不同開槽陽極鋁電解槽的節能性研究

孫美佳，李寶寬，王 強，彭建平(東北大學冶金學院，沈陽110819)

不同開槽陽極鋁電解槽的節能性研究

孫美佳，李寶寬，王 強，彭建平
(東北大學冶金學院，沈陽110819)

基于有限體積方法，建立三維傳統陽極、縱向開槽和橫向開槽陽極鋁電解槽非穩態數學模型，采用磁動力流體模型(MHD)中電勢法計算電磁場，把電磁力作為動量方程的源項，通過流體體積函數(VOF)法追蹤電解質-鋁液界面的波動，用離散相模型(DPM)追蹤氣泡的運動路徑.對比分析傳統陽極、縱向開槽和橫向開槽陽極鋁電解槽中電解質-鋁液界面波動和氣泡分布情況.結果表明，縱向開槽陽極下電解質-鋁液界面波動幅度小于橫向開槽陽極下的電解質-鋁液界面波動幅度，且都小于傳統陽極下電解質-鋁液界面波動幅度.縱向開槽陽極底部的氣體體積分數最小.

鋁電解槽；開槽陽極；界面波動；極距

目前工業鋁電解中采用的是霍爾-埃盧特的熔鹽電解法.鋁電解反應主要發生在溫度為950～970 ℃的高溫鋁電解槽中，直流電通過熔融態電解質時，與陽極炭塊發生電化學反應，陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，產生熔融態的鋁[1].二氧化碳等氣體從陽極底部逸出的過程中，對周圍電解質產生較大的擾動作用，影響電解質-鋁液界面波動.隨著電化學反應的進行，陽極底部產生的氣體積聚在陽極底部，影響極間導電性，導致鋁電解槽電壓升高，消耗大量的電能，不利于電解過程的正常進行[2-3].

為解決上述問題，國內外學者通過優化陰極結構和陽極結構，加快陽極底部氣泡溢出并提高電解質-鋁液波動界面穩定性.目前國內采用馮乃祥[4-6]提出的異型陰極來降低鋁液波動，部分學者也對開槽陽極進行了試驗研究.Barclay等[7]提出了在陽極底部沿陽極長度方向開非通長槽.這種開槽方式可以將氣泡更多地導向陽極中縫，加強電解質區域的擾動，促進氧化鋁的溶解和電解反應，此方案可降低氣泡層壓降180 mV.Kiss等人[8]認為覆蓋在陽極底部的氣泡取決于氣泡的產生與疏散的平衡關系，并探討了陽極結構對覆蓋因子的影響.楊帥等人[9]采用數值模擬的方法計算三種不同鋁電解槽預焙陽極開槽結構下的氣泡-電解質流場，分別是沿長度方向開槽，沿寬度方向開槽和沿豎直方向開槽.結果表明，陽極長度和寬度方向開槽可以促進氣泡的排放，豎直方向開槽對氣泡的排放效果的影響不明顯.李賀松等人[10]運用仿真軟件對穿孔陽極的電熱場及應力場進行模擬，并進行了穿孔陽極工業試驗.結果表明穿孔陽極氣泡層厚度減小，槽電壓降低.陽極炭塊開孔在一定程度上影響槽上部保溫，在開孔較多的情況下也會降低陽極強度.Storesund[11]提出了在陽極上開兩條傾斜細槽，槽的寬度為3～8 mm.該種有傾斜角度槽的作用是更有利于氣泡的排出，并指出隨著開槽寬度的增大，陽極有效導電面積減小.

本研究基于有限體積方法，將磁流體流動模型(MHD)與流體體積函數方法(VOF)相結合，分析鋁電解槽內流體流動行為，采用離散相模型(DPM)模擬氣泡在鋁電解槽中運動情況.對比傳統陽極，考察兩種不同開槽陽極對鋁電解槽中氣體逸出情況及電解質-鋁液界面穩定性的影響，為鋁電解槽陽極結構的優化設計提供理論支持.

1 數學模型

鋁電解槽熔體中陽極氣泡、電解質及鋁液運動作用過程十分復雜，本模型中不考慮電解質中氧化鋁顆粒對流場的作用；假設氣泡、電解質及鋁液的相關參數不隨溫度變化；將電解質、鋁液視為不可壓縮流體；忽略陽極底部氣泡的碰撞、合并等變形過程；陽極炭塊不會隨著電解過程而消耗.

流場中采用多相流模型中的VOF算法追蹤鋁電解槽中電解質和鋁液的波動界面，計算過程中，考慮電磁力、氣泡以及表面張力對電解質和鋁液的流動影響.

氣泡運動采用DPM模型描述，該模型用拉格朗日方法來追蹤氣泡的運動路徑.氣泡運動過程中，主要受到重力、浮力、曳力、虛擬質量力以及壓力梯度力的影響.

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型及相關參數

本研究建立三種陽極鋁電解槽幾何模型，分別為傳統陽極、縱向開槽鋁電解槽和橫向開槽陽極鋁電解槽，如圖1所示，具體結構參數見表1.

圖1 電解槽幾何模型Fig.1 Geometric models of the aluminum electrolytic cell(a)—傳統陽極; (b)—縱向開槽陽極; (c)—橫向開槽陽極

表1 電解槽幾何結構參數

圖2分別為采用ICEM建立傳統陽極、縱向開槽陽極和橫向開槽陽極鋁電解槽的計算網格模型.表2為電解質、鋁液和氣泡的主要物性參數[12].

圖2 鋁電解槽計算網格模型Fig.2 Meshes of the aluminum electrolytic cell(a)—傳統陽極; (b)—縱向開槽陽極; (c)—橫向開槽陽極

表2 主要物性參數

2.2 邊界條件與求解方法

本文將電解槽進行切片處理，把切片的橫斷面定義為對稱面.陽極底面為直流電入口面，電解槽底面設置為零電勢，電解槽上表面及其他面設置為絕緣面.陽極底面設置為氣體速度入口，電解槽上表面為氣體出口且為滑移壁面，入口與其他邊界為無滑移壁面.

鋁電解過程中電解質和鋁液均為不可壓縮流體，采用二階迎風格式計算流動中的質量守恒方程、動量守恒方程、湍動能k方程及耗散率ε方程，體積分數方程采用QUICK格式計算，其余采用默認格式，且計算收斂的精度為10-6.

3 結果與分析

圖3為某一時刻下傳統、縱向開槽和橫向開槽陽極鋁電解槽中陽極底部氣體體積分數分布，傳統陽極底部的氣體主要集中在陽極底部中心區域，靠近陽極邊緣處的氣體體積分數較小，主要是因為傳統陽極底部中心區域的氣泡需要沿陽極底部水平移動一定的距離到達陽極邊緣處逸出到外界環境中.縱向開槽將陽極底部長度方向分為三部分，橫向開槽將陽極底部寬度方向分為三部分.橫向開槽陽極底部氣體體積分數小于傳統陽極底部氣體體積分數，但是氣泡仍積聚在這三部分的中心區域，縱向開槽陽極底部氣體體積分數小于傳統陽極和縱向開槽陽極底部氣體體積分數，且分布更加均勻.縱向開槽陽極加快陽極底部氣泡的排出，減小了氣泡在陽極底部的堆積情況，增加了陽極底部與電解質區域的接觸面積，有利于極間導電性，降低電壓降，節省電能.

圖3 陽極底部氣體體積分數分布Fig.3 Gas volume fraction distribution in the anode bottom (a)—傳統陽極； (b)—縱向開槽陽極； (c)—橫向開槽陽極

圖4 氣體體積分數Fig.4 Gas volume fraction(a)—線1； (b)—線2

圖4 (a) (b) 分別為傳統陽極、縱向和橫向開槽陽極鋁電解槽在線1和線2上的氣體體積分數曲線分布圖.線1和線2分別為沿長軸Y方向和短軸X方向.圖中傳統陽極和兩種開槽陽極鋁在線1和線2上的氣體體積分數曲線分布與圖3相符.

圖5 電解質-鋁液波動界面Fig.5 The fluctuation of bath-metal interface (a)—傳統陽極； (b) —縱向開槽陽極；(c) —橫向開槽陽極

圖6 不同時間下的界面點波動幅度大小Fig.6 Fluctuation of bath-metal interface points with different times(a)—點1； (b)—點2； (c)—點3

圖5為某一時刻在電磁力和氣泡共同作用下的三種陽極鋁電解槽的電解質-鋁液界面波動圖，結合圖中等高線可以看出，界面波動幅度大小依次為傳統陽極、橫向開槽陽極、縱向開槽陽極鋁電解槽.因此，開槽陽極有利于降低界面的波動幅度，改善電解質-鋁液波動界面穩定性.對比兩種不同開槽方式的鋁電解槽中界面波動，可以得出，縱向開槽陽極對于穩定電解質-鋁液界面波動效果更加明顯，結合圖3，縱向開槽陽極底部的氣體體積分數最小，加快了氣泡的排出，減小了氣泡在鋁電解槽內的停留時間，減弱了氣泡對電解質區域的擾動，使界面更加穩定，有利于縮短極距.

圖6為傳統陽極、縱向開槽和橫向開槽陽極鋁電解槽中波動界面點在不同時刻下的波動幅度大小曲線圖，在傳統陽極和開槽陽極鋁電解槽的相同位置上取3個點，分別記錄3個點隨時間的波動幅度大小.從圖中可以看出，傳統陽極鋁電解槽界面點1、點2和點3在不同時刻下的波動幅度，大于橫向開槽陽極界面點的波動幅度，大于縱向開槽陽極界面點的波動幅度，說明縱向開槽陽極界面波動點的波動幅度最小，更有利于維持界面穩定性，達到縮短極距的目的.

4 結 論

縱向開槽陽極底部氣體體積分數小于橫向開槽陽極底部氣體體積分數，且小于傳統陽極底部氣體體積分數.縱向開槽加快了陽極底部氣泡的排出，減小氣泡在陽極底部的堆積問題，改善了極間導電性，降低電解槽電壓降.縱向開槽陽極鋁電解槽的界面波動幅度小于橫向開槽陽極鋁電解槽的液面波動幅度，小于傳統陽極鋁電解槽的界面波動幅度.縱向開槽陽極鋁電解槽有利于穩定電解質-鋁液波動界面，縮短極距，減小電能的消耗，達到節能減排的目的.

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Investigate on energy-saving of slotted anode cells in aluminum electrolytic cell

Sun Meijia, Li Baokuan, Wang Qiang, Peng Jianping

(School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Based on the finite volume method, a three-dimensional physical and transient mathematical model for the traditional anode and the slotted anode in the aluminum electrolysis cell was developed to investigate the magnetohydrodynamic flow and gas bubble behavior. Magnetohydrodynamics model (MHD) solved by the electrical potential method was used to describe the electromagnetic field. The electromagnetic force (EMF) was taken as a source term in the momentum equation. The volume of fluid (VOF) approach was employed to track the bath-metal interface. The discrete particle model (DPM) was applied to study the motion of the gas bubbles in the aluminum electrolytic cells. The results indicated that the bath-metal interface fluctuation in the longitudinal slotted anode is less than that in the transverse slotted anode and also less than that in the traditional anode cell. The gas volume fraction in the bottom of longitudinal slotted anode is much small.

aluminum electrolysis cell; slotted anode; bath-metal interface fluctuation; distance between anode and cathode

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.008

TF 821

A

1671-6620(2017)01-0042-05