电解槽磁场计算
300KA电解槽磁场数值模拟
响， 这使得对铝 电解槽 磁场 的计算研究 愈显重要。
随着计算机技术的高速发展 ， 出现 了许多商业计算 软件包 ， 使得工程设计研究人 员可 以从程序开发 中 摆脱出来 ， 专注 于工 艺条 件参数 研究 。本 文采用
Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ软件 电磁 耦 合 模 块 ， 据 沁 阳 电 解 试 验 厂 根
（ ）炉底 材料 不 导 电不导 磁 ， ２ 都建 成 同一 种 材
质；
（） ３ 槽壳周围的筋板等铁磁物质由于结构复杂，
省略掉 ， 考虑到 其导磁 影响 ， 当加 厚铁壳 ； 适 （） ４ 阴极炭 块为均 匀材质 ； （ ） 圆倒 角作为 直角处 理 ； ５把
（） ６ 只考虑相邻两台槽的影响 ， 相邻槽只考虑母
圈 １ ３ ０ Ａ电解擅有 限元模型 ０Ｋ
３ 边界 条件
… －
．
．
，
，＊ ．
● ∞
，
， ｌ
，
＂
．
∞ ”
由于给 电解槽 供 电 的 是恒 定 电流 ， 因此 可 把 电
圈３ ３０ ０ ＫＡ水 平 磁 场 Ｂ 分 布云 圈 Ｙ
流作 为集中节点载荷加在模型边界上。正值代表电
图１ 为划 分好 网格 的 ３ ０ Ａ 电解槽 有 限元 单 ０Ｋ 槽模型 。
维普资讯
２ ０ Ｎ４ ０ ６年 ｏ
铝
镁
通 讯 图 ， 图 ２ 图 ３ 图 ４所示 。 如 ， ，
・３ ・ ５
¨ ● ． ｍⅢＩ‘ ． 竹 帅 ＂ ． ＇ 、蝎啪 ． ＂ 栅 ．∞ ∞ ， ・ 。 咐． 蛳Ｉ 圈 ２ ３ ｏ Ａ 水 平磁 场 Ｂ 分 布云 圈 ｏＫ Ｘ
化铝的冶炼过程 ， 由于电解槽 内部有强大电流通过 ，
320kA预焙阳极铝电解槽磁场分布研究
320kA预焙阳极铝电解槽磁场分布研究阮绍勇【摘要】对磁场的计算方法、采用的数学模型和计算步骤进行了论述.使用有限元法建立了铝电解槽三维静电磁场计算模型,该模型充分考虑了铁磁物质等因素对磁场解析的影响.以某厂320kA为例,论证了选取上下游5台槽进行计算较为合理,将计算结果与实测值进行比较,数值接近,验证了模型和结果的合理性.【期刊名称】《有色金属设计》【年(卷),期】2010(037)002【总页数】5页(P17-20,35)【关键词】铝电解槽;电磁场;有限元法【作者】阮绍勇【作者单位】贵阳铝镁设计研究院,贵州,贵阳,550081【正文语种】中文【中图分类】TQ151.1+5铝电解槽是由炭素阳极、电解质熔体和炭素盛装容器构成。
铝电解过程中有巨大的直流电流经过铝母线、阳极、熔体、阴极等部位,因此产生了高达数百高斯的强磁场,容器内的磁场又与熔体中的电流相互作用产生电磁力,进而使槽内熔体循环加速,其结果一方面有利于氧化铝的溶解;另一方面也能导致铝液面隆起、偏斜和波动,致使电流效率的下降、能耗增加以及影响电解槽工作稳定性,严重时可能发生滚铝事故。
随着电解槽向大型化发展,电解槽容量逐渐增大,磁场稳定性成为大型电解槽的核心问题之一,这使得对铝电解槽磁场的计算研究愈显重要。
国内外铝冶金工作者对铝电解槽磁场的设计已作了大量的工作,但是,现有的电解槽磁场设计计算方法仍不够完善,还存在一些不足,尤其是在计算铁磁材料对磁场的影响方面争议较多,这使得计算结果与实际测量结果有较大的差距,不能完全满足电解槽母线设计的要求。
因此,多年来人们一直在不断地努力完善电解槽的计算方法,以便在设计电解槽时,尽可能准确地计算出铝电解槽的磁场分布,并通过优化母线配置,使磁场的不良影响降到最低。
本文结合现行铝电解槽新的发展,考虑铁磁物质影响,按照实际电解槽尺寸和配置,建立了三维铝电解槽电磁场分析的有限元模型,并针对国内某厂320kA系列电解槽进行了磁场的分析研究。
铝电解槽电_磁_流场数值计算方法的进展
第25卷第4期2003年12月甘 肃 冶 金G ANSU M ETALL U R GYVol.25 No.4Dec.,2003铝电解槽电、磁、流场数值计算方法的进展Ξ周乃君,周正明,姜昌伟(中南大学能源与动力工程学院,湖南 长沙 410083)摘 要:介绍了国内外铝电解槽电、磁、流场数值计算方法的研究现状,并指出其存在的不足主要在于电、磁、流场分开计算,提出了铝电解槽电、磁、流场耦合数值计算的思想。
关键词:铝电解槽;电场;磁场;流场;数值计算方法中图分类号:TF821 文献标识码:A1 前 言铝电解过程中强大的电流产生强大磁场,强大的磁场和强电流的相互作用产生电磁力,在电磁力等力的作用下铝电解槽内熔体产生剧烈的运动。
熔体的剧烈运动有双重效果:一是电解质的运动有利于氧化铝的均匀分布和溶解,电解质成分的均匀及熔体内温度的均匀,对电解过程有利;另一方面是铝液的流动,使铝液层金属铝向电解质中的扩散加速,降低电流效率,铝液的流动也使电解槽阴极破损速度加快[1]。
目前的研究表明,铝液的运动状态(流动、波动、倾斜等)主要受电磁力的作用,电解质的运动由电磁力和阳极气体搅拌力共同控制。
在某些情况下电磁力的作用会导致生产事故,如滚铝、“漏槽”及短路等。
因此铝电解槽电、磁、流场设计是否合理对大型预焙阳极铝电解槽的稳定运行和技术经济指标都会产生重要影响。
因此,长期以来,人们采用各种计算方法对铝电解槽电、磁、流场进行了大量的研究。
本文结合国内外对铝电解槽电、磁、流场计算方法的研究现状,提出了铝电解槽电、磁、流场耦合数值计算的思想。
2 铝电解槽电场数值计算方法铝电解槽电场数值计算方法大概经历了3个发展阶段:①母线和阳极、熔体(电解质和铝液)、阴极导电部分分开进行计算;②把阳极、熔体(电解质和铝液)、阴极导电部分看成一个整体,采用二维方法进行计算;③把阳极、熔体(电解质和铝液)、阴极导电部分看成一个整体,采用三维方法进行计算。
铝电解槽电磁流场的数学建模与应用_刘伟
图 1 铝电解槽场域划分示意图 Fig.1 Schematic diagram of partitioned physical domains of aluminum reduction cells
形，计算较为繁琐。流场模型一般采用基于交错网格 的 SIMPLER 算法或有限元法进行求解[20]。为了验证 流场计算结果，大多采用铁棒溶蚀法测量铝液流
在多种媒质时，其分界面上的边界条件能自条件也不需要另 做处理。DUPUIS 等[11−14]使用该方法计算了铝电解槽 磁场分布，获得了较满意的结果。这些研究尚存在不 足，例如没有给出铝电解槽场域划分方法，无法考虑
因此，可以把整个铝电解槽场域划分为如图 1 所 示的 3 个子域：Ω0 是包括铝母线和空气的非铁区；Ω1 是包括钢壳的铁区；Ω2 为铝导杆、钢爪、炭阳极、电 解质、铝液、炭阴极、阴极钢棒及内衬的非铁区。
1.2 物理原理 槽内外导电体服从欧姆定律 J = σE 和库仑定律
∇E = 0 ，根据静电场场强与标量电位的关系 E = −∇φ
速[21]。 考虑到大型软件的成熟性和通用性，本文作者在
ANSYS 平台上开发铝电解槽电—磁场的统一计算模 型，围绕电解槽复杂开域的媒质接触、结构化网格划 分、边界条件施加、场耦合、母线优化等问题进行深
分布。有学者提出了存在自由电流区域如导杆、钢爪、 有学者在研究电场时把铝液看作等势体，或在阳极导
炭阳极、熔体、炭阴极与钢棒应的矢量磁位计算法， 杆和阴极钢棒端头施加等电势，这样的边界条件无法
这无疑是正确的。值得注意的是，ANSYS 使用的是 考虑到槽内导体、外母线系统中电场的不均匀分布状
GP ψ-DP 标量磁位法(Magnetic scalar potential，MSP)， 况，可能会增加计算误差。本文作者采用的边界条件
SY500铝电解槽磁场的数值模拟与测试研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｐｏｔｌｉｎｅａｍｐｅｒａｇｅ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｏｔａｒｅｂｅｃｏｍｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｓｔｒｉｎｇｅｎｔｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｌａｉｎｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｏｆＳＹ５００ｐｏｔｂｕｓｂａｒ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｏｆｓｏｍｅｐｏｔｓｉｎ５００ｋＡｐｏｔｌｉｎｅｏｆｏｎｅａｌｕｍｉｎｕｍｓｍｅｌｔｅｒｗａｓｔｅｓｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｓｔａｂｌｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅ，ｔｈｕｓｌａｙｉｎｇａｓｏｌｉｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅ ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＹ５００ａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｏｔ；ｂｕｓｂａｒｌａｙｏｕｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
可由毕奥 －萨伐定律计算得到磁场强度：
Ｈ＝４１πｖ ｏｌＣＪｒ×３ｒｄ（ｖｏｌＣ） 式中：Ｊ———导体中的电流密度，Ａ／ｍ２；
铝电解槽磁场计算方法评述
铝电解槽磁场计算方法评述
孙阳;冯乃祥;崔建忠
【期刊名称】《有色金属（冶炼部分）》
【年(卷),期】2000(000)002
【摘要】本文对铝电解槽磁场的计算方法进行了评述,可以看出,边界元素法是铝电解槽磁场计算的行之有效的方法.
【总页数】5页(P24-28)
【作者】孙阳;冯乃祥;崔建忠
【作者单位】东北大学,沈阳,110006;东北大学,沈阳,110006;东北大学,沈
阳,110006
【正文语种】中文
【中图分类】TF8
【相关文献】
1.基于ANSYS分析的铝电解槽电磁场计算方法
2.一种基于MLP神经网络的铝电解槽出铝计算方法
3.铝电解槽三维磁场的计算与优化(Ⅰ)——样条积分方程法计算三维磁场
4.铝电解槽三维磁场的计算与优化(Ⅱ)——改进的遗传算法优化三维磁场
5.铝电解槽磁场计算的边界元方法评述
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铝电解槽复杂摇篮槽壳结构磁场建模研究
１ 复 杂摇 篮 槽 壳磁 场 建 模
笔 者利 用有 限元 方 法研究 了铝 电解 槽 电磁 场计
算 问题 … 。铝 电解 槽 的磁 场 问 题 含 有 复 杂 电 流 分 布和多连通区域 ，如图 １所示 ，Ｑ 为由摇篮和槽壳 组 成 的可磁 化 多联通 区域 ，Ｑ 为 由空 气 和 自由电流 组成的非磁场化 区域 ，该 问题适合采用 ＧＰ 一ＤＰ 标 量 磁位 法进 行求 解 。
电解 椭 的静态 磁场 分 由稳 态麦 克斯 韦方 程
绀 求 解 ：
Ｖ ×Ｈ ＝．，
（３）
Ｂ ＝
（４）
式 ＩｆＩ： —— 磁 场强 度 ，Ａ／ｍ；
曰—— 磁 感 强 度 ，Ｔ；
— — 磁 导率 ，Ｗｂ／（ｍ ·Ａ）。
根据 电解椭 摇 篮 ＩＩ Ｊ Ｄ；没汁 ，在 局 部 适 当简 化
图 １ 铝 电解槽 电磁场计算 区域划分
铝 电解槽 内外 的电场分 布 由欧姆 定 律和 电流 守
恒定律求解 ：
Ｊ＝
（２）
式 中 ：。，—一 电流密 度 ，Ａ／ｍ ； Ｅ—— 电场强度 ，Ｖ／ｍ；
基金项 目：国家 自然科学基金重点项 目５１４３４００５；国家 ８６３计划课 题 ２００９ＡＡ０６４５０１ 收稿 日期 ：２０１７—１２—０６
母 线是 大 型铝 电 解槽 设 计 中重 要 研 究 内容 ，其 设计好坏直接关系到磁流体稳定性 、电流效率 以及 投资成本 。我国对铝 电解槽母线及磁场设计研究起 步较早 ，模拟技术较为成熟 、可靠 ，研究成果有效地 指 导 了我 国大 型预焙 阳极 铝 电解槽 及超 大容 量铝 电 解 槽技 术成 功开 发及 应用 ｕ Ｊ。但 是 与其 它 领域 中 磁 场 问题相 比 ，铝 电解 槽 磁 场 计算 无 法 达 到较 高 的 计算精度 ，一方面是 因为槽 内外存在着各种导 电体 和铁磁体 ，分布广泛 、形状复杂 ，具有非线性 ，另外一 方 面是 因为 属于典 型 的磁 场开 域 问题 。复杂 摇篮 槽 壳 结构 是铝 电解 槽 磁 场 计算 的关 键 问题 之 一 ，而 纵 观 国内外 已发表 研 究 论 文来 看 ，尚未 有分 析 复 杂 槽 壳 结构 对磁 场影 响 的研究 报道 。
500kA铝电解车间空间磁场的研究
2019年第7期轻金属・25・•铝冶炼•500kA铝电解车间空间磁场的研究张含博，陈端，王旋，刘伟，李广彬(沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁沈阳110001)摘要：基于高斯计测量和仿真模拟计算，研究了铝电解槽外部空间磁场分布，对比模拟和测量结果，验证了计算模型的准确性和可靠性。
电解车间空间磁场计算结果表明距离电解槽和母线校近的区域，磁场强度和梯度较大，反之亦然。
基于模拟计算结果对电解车间内长期工作在相应区域的一些重要生产和控制设备提出了相应的防磁设计技术要求。
关键词：电解车间；空间磁场；模拟计算；防磁设计中图分类号：TF821文献标识码：A文章编号：1002-1752(2019)07-0025-04DOI：10.13662/ki.qjs.2019.07.005Research on spacial magnetic fleld in500kA aluminum potroomZhang Hanbo,Chen Duan,Wang Xuan,Liu Wei and Li Guangbin (Shenyang Aluminum&Magnesium Engineering&Research Institute Company Limited,Shengyang110001,China) Abstract:Based on Gaussian meter measurement and simulation calculation,the spatical magnetic field distribution outside aluminum reduction pot was studied,and the simulation and measurement results were compared to verify the accuracy and reliability of the calculation model.The calculation ressult of the spatial magnetic field in the aluminum potroom shows that the magnetic field strength and gradient are relatively larger in areas closer to reduction pots and busbar,and vice versa.Based on the simulation calculation results,the corresponding technical requirements for anti-magnetic design are put forward for some important production and control equipment which operate in relevant areas of the potroom in the long term.Key words:aluminum potroom；spatial magnetic field；simulation calculation；antimagnetic design1铝电解槽发展近况电磁场是一种天然存在的物理现象，如地球表面的地磁场强度为0.035-0.07mT(0.35~0.7 Gs)⑴。
铝电解磁场和流场的研究
Internal Combustion Engine & Parts• 143 •铝电解磁场和流场的研究何强®;雷振明于(①中国铝业兰州分公司电解二厂，兰州730060;②中国铝业兰州分公司电解一厂，兰州730060)摘要：随着我国工业的发展，铝电解工业在逐步向槽容量的更大型化发展，这就让我们对铝电解磁场和流场的研究变得尤为重要。
根据电磁感应定律，随着槽容量的增大，铝电解槽和相近电解槽间的电流会产生一定的磁场，磁场与电场相互作用，严重影响了铝 的电解过程。
此外，铝电解槽容量的增大，也会使得其中的铝液的流动波动增大，同样会影响电解效率。
因此，我们需要深入了解铝电 解槽内铝液、电场、磁场、流场之间的耦合关系，选择适当的计算模型，优化电解效率，增大经济效益。
关键词：铝电解;磁场；流场0引言在铝工业中，铝电解是核心过程，铝电解的发展和进 步也代表着电解铝工业的革新与发展。
在近年来，国家一 直在号召所有工业节能减排与产业调整，在此基础下，对铝电解磁场和流场的研究更应该提早提上日程。
在铝电解 槽中，铝液、电场、磁场、流场相互作用，共同影响着铝的电 解效率。
因此，为了提高铝的电解效率，增大经济效益，做 到节能减排，就需要了解铝电解槽内这些不同场之间的关 系与作用，选择更合适的方案，优化电解过程。
1铝电解工业的现状铝是世界上最丰富的金属元素，其具有良好的物理和 化学性能，在工业化学上的用途也十分广泛。
自从一百多年 前，霍尔一埃鲁特电解铝法诞生后，电解铝逐步成为了铝工 业的核心，在铝的应用中占据着重要的地位。
然而，随着铝工业在国家工业生产中的比重日益增重，我国的铝电解工业也面临着以下现状：①铝电解槽的容量 过小;②铝电解的生产电的效率低、耗电量高;③我国目前 使用的铝电解槽的使用寿命低。
这些使得我国在铝电解方 面的成本明显高于国外，不利于工业甚至经济的发展。
在这 个背景下，加强铝电解方面的科学研究和技术革新，变得更 加具有紧迫性。
40 kA钠电解槽三维磁场模拟研究
关 键 词 ： 电解 槽 ； 钠 电磁 力 ； 感 应 强 度 ； 模 ； Ｓ 磁 数 ＡＮ ＹＳ 中 图 分 类 号 ： Ｇ１ ２ ２ ６ Ｔ ４．＋ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７７ ４ （０ ２ ０ —０ １０ １０ —５ ５ ２ １ ）５０ ２—３
究
得：
， 电流 分 布 可 以确 定 的 情 况 下 槽 内任 一 点 在
的磁 感应 强度 大 小 和 方 向可 用 Ｂ ｏ－ ａ ａｔ 律 求 ｉｔ ｖ ｒ 定 Ｓ
ｒ ｎ
ＢｘＹｚ 一．Ｉ （， ’ ，× Ｖ （，， ｚ， ， ） ） Ｙ
‘ 丌 Ｊ ＂１ 士 ｒ
磁力 分布 ， 研 究 电解 质 的流动 十分必 要 。 对 磁场对 电流 的作 用力 即 电磁力可 由安 培定律 确
定：
Ｆｂ— Ｊ × Ｂ Ｊ — Ｊ ｚｏ＋ Ｙ Ｊｚ ｏ＋ ｏ
Ｂ — Ｂ ｏ＋ Ｂ Ｙ０＋ Ｂ ｚ０
利 用 前 面计 算 所 得 的 电流 及磁 场 分 布 的结 果 ，
作者简 介： 贾瑞博 （９７）女 ， １７一， 山西平鲁人 ， 硕士 ， 讲师ຫໍສະໝຸດ ・ ２ ・ ２
有色金属 （ 冶炼 部分 ）ｈｔ ： ｙｙ． ｇｉ （ｔ ／ ｓ１ｂ ｒ ｐ ／ ｍｍ．ｎ ｃ）
２１ ０ ２年 ５ 期
极 上均 匀分 布［ ， ３ 并忽 略 电解 槽 的漏 电现象 。 ］
即可得 出 电解槽 中的电磁力 分 布情况口 。
图 ３ 磁 感 应 强 度 分 布 图
Ｆｉ ３ Ｄｉｔ ｉ ｕｔｏ ａ ｆｍ ａ ｎ ｔｃ ｇ． ｓ ｒｂ ｉ ｎ ｍ ｐ ｏ ｇ ｅ ｉ
ｉ ｄｕ ｔ ｏ ｎｓ ｔ ｎ ｃ ｉ ｎ ｄｅ ｉｙ
大型铝电解操作天车的电磁场计算和受力分析
大型铝电解操作天车的电磁场计算和受力分析随着铝电解生产向大电流母线化(40-50万安培)方向发展，由此产生的空间磁场分布复杂化、磁场强度剧烈变化，生产过程中的关键设备操作天车受到磁场的严重影响，可能在局部位置出现启动运行困难和朝导向轮一侧跑偏等问题[1]。
因此，研究大电流母线条件下磁场分布及其影响，是铝电解生产过程中的关键问题之一。
虽然多年来人们一直在不断地努力探索铝电解大电流产生的磁场计算方法和实验方法；但是现有的铝电解磁场分析研究尚未能解决上述问题。
本文经过研究后，提出铝电解磁场问题的解决必须考虑如下三个关键点：1.母线产生的空间磁场是一个包含操作天车整体结构的三维磁场问题；2.计算模型中必须考虑建筑物中钢结构形成的导磁材料的影响；3.磁场主要影响是操作天车的受力问题，并且应该考虑静止和运动条件下的不同影响。
目前，依作者目力所及，尚未见到这样的研究报告。
本文结合中国有色（沈阳）冶金机械有限公司生产的多功能操作天车，按照实际天车的尺寸以及考虑电解车间建筑物钢结构，建立了40万安培三维铝电解操作天车有限元模型，进行了电磁场计算，考虑天车静止和运动两种条件分析计算了天车受力情况。
磁场计算的结果与试验测试加以比较验证，本文的模型较全面地反映了大电流母线条件下，铝电解车间及其操作天车所受到磁场的影响，为今后的铝电解工艺过程的技术升级提供了有效的参考数据与结论。
1 模型描述由于在铝电解过程中通入的电流大小是恒定的，所以由电流产生的磁场属于静态磁场[2]；忽略电解槽内电流分布的相互影响[3-4]。
把电流等价在每根大电流母线上，当已知电流密度分布时，由麦克斯韦方程组可以求出其产生的磁场，它们之间的关系如下[5]：(1)(2)H磁场强度；j电流密度；B 为磁感应强度；为磁导率。
2 模型建立首先要解决的问题就是建立模型。
一个好的模型，既要求能够比较准确地反映客观实际，还要求易于求解。
为了更准确分析铝电解过程的天车受到电磁场作用，建立三维模型；由于结构的复杂性，因此，本文在建立模型时进行适当简化：（1）铝电解槽和通入直流大电流导线的简化铝电解槽电解过程中，电流经阳极母线流人电解槽内[6-7]，并沿着阳极导杆、阳极钢爪、阳极、电解质、铝液、阴极、阴极钢棒至阴极母线的线路传输[8-12]。
铝电解槽电解质与内衬换热系数的数值计算
铝电解槽电解质与内衬换热系数的数值计算杨帅;李劼;张红亮;邹忠;赖延清【摘要】铝电解槽内电解质与内衬界面传热系数直接决定电解槽热平衡.基于多相流理论及壁函数方法,建立了铝电解槽电解质与内衬界面的换热系数计算数学模型,在商业数值计算软件上实现对传热推动力、传热系数分布的计算.研究结果表明:阳极气泡的作用处于主导地位,但电磁力的作用也不能被忽略,在进行换热系数计算时,需同时考虑二者的共同影响;在电解槽的大面及小面槽帮处,换热系数的分布主要受电解质流动的影响,而对于阳极底部则由于气泡层的阻碍使得此区域的传热系数较小;阳极开槽会增大电解质与阳极的换热系数,但会一定程度上减小电解质与槽帮的换热系数.%The heat transfer coefficient between the bath and lining determines the heat balance in aluminum reduction cell.Based on the multiphase theory,turbulence model and wall function method,a numerical simulation model of heat transfer coefficient between the bath and lining was built and calculated in comercial codes.The heat transfer driving force and the heat transfer distribution were calculated.The results show that the anode bubbles are the main driving force,while the influence of electromagnetic force can't be ignored,both of them need to be considered in the calculation of heat transfer coefficient.Moreover,the heat transfer coefficient is determined by the bath flow in cell sides and ends,while it is small in the anode bottom because of the obsturction effect of the anode bubbles.Anode cutting will increase the heat transfer coefficient between bath and anode,however,reduce the heat transfer coefficient between bath and aideledge.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2017(027)001【总页数】9页(P162-170)【关键词】铝电解槽;数值计算;换热系数【作者】杨帅;李劼;张红亮;邹忠;赖延清【作者单位】中南大学冶金科学与工程学院,长沙410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TF821工业铝电解槽是一个巨大的热生成器，由电能转化而成的热量维持了电解所需的温度。
静流式铝电解槽磁场仿真及设计
静流式铝电解槽磁场仿真及设计梁学民1,2, 李劼1, 张红亮1, 王有山2, 吕晓军1, 张翮辉1, 刘业翔1【摘要】通过对槽内磁场、电流场的分析和研究，提出一种静流式铝电解槽的概念，采用阴极垂直出电的方式代替目前的水平出电方式，从而大幅度降低铝液层中的水平电流，大幅度削弱电磁力对槽内熔体的影响，进而减小铝液的流动和波动，将电磁影响削弱到最低程度以实现熔体界面高稳定性，并依此原理设计开发新型高效节能型铝电解试验槽。
同时对母线配置进行设计，在最优化母线配置下，磁场数值仿真计算结果表明，该电解槽垂直磁场最大值为0.896 3 mT，平均值为0.360 2 mT，远低于同规格普通电解槽的垂直磁场，从而可获得电解槽超稳定运行条件，为大幅度降低极距，实现大幅度节能创造条件。
【期刊名称】中国有色金属学报【年(卷),期】2011(021)009【总页数】7【关键词】静流式；浅凹型阴极；垂直出电；磁流体铝电解槽的电、热、磁以及磁流体力学稳定性等物理场的研究为电解槽的设计改进和工艺优化提供了重要的理论指导。
如DUPUIS[1]提出一种电热场模拟方法，可有效指导电解槽的槽壳设计，避免电解过程槽壳的过大变形。
LI等[2]通过电解质−阳极气泡−铝液三相流场的计算，解析出电解质−铝液界面电流效率的分布情况，为优化工艺条件提高电流效率起到一定的参考价值。
自20世纪80年代至90年代末，在各种物理场研究开发的基础上，我国相继成功开发了180 kA、280 kA和320 kA级大型铝电解槽，在世界铝工业的地位不断提高[3]。
近两年来，400 kA级的超大型铝电解槽亦实现了工业化推广，标志着我国铝电解槽技术达到了国际领先水平[4]。
与此同时，由于计算机软件的进步，一批先进的仿真软件应用于实际设计中，如ANSYS、MHD-VALDIS等，使磁场、热场及流场的计算更为简便和有效。
一批采用多立柱、槽底补偿、非对称补偿的大型槽母线设计，取得了较好的磁场平衡，其垂直磁场绝对值可达0.5 mT左右, 各象限垂直磁场绝对值的平均值可达0.4 mT左右，满足了垂直磁场均匀化的要求[5−6]。
30kA电解槽铝液的磁力计算及分析
(3) 铝液的环流主要是阳极水平母线磁 场的影响。
( 4) 为使电解电流分布均匀, 提高电解 效力, 应靠合理设计槽体结构和配置母线。 磁场和磁力的理论计算, 是设计的依据。 磁 场屏蔽对阳极和阴极母线所产生的磁场起 到一定作用。要消除母线磁场对铝电解的影 响, 主要还必须靠合理的配置母线。
的磁力线分布状况是以阳极轴线为中心的
一组闭合椭圆。 中心点磁感应强度为 0, 随
着离中心距离增加, 磁感应强度逐步加大,
到有效圆半径处, 磁感应强度达到最大值。
方向沿椭圆的切向方向。而磁力大小是中心
小, 边缘大, 在有效圆半径处, 达到最大值。
磁力方向均指向椭圆中心。 整体上, 铝液表
面向中心收缩, 使铝液向中部隆起。 这种隆
参考文献
1 赵凯华等. 电磁学. 人民教育出版社, 1978: 281～ 308. 2 邱竹贤等译. 铝镁电冶金学. 辽宁教育出版社, 1989:
128～ 146. 3 许孙曲等. 30kA 铝电解槽磁场计算, 有色金属 ( 冶
炼) , 1998, (5) : 31～ 34.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
但是它们对铝电解生产影响是存在的。现场
检修时, 仔细观察阳级掌, 可以明显看到其
中间部分向上凹陷约 5～ 10mm。 凹陷中心
左移不易观察。
2.
3 阳极水平母线磁场
_
B
3
的影响
阳极水平母线电流沿 x 轴正向, 各测量
点磁感应强度在 oyz 平面内, 对于 z 正向的
一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法[发明专利]
![一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c66ed5345022aaea988f0fc3.png)
专利名称：一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法专利类型：发明专利
发明人：张红亮,梁金鼎,李劼,李天爽,孙珂娜,张凯,肖劲
申请号：CN201610364742.1
申请日：20160527
公开号：CN106021760A
公开日：
20161012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法，基于有限元ANSYS软件先建立包含前后槽的电解槽电场模型，并根据母线的截面积和中心线空间位置，使用导电的线单元代表母线，通过电场计算得到每一段母线的实际电流分布后，再通过母线转换方法将LINK68线单元转换为SOURC36导磁线单元，并与其它导磁部分共同建立整个电解槽磁场有限元模型，利用模型计算得到槽内磁场分布。
应用该方法可明显改善铝电解槽母线设计中磁场计算存在的各类偏差，提高磁场计算的准确性，有助于优化电解槽设计。
申请人：中南大学
地址：410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
国籍：CN
代理机构：长沙市融智专利事务所
代理人：龚燕妮
更多信息请下载全文后查看。
320kA预焙铝电解槽电磁场分布计算与优化
320kA预焙铝电解槽电磁场分布计算与优化陈晓方;杨枝;贺建军;张红亮【摘要】利用ANSYS电磁场有限元法,建立了320 kA预焙铝电解槽三维电磁场有限元模型,计算了铝电解槽内的电场分布及磁场分布,计算结果与实测结果相吻合,验证了该模型的正确性.在此基础上提出了一种新型电解槽结构,并应用参数化设计语言(APDL)建立该结构的电磁场计算模型,以磁场为目标对该结构进行了整体优化.最终优化后电磁场分布表明:该结构铝电解槽能减小铝液层水平电流,磁场分布对称性好,有利于改善槽内铝液的流动状态,具备较大的节能潜力.%Three dimensional(3D) finite element model of 320kA prebaked aluminum reduction cells for calculating its electromagnetic field are set up by finite element method based on ANSYS program.The electromagnetic field distribution is obtained and the computation results is consistent with the measured data, and the model accuracy is verified. A novel cell structure is proposed and the field calculation model with the magnetic field as the goal of the overall optimization of the structure through the application of parametric design language (APDL) is established. The electromagnetic field distribution from the final optimization of the aluminum reduction cells show that the horizontal currents are smaller and magnetic field distributes more symmetrically which are conducive to improving the flow of the molten aluminum tank status with a large energy saving potential.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2011(035)003【总页数】6页(P103-108)【关键词】铝电解槽;有限元法;电磁场;优化【作者】陈晓方;杨枝;贺建军;张红亮【作者单位】中南大学,信息科学与工程学院,410083;中南大学,信息科学与工程学院,410083;中南大学,信息科学与工程学院,410083;中南大学,冶金学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TF804.4;TP391.9铝电解槽内部有强大直流电通过,在电流周围必然产生磁场,而磁场与电流相互作用产生洛伦兹力,如果该电磁力分布不均匀,将使槽内熔体循环加速,铝液面隆起、偏斜和波动,这将导致电流效率下降,甚至无法正常运行.随着铝电解工业的发展,铝电解槽电磁场分布问题越来越受人们的关注[1-2].为了设计高电流效率的大型铝电解槽,实现铝电解节能减排,必须深入研究铝电解槽电磁场数学模型,选择合适计算方法[3-6],准确计算槽内的电磁场分布,通过优化铝电解槽膛结构,削弱和控制槽内磁场和电流相互作用的电磁力,并对母线配置进行改进,使槽内磁场分布均匀,绝对值降到最小. 霍岱明等学者[7-8]从改善阳极结构,改变阳极组数,对阴阳极炭块的尺寸进行优化等方面对铝电解槽电磁场进行了研究,认为当阴阳极炭块的宽度相等时,可提高槽的电流效率.还有一些学者从改变进电方式,采用多点进电方式和改变母线配置的方法来优化电磁场.但是现有的电解槽电磁场设计仍存在着一些不足,例如Bz、By磁场值较大,磁场分布对称性差,全槽的4个象限磁场差值大,各部分电流分布不均匀,平均槽电压偏高,使得电解槽寿命缩短,直流电耗偏高.本文作者利用有限元仿真分析软件ANSYS,在对实际铝电解槽合理假设的基础上,通过六面体网格划分,建立某铝厂320 kA铝电解槽三维稳态电磁场有限元模型,计算铝电解槽内的电磁场分布,计算结果与实测结果相吻合.同时还提出了一种新型电解槽结构,并应用参数化设计语言(APDL)建立该结构的电磁场计算模型,以磁场为目标对该结构进行了整体优化.优化后电磁场分布表明:该结构铝电解槽能减小铝液层水平电流,磁场分布对称性好,有利于改善槽内铝液的流动状态,具备较大的节能潜力.1 电磁场计算方法和优化理论由于电解槽是靠强大直流电进行电解,在电流周围必然产生磁场,因为电解槽的电磁场计算属于静电磁场,先确定电解槽内的电流分布,根据电流分布确定其产生的磁场,最后确定槽周母线及邻槽母线对电解槽产生的影响.1.1 电场计算方法由于铝电解槽的电流场属于静态电场,静电场是一个无旋的矢量场,则有因此在计算铝电解槽内导电系统包括导杆、阳极、熔体、阴极和钢棒的电位分布可采用标量电位法,用标量电势φ的梯度表示式中:E是电场强度;J是电流密度;σ电导率.由式(2),找到一个的微分方程,用有限元法离散进行数值计算,获取标量电势φ,即可求解出电场分布.1.2 磁场计算方法由于铝电解槽的磁场问题满足稳态的麦克斯韦方程和本构关系式中:▽×为旋度算子;H为磁场强度;B为磁感应强度;μ为磁导率;J是电流密度,可得式中:φ为标量磁位;Hs为初始磁场强度,数值计算中需要根据电流密度的分布按照比奥-沙伐定律预先算出Hs即其中 r是位置矢量.采用该总标量位法来计算静磁场方程式(6)、式(7).总标量位法可分3步计算整个电解槽内的磁场分布.对于槽周母线及邻槽母线磁场的计算,它的标量磁位关系也满足式(7),采用这种标量磁位法可使得计算难度大大降低,从而求出整个计算区域的磁场分布和铝液电磁力分布.1.3 电磁场优化理论判据由于铝电解槽电流与磁场相互作用产生电磁力.要减小熔体的波动,必须限制电磁力旋度的垂直分量.按照磁流体动力学的观点,单位体积内熔体受到的电磁力为其电磁力旋度的垂直分量为由于J是电解生产中所必须的量且值较大,所以要使CurlzF值较小,必须满足:Bz的值较小且Bz在y方向梯度要小;By的值较小;Jy的值较小,这几点要求也是电解槽母线设计中在电磁场优化方面要实现的最基本的目标.2 电磁场分布计算与结果讨论2.1 电场计算在电解槽中根据介质材料的导磁和导电性质可以把整个铝电解槽场域划分为3个子域:Ω0是包括铝母线和空气的非铁区(具有电流源),Ω1是包括槽壳的铁区,Ω2为铝导杆、钢爪、阳极炭块、电解质、铝液、阴极炭块、阴极钢棒及内衬的非铁区(具有电流源),其中电场的求解域为Ω0和Ω2.由铝电解槽对称性,只需建立单个槽体的1/4计算模型,之后经过两次镜面操作完成整槽实体模型的建立.采用solid5实体单元从底向上依次建立1/4槽底部内衬、阴极炭块、阴极钢棒、小面侧部结构、大面侧部结构、炉帮、角部连接结构、电解质、铝液、阳极炭块及部分槽内填充空气的构成体积.在赋予单元类型和材料属性后,使用映射和扫略相结合的六面体网格划分方法划分所有体积.母线系统、阳极导杆、钢爪等采用link68电场单元建立.建立好有限元模型后需要在模型上施加载荷、设定边界条件,采用标量电位法求解计算.2.2 磁场计算计算电流场的目的是为了计算导杆、阳极、熔体、阴极和钢棒中的电流密度分布,以便把它作为磁场源来计算磁场,而计算整体的磁场,还需在电场模型基础上,补充建立Ω1的计算模型,考虑到槽体磁场在空气中的磁漏,对空气进行了建模,图1为320 kA预焙铝电解槽磁场计算实体模型示意图.对于槽周围的母线系统部分以及阳极导杆、钢爪须将link68线单元在电场模型中转化sourc36电流源单元,在获得sourc36单元后link68单元从磁场模型中删除.考虑相邻槽条件时,为了简化模型,将前后两槽以及所有母线简化为等效电流元,同样也可以用sourc36单元建立.用该单元建立模型时,采用参数化程序段落循环使用较为简便,从而完成母线系统有限元模型.经耦合电场模型结果,在磁场模型中的空气外表面都施加零磁位,便可以开始用总标量位法进行磁场求解.图1 铝电解槽实体部分磁场计算模型图Fig.1 Model for calculating magnetic field of aluminum reduction cells2.3 计算结果与讨论为验证电磁场分布计算模型的有效性,根据某厂320 kA电解槽的结构和母线设计施工图建立了计算模型,其坐标定义为:x方向由出铝端(TE)指向烟道端(DE),y方向由A侧(进电测)指向B侧(出电侧),z方向由铝液下表面指向铝液上表面.该系列电解槽采用大面6点进电,在考虑上下游各3台相邻电解槽情况下,得到铝电解槽电场、磁场分布结果.表1为该电解铝厂被测320 kA铝电解槽各导电部分电压降测量与仿真结果的比较.测量磁场的仪器为美国F.W.BELL公司生产的 SERIES 9950 GAUSS/TESLA ME2TER.图2分别给出铝液中部磁场的测量值与计算值的对比. 表1 320 kA铝电解槽各导电部分电压降测量与计算值对照表Tab.1 Comparison of calculated results vs measured results of conductive part of voltage of 320 kA pre-baked aluminum reduction cells项目阳极炭块压降/mV阴极压降/mV电解质压降/mV 铝液/mV 1槽实测值2槽实测值实测平均值仿真值误差/%125.10 192.60 158.85 168.00 5.76 477.50 473.50 475.50 501.39 5.44 1 513.40 1 532.80 1 523.10 1 405.68 7.71 0.00 0.00 0.00 1.60-图2 Bz计算值与测量值的比较(y=1.7 m,z=0.947 m)Fig.2 Comparison of calculated results vs measured results of Bz(y=1.7 m,z=0.947 m)从图2和表1可见,被测320 kA铝电解槽各导电部分电压降测量值与仿真绝对平均误差小于10%,且磁场分布计算值和测量值比较接近,存在着一定误差.造成这些误差的原因有:模型的简化和实测过程中高斯计探头与铁棒难以保持垂直位置等.同时通过仿真计算,可以得到铝液层电流密度分布以及铝液的三维磁强度 Bx、By、Bz 分布结果,可看出铝电解槽铝液中存在着由进电端指向出电端的水平电流,铝液电流密度4个角部最大,达到11 723 A/m2,铝液层可近似认为是一个等势体;水平磁场在两个大面的磁感应强度较大,中间的磁感应强度较小,垂直磁场基本上呈现较好的反对称关系,且极值均出现在铝液的4个角部,这主要是由于铝液4个角部电流密度较大的原因造成的.另仿真结果的数值和趋势也与理论相一致,基本反映了铝电解槽电场、磁场的分布规律.应用此方法,不仅可应用于传统电解槽的优化设计,也为新型阴极结构铝电解槽的开发打下了良好的技术基础.3 铝电解槽的电磁场优化设计铝电解槽中的电磁场是由母线系统、槽内实体以及槽壳共同作用而成,对电解槽的电磁场设计主要针对这3部分.磁场是矢量,所以铝电解槽中的总磁场可以看成是每个部分所产生磁场叠加的结果,这样可先单独研究各个部分所产生磁场的分布规律,以及它们对铝电解槽磁场的贡献程度,再反过来利用这些规律来进行铝电解槽的电磁场设计.3.1 槽内实体及槽壳部分通过对铝电解槽分布计算,也可以得到槽内实体及槽壳部分磁场分布特点.可以看出,该部分所产生的电磁场基本决定了整个铝电解槽中的电磁场分布情况,而这部分所产生的磁场主要取决于槽结构的设计,即槽尺寸、阴极和阳极数量及尺寸等.针对阴极结构对电磁场的影响,设计阴极炭块中钢棒的嵌入位置和形式,以达到较小铝液层水平电流、降低极距,从而降低直流电耗的目的.普通铝电解槽的阴极钢棒是水平嵌入阴极炭块中的,这样必然会产生较大的水平电流,水平电流产生垂直磁场,在电磁力的作用下,导致铝液的波动、流动及不稳定,而铝液表面波动剧烈又会导致滚铝现象、电极短路和阳极效应.若将钢棒竖直嵌入,使电流从槽底竖直流出就会大大减少水平电流,从而减小上述现象的发生.如果只嵌入竖直钢棒,则电流过于集中,也会导致由于电流分布不均而引起的较大水平电流.所以在设计阴极炭块中钢棒的位置和出电方式时,不仅要有竖直嵌入的钢棒,同时也要配合横向钢棒来分散电流,避免由于电流过于集中而导致的水平电流增大.根据上述分析,设计了一种竖向垂直出电的方案:横向钢棒嵌于阴极炭块中,每个阴极炭块仍然嵌有两根竖向钢棒,且与槽壳相通,竖向钢棒与横向钢棒数目相同,置于横向钢棒上,与其相连,基于这种新型电极结构建立铝电解槽实体模型的方法与普通槽相同,采用ANSYS参数设计语言APDL的输入命令流的方法,用solid5六面体单元建模,槽壳、阳极炭块、阴极炭块等其他部分尺寸均取普通槽的经验尺寸.其有限元模型与普通铝电解槽阴极结构区别如下图3、图4所示.结合铝电解槽的实际工艺及结构的限制,借助ANSYS有限元优化技术,对阴极炭块中竖向钢棒嵌入的位置进行优化设计.寻求在其他条件相同的情况下,设计变量为竖向钢棒与槽纵向中心线之间的距离d以及竖向钢棒的长度l.以铝液层电磁力旋度的垂直分量最小为优化目标,寻求竖向钢棒嵌入阴极炭块的最佳位置.优化设计只考虑设计变量的约束范围,因此未定义状态变量.目标函数不需要给定范围,但可以定义设计变量和状态变量的最大和最小值.每个变量都有一个可以由用户输入也可以由程序计算得出的公差值[9].采用对应于零阶优化方法的循环控制方式,进行优化分析计算,可以得到垂直出电局部最优阴极钢棒位置为d=0.73 m、l=0.18 m.表2所列为优化前后电磁场计算极值分布情况,优化后新型槽总体电流密度分布更均匀,且平均电流密度比原槽小,最大电流密度9 504 A/m2,新型槽电势分布导电部分槽电压从2.348 V减小到2.086 V.经对比新型槽与原槽水平磁感应强度Bx、By总体规律相同,且变化不大,新型槽比普通槽水平磁感应强度分布更均匀且有所降低.垂直Bz(见图5,图6)沿短轴和长轴均呈反对称关系,且最大值和最小值均出现在铝液的4个脚部,这主要是铝液在4个角部电流密度变化较大引起的.新型槽Bz总体分布比原槽均匀,且Bz有所降低,正符合磁场设计的要求.图3 普通槽阴极结构截图Fig.3 Cathode structure of ordinary cells图4 新型槽阴极结构截图Fig.4 Cathode structure of new cells表2 320 kA铝电解槽槽内实体及槽壳部分优化前后磁场极值比较Tab.2 Comparison of maximum magnetic field before and after optimization项目电流密度Jmax/(A/m2) |Bx|max/10-4T |Bx|max/10-4T |Bz|max/10-4T|Bz|ave/10-4T优化前 11 554 121.03 44.12 21.62 9.01优化后 9 504 97.81 23.06 17.87 7.68图5 优化后新型槽槽内实体部分铝液层垂直磁场Bz分布云图Fig.5 Vertical magnetic field distribution Bzof new cells after optimization图6 普通槽槽内实体部分铝液层垂直磁场Bz分布云图Fig.6 Vertical magnetic field distribution Bzof ordinary cells before optimization3.2 母线部分的设计槽结构确定后,槽内导体及槽壳所产生的电磁场已基本固定,所以对整个电解槽的电磁场的改善就主要通过优化母线配置来完成.为了改善槽内磁场分布和熔体的流动状况,在320 kA铝电解槽的母线系统设计中,采用了磁场优化技术,设计了以大面5点进电母线配置为主,选取进电比为11∶11∶10∶11∶11,槽底进行非对称性补偿设计的母线配置方式.在铝电解槽底部设置有与竖直嵌入的阴极钢棒数量相对应的槽底阴极软母线,通过阴极软母线与铝电解槽外部的槽底回流母线、端部回流母线等共同修正电解槽本身磁场.采用“削峰加填补”的设计方法,即削平槽内角部垂直磁场和水平磁场不均匀分布来减少槽内磁场变化梯度,达到改善槽内熔体的磁流体特征,稳定电解槽运行状况的效果.槽周围母线电流产生的磁场比槽内导体电流产生的磁场弱,其在进电端两个角部与槽内导体叠加增强磁场,在出电端两个角部与槽内导体叠加消弱磁场.以上是将铝电解槽分解至各个组成部分,对各部分所产生的电磁场特征进行试验分析.反过来思考,便可以利用这些特征,以磁场平衡为导向,对各个部分进行有效的调节和组合,便可以很快得到有较好磁场分布的铝电解槽.最后,为了平衡相邻电解槽产生磁场所带来的磁场波动,需要进一步调节局部的母线来平衡,这里选择调整端部回流母线高度.考虑上下游各3台相邻电解槽情况下,经过计算,得到优化后最终电磁场分布.根据优化前后电磁场极值分布情况,优化后新型槽总体电流密度分布更均匀且有所减小,新型槽总体分布比原槽对称性好,且|Bz|有所降低,如图7所示,进一步验证该设计符合电磁场设计的要求.图7 铝液底部平面总体垂直磁场Bz分布Fig.7 Overall vertical magnetic field distribution Bzof bottom surface of moltern aluminum4 结论1)利用ANSYS电磁场有限元法,计算了实际320 kA试验槽的电磁场分布,计算结果与实测结果相吻合,验证了该计算模型的正确性.2)电磁场分布受电解槽内导体和槽周围母线导体共同影响,其中槽内导体电流产生的磁场可视为组合磁场分布的基本形式,在考虑槽壳条件下,磁场垂直分量Bz呈对角互为极值的分布形式;槽周围母线电流产生的磁场比槽内导体电流产生的磁场稍弱,在进电端两个角部与前者叠加增强磁场,在出电端两个角部与前者叠加消弱磁场.3)借助于ANSYS的强大优化设计功能,采用APDL编制的程序用于铝电解槽阴极结构优化设计,可大大提高效率,达到预期的优化目的,并通过优化母线配置,可使电解槽垂直磁场可以控制在3.0×10-3T之内,且其磁场分布规律比现行大型电解槽的分布对称性好,为整个铝电解槽的优化分析提供了新的思路,但这些只能初步判断该电磁场设计的可行性,而具体还需要通过后续流场的计算结果来判断.参考文献(References):[1]李茂,周孑民,王长宏.300 kA铝电解槽电、磁、流多物理场耦合仿真[J].过程工程学报,2007,7(2):354-359.LI Mao,ZHOU Jiemin,WANG Changhong.Coupled simulation of multiple physical fields in a 300 kA aluminum electrolysis cell[J].Chinese Journal of Process Engineering,2007,7(2):354-359.(in Chinese)[2]刘伟,李吉力,赖延清,等.铝电解槽电磁流场的数学建模与应用[J].中国有色金属学报,2008,18(5):909-916.LIU Wei,LI Jie,LAI Yan-qing,et al.Development and application of electro-magneto-flow mathematic model of aluminum reduction cells[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2008,18(5):909-916.(in Chinese)[3]Dupuis ing ANSYS to Model Aluminum Reduction Cell Since 1984 and Beyond[J].Light Metals,2000:307-313.[4]孙阳,冯乃祥,崔建忠.186 kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的三维数值计算[J].金属学报,2001,37(3):332-336.SUN Yang,FENG Naixiang,CUIJianzhong.Tridimensional numerical calculation of magnetic field in a 186 kA large prebake anode aluminum reduction cell[J].Acta Metallurgica Sinica,2001,37(3):332-336.(in Chinese)[5]Ziegler D P,Kozarek R L.Hall-Héroult cell magnetics measurements and comparison with calculations[C]∥Rooy E L,eds.NewOrleans,LA:TMS(Minerals,Metals&Materials Society),1991:381-391.[6]姜昌伟.预焙阳极铝电解槽电场、磁场、流场的耦合仿真方法及应用研究[D].长沙:中南大学,2003.JIANG Changwei.Study on coupled simulation methods and application of electro-magneto-flow fields in prebake aluminum reduction cells[D].Changsha:Central South University,2003.(in Chinese) [7]霍岱明.预焙阳极铝电解槽阳极与阴极炭块尺寸的优化设计[J].轻金属,2003(6):31-33.He Daiming.Optimization design of prebake aluminum reduction cells anode and cathode size[J].Light Metals,2003(6):31-33.(in Chinese)[8]陈颖.350 kA大型预焙阳极铝电解槽优化设计论述[J].有色金属设计,2004,31(1):28-33.CHEN Ying.Optimized design demonstration on 350 kA Large-scale pre-baked anode aluminum electro-bath[J].Nonferrous Materials Design,2004,31(1):28-33.(in Chinese)[9]郝金伟,闫奕任,蒋懋,等.基于ANSYS的结构优化设计有限元分析[J].山西建筑,2005,31(5):31.HAO Jinwei,YAN Yiren,JIANG Mao,et al.Finite element analysis for structure optimization design based upon ANSYS[J].Shanxi Architecture,2005,31(5):31.(in Chinese)。
1000方电解槽 功率
1000方电解槽功率
电解槽功率的计算涉及多个因素，包括电流密度、电解负荷、电解质种类等。
在电解槽中，通过电解负极和正极的电流，电解质中的化学物质发生反应，产生所需的产物。
以下是大致的电解槽功率计算公式：
P=U⋅I
其中：
•P是功率（单位：瓦特，W）。
•U是电压（单位：伏特，V）。
•I是电流（单位：安培，A）。
在电解槽中，电流可以通过下述公式计算：
I=n⋅F⋅Mm
其中：
•I是电流（单位：安培，A）。
•n是电子的摩尔数。
•F是法拉第常数（96,485 C/mol）。
•m是电解负荷（单位：克，g）。
•M是电解负荷物质的摩尔质量（单位：克/摩尔，g/mol）。
上述公式中的电压U可以通过电解槽的具体设计和操作参数来确定。
总的来说，电解槽功率的计算需要了解电解槽的设计参数、反应物质等详细信息。
在实际应用中，最好咨询电化学工程专业人员，以确保计算准确并满足具体工艺要求。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电解槽磁场计算方法的比较1 前言随着现代大型铝电解槽工作电流的增大，其载流母线和熔体电流产生的磁场对其生产和稳定运行的影响愈显突出。
由于磁场与熔体电流相互作用所产生的电磁力使槽内熔体循环加速，导致铝液面产生隆起、偏斜和波动，甚至可能导致铝电解槽不能正常生产。
因此，在设计高效能的大型铝电解槽时，必须考虑削弱和控制槽内磁场和电流相互作用所产生的电磁力，使母线配置与槽内磁场各分量呈一定规律分布，而且将其绝对值降到限定的数值范围。
这样在设计大型铝电解槽时，才能准确计算槽内磁场。
对于电解槽的磁场计算而言，其分布为不规则形状，再加上其上部结构、槽壳、摇篮架以及钢构厂房等铁磁物质的存在，使得我们很难精确计算，而不得不进行大量的简化，有些因素(特别是铁磁物质)的影响难以全面考虑，因而存在一定的计算误差。
对于铝电解槽槽内磁场而言，产生这部分磁场的主要原因有：1)槽周载流母线在槽内产生的磁场；2)槽内导体产生的磁场；3)铁磁物质的影响；4)相邻及左右列槽在本槽内产生的磁场(通常情况下，由于钢构厂房远离计算场点而被忽略)。
我院在20世纪80年代初期即与华中工学院合作，对铝电解槽磁场分布进行研究，采用毕奥一沙伐定律，用等效线电流数学模型编制铝电解槽磁场计算软件，并在工程中进行了广泛的应用。
20世纪90年代末期，我院又与华中科技大学再度进行合作，采用有限元方法计算铝电解槽磁场分布。
本文就上述两种计算方法进行简要描述，并对其计算结果进行了比较。
2 毕奥-沙伐定律计算模型计算电解槽磁场的模型有等效线电流数学模型、等效圆柱母线数学模型和等效矩形母线数学模型。
作者曾对上述几种模型在计算电解槽磁场分布时的误差作过专门分析[1,2]，为了便于计算以及实际应用，我们采用了等效线电流数学模型，其原理如图1所示。
图1: 等效线电流数学模型把矩形母线电流用集中在母线的S 轴线上的等效线电流来代替，设AB 间有电流通过，如图1所示，电流按线性变化，沿S 轴流动，线电流βα+=S I ，其中α、β为任意常数，A 、B 两点间的坐标分别为S 1、S 2，场点P 的磁感应强度矢量为⎰⨯⋅=212004S S r r s d I B ρρρρπμ（1） 其数值为ds rS ds r I B S S S S ⎰⎰+==21202120sin )(4sin 4θβαπμθπμ 若令ϕcos /a r =，ϕatg S =，则：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+++-+-=)()11(4221122222212220αααβαπμS S S S a S a S a B （2）设通过A 、B 两端点的电流分别为I 1和I 2，即:11|I I S S ==，11I S =+βα； 22|I I S S ==，22I S =+βα求解得：2121S S I I --=α，121221S S S I S I --=β将α、β值代入式(2)，即可由S 1、S 2、I 1、I 2、α确定此线电流在场点P产生的磁感应强度B 的大小，再利用0r s d ρρ⨯的方向余弦，可求出P 点磁感应强度的三个分量Bx 、By 、Bz 。
1)槽周母线电流产生的磁场将槽周母线电流用集中在母线的中心轴线上的等效线电流束代替，对每一根母线产生的磁场均按式(2)进行计算，然后再进行叠加。
2)槽内电流产生的磁场为了计算槽内熔体电流产生的磁场，需要把铝电解槽熔体分割为若干块矩形载流导体，其电流用集中在轴线上的线电流来代替，并用式(2)进行计算。
由于某些计算场点在等效圆柱导体内，应用(2)式计算时，场点与轴线越接近磁感应强度就越大，而实际上磁场随场点接近轴线应越来越小，因而由此引起的误差较大。
为了提高磁场计算精度，采用等效线电流数学模型时，应注意熔体电流分割方式，使计算场点落在分割出的矩形熔体角点或边界上。
3)铁磁物质的影响我们曾经在大电流试验室中，通过测量有、无模拟电解槽情况下磁场的数值来确定在钢结构影响下的磁场的衰减因子与变形系数。
由于很难真实的模拟现场情况以确定衰减因子与变形系数，故试验结果没有很大的实用价值，因而在实际计算过程中未能考虑铁磁物质的影响。
4)相邻槽及左、右列槽的影响与计算本槽磁场分布类似，通过一定方式的变换，来计算相邻及左右列槽电流对计算场点的影响。
3 有限元法计算有限元法是一种偏微分计算方法，在处理边界条件复杂、材质种类较多及含有非线性条件的问题方面，具有积分方法无法比拟的优势，非常适用于铝电解槽的电磁场计算[3]。
由于磁场问题可以用泊松方程(有电流区域)和拉普拉斯方程(无电流区域)来描述。
如对于一个任意三维磁场，其磁位U m (可以是标量磁位位，也可以是矢量磁位A )通常应满足如下的泊松方程和边值条件：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂=-=∇0|)(|),,(2012S S m m nUmp f U z y x f U（3）在式中第二项为第一类边界条件，第三项为第二类边界条件，当扒f(x ,y, z)为0时，方程变为拉普拉斯方程。
产生铝电解槽内磁场的主要因素，曾在前言中进行过描述，可以采用变量分离的办法，即每次只考虑一个因素的影响，而将其他因素暂不考虑，将各因素在铝液内形成的磁场逐一计算，并叠加其结果，便可得到磁场的实际分布。
计算方式分别如下。
1)槽周母线电流产生的磁场由于我们关心的是铝液内的磁场分布，对于这一位置来说，旋度源(母线电流)在区域之外。
故可以用标量磁位m ϕ作为变量来分析，其分布满足拉普拉斯方程：2=∇m ϕ（4）2)槽内电流产生的磁场由于铝液本身也是导体，从理论上说，全部槽电流应穿过铝液层，即区域内有旋度源存在。
因而，不能用标量磁位来分析，而必须改用矢量磁位A ρ，其分布满足泊松方程：JA ρρμ-=∇2（5）这里μ为磁导率，J 为电流体密度。
矢量磁位A ρ在x ，y ，z 方向上的分量分别满足：x x J A μ-=∇2，y y J A μ-=∇2，z z J A μ-=∇2 （6）式中Jx ，Jy ，Jz ，分别是载体电流密度在x ，y ，z 方向上的分量。
3)铁磁物质的影响铁磁物质对铝电解槽内磁场的影响，如不考虑相邻及左右列槽，则电解槽内的磁场强度 H 可表示为：mc H H H ρρρ+=（7）式中H c 为槽内外各传导电流产生的磁场，而H m 则是被磁化的铁磁物质产生的磁场。
在进行有限元法计算时，不需要单独计算铁磁物质产生的磁场，而只要将其设为边界条件即可。
如果在采用标量法计算外部母线电流产生的磁场时，对于铁磁物质与空气的交界面上，标量磁位为定值：m m ϕϕ=（8）这种情形属于第一类边界条件。
而如果在计算槽内熔体电流磁场时，则在铁磁物质表面上的矢量磁位满足：0=∂∂nA ρ（9）这种情形属于第二类边界条件。
在设定好边界条件之后，用有限元法计算传导电流产生的磁场时，可以自动考虑铁磁物质的作用。
4)相邻及左右列槽的影响与计算槽周母线产生的磁场类似，也是用标量磁位作为变量进行分析。
将上述各项计算结果进行矢量叠加，便可得出总的磁场分布。
4 计算结果的比较以我院设计的230KA 电解槽为例，第一种方法是将流经电解槽的所有电流均用线电流进行等效，并用毕奥一沙伐定律求解磁场分布；第二种方法则采用有限元方法，将电解槽的结构适当简化，对泊松方程、或拉普拉斯方程求解后，进行叠加，求解槽内磁场分布。
我们将上述二项计算结果以及计算点的测量结果同时列于表1中并绘制了图2~4。
表1 计算值与实测值的 比较(测量点位于槽的进电端，即A 侧)序号坐标测量值/10-4T毕一沙定律计算值有限元法计算值X Y Z BxBy Bz Bx1 By1 Bz1 Bx2 By2 Bz2 1 -5.6 -1.6 2.8 -50.30-6.523 -26.446 -56.11 -20.754 -10.121 -66.567 -5.389 -17.113 2 -4.2 -1.6 2.8 -140.63 -14.498 -16.931 -167.80 -19.749 -5.23-115.711 -5.201 -27.525 3-2.-1.2.-137.4-3.691-6.797 -157.5-17.80-2.326 -135.32-6.48-16.318 6 8 4 2 4 2 5 14 -1.4 -1.62.8-153.877·311 -8.225 -183.13-11.324-3.949 -137.608-1.295-9.6915 0 -1.6 2.8-145.056.78 -1.414 -161.99-4.09 -0.02 -145.308·148 -6.1896 1.4 -1.6 2.8-154.4615.955 5.326 -181.645·735 -2.6 -126.07514.091-0.3317 2.8 -1.6 2.8-143.4424.469 13.841 -162.4213.148 -0.467 -126.7639.557 10.5738 4.2 -1.6 2.8-137.3321.608 20.518 -171.9615.185 2.304 -113.5284.266 29.3039 5.6, -1.62.8-42.23 26.969 24.107 -63.29 16.430 4.446 -72.861 7.621 30.409两种算法的样本方差比较见表2。
1)从表1和图2~4中可以看出，由于现场情况的复杂性，无论采用哪种方式进行计算，其计算值与实测值之间的偏差总是存在的；2)表2列出了计算值与实测值之间的分散程度，采用有限元法计算明显提高了计算结果的精确度，特别是对于垂直磁场的计算更为突出。
图2: 两种计算结果与实测值的比较(Bx分量)图3: 两种计算结果与实测值的比较(By分量)图4: 两种计算结果与实测值的比较(Bz分量)表2 : 两种算法的样本方差比较（样本方差∑=-=Niix xN12) (1）毕一沙定律计算值的样本方差有限元法计算值的样本方差Bx1 By1 Bz1 Bx2 By2 Bz223.71 11.92 12.60 20.39 10.92 7.265 结论由于考虑了铁磁物质的影响，使用有限元法对铝电解槽磁场进行计算要比采用等效线电流计算的结果更为接近实际值。
但由于现场情况的复杂性，无论采用哪种方法进行计算，要使磁场计算结果与实测值完全吻合是非常难的。
因此，这就需要我们在今后的工作中努力钻研，使我们的分析计算更加准确、可靠。