大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究.pdf

中南大学
硕士学位论文
大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究
姓名:刘杰
申请学位级别:硕士
专业:电化学工程
指导教师:李劼
20070501
摘要铝电解槽优化设计、工程分析以及新型电解槽的开发与设计均具有重计、测试和优化提供了新的参考。所产生的磁场以及它们对铝电解槽磁场的作用,包括槽内导体及槽壳运用这些磁场分布特点,对超大型预焙槽进行了初步磁场设计,得到了一些可参考的磁场配置方案,并对其磁场的稳定性与可行性进行了初步探讨。同时,总结出一套较为有效的磁场设计方法,该方法对电解槽的磁场设计有较好的参考作用。铝电解槽内电场、磁场等物理场的相互耦合作用,对铝电解槽的电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。因此,深入研究铝电解槽内电场、磁场的分布形式及相互耦合关系,对提高要的理论与实践指导意义。本文综合铝电解槽电场和磁场的最新研究进展,以?7⑵教ǎ酆峡悸歉饔跋煲蛩兀⒘烁咦既度的电磁场耦合计算、优化模型,着重研究了大型电解槽的电场和磁场分布规律。主要的研究内容及成果如下:预焙铝电解槽系列为对象,综合考虑槽内导体、母线系统、铁磁材料、空气漏磁、炉帮、相邻槽和相邻厂房等因素,运用有限元软件⒘巳忍懦〖扑隳P停捎霉谀铝厂电解槽实测电流为载荷计算得到磁场分布,与该槽实测磁场对比,数值非常接近。与其他研究者所建立的模型相比,本文建立的磁场计算模型无论是计算的准确性还是研究的全面性均明显提高。运用该模型在理想情况下对该系列电解槽的磁场设计进行了分析和优化。⒘预焙铝电解槽系列母线电场分析模型,对母线系统各组成部分在母线电阻平衡中的作用进行了研究。其中提出了阴极软母线的电阻配置计算方法,该方法可以有效指导阴极母线电阻网络的局部设计。同时,研究了当前所采用的横梁母线结构所带来的问题,并作了相关的优化。所建立的电场分析模型能够排除其他因素的干扰准确反应母线的电阻配置情况,为电解槽母线系统电阻的设佑电解槽的磁场计算方法,开发了超大型预焙铝电解槽的仿真模型。从磁场设计的角度,分解研究了铝电解槽各部分部分、端部回流母线、槽底回流母线、阳极立柱母线和横梁母线等。关键词铝电解槽,电场,磁场,母线,耦合仿真硕士学位论文
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第一章文献综述铝电解工业的发展与现状吨,年,我国原铝产量蚨郑昀茨昶骄龀ぢ蚀ヒ陨蟣。法。虽然近年来开展了一些炼铝新方法的研究,以试图取代现行的霍尔一埃鲁特电解铝法,但目前还未在工业应用方面取得实质性进展。专家们估计,,即冰晶石一氧化铝熔盐电解法,其实质是氧化铝熔于含多种氟化物添加剂的冰晶石熔体中,电流从阳极碳块导入,阴极碳块导出,在阳极上析出虲澹谝跫铣粱鹗袈粒缤所示。此法经过一百多年来的发展,无论在生产工艺、还是技术水平上都有巨大的进步。目前,现代大型预焙铝电解槽电流强度已达到缌餍食ィ绾牡陀/瓵】,采用点式自动加料系统、自动控制与生产环境达到较高的水目前,铝电解工业的发展主要有以下几方面的特点:捎么笕萘吭け貉艏恋缃獠邸一。世纪年代以来,大型预焙阳极铝电解槽占据了主导地位,为了确保大容量电解槽有良好的电、热、磁、流特铝是世界上最丰富的金属元素,由于其良好的物理化学性能,铝的用途日益广泛,因此铝工业呈现出蓬勃发展的状况。目前世界上每年原铝产量约万霍尔一埃鲁特电解铝法诞生一百多年来,一直是工业上大规模炼铝的唯一方时间内霍尔一埃鲁特电解铝法仍然是工业上唯一的炼铝方法。平。图け貉艏恋缃獠凼疽馔硕士学位论文
彳乞名,鼶性,在设计大容量槽型时采用了大量新技术与新方法:如采用大面多点进电和母线补偿以减小槽内磁场和流速:采用船形结构和窄加工面以减少投资和加强侧部散热;采用计算机优化设计来优化铝电解槽内‘‘三场”分布特性。虏牧系挠τT谥新恋缃獠鄣撞坎捎酶墒椒郎希蚧了施工和加强了底部保温;侧部采用碳化硅及其复合块增强了侧部防腐蚀能力及ひ仗跫挠呕肟刂朴缃小2捎玫头肿颖取⒌脱趸僚ǘ取⒌臀隆⒌效应系数、高槽电压、“按需下料”的模糊控制技术,采用动态仿真与神经网络技术加强对槽况的监测和预报。采用焦粒或燃气进行铝电解槽的焙烧启动。业科技工作者进行了大量的基础研究和应用研究。主要有下列三个方面:虏坌偷目7ⅰ!5剂餍吐恋缃獠邸緈导流型阴极铝电解槽虺频剂餍吐恋缃獠与传统预焙槽比较,主要的改变是将阳极与阴极碳块做成斜坡状。设计合理时,电解生成的铝液将可以顺着斜坡流入中间沟槽内,再定期被抽走。因此阳极底掌下基本不存在铝液,这样就没减小极间电压降。理论和实践证明【,密度相同的情况下则槽电压可降低左右。换言之,如槽电压保持不变,则电利用率低,电能消耗大,生产效率不高。如使用惰性阳极,铝电