECC是接觸電導(dǎo)率；φ_t和φ_c是目標(biāo)面和接觸面電勢(shì)；q為接觸面熱流密度；TCC為接觸面的對(duì)流換熱系數(shù)；T_t和T_c分別為目標(biāo)面和接觸面的溫度值。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)焙鋁電解槽電壓及熱平衡參數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟4的計(jì)算過(guò)程中，電解質(zhì)的實(shí)際生熱率包括電流通過(guò)電解質(zhì)生成的焦耳熱和補(bǔ)償電化學(xué)反應(yīng)以及加熱物料所需的熱量三部分，修正后的電解質(zhì)的實(shí)際生熱率W_r采用以下三個(gè)方程式聯(lián)立求解：

（1）電解質(zhì)的實(shí)際生熱率：W_r=I²R_r-Q_t

（2）電解質(zhì)歐姆電阻產(chǎn)熱補(bǔ)償化學(xué)反應(yīng)以及加熱物料的熱功率：Q_t＝Q_c-(E+V_g)I

（3）電解反應(yīng)過(guò)程的理論吸熱及加熱物料消耗功率：Q_c＝0.3356I(5.63+0.7-4.32(1-η))

式中，I為電解槽電流強(qiáng)度；η為電解槽實(shí)際電流效率；V_g為氣泡電阻帶來(lái)的壓降；E為電化學(xué)反應(yīng)壓降；R_r為電解質(zhì)電阻。