CN103603010A - 一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法 - Google Patents

一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法，采用有限单元的计算方法，基于电解槽结构、设计工艺参数，建立电解槽电热计算数学物理模型，全面考虑电解槽本体及气泡电阻的焦耳生热、电化学反应消耗热和槽体散热，且无需设定电解温度，应用循环迭代计算得到稳态的三维槽帮形状和电热平衡以及分布情况，从而辅助低电压铝电解工艺与槽内衬保温结构设计。应用本发明方法可以快速准确计算得到电解槽的理论电解温度、电压、槽帮形状。

Description

一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法
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Xi+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Xi+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。
所述步骤4的计算过程中，针对电解槽阴极结构内部的阴极与钢棒之间存在的电接触，在阴极与钢棒相接触的单元上定义电接触方程；针对电解质与槽帮之间存在的热交换，在电解质与槽帮的接触面上定义热对流方程：
（1）电接触方程：J=ECC×(φt-φc)
（2）热对流方程：q=TCC×(Tt-Tc)
其中：J为通过接触面的电流，ECC是接触电导率；φt和φc是目标面和接触面电势；q为接触面热流密度；TCC为接触面的对流换热系数；Tt和Tc分别为目标面和接触面的温度值。
所述步骤4的计算过程中，电解质的实际生热率包括电流通过电解质生成的焦耳热和补偿电化学反应以及加热物料所需的热量三部分，修正后的电解质生热率Wr采用以下三个方程式联立求解：
（1）电解质的实际生热率：Wr=I2Rr-Qt
（2）电解质欧姆电阻产热补偿化学反应及加热物料的热功率：Qt＝Qc-(E+Vg)I
（3）电解反应过程的理论吸热及加热物料消耗功率：Qc＝0.3356I(5.63+0.7-4.32(1-η))
式中，I为电解槽电流强度；η为电解槽实际电流效率；Vg为气泡电阻带来的压降；E为电化学反应压降；Rr为电解质电阻。
所述步骤5中的槽帮形状的迭代计算的判定点坐标移动遵循原则如下：
Xi+1=Xi–Lstep *(T–Tf)/(Tb–Tf)
其中，Xi+1为迭代计算得到的坐标；Xi为当次计算所使用的节点坐标；T为当次计算所得的电解温度；Tf为电解质初晶温度，由步骤2计算所得，Tb为当次电热场计算所得的选定的槽帮节点温度；Lstep为节点移动步长，取值范围是1-10mm。
计算得到的槽帮表面温度Tb与初晶温度Tf的误差的设定范围是二者之差的绝对值小于2℃。
有益效果
本发明提供的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。相对现有技术而言，本发明的优点在于：
（1）采用有限单元三维迭代的方法计算电解槽电热场，对所有热收入、热支出均充分考虑（包括电化学反应热、电阻焦耳发热、槽体散热），因而可以得到较准确的热平衡分布及理论三维槽帮形状；
（2）在热平衡计算过程中，不预先设定初始电解温度，而是根据电解槽电流焦耳热及各类热消耗与损失来计算实际的槽温，结果与实际更加接近；
（3）在计算过程中，充分考虑阴极钢棒与炭块的电接触及槽帮与电解质的热对流，使结果与实际更加接近；
（4）在热平衡计算中，对理论电化学反应热进行充分考虑，避免了忽略电化学反应热所带来的热场计算误差。
应用该方法可明显改善对铝电解槽实施低电压时存在的各类热平衡问题进行判断的准确性。
附图说明
图1为电热平衡计算切片模型图；
图2为本发明的流程图；
图3为应用本发明方法计算得到的某400kA级电解槽欧姆电压分布图/V；
图4为应用本发明方法计算得到的某400kA级电解槽热场分布图/℃；
图5为应用本发明方法计算得到的某400kA级电解槽炉帮形状。
具体实施方式
本发明是一种铝电解槽电热平衡的计算方法，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。
本发明的流程图如图2所示，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，如图1所示，铝电解槽的初始槽帮形状设定为弧形，同时，在槽帮表面选定4-10个代表点作为槽帮形状的迭代计算基础判定点，如图5中的点1、2、3及4；如果不是初次计算时则按照迭代计算得到的一组新坐标Xi+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模型建立的输入条件，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，如图5中的点1、2、3及4；
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Xi+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。
所述步骤4的计算过程中，针对电解槽阴极结构内部的阴极与钢棒之间存在的电接触，在阴极与钢棒相接触的单元上定义电接触方程；针对电解质与槽帮之间存在的热交换，在电解质与槽帮的接触面上定义热对流方程：
（1）电接触方程：J=ECC×(φt-φc)
（2）热对流方程：q=TCC×(Tt-Tc)
其中：J为通过接触面的电流，ECC是接触电导率；φt和φc是目标面和接触面电势；q为接触面热流密度；TCC为接触面的对流换热系数；Tt和Tc分别为目标面和接触面的温度值。
所述步骤4的计算过程中，电解质的实际生热率包括电流通过电解质生成的焦耳热和补偿电化学反应以及加热物料所需的热量，修正后的电解质生热率Wr采用以下三个方程式联立求解：
（1）电解质的实际生热率：Wr=I2Rr-Qt
（2）电解质欧姆电阻产热补偿化学反应及加热物料的热功率：Qt＝Qc-(E+Vg)I
（3）电解反应过程的理论吸热及加热物料消耗功率：Qc＝0.3356I(5.63+0.7-4.32(1-η))
式中，I为电解槽电流强度；η为电解槽实际电流效率；Vg为气泡电阻带来的压降；E为电化学反应压降；Rr为电解质电阻。
所述步骤5中的槽帮形状的迭代计算的判定点坐标移动遵循原则如下：
Xi+1=Xi–Lstep *(T–Tf)/(Tb–Tf)
其中，Xi+1为迭代计算得到的坐标；Xi为当次计算所使用的节点坐标；T为当次计算所得的电解温度；Tf为电解质初晶温度，由步骤2计算所得，Tb为当次电热场计算所得的选定的槽帮节点温度；Lstep为节点移动步长，取值范围是1-10mm。
计算得到的槽帮表面温度Tb与初晶温度Tf的误差的设定范围是二者之差的绝对值小于2℃。
针对典型的铝电解槽按以上步骤设计电热场计算模型，然后通过实际的参数进行验证和修正，并得到最终确定的计算模型。
实施例一
本实施例以某400kA级预焙铝电解槽为例，该电解槽单阳极设计，共48块阳极，阳极炭块尺寸1700mm×660mm×635mm，共24块阴极炭块，阴极炭块尺寸3680mm×665mm×485mm，并用非通长双钢棒出电，大面加工距离为280mm，小面加工距离为390mm，取铝水平220mm，电解质水平180mm，极距45mm，电流效率94%。
采用本发明的预焙铝电解槽电热平衡计算方法进行计算，图3-图5分别为该400kA级电解槽欧姆电压分布、热场分布和槽帮形状的结果。表1为计算得到的电压平衡表，表2为计算得到的热平衡表。
表1  电压平衡表
Figure BDA0000416640590000061
图3中字母B、C、D、E、F、G及H表示为等电势线，图4中J、K、L、M、N、O及P表示等温线。
表2  阴极切片模型散热分布
Figure BDA0000416640590000071
由表1及图3可以看出，各部分压降的计算值都分布合理，欧姆压降为1.908V，槽体系的总压降为3.83V。应用本方法可以对极距降低、阳极开槽、异型阴极、异型阴极钢棒等行为进行电场计算，从理论上寻找更加合适的电压降低途径。
由表2及图4、图5可以看出，应用本发明提出的方法可以得到较为准确的各部分散热情况、电解槽熔体温度、槽内部温度分布和初晶等温线分布等，对于内衬保温情况、内衬受热情况能较为准确的反馈出来。因此，可应用本方法进行电解槽处于低电压运行时的热平衡评价，同时选择最佳的工艺条件的选择（阳极覆盖料厚度、铝水平、电解质水平、极距等）。

Claims (6)

1.一种铝电解槽电压及热平衡的计算方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的铝电解槽电压及热平衡的计算方法，其特征在于，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Xi+1设定槽帮形状；
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；
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Xi+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。
3.根据权利要求2所述的预焙铝电解槽电压及热平衡3的计算方法，其特征在于，所述步骤4的计算过程中，针对电解槽阴极结构内部的阴极与钢棒之间存在的电接触，在阴极与钢棒相接触的单元上定义电接触方程；针对电解质与槽帮之间存在的热交换，在电解质与槽帮的接触面上定义热对流方程：
（1）电接触方程：J=ECC×(φt-φc)
（2）热对流方程：q=TCC×(Tt-Tc)
其中：J为通过接触面的电流，ECC是接触电导率；φt和φc是目标面和接触面电势；q为接触面热流密度；TCC为接触面的对流换热系数；Tt和Tc分别为目标面和接触面的温度值。
4.根据权利要求2所述的预焙铝电解槽电压及热平衡参数的计算方法，其特征在于，所述步骤4的计算过程中，电解质的实际生热率包括电流通过电解质生成的焦耳热和补偿电化学反应以及加热物料所需的热量三部分，修正后的电解质的实际生热率Wr采用以下三个方程式联立求解：
（1）电解质的实际生热率：Wr=I2Rr-Qt
（2）电解质欧姆电阻产热补偿化学反应以及加热物料的热功率：Qt＝Qc-(E+Vg)I
（3）电解反应过程的理论吸热及加热物料消耗功率：Qc＝0.3356I(5.63+0.7-4.32(1-η))
式中，I为电解槽电流强度；η为电解槽实际电流效率；Vg为气泡电阻带来的压降；E为电化学反应压降；Rr为电解质电阻。
5.根据权利要求2所述的预焙铝电解槽电压及热平衡的计算方法，其特征在于，所述步骤5中的槽帮形状的迭代计算的判定点坐标移动遵循原则如下：
Xi+1=Xi–Lstep *(T–Tf)/(Tb–Tf)
其中，Xi+1为迭代计算得到的坐标；Xi为当次计算所使用的节点坐标；T为当次计算所得的电解温度；Tf为电解质初晶温度，由步骤2计算所得，Tb为当次电热场计算所得的选定的槽帮节点温度；Lstep为节点移动步长，取值范围是1-10mm。
6.根据权利要求2所述的预焙铝电解槽电压及热平衡的计算方法，其特征在于，计算得到的槽帮表面温度Tb与初晶温度Tf的误差的设定范围是二者之差的绝对值小于2℃。
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