崔青玲1，喻海良1，田庭辽2，刘相华1，王国栋1
(11轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，东北大学，辽宁沈阳 110004;
21沈阳铝镁设计研究院，辽宁沈阳 110003)
摘要：利用有限元软件ANSYS ，建立了包含摇篮架在内的铝电解槽完整的有限元模型。针对沈阳铝镁设计研究院设计的300kA 铝电解槽，进行了三维电热场耦合分析。模拟结果说明所建模型是正确的，为电解槽的优化设计和改造提供参考。关键词：铝电解槽；电热场；耦合分析
中图分类号:TF821 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(2005)04-0028-03
3D Thermo 2electric Coupling Analysis of Aluminum R eduction Cell
CU I Qin 2ling 1,YU Hai 2liang 1,TIAN Ting 2liao 2,L IU Xiang 2hua 1,WAN G Guo 2dong 1
(11The State K ey Lab 1of Rolling &Automation ,Northeastern University ,Liaoning ,Shenyang 110004,China ;
21Shenyang Aluminum &Magnesium Academe ,Liaoning ,Shenyang 110003,China )
Abstract :Finite element models of aluminum reduction cell including cradle is built by the software ANSYS ,and 3D thermo 2electric couple field analysis for the 300kA aluminum reduction cell designed by Shenyang Aluminum &Magnesium Academe 1The validity of the model is tested by the simulation results ,and the results can pro 2vide reference for aluminum reduction cell design 1
K eyw ords :Aluminum reduction cell ;Thermo 2electric field ;Coupling
作者简介：崔青玲(1973-)，女，山西夏县人，讲师
在电解铝正常生产条件下，电解槽在额定电流
强度下生产，其它参数如电压、温度都达到规定的数值，形成规整的结壳，从而获得良好的生产指标。而电解槽电热场的分布状态，直接影响到结壳的形状和整个槽的电热平衡，进而影响电流效率、吨铝能耗以及槽的寿命。为了使电解槽能够优化运行，需要从设计和运行控制两方面入手，对铝电解槽有更深一步的量化研究[1]。 本文利用ANSYS 大型通用有限元分析软件进行电解槽的电热场分析，通过耦合计算求解电解槽内的电压和温度分布、结壳的形状以及槽体的热平衡状态，为电解槽的优化设计和改造以及新型电解槽的
开发提供依据。
1 铝电解槽电热耦合分析模型
111 物理模型
电解槽的结构如图1所示，由于对称性，只取其1/4作为研究对象。直流电由阳极导杆导入，经钢
爪进入阳极碳块，电流均匀地通过电解质和铝液层，经阴极碳块由阴极钢棒导出。电解过程中电流产生热量，使电解质升温电解，阴极碳块下面为保温材料。整个电解槽安放在摇篮架上。 在槽膛内，由于铝液和电解质的良好的导热性能，可以认为温度基本均匀，它与槽内衬以对流方式向槽内衬传递热量。在槽内衬中，热量以传导方式经中间各介质传至钢壳及摇篮架。槽达到稳定状态时，在内衬内侧和阴极碳块上表面形成电解质的结壳，起到缩小加工面，提高电流效率的作用。
图1 铝电解槽几何模型
Fig.1 Aluminum reduction cell
geometrical model
112 数学模型
11211 控制方程
控制方程为导热和导电联立方程组:
5 5x
1
ρ
x
5V
5x+
5
5y
1
ρ
y
5V
5y+
5
5z
1
ρ
z
5V
5z=0
(1)
5
x k x 5T
扩音喇叭x+
5
y k y
5T
y+
5
z k z
透明模块
5T
z+q=0
(2)
式中,ρx、ρy、ρz分别为材料在三维方向的电阻率，随温度和方向而变化;V为电位,T为温度,k x、k y、k z为材料三维方向的导热系数，随温度而变化。q为单位容积中由于电流通过而产生的焦耳热，在不导电部分为0。
11212 边界条件
求解传热方程的边界条件:
(1)铝液与电解质的温度均匀给定;
(2)上部结壳与阳极间的接触面为绝热面;
(3)周围环境温度按车间的平均温度给定;
(4)槽体表面散热系数为:
α
W A
=α+σ0εW(T4w-T4A)/(T w-T A)(3)式中:T w-钢壳外表面温度,T A-环境温度,
σ
-斯蒂芬-波耳兹曼常数,εw-钢壳外表黑度,α-槽钢壳外表面与周围空气的自然对流换热系数。
(5)其它数据如电解质与槽帮表面的换热系数等均由沈阳铝镁设计院提供。
求解导电方程的边界条件:
(1)阴极钢棒出口处取为基准电位，即为零电位面;
(2)结壳部分不导电，电流全部通过阴极碳块;
(3)阳极导杆的电流为总电流的平均分摊值。2 铝电解槽有限元模型
铝电解槽有限元模型如图2所示。在不导电部分只需进行热分析,
选用SOL ID70单元，对导电部分采用耦合单元SOL ID69。在需要辐射和对流的面上采用SU RF152单元。由于电解槽结构非常复杂，所以采用四面体单元自由划分网格。在网格划分时，在保证各单元连续的基础上，为进一步求解结壳模型，细化结壳、铝液和电解质区单元，采用手动控制单元大小，使单元形状合理，单元总数为269270，节点总数为46274。 图2 铝电解槽有限元模型
Fig.2 Finite element model of aluminum
reduction cell
电解槽用到的材料多达十几种，有的为各向同性，有的为各向异性。材料的特性随温度变化的，而且从槽体表面到内部实际温度在0～1000℃，所以，在ANSYS中采用步长为50℃建立材料模型，其实际数据由沈阳铝镁设计研究院提供。
大蒜破瓣机按上述的边界条件进行加载，由于所求解的模型单元总数多达二十几万个，故采用预条件共扼梯度法求解。求解时，先假定结壳的形状，利用求解的结果进行结壳边界形状的修正计算，判断两者是否一致，若一致，则求解结束，否则再假定结壳边界重新计算。
由于电解槽本身结构庞大，形状复杂，建模时必须进行适当的简化。再加上有的材质厚度只有10mm，
企业私有云定制开发而长度和宽度却有40m，宽厚比相差几千倍，网格的质量就势必受到影响，而网格质量对温度场计算的误差又有很大的影响，最终影响结果的精
度。
3 结果分析
图3电解槽的电压分布。计算结果与文献[2～3]的数据基本一致。由图3可以看出，整个电解槽的电压降为41244V ，与铝电解槽实际电压降相差不大，说明本文所建模型的正确性
。
图3 铝电解槽的电位
Fig 13 Potentials of aluminum reduction cell 铝电解槽各部分的电压降是铝电解槽设计时关注的对象之一，优良的电位分布不仅使电解槽获得好的电热平衡，而且能降低铝电解槽总的电压降，起到节能提效的作用。下表1为各导体部分相对基准面的电位分布情况。由表1可知电解液部分的压降变化最大，而且整个电解槽的压降主要集中在电解液部分。阴极炭块部分的压降在采用新的材质后，比原材料有所减少，说明新材料性能比原材料的要好。
表1 电位分布表
T able The distribution of potentials
序号
导体
电位/V 1阳极导杆41132～412092阳极钢爪41098～411743阳极炭块组31874～411534电解液01197527～410215铝液0119691～01201476半石墨周围糊0112337～01
198497阴极炭块0106197～0120129
8
光催化剂阴极钢棒0～0118676
电解槽的温度分布情况如图4所示。由图4可
知，在槽帮结壳部分，温度下降梯度较大。因为结壳
较薄，温度梯度主要集中在这里，所以等温线密度很大。这一区域的槽壳表面温度比底部高，符合侧部散热底部保温的要求。在槽底，温度差主要集中在阴极下面的保温材料中。在阴极碳块与底部保温材料界面上的温度为960℃左右，在底部保温材料和工字钢之间的温度为85℃左右，说明槽的底部保温效果良好。
网站实时监控图4 铝电解槽的温度分布
Fig 14 T emperature distribution of aluminum
reduction cell
4 结论
利用ANSYS 有限元软件所建的铝电解槽的三维电热模型能较好地反映实际情况，为电解槽的优化设计和改进提供参考。阴极炭块部分的压降在采用新的材质后，比原材料有所减少，说明新材料性能比原材料的要好。计算结果表明新设计的铝电解槽比较合理。
参考文献
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算[J ]1计算物理,2003(7):351-3551
[2]罗海岩，陆继东1铝电解槽三维电热场的ANSYS 分析
[J ]1华中科技大学学报,2002(9):3-61
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