鋁電解槽
關(guān)注創(chuàng)建者：工程計算與仿真 創(chuàng)建時間：2020-07-07
鋁電解槽的實例教程
鋁電解槽是冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法的核心設(shè)備，也是鋁電解工業(yè)發(fā)展的最重要的標志。一百多年來，鋁電解槽結(jié)構(gòu)不斷改進優(yōu)化，尤其是陽極結(jié)構(gòu)部分，由最初的小型預(yù)焙電解槽、側(cè)插自焙陽極電解槽、上插自焙陽極電解槽，發(fā)展到大型不連續(xù)、連續(xù)預(yù)焙陽極電解槽，到今天使用的中間下料大型預(yù)焙陽極電解槽。鋁電解槽設(shè)計制造的容量也從160 kA、200 kA、280 kA逐步提高到320 kA、350 kA、420 kA、500 kA等大型預(yù)焙電解槽，現(xiàn)已成為鋁電解工業(yè)的主流，占世界產(chǎn)能的40%，并不斷地朝著大型化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。
雖然我國鋁產(chǎn)量處于世界第一位，但是我國鋁工業(yè)存在著許多問題?？傮w上產(chǎn)能過剩，行業(yè)內(nèi)競爭激烈；國內(nèi)氧化鋁、電力供應(yīng)價格不斷上漲，原鋁的生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加；鋁土礦資源短缺；環(huán)境污染嚴重等制約著鋁產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[7]。開發(fā)新技術(shù)，使鋁電解槽更加節(jié)能，降低鋁電解成本是鋁工業(yè)的發(fā)展趨勢。然而，鋁電解過程是一個電場、磁場、熱場、力場、流場以及濃度場復(fù)雜多物理場共同作用的過程，分析各場的作用機理，才能準確的描述鋁電解槽運行規(guī)律。開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規(guī)律，實現(xiàn)高效率、低能耗的鋁電解槽生產(chǎn)是鋁電解技術(shù)發(fā)展的趨勢。
電熱場耦合計算
1 模型說明
電熱場計算模型主要包括：立柱母線、大母線、陽極導(dǎo)桿、爆炸焊、陽極鋼爪、磷生鐵、陽極炭塊、電解質(zhì)、鋁液、爐幫、陰極炭塊、鋼棒、扎糊、槽殼、搖籃架以及側(cè)部和底部的保溫材料。
槽幫模型的建立是通過建立槽幫橫截面形狀再拉伸而成。
展開 為了節(jié)省計算時間，計算熱應(yīng)力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應(yīng)力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結(jié)果導(dǎo)入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內(nèi)熔體的壓力：
上部結(jié)構(gòu)壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結(jié)果導(dǎo)入
3 后處理結(jié)果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向?？偽灰谱畲笾禐?9.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內(nèi)襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計算結(jié)果
電解槽應(yīng)力計算結(jié)果如圖6所示。最大應(yīng)力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應(yīng)力集中比較嚴重。
圖6 電解槽Mises應(yīng)力
4 小結(jié)
本文建立了電解槽熱應(yīng)力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴散的相似性來模擬鈉擴散的方法，并根據(jù)計算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉(zhuǎn)化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應(yīng)力和熱應(yīng)力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內(nèi)襯的受熱收縮效應(yīng)，得出了與實際情況比較相近的結(jié)果。
展開 近日，由北京核心動力科技有限公司經(jīng)過十多年努力，研制成功符合電解鋁現(xiàn)場出鋁要求的“現(xiàn)場優(yōu)化型天車精準出鋁系統(tǒng)”，完整地解決了這一問題。
出鋁是電解鋁生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序之一，出鋁的精度決定了電解槽鋁水平的高低，也是節(jié)省能源的關(guān)鍵一環(huán)。由于電解鋁現(xiàn)場環(huán)境因高粉塵、高磁場、高酸氣、高溫和高電磁干擾，導(dǎo)致大部分現(xiàn)行自動出鋁裝置都難以在此環(huán)境下長期可靠工作，故障率較高，長期以來這個問題一直困擾著電解鋁的生產(chǎn)。
該系統(tǒng)為數(shù)字模塊化結(jié)構(gòu)，是樹狀自動化控制系統(tǒng)，混合無線總線模式。與現(xiàn)行的出鋁方式共享，出鋁升級過程不影響生產(chǎn)。該系統(tǒng)可自動識別出鋁天車、出鋁電解槽、出鋁氣源口，甚至出鋁臺包；可跨區(qū)作業(yè)，也可以同區(qū)多天車工作；出鋁過程依據(jù)計劃出鋁量進行全自動實時控制，不受人為因素影響，出鋁準確快速，其所有數(shù)據(jù)均保存于數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)各參數(shù)均由計算機設(shè)置，維護方便。
由于采用了模組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，維護方便，維修只需更換模塊，徹底解決了電解鋁出鋁現(xiàn)場不能可靠運行的問題，是電解鋁廠不可多得的最新出鋁系統(tǒng)。
展開 4.鋁冶金氮化硅（VK-SiN01）陶瓷部件
氮化硅陶瓷具有的抗鋁液腐蝕的特性讓其在鑄鋁連軋生產(chǎn)線和煉鋁、熔鋁作業(yè)中，可用來制作測溫?zé)犭娕脊芴?、煉鋁爐爐襯、鋁液包子內(nèi)襯、坩堝、鑄鋁模具、鋁電解槽等用具。例如氮化硅陶瓷制成的熱電偶管套用于鋁液測溫這一技術(shù)已經(jīng)開始在我國普及，這種管套相較于常用的不銹鋼、剛玉陶瓷管套在使用性能上更加優(yōu)異，畢竟不銹鋼容易被鋁液腐蝕，連續(xù)使用20h后就會被損壞，剛玉更是經(jīng)不起熱沖擊。而在鋁液中性能長期穩(wěn)定、間歇測溫1200次以上都不開裂的氮化硅陶瓷管套在加工過程中可謂是一大利器。
總而言之，氮化硅陶瓷是工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料。目前國內(nèi)加工水平總體水平不高，因此氮化硅陶瓷有很大的發(fā)展空間。
展開 諧波來自于三個方面：一是發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波；三是供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備（如變頻器、電爐等）等產(chǎn)生的諧波，其中以供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波居多，具體如下：
1）晶閘管整流設(shè)備：由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。
晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也含有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
2）變頻裝置：變頻裝置常用于風(fēng)機、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分數(shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的使用的增多，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
3）電弧爐、電石爐：由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2～7次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。
4）氣體放電類電光源：熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
5）家用電器：電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會產(chǎn)生較深的奇次諧波。
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鋁電解槽的相關(guān)專題、標簽、搜索
鋁電解槽的最新內(nèi)容
隨著數(shù)據(jù)獲取便利性的增加,信息的全面性和多源信息的協(xié)同作用將更多地被人們關(guān)注,而越來越多的決策任務(wù)的開展,將尋求多源數(shù)據(jù)甚至是跨平臺、跨區(qū)域、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)的參與.例如,在城市規(guī)劃決策中,政府部門需要結(jié)合路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通流量、城市人口分布以及POIs 數(shù)據(jù)進行綜合分析[73]; 在醫(yī)療診斷中,有時專家需要將多家醫(yī)療機構(gòu)的診斷結(jié)果進行融合分析;在工業(yè)生產(chǎn)過程中,可以借助火眼圖像、槽音頻以及其他監(jiān)控數(shù)據(jù)來綜合判斷鋁電解槽過熱度狀態(tài)
諧波來自于三個方面：一是發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波；三是供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備（如變頻器、電爐等）等產(chǎn)生的諧波，其中以供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波居多，具體如下：
1）晶閘管整流設(shè)備：由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。
4.鋁冶金氮化硅（VK-SiN01）陶瓷部件
氮化硅陶瓷具有的抗鋁液腐蝕的特性讓其在鑄鋁連軋生產(chǎn)線和煉鋁、熔鋁作業(yè)中，可用來制作測溫?zé)犭娕脊芴?、煉鋁爐爐襯、鋁液包子內(nèi)襯、坩堝、鑄鋁模具、鋁電解槽等用具。
鈉膨脹主要是電解過程中析出的鈉擴散到陰極炭塊中與陰極炭塊發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的。鈉膨脹不能作為邊界條件直接施加到模型中去，本次計算把鈉膨脹轉(zhuǎn)化為熱膨脹，再把對應(yīng)的熱膨脹加進去。不同的鈉濃度對應(yīng)著不同的鈉膨脹率。鈉膨脹系數(shù)是體膨脹系數(shù)，而熱膨脹系數(shù)是線膨脹系數(shù)。
電解槽啟動一定時間后，鈉在陰極炭塊內(nèi)部是非線性分布的，而不同的鈉濃度對應(yīng)不同的鈉膨脹率，為了計算更加準確，把炭塊分成
開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規(guī)律，實現(xiàn)高效率、低能耗的鋁電解槽生產(chǎn)是鋁電解技術(shù)發(fā)展的趨勢。
該系統(tǒng)可自動識別出鋁天車、出鋁電解槽、出鋁氣源口，甚至出鋁臺包；可跨區(qū)作業(yè)，也可以同區(qū)多天車工作；出鋁過程依據(jù)計劃出鋁量進行全自動實時控制，不受人為因素影響，出鋁準確快速，其所有數(shù)據(jù)均保存于數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)各參數(shù)均由計算機設(shè)置，維護方便。
由于采用了模組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，維護方便，維修只需更換模塊，徹底解決了電解鋁出鋁現(xiàn)場不能可靠運行的問題，是電解鋁廠不可多得的最新出鋁系統(tǒng)。
