第11卷第5期 2011年10月
过程工程学报
The Chinese Joumal of Process Engineering
新型阴极结构铝电解槽的物理数学模拟
刘燕，张廷安，赵秋月，李冲，王洪星，章俊，冯乃祥(东北大学材料与冶金学院多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室，辽宁沈阳110004)
Vol.11 No.5 Oct.2011
摘要：采用相似原理指导下的水模型实验，研究新型阴极结构电解槽中阳极气体的扰动。通过高速摄影手段拍摄液面波动，得到不同操作条件下阴极结构铝电解精水模型的液面波动图像，利用Image-Pro-Plus6.0专业图像分析软件对捕提到的波动静态图进行处理，获得液面波动的最大高度，并用Fluent6.2.16进步对电解槽的阳极结构进行数学模拟。结果表明，极距的增加、电解质水平的提高、气体流量的减小，均会减小界面波动，新型阴极结构电解精比普通阴极结构阳极气体引起的界面波动小，新型明极结构可有效地降低极距：相同实验条件下，1/2阳极产生气体引起的
界面波动振幅和普通阳极没有明显区别，而1/4阳极的减波作用较好，倒角对于界面波动的影响甚微关键词：新型阴极结构：铝电解：物理模拟；数值模拟；界面波动
中图分类号：TF827 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2011)05-0721-08
降低铝电解生产电能消耗的情性阳极，泄流式阴极表面虽然没有铝液的波动向题，但由于阴极的极化作用而高
1997年美国政府委托国家能源部和全美铝业协会编制的“美国原铝工业未来技术研究发展规划”[中提出改进电解技术，使铝直流电耗降低2000kW-h/t.即在电流效率不变的情况下使电解槽的槽电压降低0.6~0.7 V，必须将电解槽极距从4~5cm降低到2~2.5cm.现行的电解槽，由于各方面的技术进步，其极距已经处于临界点.如极距降低到3.5cm以下，槽电压剧烈摆动，电解槽将不能正常运行.研究认为，如果电解槽内没有铝液波动，可以实现电解槽极距减少2cm，槽电压降低 0.6~0.7V.上世纪80年代，研究者开始对TiBz/C情性阴极泄流式电解槽开发和研究.泄流式TiBz/C阴极电解槽使用的材料既对铝液化学稳定，又被铝液良好地湿润，阴极上的电解反应可直接在此界面上进行，生成的金属铝顺着TiB/C阴极的斜坡流入集铝沟，不存在铝液的波动.最早工业级规模的试验为Comalco铝业公司 92kA泄流式试验电解槽(2)，其最低直流电耗为12800 kW-h/t，并未达到预期的结果，10多年以来未见到后续研究的报道，也未能在工业上实现
关于情性阴极电解槽的概念早在1937年由前苏联学者别列耶夫提出的3)，由于情性阳极电解槽在理论上比现行的炭阳极电解槽的电能消耗高3000~3500 kW-h/t，因此，研究者对情性阳极技术并不十分感兴趣 Pawlek(4.5)指出目前尚未研究出工艺简单、生产成本低、尺寸大、抗铝电解质腐蚀性能优良、不影响铝质量、能
集的高分子比电解质在阴极表面易凝固，而使铝在凝固的结壳表面析出，其综合效果并没有使电解槽槽电压大幅度降低，节能效果不明显，近30年来，国内外铝工业虽然取得了重大的技术进步，但铝电解生产的电能消耗一直排很在13000~13900kW-h/t之间，大幅度地降低电能消耗这世界性技术难题并没有被攻破.其主要技术问题是电解槽内的阴极铝液在电磁场力作用下和在阳极气体逸出扰动下产生波动，不能得到有效地解决。阴极铝液面的波动造成液面不稳定，限制了电解槽极距和槽电压的降低，为了实现铝电解工业的节能降耗，进步推进新型阴极结构铝电解槽基础理论研究，本工作系统地研究新型阴极结构、阳极结构对铝液的流速、流场、液面波动的影响，建立起新型阴极结构电解精铝电解实现最小波动的设计(6-别
新型阴极和阳极结构会改变铝电解槽流场和热场
等，浙江华东铝业有限公司采用新型明极结构电解槽经过6个月的运转，94台电解槽的平均电流效率93.105%，综合交流电耗为12790kW-h/t，取得了很好的节能效果[9].重庆天泰铝业公司168kA电解槽的工业电解槽试验结果显示，统计期内3台试验电解槽平均槽电压为3.803 V，平均直流电耗比同系列其他127台传统电解槽低 1250kW-h/t，达到12101kW-h/t[10]，王紫千等[11]曾对高效节能铝电解槽节能机理进行了分析.为了进一步研究新型阴极对铝液波动的影响，本工作首次采用相似原理
收稿日期：2011-06-19，修园日期：2011-09-21
060S0060190609
中国博士后科学基会资助项目(编号：20090451277)：教有部高校博士点专项基金资助项目(编号：20050145029)：辽亨省青年人才基金资助项H(编号：2005221012)：辽宁省财政广/省计划资助项H(编号：200921007)
作者简介：刘焦(1970-)，女，湖南省湘多市人，博土，副教授，主要研究方向为冶金反应器，E-mai:shanqibao2000@163.com 万方数据