无隔板镁电解槽三维电热场耦合分析.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 2 5 无隔板镁电解槽三维电热场耦合分析 孙泽，刘天翼，赵昀，路贵民，于建国 华东理工大学资源过程工程教育部工程研究中心，上海2 0 0 2 3 7 摘要运用大型有限元分析软件A N S Y S 耦合研究无隔板镁电懈槽三维电热场，建立数字模型，分析边 界条件，得到电解槽的电势和温度分布。以1 2 0k A 无隔板镁电解槽为例，建立1 ／2 全槽三维电热耦合 模型，进行实例电热耦合分析，并与一维计算方法进行比较，探讨了阳极头温度、阳极断面电流密度和电 解质压降的准确性。 关键词镁电解槽；电热场；耦合；热平衡；A N S Y S 中图分类号T F 8 2 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 5 一0 0 2 5 一0 4 3 DT h e r m o - E l e c t r i cC o u p l i n gA n a l y s i so ft h eD i a p h r a g m l e s s M a g n e s i u mR e d u c t i o nC e l l S U NZ e ，L I UT i a n y i ，Z H A OY u n ，L UG u i m i n ，Y UJ i a n - g u o E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fR ，e s o u r c e sP r o c e s sE n g i n e e r i n g ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n E a s tC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y 。S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 ，C h i n a A b s t r a c t At h r e e - d i m e n s i o n a lh a l fc e l lm o d e li sb u i l tb yl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S ．T h et h e r m o e l e c t r i cb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，p o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o narea n a l y z e d ．T h e d i f f e r e n c e sb e t w e e n3 Da n d1 Dc a l c u l a t i o nm e t h o da r ec o m p a r e d ，a n da n o d et o pt e m p e r a t u r e ，a n o d ec r o s s s e c t i o nc u r r e n td e n s i t ya n dp o t e n t i a l d r o po fe l e c t r o l y t ea r ec o n c r e t e l ya n a l y z e d ． K e y w o r d s M a g n e s i u mr e d u c t i o nc e l l ；T h e r m o e l e c t r i cf i e l d ；C o u p l i n g ；E n e r g yb a l a n c e ；A N S Y S 电解槽是电解法炼镁的主要设备，电解槽内合 理的电热场分布可以提高电流效率，降低吨镁直流 电耗及延长槽寿命。近年来随着计算机软硬件的飞 速发展，热工设备的仿真模拟也得到了日新月异的 变化，通过对热工设备的仿真模拟大大加快了设备 的开发和研制，为设备的生产提供了理论指导。 在铝电解槽的研究中，对电热场仿真研究已经 比较详尽，且在铝电解槽的开发和优化的过程中，数 值计算发挥了极大的作用。铝电解槽电热场的仿真 研究普遍采用A N S Y S 商业软件I t - T ] 。国内对镁电 解的研究较少，本文运用A N S Y S 对镁电解槽电热 场进行研究分析。 1镁电解槽三维电热耦合模型 1 ．1 镁电解槽的三维物理模型 由于无隔板镁电解槽长轴方向左右对称，所以 选择全槽的1 ／2 作为分析对象 图1 ，并进行如下 假设 1 整个镁电解槽及其解析域的电、热场为稳 态场； 2 镁电解槽所分两个部分电、热分布以及熔 体流动情况沿中轴面对称； 3 各阳极电流负荷相 同；各阴极电流负荷相同。 1 ．2 镁电解槽的控制方程 镁电解槽内的电传递遵循拉普拉斯方程，热传 递服从有内热源的泊松方程 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 4 0 4 8 ；国家科技支撑计划课题 2 0 0 6 B A E 0 4 8 0 6 ； 华东理工大学优秀青年教师科研基金 Y B 0 1 5 7 1 1 5 作者简介孙泽 1 9 8 0 - - ，男，内蒙古乌兰察布人，讲师． 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 图11 2 0k A 无隔板镁电解槽1 ／2 实体模型 F i g ．11 ／2S o l i dm o d e lo f1 2 0k Ad i a p h r a g m l e s s m a g n e s i u me l e c t r o l y z e r fV d V V 0 1 V 入V T q ，。l o 式中口一导电率；V 为电位；入一导热系数；T 一温度； q 。。一控制单元的焦耳热，在不导电部分其值为0 。 1 ．3 边界条件 1 ．3 ．1 导电方程边界条件 阴极头表面取为基准电位，0V ；阳极、阴极、熔 体导电，其余不导电；阳极头电流流入、阴极头电流 流出，其电流值为75 0 0A 。 1 ．3 ．2 导热方程边界条件 电解质为等温区，其温度按设计温度值给定；与 电解质接触的电极表面和槽内衬表面视为对流换热 面，采用第三类边界条件；槽周围环境温度为定值， 按车间环境温度给定；槽体表面与环境进行对流换 热和辐射换热，根据传热学原理可计算总对流传热 系数。 2 计算结果及分析 以1 2 0k A 无隔板镁电解槽为例，应用上述模 型进行电热耦合计算。图2 为电解槽温度场分布云 图，图3 、图4 、图5 分别是阳极、阴极和电解质等电 位图，图6 为电解质电流密度矢量图。 由图2 可以看出，求解域内最高温度为 7 0 2 ．4 3 l ℃，最低温度为3 0 ．9 9 3 ℃。阳极头表面平 均温度为2 7 6 ．9 2 ℃，阴极头平均温度1 5 1 ．1 4 ℃，槽 盖表面平均温度1 2 3 ．8 9 ℃。阳极头插入部分附近 槽盖温度高于槽盖其他部分，因为阳极石墨导热系 数大，阳极头温度高于其他部分，致使其附近槽盖温 度升高。 槽内衬最高温度位于与熔体接触部分，温度逐 层向外递减，槽底、集镁室侧纵墙以及端墙等温线分 图2电解槽温度场分布云图 F i g ．2T e m p e r a t u r ec o n t o u ro fe l e c t r o l y z e r 布长、平、直。电解室侧纵墙内衬耐火层与保温层间 温度高于集镁室侧纵墙内衬相同位置，且各个阴极 之间槽壁区域温度高于其他部分温度，因为阴极从 电解室侧纵墙插入，引起温度分布不均匀。由于拐 角处的结构不同于侧部结构，各个拐角处温度梯度 变化较大。 图3阳极等电位图 F i g ．3E q u i p o t e n t i a l so fa n o d e s 图4 阴极等电位图 F i g ．4E q u i p o t e n t i a i so fc a t h o d e s 镁电解槽各部分电压降是电解槽设计的核心问 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 2 7 题，电位分布的好坏，直接影响电解槽热场分布，进 而影响电解槽能量平衡。由图3 - - ．一4 可看出，阳极头 顶端电位最高，因电流载荷直接加载在阳极顶部。 越靠下部阳极电压越低，整体压降为0 ．6 5 6V 。阴 极工作面表面电压最高，阴极头顶部电压最低，为0 V 。因为在加载电压时，考虑到工业电解槽阴极接 线方式为阴极头表面与母线焊接或压接。中间7 个 阴极压降较大，边部两个阴极压降较小，中间阴极压 降约为边部阴极压降的2 倍，因为中间阴极为双面 工作，而边部阴极仅有一个面工作。对9 组阴极压 降取平均值计算得阴极压降为0 ．1 4 8V 。 图5电解质等电位图 F i g ．5E q u i p o t e n t i a l so fe l e c t r o l y t e 图6电解质电流密度矢量图 F i g ．6 V e c t o ro fc u r r e n td e n s i t y 由图5 ～6 可看出，电流主要集中在阴阳极之 间，且电流密度基本一致。在阴极上、下部也有电流 通过，但量很小。除了电解室外，其他区域也存在着 电势分布，说明电势分布的不均匀性。分别取电解 质与阴、阳极接触表面电压平均值之差计算极间压 降，压降为0 ．9 7 9V 。 根据前面所述的镁电解槽温度、电压分布，以电 解温度和1h 为计算基础，从能量收支角度计算无 隔板镁电解槽静态1 ／2 槽模型的能量平衡结果如 下。能量收入 k W h 阳极电阻生热3 3 ．6 6 、阴极 电阻生热7 ．9 3 、电解质电阻生热5 0 ．5 0 、能量总收入 9 2 ．0 9 ；能量支出 k W h 槽盖散热1 2 ．1 6 、纵墙散 热7 ．6 9 、端墙散热2 ．5 7 、槽底散热1 ．5 5 、阳极头散 热5 6 。6 0 、阴极头散热9 ．3 4 、能量总支出8 9 ．9 1 。可 以看出，计算的能量收入和能量支出的相对误差小 于5 ％，模型能量收支基本平衡，因此也验证了本文 所建模型的准确性。 3 计算维度对计算的影响 在一维能量平衡计算中，较多的应用平均值代 替具体值计算，而在设计新电解槽时，阳极头、阴极 头及槽盖表面温度未知，均取已有电解槽测量温度 或经验数据计算，这些取值都会对电解槽能量平衡 计算的精确度产生一定影响，而通过数值模拟计算 可以减少这种误差。 3 ．1 阳极头温度 通过对无隔板镁电解槽能量平衡计算可知，阳 极头散热量占全部散热量的比例最大，所以阳极头 温度的准确性对能量平衡计算影响较大。一维设计 计算中，一般选取已有电解槽的测量温度或经验数 值为假定值，且假设处处相等。带入式 2 、式 3 分 别计算对流散热量及辐射散热量。 Q 阳对 a 阳头1 0 3 S 阳头 t i n s 一‘宣 2 Q 阳辐 ￡C o S 阳头1 0 3 { [ ‘阳头 2 7 3 ／ l O O ] 4 一[ t 室 2 7 3 ／1 0 0 3 4 k 3 用上式，对1 2 0k A 电解槽阳极头散热进行计 算，得到阳极头总散热量为6 6 ．8 8 k W h ／h 。 从图7 阳极和阳极头温度分布云图可以看出， 阳极头部分温度分布非均匀，从2 3 9 ．7 8 ～3 7 7 ．4 8 4 ℃不等，温度从下向上逐渐降低，拐角处温度最低。 图7阳极和阳极头温度场分布云图 F i g ．7T e m p e r a t u r ec o n t o u ro f 8 U o d ea n da n o d eh e a d 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 对阳极头表面节点温度取平均值得阳极头平均温度 t 阳头 2 7 7 ．5 6 ℃，小于一维设计计算所取的假设值。 采用A N S Y S 的A P D L 语言编制程序计算阳极头 的散热量为5 6 ．7 6k W h ／h ，也小于一维计算值。 3 ．2 阳极断面电流密度 一维计算阳极电压降如下式 U 阳一p i m L 阳 4 其中i 新为阳极断面的电流密度，由单个阳极上通过 的电流比阳极截面积得到。 在1 2 0k A 电解槽中，i 断 5A ／c m 2 ，且上下假 设一样。通过三维计算，阳极断面电流密度分布如 图8 所示。 图8阳极断面电流密度分布图 F i g ．8 S e c t i o nc u r r e n td e n s i t y d i s t r i b u t i o no fa n o d e s 图8 表明，其电流密度分布并不是上下一致，阳 极上部电流密度最大，一直到阳极与电解质接触位 置基本不变，进入电解质后，向下逐渐递减。因为， 在阳极未插入电解质部分，电流方向始终平行于阳 极插入方向。而当电流流至浸入电解质阳极部分 时，由于阳极均为双面工作，电流分别由阳极的两个 侧面流入电解质，再通过电解质流向阴极。所以随 着深度的增加，阳极中电流减小，阳极断面电流密度 随之减小。 3 ．3 电解质电压降 一维计算电解质电压降通过阴、阳极表面电流 密度的几何平均数与极距、电解质电阻率相乘而得， 且假定电流均匀从极间部分电解质通过。但实际情 况可从图9 看出，大部分电流集中在阴阳极之间的 电解质区域，但在阴阳极周边也存在着电流的绕流， 甚至在集镁室区域也有微量电流通过，说明电流在 电解质当中分布相对集中，但不均匀。 图9电解质横截面电流密度矢量图 F i g ．9V e c t o ro fc u r r e n td e n s i t yo nt h e c u t t i n gs u r f a c e 4结论 本文所建立的1 ／2 槽有限元解析模型的计算结 果与实际相符，较真实的反应了阳极、阴极及电解质 的电、热分布状况。三维计算能够准确的计算出阳 极头、阴极头和槽盖表面的温度，可以提高能量平衡 计算的精确度，并且可以正确的反映实际电解槽中 导电部分电流分布的不均匀性，为电解槽优化和新 电解槽的设计提供正确理论支持。 参考文献 [ 1 ] D u p u i sM ，P o t o c n i kV ．C o m p u t a t i o no fT h e r m o - 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