铝电解槽熔体涡运动对界面变形影响仿真研究
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式 表示 ：
（Ｍ ＋０ （ｕ ＋ （Ｍ ｐ ） ｐ ） ｐ ）
１ 计 算 模 型
１１ 槽 结构 与工艺简 介 ．
本 文研 究 的某 ３０ｋ ０ Ａ预焙 阳极 铝 电解 槽 ， 基 其 本结 构设计 与 工艺参 数如 表 １ 。
表 １ 基本结构设计与工艺参数 数 值 工 艺参数 电流 强度 ．Ａ ｋ ３０ ０ 电解温 度
（ ｓｔｔ ｏ Ｍｅ ｌ ｒｉａ ＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｃ ｎ ａ ＳｕｈＵ ｉ ｒ ｔ Ｃ ａｇｈ， ｕ ａ ４ ０ ８ ， ｈｎ） Ｉ ｔｕｅ ｆ ｔ ｌ ｇｃｌ ｃｅｃ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ， ｅｔ ｌ ｏ ｔ ｎｖ ｓｙ ｈｎｓａＨ ｎ ｎ １０ ３ Ｃ ｉ ｎ ｉ ａｕ ｎ ｎ ｒ ｅ ｉ， ａ Ａｂｔａｔ ｔ ｓ ｅ ｍ ｏｔｎ ｔ ｍ ｉｔ ｎｌｔ ｌｍ ｎ ｍ－ ａｈｉｔ ａｅｄｆｒ ａｉ ｏ ｅｃｎｒｌ ｆＡ Ｄ （ｎｄ ａｈｄ ｓｒｃ Ｉ ｉ ｖｒ ｉ ｐｒ ｔ ｏ ａ ａ ｔｅａ ｉｕ ｂｔ ｅ ｃ ｅ ｍ ｔ ｎｆｒｔ ｏｔ Ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｉｌ ｕ ｎｒ ｆ ｏ ｏ ｈ ｏｏ ａｏｅｃｔｏｅ
・１ ８・
有 色 冶 金 设 计 与 研 究
第３ ５卷
的 电磁 流场 分布 和较小 的界 面 变形 。沈 阳铝镁 设 计 研 究 院刘 伟 等 ＿ 对 阻 流 阴极 铝 电解 槽 进行 了两 相 ５ 针 流 场 仿 真 ， 现 阻 流 阴 极 结 构 相 对 传 统 的 平 底 阴 发 极， 可将 两 相 稳态 界 面 向上 隆起 量 和 向下 凹 陷量 之 间 的差值 减 小 １ ｍ， 而使 铝 液一 电解质 的界 面 变 进 ｃ 形 趋 于平 缓 。 阳铝镁设 计研 究 院黄俊 等嘲 不 同铝 贵 对
设计参 数 刚极 电流 密 度．ｈｍ Ａ Ｉｉ ；极数 目ｆ 极１ ｆ ＿ 单阳 阴极炭 块 数 目 侧 部炭 块 厚度 ｍ ｍ 火 面加 １距 离． ｍｍ
小面 加 工距 离．ｎ ｍｌ
： 一
发设计 具有 一定 的指 导意义 。
图 １ 电场 计 算 用 三 维 模 型
１３ 流 场模 型 ．
本 文 近 似 忽 略 阳极 气 泡 对熔 体 运 动 的影 响． 所 计 算 的铝液一 电解 质 两相 流场 视 为不可 压缩 的粘 性 湍 流 ， 假 设 熔 体 为稳 态 流动 ． 受温 度 梯 度 和浓 度 并 不 梯 度 的影 响 。描 述流 体运 动 的 Ｎ ｓ 程 可 由通 用形 —方
收稿 日 ：０ １ １— ９ 期 ２ １－ ２ ２ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目 ５ ４ ８ ） （ｕ０ ｌ７； 教育部高等学校博士学科点专项科研 基金（０ 【 １２ ２ 【 ８。 ２ １ （６ １【 ０ ） Ｊ】 １ 】 】 作者介绍 ： 张翮辉（ ８ —） 硕士， １ ７ ， ９ 男， 主要从 事有色冶金过程 的多物理场仿真研究 。 通讯作者 ： 张红亮（ ７ —） 工学博士， １ ９ ， ９ 男， 主要从事冶金过程信息化及数值仿真。
所 差 异 ； 作 者对 涡 运 动 与界 面变 形 之 间 的关 联 并 但
未 展开 深人 讨论 。
本文 以某 ３ ０ｋ ０ Ａ预 焙 阳极 铝 电解槽 为 研 究 对
象 ． 大 型有 限元分 析 软件 Ａ Ｓ Ｓ和计算 流 体 力 使用 ＮＹ 学 软 件 Ｃ Ｘ进 行 了 电磁流 场耦 合 仿真 计算 ， 提 出 Ｆ 并 涡强 度分析 方法来 对 槽 内熔体 的涡分布 进行 定量 解 析 ， 电解 槽 内熔 体 涡 运 动 的角 度探 讨 了铝 液一 电 从 解 质界 面 变形 的形 成原 因 ， 铝 电解 槽 新槽 型 的开 对
电解槽 的磁 流体运 动 和界 面变形 情况 进 行 了对 比分 析， 研究 发 现 不 同 的槽 型和 母线 配 置 所表 现 出来 的
式 中 ： 为磁 场强 度 ，／ ／为磁 导 率 。／ Ｂ为磁 感 Ｈ Ｖｍ； ｘ Ａｍ；
应 强度． 。 Ｔ
最后， 根据 电场 和磁 场 的 结果 ， 电流 密度 和 磁 将 感 应强度 进行 叉乘 计算 以获得 电磁 力分 布 ：
２期 第３ ３卷
有 色 冶 金 设 计 与 研 究
２１ ０２年
４ 月
铝电解槽熔体涡运动对界面变形影响仿真研究
张翮辉， 张红亮， 徐宇杰， 帅 杨
（ 中南大 学 冶 金科 学与 工程 学院 ， 南长 沙 湖
［ 摘
４ ０ ８） １０ ３
要］ 维持较 小的铝 电解槽 内铝液一 电解质 界 面 变形 对控 制极 距（ Ｃ ） 而 降低 电解能 耗具 有 重要 Ａ Ｄ进
ａｕ ｎ ｍ ｅ ｕ ｔ ｎ ｃ ｌ ｗ ｓ ｓ ｄ ｅ ｙ ｆ ｉ — ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｓ ｆ ａ ｅ ＡＮＳ ｎ ｏ ｕ ａ ｉｎ ｌｆ ｉ ｙ ａ ｃ ｏ ｅ ＣＦ ｌｍｉ ｕ ｒ ｄ ｃｉ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｄ ｂ ｎ ｔ ｅ ｅ ｎ ｎ ｌｓｓ ｏｔ ｒ ｏ ｕ ｉ ｅ ｗ ＹＳ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔｔ ａ ｕ ｄ ｄ ｎ ｍｉｓ ｃ ｄ Ｘ，ｔｅ ｈ ｏ ｌ ｈ ｎ ｔｅ ｄ ｓ ｉ ｕ ｉｎ ｏ ｎｅ ａ ｅ ｓ ａ ｅ ａ ｄ ｍｅ ｔ ｖ ｒ ｘ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ．Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｓ ａ ｅ ｂ ｃ ｍｅ ｉｔ ｂ ｔ ｆ ｉ ｔｒ ｃ ｈ ｐ ｎ ｌ ｏ ｅ ｔ ｔ ｒ ｓ ｗ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｒ ｏ ｆ ｔ ｕ ｓ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｔｅ ｉ ｔｒ ｃ ｈ ｐ ｅ ｏ ｓ ｓ ｆ ｃ ｎ ａ ｅ ｉ ｓ ｅ ｔ ｅ ｖ ｒ ｘ ｓ ｕ ｔｒ ｎ ｕ ｙ ｏ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｈ ｐ ｉ ｅ ｇ ｔｏ ｎｅ ａ ｅ ｉ ｅｙ ｌｒ ｅ ｉ ｈ ｙ ｈ ｎ ｔ ｎ ｚ ｎ ｆ ｏ ｃ ｖ ｎ ｉ ｈ ｏ ｅ ｔ ｃｕ ｅ ａ ｄ ｈ ｍｐ ｕ ｓｄ ｔ ｄ ｔ ｒ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｕ ｌ ｔｈ ｉ ｈ ｆｉ ｔ ｒ ｃ ｓ ｖ ｒ ａ ｇ ｎ ｔ ｅ ｈ ｐ ｅ ａｉ ｏ ｅ ｏ ｆ ｆ ｏ ｎ ａ ｂ ａ ｇ ｏ ｅ ｅ ． ｏ ｍｉ ｉ ｚ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｆ ｃ ｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｍａｎ ａｎ ｒ ｇ ｌｒｓ ａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｍｍｅｒ ｆ ｈ ｏ ｉｏ ｔｌ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｙ ｌ ｒ ｅｖ ｒ ｘ ｓ Ｔ ｎ ｍｉｅ ｔ ｅ ｉｔ ｒ ｃ ｕ ｔ ａ ｉ ｎ ｉｔ ｉ ｅ ｕ ａ ｈ ｐ ， ｈ ｙ ｔ ｆ ｌ ｏ ｔ ｏ ｅ ｈ ｒｚ ｎ ａ ｅ ｔ ｙ ｔ ｅ ｏ ｇ ｅｉ ｃ ｆ ｒ ｅ ｈ ｕ ｄ ｂ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｍａ ｅ ｔｅ ｖ ｒ ｘ ｆ ｗｓｍｏ ｅ ｅ ｅ ｌ ， ｏ ｃ ｓｓ ｏ ｌ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｄ ｔ ｋ ｈ ｏ ｔ ｏ ｒ ｖ ｎ ｙ ｅ ｌ Ｋｅ ｗｏ ｄ ａｕ ｎ ｍ ｌ ｃｒ ｌｓｓ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｃ ｌ ｅ ｅ ｔ － ｇ ｅ ｏ ｆ ｗ ｅｄ ｉｔ ｒ ｃ ｅ ｏｍａ ｉｎ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｙ ｒ ｓ ｌ ｍｉ ｕ ｅ ｅ ｔｏｙ ｉ； ｅ ｕ ｔ ｅｌ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ － ｏ ｆ ｌ ； ｎ ｅ ａ ｅ ｄ ｆ ｒ ｔ ； ｕ ｒ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｏ ； ｏ ｌ ｉ ｆ ｏ ｃ ｓ ｏ
中 图分 类 号 ： Ｆ ２ ： ４ １３ Ｔ ８１０ １． 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０４ ４ ４ （ １）２ ０ １— ４ １０ — ３ ５２ ２０ — ０ ７ ０ ０
Ｓｉ ｍｕｌ ｔｏｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｆｔ ｍｐａ ｔｏ ｅ ｔＶｏ ｔ ｘ Ｍ ｏ ｉ ｎ ａ ｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｈｅ Ｉ ｃ ｆＭ ｌ ｒ ｅ ｔｏ
域 下 凹而在 涡 外部边缘 则向上 隆起 ， 邻 大 涡连接 区域 的 界 面隆起 高度 较 大 ： 高槽 内水平 电磁 力 分布 的 对 相 提
称性 可使 熔体 涡运动 更 为均 匀． 也是 减 小界 面波动 并 维持 规 则的界 面变形 的有效 途径 ［ 关键 词 ］ 电解 ； 铝 电解槽 ； 电磁 流场 ； 面变形 ； 界 数值计 算
ｏ ｈ ｎ ｅ ｆ ｃ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｕ ｉ ｕ ｄ ｃ ｏ ｌ ｎ ｔ ｅ Ｉ ｔ ｒ ａ ｅ Ｄｅ ｏ ｍ ｔ ｎ Ａｌ ｍ ｎ ｍ Ｒｅ ｕ ｆ ｎ Ｃｅｌ ｏ ｉ ｓ
Ｚ Ａ Ｇ Ｈｅ ｈ ｉＺ Ｎ ｎ －ｉ ｇ Ｘ ｕ ｊ ， Ａ Ｇ Ｓ ｕ ｉ Ｈ Ｎ － ｕ， ＨＡ Ｇ Ｈｏｇ ｌ ｎ ， Ｕ Ｙ －ｉ Ｙ Ｎ ｈ ａ ａ ｅ
质界 面 变形 与 波动 ， 极距 无 法维 持 在较 低水 平 。 使 从 而导 致槽 电压较 高 ， 法达 到满 意 的经 济效 益指 标 。 无 得分布 良好的电磁场和熔体 ｆ 铝液和 电解质１ 流场＿ ２ １ 。 并 尽 量 减少 铝 液一 电解 质 的界 面 变形 和波 动 ， 电 而 磁流场的耦合仿真计算则为实现该 目 标提供了重要 的理论指导。中南大学的刘业翔和梁学民等 先后 提出了底部出电型铝电解槽和静流式铝 电解槽的概 念， 并采用计算 机电磁流场仿真的手段进行了结构 设计和母线优化 ， 证明上述设计方案可达到较为均匀
ｄｓ ｎｅ，ｈｒｂ ｅｅｅｇ ｏｓｍ ｔ ｎｃｕｄｂ ｗ ｒｄ Ｉ ｉ ｐｐ ｒｔｅｅｅｔ — ｇｅ — ｏ ｅ ｆ ０ Ａ ｐｅ ａｅ ｎｄ ｉａ ｃ）ｔｅｅｙｔ ｎ ｒｙｃｎｕ ｐｉ ｏ ｌ ｅｌ ｅ ．ｎｔ ｓ ａ ｅ，ｈ ｌｃ ｏ ｍａｎ ｔ ｆ ｗ ｆ ｌ ｏ ０ｋ ｒｂｋ ｄａｏｅ ｔ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｒ ｏｌ ｉ ｄ ３
甚 至 率 先启 动 了 ５ ０ｋ ０ Ａ铝 电解 槽 的 系 列化 生 产 Ｌ ｌ ｊ 。
然而 ， 我国铝工业节能减排 的任务仍不容乐观 ， 大型 槽面临的能耗压力则更为巨大。这是因为随着槽型
一
的增大和电流强度的提高 ， 电磁力也往往有所增加 ， 旦水平电流过大导致较高的垂直磁场 ， 或电磁力的
的 意义 以某 ３ ０ｋ ０ Ａ预焙 阳极铝 电解槽 为例， 用有 限元 分析 软件 Ａ Ｓ Ｓ和 计算 流体 力 学软 件 Ｃ Ｘ进 行 了 采 ＮＹ Ｆ 电磁 流 场仿真． 析得 到铝 液一 电解质 的界 面 变形和 熔体 涡结构 分布情 况 。 究发现 ， 面在 涡 结构 的 内部 区 解 研 界
曰 ｆ） ５
以上计算 均在 大型有 限元计 算软件 Ａ Ｓ Ｓ１． Ｎ Ｙ ２０ 中建模 并 计 算完 成 ， 型 均 考虑 了母 线结 构 和相 邻 模
槽 的存在 ， 立 的 电场 三维模 型 如 图 １ 建 所示 ：
熔 体 涡 运动 形 态有 所 不 同 ， 而导 致 界 面变 形 也 有 从
分布 过 于 不均 匀 ， 会 带来 较 为 显 著 的 铝液一 电解 就
０ 引言
为 了 降低 吨铝 投 资并 提 高 劳 动生 产 率 ， 现代 铝 电解槽 不断 地 向大型化 方 向发展 。３０ｋ ０ Ａ级及 以上
槽 型 成 为 了 目前 国 内设 计 的 主流 ， 中铝 连 城分 公 司
（Ｍ ＋０ （ｕ ＋ （Ｍ ｐ ） ｐ ） ｐ ）
１ 计 算 模 型
１１ 槽 结构 与工艺简 介 ．
本 文研 究 的某 ３０ｋ ０ Ａ预焙 阳极 铝 电解 槽 ， 基 其 本结 构设计 与 工艺参 数如 表 １ 。
表 １ 基本结构设计与工艺参数 数 值 工 艺参数 电流 强度 ．Ａ ｋ ３０ ０ 电解温 度
（ ｓｔｔ ｏ Ｍｅ ｌ ｒｉａ ＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｃ ｎ ａ ＳｕｈＵ ｉ ｒ ｔ Ｃ ａｇｈ， ｕ ａ ４ ０ ８ ， ｈｎ） Ｉ ｔｕｅ ｆ ｔ ｌ ｇｃｌ ｃｅｃ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ， ｅｔ ｌ ｏ ｔ ｎｖ ｓｙ ｈｎｓａＨ ｎ ｎ １０ ３ Ｃ ｉ ｎ ｉ ａｕ ｎ ｎ ｒ ｅ ｉ， ａ Ａｂｔａｔ ｔ ｓ ｅ ｍ ｏｔｎ ｔ ｍ ｉｔ ｎｌｔ ｌｍ ｎ ｍ－ ａｈｉｔ ａｅｄｆｒ ａｉ ｏ ｅｃｎｒｌ ｆＡ Ｄ （ｎｄ ａｈｄ ｓｒｃ Ｉ ｉ ｖｒ ｉ ｐｒ ｔ ｏ ａ ａ ｔｅａ ｉｕ ｂｔ ｅ ｃ ｅ ｍ ｔ ｎｆｒｔ ｏｔ Ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｉｌ ｕ ｎｒ ｆ ｏ ｏ ｈ ｏｏ ａｏｅｃｔｏｅ
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有 色 冶 金 设 计 与 研 究
第３ ５卷
的 电磁 流场 分布 和较小 的界 面 变形 。沈 阳铝镁 设 计 研 究 院刘 伟 等 ＿ 对 阻 流 阴极 铝 电解 槽 进行 了两 相 ５ 针 流 场 仿 真 ， 现 阻 流 阴 极 结 构 相 对 传 统 的 平 底 阴 发 极， 可将 两 相 稳态 界 面 向上 隆起 量 和 向下 凹 陷量 之 间 的差值 减 小 １ ｍ， 而使 铝 液一 电解质 的界 面 变 进 ｃ 形 趋 于平 缓 。 阳铝镁设 计研 究 院黄俊 等嘲 不 同铝 贵 对
设计参 数 刚极 电流 密 度．ｈｍ Ａ Ｉｉ ；极数 目ｆ 极１ ｆ ＿ 单阳 阴极炭 块 数 目 侧 部炭 块 厚度 ｍ ｍ 火 面加 １距 离． ｍｍ
小面 加 工距 离．ｎ ｍｌ
： 一
发设计 具有 一定 的指 导意义 。
图 １ 电场 计 算 用 三 维 模 型
１３ 流 场模 型 ．
本 文 近 似 忽 略 阳极 气 泡 对熔 体 运 动 的影 响． 所 计 算 的铝液一 电解 质 两相 流场 视 为不可 压缩 的粘 性 湍 流 ， 假 设 熔 体 为稳 态 流动 ． 受温 度 梯 度 和浓 度 并 不 梯 度 的影 响 。描 述流 体运 动 的 Ｎ ｓ 程 可 由通 用形 —方
收稿 日 ：０ １ １— ９ 期 ２ １－ ２ ２ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目 ５ ４ ８ ） （ｕ０ ｌ７； 教育部高等学校博士学科点专项科研 基金（０ 【 １２ ２ 【 ８。 ２ １ （６ １【 ０ ） Ｊ】 １ 】 】 作者介绍 ： 张翮辉（ ８ —） 硕士， １ ７ ， ９ 男， 主要从 事有色冶金过程 的多物理场仿真研究 。 通讯作者 ： 张红亮（ ７ —） 工学博士， １ ９ ， ９ 男， 主要从事冶金过程信息化及数值仿真。
所 差 异 ； 作 者对 涡 运 动 与界 面变 形 之 间 的关 联 并 但
未 展开 深人 讨论 。
本文 以某 ３ ０ｋ ０ Ａ预 焙 阳极 铝 电解槽 为 研 究 对
象 ． 大 型有 限元分 析 软件 Ａ Ｓ Ｓ和计算 流 体 力 使用 ＮＹ 学 软 件 Ｃ Ｘ进 行 了 电磁流 场耦 合 仿真 计算 ， 提 出 Ｆ 并 涡强 度分析 方法来 对 槽 内熔体 的涡分布 进行 定量 解 析 ， 电解 槽 内熔 体 涡 运 动 的角 度探 讨 了铝 液一 电 从 解 质界 面 变形 的形 成原 因 ， 铝 电解 槽 新槽 型 的开 对
电解槽 的磁 流体运 动 和界 面变形 情况 进 行 了对 比分 析， 研究 发 现 不 同 的槽 型和 母线 配 置 所表 现 出来 的
式 中 ： 为磁 场强 度 ，／ ／为磁 导 率 。／ Ｂ为磁 感 Ｈ Ｖｍ； ｘ Ａｍ；
应 强度． 。 Ｔ
最后， 根据 电场 和磁 场 的 结果 ， 电流 密度 和 磁 将 感 应强度 进行 叉乘 计算 以获得 电磁 力分 布 ：
２期 第３ ３卷
有 色 冶 金 设 计 与 研 究
２１ ０２年
４ 月
铝电解槽熔体涡运动对界面变形影响仿真研究
张翮辉， 张红亮， 徐宇杰， 帅 杨
（ 中南大 学 冶 金科 学与 工程 学院 ， 南长 沙 湖
［ 摘
４ ０ ８） １０ ３
要］ 维持较 小的铝 电解槽 内铝液一 电解质 界 面 变形 对控 制极 距（ Ｃ ） 而 降低 电解能 耗具 有 重要 Ａ Ｄ进
ａｕ ｎ ｍ ｅ ｕ ｔ ｎ ｃ ｌ ｗ ｓ ｓ ｄ ｅ ｙ ｆ ｉ — ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｓ ｆ ａ ｅ ＡＮＳ ｎ ｏ ｕ ａ ｉｎ ｌｆ ｉ ｙ ａ ｃ ｏ ｅ ＣＦ ｌｍｉ ｕ ｒ ｄ ｃｉ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｄ ｂ ｎ ｔ ｅ ｅ ｎ ｎ ｌｓｓ ｏｔ ｒ ｏ ｕ ｉ ｅ ｗ ＹＳ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔｔ ａ ｕ ｄ ｄ ｎ ｍｉｓ ｃ ｄ Ｘ，ｔｅ ｈ ｏ ｌ ｈ ｎ ｔｅ ｄ ｓ ｉ ｕ ｉｎ ｏ ｎｅ ａ ｅ ｓ ａ ｅ ａ ｄ ｍｅ ｔ ｖ ｒ ｘ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ．Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｓ ａ ｅ ｂ ｃ ｍｅ ｉｔ ｂ ｔ ｆ ｉ ｔｒ ｃ ｈ ｐ ｎ ｌ ｏ ｅ ｔ ｔ ｒ ｓ ｗ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｒ ｏ ｆ ｔ ｕ ｓ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｔｅ ｉ ｔｒ ｃ ｈ ｐ ｅ ｏ ｓ ｓ ｆ ｃ ｎ ａ ｅ ｉ ｓ ｅ ｔ ｅ ｖ ｒ ｘ ｓ ｕ ｔｒ ｎ ｕ ｙ ｏ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｈ ｐ ｉ ｅ ｇ ｔｏ ｎｅ ａ ｅ ｉ ｅｙ ｌｒ ｅ ｉ ｈ ｙ ｈ ｎ ｔ ｎ ｚ ｎ ｆ ｏ ｃ ｖ ｎ ｉ ｈ ｏ ｅ ｔ ｃｕ ｅ ａ ｄ ｈ ｍｐ ｕ ｓｄ ｔ ｄ ｔ ｒ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｕ ｌ ｔｈ ｉ ｈ ｆｉ ｔ ｒ ｃ ｓ ｖ ｒ ａ ｇ ｎ ｔ ｅ ｈ ｐ ｅ ａｉ ｏ ｅ ｏ ｆ ｆ ｏ ｎ ａ ｂ ａ ｇ ｏ ｅ ｅ ． ｏ ｍｉ ｉ ｚ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｆ ｃ ｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｍａｎ ａｎ ｒ ｇ ｌｒｓ ａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｍｍｅｒ ｆ ｈ ｏ ｉｏ ｔｌ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｙ ｌ ｒ ｅｖ ｒ ｘ ｓ Ｔ ｎ ｍｉｅ ｔ ｅ ｉｔ ｒ ｃ ｕ ｔ ａ ｉ ｎ ｉｔ ｉ ｅ ｕ ａ ｈ ｐ ， ｈ ｙ ｔ ｆ ｌ ｏ ｔ ｏ ｅ ｈ ｒｚ ｎ ａ ｅ ｔ ｙ ｔ ｅ ｏ ｇ ｅｉ ｃ ｆ ｒ ｅ ｈ ｕ ｄ ｂ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｍａ ｅ ｔｅ ｖ ｒ ｘ ｆ ｗｓｍｏ ｅ ｅ ｅ ｌ ， ｏ ｃ ｓｓ ｏ ｌ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｄ ｔ ｋ ｈ ｏ ｔ ｏ ｒ ｖ ｎ ｙ ｅ ｌ Ｋｅ ｗｏ ｄ ａｕ ｎ ｍ ｌ ｃｒ ｌｓｓ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｃ ｌ ｅ ｅ ｔ － ｇ ｅ ｏ ｆ ｗ ｅｄ ｉｔ ｒ ｃ ｅ ｏｍａ ｉｎ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｙ ｒ ｓ ｌ ｍｉ ｕ ｅ ｅ ｔｏｙ ｉ； ｅ ｕ ｔ ｅｌ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ － ｏ ｆ ｌ ； ｎ ｅ ａ ｅ ｄ ｆ ｒ ｔ ； ｕ ｒ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｏ ； ｏ ｌ ｉ ｆ ｏ ｃ ｓ ｏ
中 图分 类 号 ： Ｆ ２ ： ４ １３ Ｔ ８１０ １． 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０４ ４ ４ （ １）２ ０ １— ４ １０ — ３ ５２ ２０ — ０ ７ ０ ０
Ｓｉ ｍｕｌ ｔｏｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｆｔ ｍｐａ ｔｏ ｅ ｔＶｏ ｔ ｘ Ｍ ｏ ｉ ｎ ａ ｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｈｅ Ｉ ｃ ｆＭ ｌ ｒ ｅ ｔｏ
域 下 凹而在 涡 外部边缘 则向上 隆起 ， 邻 大 涡连接 区域 的 界 面隆起 高度 较 大 ： 高槽 内水平 电磁 力 分布 的 对 相 提
称性 可使 熔体 涡运动 更 为均 匀． 也是 减 小界 面波动 并 维持 规 则的界 面变形 的有效 途径 ［ 关键 词 ］ 电解 ； 铝 电解槽 ； 电磁 流场 ； 面变形 ； 界 数值计 算
ｏ ｈ ｎ ｅ ｆ ｃ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｕ ｉ ｕ ｄ ｃ ｏ ｌ ｎ ｔ ｅ Ｉ ｔ ｒ ａ ｅ Ｄｅ ｏ ｍ ｔ ｎ Ａｌ ｍ ｎ ｍ Ｒｅ ｕ ｆ ｎ Ｃｅｌ ｏ ｉ ｓ
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质界 面 变形 与 波动 ， 极距 无 法维 持 在较 低水 平 。 使 从 而导 致槽 电压较 高 ， 法达 到满 意 的经 济效 益指 标 。 无 得分布 良好的电磁场和熔体 ｆ 铝液和 电解质１ 流场＿ ２ １ 。 并 尽 量 减少 铝 液一 电解 质 的界 面 变形 和波 动 ， 电 而 磁流场的耦合仿真计算则为实现该 目 标提供了重要 的理论指导。中南大学的刘业翔和梁学民等 先后 提出了底部出电型铝电解槽和静流式铝 电解槽的概 念， 并采用计算 机电磁流场仿真的手段进行了结构 设计和母线优化 ， 证明上述设计方案可达到较为均匀
ｄｓ ｎｅ，ｈｒｂ ｅｅｅｇ ｏｓｍ ｔ ｎｃｕｄｂ ｗ ｒｄ Ｉ ｉ ｐｐ ｒｔｅｅｅｔ — ｇｅ — ｏ ｅ ｆ ０ Ａ ｐｅ ａｅ ｎｄ ｉａ ｃ）ｔｅｅｙｔ ｎ ｒｙｃｎｕ ｐｉ ｏ ｌ ｅｌ ｅ ．ｎｔ ｓ ａ ｅ，ｈ ｌｃ ｏ ｍａｎ ｔ ｆ ｗ ｆ ｌ ｏ ０ｋ ｒｂｋ ｄａｏｅ ｔ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｒ ｏｌ ｉ ｄ ３
甚 至 率 先启 动 了 ５ ０ｋ ０ Ａ铝 电解 槽 的 系 列化 生 产 Ｌ ｌ ｊ 。
然而 ， 我国铝工业节能减排 的任务仍不容乐观 ， 大型 槽面临的能耗压力则更为巨大。这是因为随着槽型
一
的增大和电流强度的提高 ， 电磁力也往往有所增加 ， 旦水平电流过大导致较高的垂直磁场 ， 或电磁力的
的 意义 以某 ３ ０ｋ ０ Ａ预焙 阳极铝 电解槽 为例， 用有 限元 分析 软件 Ａ Ｓ Ｓ和 计算 流体 力 学软 件 Ｃ Ｘ进 行 了 采 ＮＹ Ｆ 电磁 流 场仿真． 析得 到铝 液一 电解质 的界 面 变形和 熔体 涡结构 分布情 况 。 究发现 ， 面在 涡 结构 的 内部 区 解 研 界
曰 ｆ） ５
以上计算 均在 大型有 限元计 算软件 Ａ Ｓ Ｓ１． Ｎ Ｙ ２０ 中建模 并 计 算完 成 ， 型 均 考虑 了母 线结 构 和相 邻 模
槽 的存在 ， 立 的 电场 三维模 型 如 图 １ 建 所示 ：
熔 体 涡 运动 形 态有 所 不 同 ， 而导 致 界 面变 形 也 有 从
分布 过 于 不均 匀 ， 会 带来 较 为 显 著 的 铝液一 电解 就
０ 引言
为 了 降低 吨铝 投 资并 提 高 劳 动生 产 率 ， 现代 铝 电解槽 不断 地 向大型化 方 向发展 。３０ｋ ０ Ａ级及 以上
槽 型 成 为 了 目前 国 内设 计 的 主流 ， 中铝 连 城分 公 司