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1、 I摘 要 铝 电 解 槽 是 炼 铝 的 核 心 设 备 ， 其 发 展 与 进 步 代 表 了 电 解 铝 工 艺 的革 新 。 多 物 理 场 在 铝 电 解 槽 内 产 生 、 演 变 并 相 互 作 用 ， 影 响 铝 电 解 生产 的 能 耗 、 效 率 、 槽 寿 命 等 技 术 经 济 指 标 。 因 此 ， 建 立 可 靠 、 灵 活 、易 用 的 铝 电 解 槽 多 场 耦 合 仿 真 模 型 对 开 发 高 效 率 、 高 产 率 、 低 能 耗 与长 寿 命 的 先 进 槽 型 具 有 重 要 意 义 。 铝 电 解 槽 的 多 场 耦 合 仿 真 计 算 非 常 复
2、杂 。 铝 电 解 槽 内 外 分 布 着 形状 各 异 的 几 十 种 媒 质 材 料 ， 这 使 得 数 值 计 算 的 前 期 准 备 工 作 如 网 格 剖分 、 边 界 条 件 施 加 等 非 常 繁 杂 。 单 个 物 理 场 或 耦 合 场 求 解 的 实 施 步 骤难 易 程 度 不 同 ， 耦 合 关 系 、 接 触 现 象 、 磁 场 开 域 及 收 敛 性 等 问 题 进 一步 增 加 了 计 算 的 难 度 。 本 文 以 铝 电 解 槽 内 电 、 磁 、 热 、 流 、 力 五 个 物 理 场 为 对 象 ， 在 使用 少 量 假 设 条 件 、 合 理 分 割 场
3、 域 、 多 场 共 享 模 型 信 息 和 结 果 的 前 提 下 ，建 立 起 了 较 为 完 整 的 铝 电 解 槽 多 物 理 场 仿 真 模 型 。 在 大 型 预 焙 槽 、 特大 型 预 焙 槽 及 导 流 槽 等 不 同 槽 型 上 应 用 该 模 型 进 行 了 各 种 仿 真 研 究 。 论 文 主 要 创 新 点 如 下 ： （ 1 ） 从 降 低 方 法 误 差 的 角 度 出 发 ， 把 接 触 方 程 引 入 至 电 磁 场 模型 ， 消 除 水 平 电 流 及 垂 直 磁 场 计 算 误 差 ； 建 立 了 槽 内 导 体 与 复 杂 母 线系 统 组 成 的 多
4、 槽 电 磁 场 模 型 及 母 线 磁 场 转 换 模 型 。 研 究 表 明 ， 接 触 模型 的 运 用 使 电 力 线 分 布 更 平 缓 ， 水 平 电 流 明 显 降 低 ； 在 电 场 分 布 较 均匀 的 情 况 下 降 低 垂 直 磁 场 计 算 误 差 的 幅 度 较 小 ， 但 在 电 场 分 布 不 均 的情 况 下 降 低 垂 直 磁 场 计 算 误 差 达 0 . 6 m T ； 无 论 电 场 分 布 是 否 均 匀 ， 与单 一 面 积 常 数 母 线 模 型 相 比 ， 考 虑 母 线 截 面 变 化 可 降 低 垂 直 磁 场 计 算误 差 0 . 3 0
5、. 4 m T 。 （ 2 ） 基 于 V O F 自 由 面 跟 踪 法 和 自 定 义 的 电 磁 力 离 散 插 值 函 数 建立 了 单 一 求 解 域 内 的 电 解 质 铝 液 两 相 流 模 型 ， 并 进 行 稳 态 流 场 的 求解 。 研 究 表 明 ， 在 2 0 0 0 3 0 0 0 次 迭 代 后 流 场 计 算 的 最 大 残 差 水 平 低于 1 1 0 - 4 。 在 河 南 某 电 解 铝 厂 3 5 0 k A 槽 上 进 行 了 电 磁 流 场 模 型的 验 证 ， 结 果 说 明 了 仿 真 模 型 的 可 行 性 和 准 确 性 。 （ 3 ） 以
6、现 代 大 面 进 电 铝 电 解 槽 为 对 象 ， 深 入 研 究 了 槽 内 导 体 及 母线 配 置 对 电 、 磁 、 流 场 分 布 的 影 响 ， 总 结 了 磁 场 分 布 特 征 、 母 线 设 计思 路 ， 获 得 了 场 量 分 布 的 协 调 一 致 性 规 律 ， 即 电 场 分 布 越 均 匀 ， 磁 场分 布 亦 越 均 匀 ， 界 面 变 形 越 小 。 I I（ 4 ） 针 对 垂 直 磁 场 数 据 多 、 分 布 离 散 的 特 点 ， 建 立 了 正 交 最 小二 乘 法 曲 面 拟 合 函 数 ， 突 破 了 常 量 或 线 性 函 数 给 波 动 稳
7、 定 性 分 析 造 成的 应 用 局 限 ， 同 时 提 高 了 计 算 精 度 。 将 不 同 长 宽 比 下 的 磁 场 计 算 结 果耦 合 到 波 动 方 程 中 ， 计 算 得 到 了 槽 稳 定 性 随 长 宽 比 的 变 化 趋 势 。 研 究表 明 ， 槽 内 导 体 产 生 的 磁 场 分 布 规 律 相 似 ， 数 值 随 长 宽 比 增 加 而 减 小 ，从 而 槽 子 稳 定 性 变 好 ； 附 加 母 线 产 生 的 磁 场 后 ， 槽 子 稳 定 性 变 差 。 （ 5 ） 开 发 了 瞬 态 焙 烧 启 动 热 场 与 应 力 场 模 型 ， 对 河 南 某 电
8、 解 铝试 验 厂 3 0 0 k A 槽 上 进 行 了 热 场 及 应 力 场 计 算 。 研 究 表 明 ， 设 计 的 非均 匀 电 阻 率 焦 粒 层 铺 设 方 法 分 别 使 内 衬 温 差 降 低 8 . 0 3 0 . 0 % 、 升 温速 度 降 低 4 . 5 1 2 . 5 % ， 从 而 有 效 避 免 早 期 槽 破 损 ； 根 据 线 弹 性 理 论 ，在 热 膨 胀 阶 段 采 用 半 石 墨 质 炭 块 时 槽 体 位 移 与 热 应 力 最 大 ， 采 用 石 墨化 炭 块 时 最 小 ， 而 在 随 后 3 0 d 的 热 钠 膨 胀 阶 段 ， 采 用
9、无 烟 煤 炭 块 时槽 体 位 移 与 应 力 最 大 ， 采 用 石 墨 化 炭 块 时 电 解 槽 应 力 最 小 。 （ 6 ） 针 对 导 流 槽 和 特 大 型 槽 开 发 必 须 解 决 的 热 平 衡 和 磁 场 分 布优 化 设 计 问 题 ， 获 得 了 一 种 维 持 良 好 热 平 衡 的 导 流 槽 结 构 与 工 艺 方案 ， 以 及 一 种 垂 直 磁 场 在 3 . 5 m T 以 下 的 特 大 型 槽 及 母 线 结 构 方 案 。 关 键 词 铝 电 解 ， 多 物 理 场 ， 母 线 设 计 ， 磁 流 体 稳 定 性 ， 数 值 仿 真 I I IA
10、B S T R A C T A l u m i n u m r e d u c t i o n c e l l i s t h e c o r e e q u i p m e n t f o r i n d u s t r i a l e l e c t r o w i n n i n g o f a l u m i n u m . I t s d e v e l o p m e n t s a n d a d v a n c e m e n t s r e p r e s e n t u p - t o - d a t e i m p r o v e m e n t s o f a l u
11、m i n u m r e d u c t i o n t e c h n o l o g i e s . I n a l u m i n u m r e d u c t i o n c e l l s m u l t i p l e p h y s i c a l f i e l d s t a k e p l a c e , d e v e l o p a n d i n t e r a c t w i t h e a c h o t h e r i n s i d e t h e c e l l a n d a f f e c t e c o n o m i c i n d e x e
12、s e . g . e n e r g y c o n s u m p t i o n , c u r r e n t e f f i c i e n c y a n d p o t l i f e t i m e d u r i n g p r o d u c t i o n . T h e r e f o r e t o b u i l d u p t h e l i a b l e , v e r s a t i l e a n d e a s y - t o - u s e m u l t i p l e p h y s i c a l c o u p l e d s i m u l
13、a t i o n m o d e l s a r e o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o d e v e l o p a d v a n c e d r e d u c t i o n c e l l s w i t h h i g h e r c u r r e n t e f f i c i e n c y , h i g h e r l a b o r p r o d u c t i v i t y , l o w e r e n e r g y c o s t a n d l o n g e r p o t l i f e . T h
14、e c o u p l e d s i m u l a t i o n s o f a l u m i n u m r e d u c t i o n c e l l s a r e v e r y c o m p l i c a t e d . T h a t t e n s o f m e d i a m a t e r i a l s w i t h d i f f e r e n t s h a p e s d i s t r i b u t e i n s i d e a n d o u t s i d e t h e c e l l m a k e s s o m e p r e
15、p a r a t i o n w o r k f o r n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s o c o m p l e x i n c l u d i n g g r i d m e s h i n g , b o u n d a r y c o n d i t i o n s a p p l y i n g a n d e t c . S o l u t i o n p r o c e d u r e s o r d i f f i c u l t i e s f o r i n d i v i d u a l f i e l d o r c o u
