鋁電解槽結(jié)殼時(shí)的三維有限元分析

鋁電解槽結(jié)殼時(shí)的三維有限元分析

在鋁電解槽的生產(chǎn)中，電極場的形成起著重要作用。過去，對該班禮堂的研究主要是為了加熱分析，通常是用于三維研究的輔助部分。很少單獨(dú)研究陰面的區(qū)位分布。在三維分析中，很難準(zhǔn)確表達(dá)每個(gè)部分的電位分布。在文獻(xiàn)中，值模擬方法用于分析電解槽，但分析陰面的不同結(jié)殼通常是不可避免的。這首先直接影響電極的分布，影響電解槽的熱平衡。最重要的是，它們會影響電極表面的巖質(zhì)含量，并對電解槽的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。這是在文件中進(jìn)行的，但對爐底沉降分布和伸展長度對爐底壓力降的影響沒有報(bào)告。此外，由于電解槽的極性由兩個(gè)材料組成：極碳塊和鋼棒。鋼棒在碳塊中的入口改變了導(dǎo)電介質(zhì)的阻力分布，并不可避免地改變了極碳塊的電位分布。事實(shí)上，由于鋼棒和碳材料之間的阻力很大，銀斑和。電流最后又完全是集中到鋼棒內(nèi),經(jīng)由鋼棒導(dǎo)出,所以,自從電流流入陰極開始,就應(yīng)向陰極棒集中,呈現(xiàn)空間流動狀態(tài),而不應(yīng)是水平面或垂直面內(nèi)的流動.因此,只有對陰極進(jìn)行三維研究才能準(zhǔn)確地反映其內(nèi)部的電位(流)分布特征,為電熱分析提供準(zhǔn)確的前提.定量分析陰極表面不同沉淀特征對陰極電位的影響,不僅是研究陰極表面融體內(nèi)電位分布的基礎(chǔ),也將為生產(chǎn)管理提供必要的理論依據(jù).本文對190kA電解槽陰極,存在不同特征的沉淀時(shí)的電位場進(jìn)行了計(jì)算分析,并提出相關(guān)的建議.1節(jié)點(diǎn)i,j,k鑒于電解槽的對稱性,本文取一組陰極作為計(jì)算對象.190kA電解槽陰極尺寸為:1625mm×515mm×450mm(爐膛寬3800mm),共36組,采用雙陰極鋼棒.假定每組陰極平均導(dǎo)出總電流的1/36.同時(shí)假定每組陰極中的雙鋼棒平均分配該組陰極的電流.計(jì)算區(qū)域如圖1所示:將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行三維劃分.劃分方法如圖2所示:對于控制體A,假定位于控制體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)(i,j,k)的參數(shù)代表整個(gè)控制體A.實(shí)線為網(wǎng)格線,網(wǎng)格線的交點(diǎn)為控制體節(jié)點(diǎn).圖中虛線表示控制體界面,控制體界面線位于相鄰兩節(jié)點(diǎn)中間位置.每個(gè)控制體內(nèi),材料特性相同.導(dǎo)電控制方程為?·(Ф?V)=0.(1)Ф為控制體電導(dǎo)率,V為節(jié)點(diǎn)電位.采用有限差分法求解式(1).根據(jù)基爾霍夫定律,進(jìn)入控制體A的總電流之和為零,則:Ii-1,j,k+Ii+1,j,k+Ii,j-1,k+Ii,j+1,k+Ii,j,k-1+Ii,j,k+1=0(2)式(2)中,Ii-1,j,k=(Vi-1,j,k-Vi,j,k)Ci-1,j,k;(3)Ii+1,j,k=(Vi+1,j,k-Vi,j,k)Ci+1,j,k;(4)Ii,j-1,k=(Vi,j-1,k-Vi,j,k)Ci,j-1,k;(5)Ii,j+1,k=(Vi,j+1,k-Vi,j,k)Ci,j+1,k;(6)Ii,j,k-1=(Vi,j,k-1-Vi,j,k)Ci,j,k-1;(7)Ii,j,k+1=(Vi,j,k+1-Vi,j,k)Ci,j,k+1.(8)式中C為相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間電阻的倒數(shù),即,對于如圖2中的節(jié)點(diǎn)(i,j,k):Ci-1,j,k=(dj-1,j+dj+1,j)(dk-1,k+dk+1,k)/(2di-1,i(pi-1,j,k+pi,j,k)+4qi-1,i);(9)Ci+1,j,k=(dj-1,j+dj+1,j)(dk-1,k+dk+1,k)/(2di+1,i(pi+1,j,k+pi,j,k)+4qi+1,i);(10)Ci,j-1,k=(di-1,i+di+1,i)*(dk-1,k+dk+1,k)/(2dj-1,j(pi,j-1,k+pi,j,k)+4qj-1,j);(11)Ci,j+1,k=(di-1,i+di+1,i)(dk-1,k+dk+1,k)/(2dj+1,j(pi,j+1,k+pi,j,k)+4qj+1,j);(12)Ci,j,k-1=(dj-1,j+dj+1,j)(di-1,i+di+1,i)/(2dk-1,k(pi,j,k-1+pi,j,k)+4qk-1,k);(13)Ci,j,k+1=(dj-1,j+dj+1,j)(di-1,i+di+1,i)/(2dk+1,k(pi,j,k+1+pi,j,k)+4qk+1,k).(14)上式中,d為相鄰節(jié)點(diǎn)的中心距離;p為相應(yīng)控制體的電阻率;q為相鄰控制體之間接界面的接觸電阻率.如相鄰兩控制體為同一介質(zhì),則q=0.將式(3)～式(8)帶入式(2)整理得:Ci,j,kVi,j,k-Ci-1,j,kVi-1,j,k-Ci+1,j,kVi+1,j,k-Ci,j-1,kVi,j-1,k-Ci,j+1,kVi,j+1,k-Ci,j,k-1Vi,j,k-1-Ci,j,k+1Vi,j,k+1=0.(15)式(15)中,Ci,j,k=Ci-1,j,k+Ci+1,j,k+Ci,j-1,k+Ci,j+1,k+Ci,j,k-1+Ci,j,k+1.(16)式(15)即為控制體A內(nèi)節(jié)點(diǎn)(i,j,k)的離散化方程.取外法線方向?yàn)檎?運(yùn)用上面方法對計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)寫出類似式(15)的離散化方程.這樣就得到包括所有節(jié)點(diǎn)的離散化方程的方程組.如圖1所示,面1為對稱面,面4,6為電絕緣面,面5為結(jié)殼,為電絕緣面.它們與外節(jié)點(diǎn)之間無電傳導(dǎo).面2為碳-糊界面.面3為鋼棒斷面.假定在面3處電流密度均勻相等,此處取第二類邊界條件.取陰極上表面鋁液高度9/10處為等位面,此面取第一類邊界條件,假定為零電位.2爐底有結(jié)殼本文對于陰極表面出現(xiàn)以下幾種情況下的結(jié)殼時(shí)的陰極電場分別進(jìn)行了計(jì)算:①爐底無結(jié)殼,伸腿長度為零的理想情況;②在伸腿長度為零時(shí),陽極中縫處存在結(jié)殼;③在伸腿長度為零時(shí),陽極長方向中部的爐底表面存在結(jié)殼;④爐底無結(jié)殼,伸腿長度大于零時(shí)(即伸腿伸至陽極正投影以內(nèi)).2.1等位線均勻過渡圖3示出了當(dāng)爐底無結(jié)殼,伸腿長度為零時(shí)各位置的電位分布.由圖3(a)可見,越靠近鋼棒右端出口處,等位線越加密集,表明陰極電流大部分集中于此.而在靠近槽中心處,電位等位線稀疏,表明此處流經(jīng)電流少.而由圖3(b)又可以清晰地看出,在無鋼棒的區(qū)域內(nèi),由于導(dǎo)電介質(zhì)統(tǒng)一,導(dǎo)電系數(shù)無跳躍,因而等位線平滑均勻過渡,而不象如圖3(a)所示的碳介質(zhì)向鋼棒過渡時(shí)等位線有階躍.由此看來,不同縱面的電位分布不同.由圖3(c)也可看出,在陰極上表面,電位自槽中心至邊部逐步降低,亦即電流密度依次增大,而且在陰極寬度方向的中心處,電位又較其它位置低,這是由于陰極鋼棒位于中心處,其中的電流密度又大于邊部位置的原故.圖3(d)示出了陰極橫斷面的電位分布.由圖3(d)可以清晰地看出,在陰極鋼棒正上方的等位線密度最大,而在低于鋼棒上表面后,電位等位線立即變得非常稀疏.這表明,由鋼棒側(cè)面流進(jìn)的電流占總量的比例很小.結(jié)合圖3(a),(b),(c),似乎可以得出這樣的結(jié)論:如果將陰極鋼棒沿長方向設(shè)計(jì)成變高度形式,越靠近出口處,高度越大,對于有效利用鋼棒導(dǎo)電截面,降低陰極壓降,將是很有利的.2.2中心部位結(jié)殼寬度圖4示出了電解槽中縫處存在結(jié)殼時(shí),陰極縱面P的電位場分布.由圖4可以看出,此種情況下的電位分布與圖3(a)相差較小,只是在中縫處有小的差別.在中縫處由于結(jié)殼的存在,此處電位等位線向上突出陰極表面,使得此處不再有電流流入.也正源于此,電位等位線向右有所平移,即在相同點(diǎn),情況2.2時(shí)的電位較情況2.1時(shí)低.但實(shí)際計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),此時(shí)陰極總壓降與中縫處無結(jié)殼的情況相差不大(注:此時(shí)中心部位結(jié)殼寬度約150mm,如果中心部位結(jié)殼寬度較大,陰極壓降肯定會與情況2.1有較大不同).可見,如果電解槽中心部位結(jié)殼寬度不大,其對電解槽陰極電位分布及陰極壓降不會產(chǎn)生大的影響.這與實(shí)際生產(chǎn)是相符的.因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中,中心下料點(diǎn)處沉淀難免,有時(shí)較多,但并未對電解槽生產(chǎn)產(chǎn)生太大影響.因此,對于這種結(jié)殼,只要不是過大,對生產(chǎn)的影響可以忽略.2.3表面改性對電位分布的影響圖5示出了結(jié)殼位于陽極中下部位置時(shí)的陰極電位分布.圖5(a)與圖3(a)相比,電位分布在陰極右端基本相似,只是由于此時(shí)陽極中下部存在結(jié)殼導(dǎo)致陰極中部電位分布發(fā)生變化.從圖5(a)不難看出,由于中部結(jié)殼的存在,使等位線向上突出陰極表面,因此,此部位無電流流入,而是分布在結(jié)殼兩側(cè)流入陰極.計(jì)算結(jié)果表明,此時(shí)陰極壓降有所增加,增加幅度較陽極中縫處有結(jié)殼時(shí)大一些,但仍可忽略.可見,如果陽極底部結(jié)殼不大,其對爐底壓降影響仍不大,但對陰極表層電位分布乃至相鄰鋁液層內(nèi)電位分布的影響則不可忽視.圖5(b)較為清楚地表明了這一點(diǎn).因此,在換極時(shí),要力求撈凈沉至爐底的大電解質(zhì)塊,減少此種沉淀.另從圖5(c)看出,在陰極上表面以下的兩層處電位分布受結(jié)殼的影響很小,由圖5(a)也基本能得出這樣的結(jié)論.所以,陰極表面異常時(shí),對陰極表面層的電位分布影響最大,即對上表面鋁液內(nèi)電位分布影響較大.隨著層面位置在陰極內(nèi)的逐步降低,電位分布受表面狀況的影響也越來越小.2.4雙側(cè)部伸材對電解槽內(nèi)表面電位分布的影響圖6示出了伸腿伸至爐底時(shí),陰極縱斷面與上表面的電位分布.由圖6(a)可看出,當(dāng)陰極出電端上表面有較多的結(jié)殼覆蓋時(shí),此部位電位分布發(fā)生明顯變化:等位線垂直向上,表明電流必須從水平側(cè)面才能流入陰極.在結(jié)殼左端部,等位線較密,表明此處電流比較集中.另外,等位線大幅度向槽中心方向平移.再者,由圖6(b)又可清楚地看出,由于在電解槽側(cè)面角部有較多的結(jié)殼覆蓋,在無結(jié)殼覆蓋的陰極表面電位均勻程度,即電位梯度,較無伸腿時(shí)的圖3(b)的情況又有明顯的差異.這說明陰極表面結(jié)殼覆蓋越多,剩余陰極表面的電流分布越均勻.另外,從計(jì)算結(jié)果得知,隨著伸腿長度的增加,爐底壓降迅速上升.在伸腿長度為300mm時(shí),爐底壓降即較無伸腿時(shí)升高近100mV.在伸腿長度達(dá)到450mm時(shí),爐底壓降則幾乎增加50%.從上面幾種情況的計(jì)算分析可以看出,槽膛側(cè)部伸腿對陰極壓降以及陰極表面電位分布影響最大.因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,必須合理配備工藝條件,嚴(yán)格控制側(cè)部伸腿長度,這對于保持電解槽的穩(wěn)定性