[发明专利]一种考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法

说明书

本发明提供了一种考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法，包括以下步骤：步骤1、建立铝电解槽电流流经部分的实体模型，并进行网格划分：步骤2、加载电场仿真边界条件：步骤3、采用迭代法进行瞬态电场求解，获得电场仿真分析结果。本发明充分考虑到了电解过程中阳极炭块的消耗因素，尤其是考虑到真实过程阳极炭块电流密度分布不均匀造成的各处阳极炭块消耗速率不等的因素，故能够精确仿真电解过程中阳极炭块形状的变化情况，更为接近实际情况，有助于提高计算精度。

技术领域

本发明涉及电解领域，特别涉及一种考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法。

背景技术

电解是目前大规模工业生产原铝的唯一手段，其核心设备是铝电解槽。铝电解过程中消耗了大量的能耗，因此通过铝电解槽设备和电解工艺的优化设计实现铝电解能耗的下降和运行稳定性的提升，是铝电解技术领域最重要的任务。随着现代信息和计算技术的发展，计算机模拟仿真由于具有成本低、周期短、准确度高且可以模拟各种假想设计方案等优点，是铝电解技术领域十分重要的研究手段。其中，铝电解槽内的电场分布对热场分布和磁场分布具有决定性的影响，并进一步影响应力场和流场分布，故铝电解槽电场仿真具有十分重要的基础性地位。

当前公知的技术手段中，铝电解槽电场仿真中将阳极炭块的形状视为初始的长方体，其底面始终保持平底形状。然而，真实电解过程中阳极炭块不断消耗，且由于阳极炭块与电解质接触面上的电流密度并非均匀分布，故接触面上各处阳极炭块的消耗速度不尽相同，最终造成底面形状的不断变化。考虑到阳极炭块被喻为铝电解槽的“心脏”，在铝电解槽过程中起到十分重要的作用，而当前铝电解槽电场仿真技术手段中未能纳入电解过程阳极炭块的变形因素，因此预测精度和指导意义较为有限。

因此，在现有的铝电解槽电场仿真分析技术的基础上，如何准确地考虑电解过程中阳极炭块消耗及其形状改变的因素，同时开发易于编程实现的逻辑和技术工具，进而提高铝电解槽电场仿真的计算精度，并获得电解过程阳极炭块形状的变化情况以更好地指导铝电解槽设备和工艺的优化设计，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟真实度高、操作方便的考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立铝电解槽电流流经部分的实体模型，并进行网格划分：

对铝电解槽电流流经部分实体模型进行建模，根据铝电解槽设计方案设定阳极炭块、阳极钢爪、阳极导杆和阴极炭块、阴极钢棒的数目和尺寸，以及阳极炭块和阴极炭块之间的电解质层和铝液层的尺寸；绘制铝电解槽电流流经部分的三维实体模型，赋予各实体对应材料的物理属性，划分有限元网格；

步骤2、加载电场仿真边界条件：

根据工艺参数设定流经阳极导杆的电流值I，并均匀加载至阳极导杆末端截面上；设定阴极钢棒与阴极母线连接的末端截面处的电势为零；

步骤3、采用迭代法进行瞬态电场求解，获得电场仿真分析结果：

根据边界条件和有限元网格尺寸设定瞬态电场迭代求解时间步长ΔT，并根据仿真分析任务设定求解步数目N；瞬态电场每一迭代求解时间步中将部分阳极炭块有限元网格的材料属性变更为电解质，然后转入下一迭代求解时间步直至求解时间步累计达到设定的求解步数目N。

上述考虑阳极形状变化过程的铝电解槽电场仿真分析方法，所述步骤1具体包含以下步骤：

步骤1.1：根据铝电解槽设计方案确设定阳极炭块、阳极钢爪、阳极导杆和阴极炭块、阴极钢棒的数目和尺寸，以及阳极炭块和阴极炭块之间的电解质层和铝液层的尺寸；

步骤1.2：绘制铝电解槽电流流经部分的三维实体整体模型；