鋁電解槽中氣泡行為與流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)研究.pdf

1、鋁電解是鋁工業(yè)的核心，其發(fā)展與進(jìn)步代表著電解鋁工業(yè)的革新。陽(yáng)極氣泡的行為影響鋁電解過程的傳質(zhì)傳熱，增加了電解質(zhì)的電壓降，影響電流密度分布。此外氣泡的運(yùn)動(dòng)能影響電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)，有利于氧化鋁溶解和擴(kuò)散，均勻槽內(nèi)的溫度和濃度梯度，促進(jìn)電解質(zhì)與結(jié)殼之間的熱交換;也可能導(dǎo)致鋁液波動(dòng)，引起槽的不穩(wěn)定性，增大鋁再氧化的可能性，從而降低電流效率。所以研究陽(yáng)極氣泡的行為具有非常重要的意義。
　　本文以高溫透明槽模擬工業(yè)鋁電解槽，以石墨電極模擬工業(yè)電極，

2、進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。以此為研究對(duì)象，在適當(dāng)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立了透明槽內(nèi)氣泡行為和電解質(zhì)流動(dòng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型。然后以商業(yè)流體軟件FLUENT為平臺(tái)，分別對(duì)電解質(zhì)中二氧化碳?xì)馀葑杂缮仙袨?、?yáng)極底掌氣泡行為以及在氣泡作用下槽內(nèi)電解質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，摸索了接觸角、表面張力等參數(shù)的影響。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，并用高溫透明槽實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)本文模擬了二氧化碳?xì)馀葑杂僧a(chǎn)生、長(zhǎng)

3、大、逸出等行為，模擬發(fā)現(xiàn):氣體產(chǎn)生、長(zhǎng)大到脫離的時(shí)間較長(zhǎng)，而氣體脫離到逸出的過程較短，僅為0.04s左右。氣泡長(zhǎng)大到5 mm左右的半球形時(shí)，在浮力、重力、表面張力的共同作用下，開始縱向生長(zhǎng)，最后脫離，快速逸出電解質(zhì)。在氣泡上升過程中，氣體成橢球帽狀，長(zhǎng)軸直徑為10 mm，氣泡的周期為0.8s。對(duì)模擬結(jié)果用透明槽進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的相似性。
　　(2)本文模擬了陽(yáng)極底掌氣泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大、逸出等行為，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極底掌氣體以點(diǎn)的形式產(chǎn)生

4、，當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到1～2 mm時(shí)，開始合并，形成氣泡層;隨著時(shí)間進(jìn)行，氣泡層厚度逐漸增大;當(dāng)達(dá)到最大厚度5～6 mm時(shí)，氣體逸出底掌，在陽(yáng)極側(cè)部形成氣泡;此氣泡逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)達(dá)到10～15 mm時(shí)，陽(yáng)極底掌氣體全部轉(zhuǎn)移到側(cè)部;側(cè)部氣泡脫離陽(yáng)極，在電解質(zhì)中上升的過程中繼續(xù)變大，最后逸出電解質(zhì)，此過程的周期為5s。模擬結(jié)果用透明槽進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的相似性。
　　(3)本文模擬了在氣泡作用下，透明槽電解質(zhì)、氣體兩相的流動(dòng)狀況。通過模擬發(fā)

5、現(xiàn)，電解質(zhì)在陽(yáng)極側(cè)部，電解質(zhì)上表面的速度最大，最大速度為0.38m/s，此結(jié)果與Feng Yuqing等人的模擬結(jié)果相近，最小速度分布在陽(yáng)極側(cè)部通道的中心位置，熔體在此位置形成渦旋，渦旋成橢圓形，氧化鋁等在此區(qū)域聚集。氣體的分布區(qū)域主要集中在陽(yáng)極底掌和側(cè)部，甚至在陽(yáng)極底掌氣相的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了100％。該模擬結(jié)果與透明槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，部分結(jié)果取得了較好的相似性。
　　本文希望利用已驗(yàn)證的模型對(duì)以后大尺寸透明槽的高溫模擬打下基礎(chǔ)