[发明专利]一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法。

技术背景

铝电解槽本质是一个电化学反应装置，在通入强直流电作用下电解生产原铝。通过铝电解槽的电流不仅提供了电化学反应的动力，同时产生焦耳热维持着电解过程进行所需要的高温环境并补偿电化学反应及加热物料所吸收的热量。工业铝电解槽所采用的熔盐体系，需要在950℃左右的温度下才能进行电解，为维持熔体的电解温度，在熔体与环境间存在有电解槽的内衬结构，但槽内熔体与槽外环境间存在的巨大温度差，直接驱动槽内的热量向环境散失，造成了能源的浪费。

铝电解槽的热场，是指热量在槽内的生成、传递及散失过程以及槽内温度分布状况。电解生产过程中，电流的焦耳热效应使得电能转化为热量，热量伴随着熔体的流动向内衬结构进行着对流换热，继而在内衬结构中进行热传导，到达槽壳后以辐射及对流的方式向环境散失。整个热量的流动以及槽内温度的分布，构成电解槽的热场，由于热量的直接来源为电能，因此也称铝电解槽的电-热场。

工业铝电解槽总体上是一个热量自平衡的设备，热量的输入源为电解槽的本体电阻在通过电流时产生的焦耳热，热量的消耗包括补偿电化学反应吸热、物料的加热以及热量向槽外的散失等。所有的热生成、传递、散失过程在宏观来看是处于平衡态，可以认为是处于一种宏观的稳定状态，即形成了电解槽的稳态电-热场。

准确获知铝电解槽内的电热场对工业铝电解生产的意义重大，一方面能够让设计人员从降低电压角度去设计低电压铝电解槽，另一方面在内衬的热平衡设计上，电热平衡计算可为其提供比不可少的设计依据。为此，有必要提出一种完善的、与实际体系接近的铝电解槽电热平衡计算方法，从而开发出低能耗、高电流效率、高稳定性、长寿命的先进大型工业铝电解槽。

发明内容

本发明的目的是提出一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法，该方法不需要设定电解温度，直接根据电解槽热收入并考虑电解槽电化学反应热计算电解槽电热平衡结果，从而辅助低能耗铝电解过程工艺与槽内衬保温结构设计。

本发明的技术解决方案如下：

一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法，基于铝电解槽的结构及运行工艺条件，采用有限元计算理论及方法建立铝电解槽电热场模型，应用循环迭代计算得到铝电解槽的电压及热平衡结果；

所述铝电解槽的电压及热平衡结果包括温度场分布、电势分布、稳态三维槽帮形状及稳态的电解温度。

具体步骤如下：

步骤1：获得铝电解槽的结构参数及运行工艺条件；

所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛和各种内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导电率和导热率；上述参数均为固有属性参数；

所述运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及电解质组成成分；

步骤2：依据步骤1获得的数据，根据传热学理论方法计算电解槽体与环境界面的换热系数、电解质与内衬界面的换热系数，使用现有的铝电解槽电解质经验公式以及电压降计算方法计算电解运行过程基础参数，所述电解运行过程基础参数包括电解质的电导率和初晶温度、化学反应电压降以及气泡电压降；

步骤3：采用有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型，铝电解槽的初始槽帮形状设定为弧形；如果不是初次计算时则按照迭代计算得到的一组新坐标X_i+1设定槽帮形状；

将获得铝电解槽的结构参数及运行工艺条件作为建模的输入条件，采用现有技术中的有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型，模型的输出为铝电解槽的电压及热平衡结果；

步骤4：利用数值方法计算步骤3建立的铝电解槽电热场模型的电压及热平衡情况，并从上至下在槽帮表面的熔体上表面、熔体界面等距间隔选定或者根据电解质水平和铝水平特征选定4-10个代表点作为槽帮形状的迭代计算的判定点；

在计算稳态时的电解温度时，与现有技术不同的是，无需设定电解温度；

步骤5：根据步骤4得到的铝电解槽电热场模型的电压及热平衡情况中的温度分布结果，将步骤4选取的各代表点的温度与步骤2计算所得的电解质初晶温度进行对比，如果误差在设定范围之内，则停止迭代计算并输出本次计算的电压及热平衡情况，否则，根据槽帮形状迭代计算判定点移动规则进行节点移动，以移动后的节点坐标X_i+1建立新的槽帮形状后，返回步骤3重新建立铝电解槽电热场模型，直至得出最终的铝电解槽的电压及热平衡结果。