北方工业大学 硕士研究生学位论文 UNIVERS 300KA大型预焙铝电解槽 电热场的计算分析 学生姓名 王沙沙 学 2013312110128 学科(专业学位) 控制科学与工程 研究方向冶金过程检测与控制 师 曾水平 2016年5月10日
北方工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名:王 日期:2016年月o日 学位论文使用授权书 学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留和使用学位论文的规定, 即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北方工业大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许学位 论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文(保密的学位论文在解密 后适用于本授权书)。 口保密论文注释:经本人申请,学校批准,木学位论文定为保密论文,密 期限:年,自年月日起至年月日 止,解密后适用本授权书。 M非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书 本人签名:王日期:206年明月日 导师签名:n1y 日期:26/6,(、/0
300KA大型预焙铝电解槽电热场的计算分析 摘要 在现代铝生产过程中,生产铝的主要设备一一铝电解槽,其中存在着多种物 理场,包括电场、热场、磁场、应力场、流场等。在这些物理场中每一个物理场 都不是相互独立的,而是相互影响的,每一种物理场都会对其他的几种物理场产 生或大或小的影响,关系非常复杂。在这些物理场中,电场和热场是其他物理场 的基础,所以电热场的某些参数值会对铝生产带来一定的影响,具体的影响主要 包括水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度,进而就 会影响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。在电热场 的研究中,直接对某些参数进行测量难度大、工作量也大,而且只能测量槽体某 些关键部位。本课题采用数值仿真的方法对铝电解槽的电热场进行了计算机仿真, 从而达到优化生产指标的目的。 本课题利用有限元分析软件 COMSOL Multiphysics,根据某设计院铝电解槽 的设计图纸以及它的结构和物理参数建立了铝电解槽的电热场数学物理模型。而 且在计算仿真时,本课题会按照槽体长轴和短轴将槽体切开,取整个槽体的四分 之一进行计算仿真。在将铝电解槽的电热场看做稳态场的前提下,对电热场进行 数学计算时,耦合计算导电的拉普拉斯方程和有内热源的导热泊松方程。 本课题首先仿真计算了稳定生产情况下铝电解槽的电压分布和温度分布,并 分析讨论其分布的合理性。然后计算了改变阳极保温材料的厚度和铝电解槽换极 工艺两种情况下,电解槽温度场的变化情况。当阳极保温材料厚度由160mm降 为4mm时,计算出电解槽最髙温度基本保持不变,最低温度从128℃下降到79℃; 本文还计算了更换阳极时新阳极的温度对铝电解槽的影响,计算结果表明新加入 的阳极的温度越髙,槽体最低温度越高,新阳极周围的温度也会随着升高。本课 题瞬态计算了更换的新阳极的温度变化情况,计算结果表明通过热传递的方式阳 极被慢慢加热。通过这些计算能够为铝生产提供指导。 关键词:铝电解槽,电热场, COMSOL Multiphysics
I 300KA 大型预焙铝电解槽电热场的计算分析 摘 要 在现代铝生产过程中，生产铝的主要设备——铝电解槽，其中存在着多种物 理场，包括电场、热场、磁场、应力场、流场等。在这些物理场中每一个物理场 都不是相互独立的，而是相互影响的，每一种物理场都会对其他的几种物理场产 生或大或小的影响，关系非常复杂。在这些物理场中，电场和热场是其他物理场 的基础，所以电热场的某些参数值会对铝生产带来一定的影响，具体的影响主要 包括水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度，进而就 会影响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。在电热场 的研究中，直接对某些参数进行测量难度大、工作量也大，而且只能测量槽体某 些关键部位。本课题采用数值仿真的方法对铝电解槽的电热场进行了计算机仿真， 从而达到优化生产指标的目的。 本课题利用有限元分析软件 COMSOL Multiphysics，根据某设计院铝电解槽 的设计图纸以及它的结构和物理参数建立了铝电解槽的电热场数学物理模型。而 且在计算仿真时，本课题会按照槽体长轴和短轴将槽体切开，取整个槽体的四分 之一进行计算仿真。在将铝电解槽的电热场看做稳态场的前提下，对电热场进行 数学计算时，耦合计算导电的拉普拉斯方程和有内热源的导热泊松方程。 本课题首先仿真计算了稳定生产情况下铝电解槽的电压分布和温度分布，并 分析讨论其分布的合理性。然后计算了改变阳极保温材料的厚度和铝电解槽换极 工艺两种情况下，电解槽温度场的变化情况。当阳极保温材料厚度由 160mm 降 为40mm时，计算出电解槽最高温度基本保持不变，最低温度从128℃下降到79℃； 本文还计算了更换阳极时新阳极的温度对铝电解槽的影响，计算结果表明新加入 的阳极的温度越高，槽体最低温度越高，新阳极周围的温度也会随着升高。本课 题瞬态计算了更换的新阳极的温度变化情况，计算结果表明通过热传递的方式阳 极被慢慢加热。通过这些计算能够为铝生产提供指导。 关键词：铝电解槽，电热场，COMSOL Multiphysics
Calculation of thermal-Electric field in 300Ka Prebaked anode Aluminum reduction cell Abstract In the modern production of aluminum industry, aluminum reduction cell is the main equipment. There are a few kinds of physical fields in the cell, including electric field. thermalfield. magnetic field. stress field. flow field and so on. each of these physical fields is not independent of each other, but interactional. Each physical field will have a large or small effect on other physical fields and the relationship is very complex. The thermal-electric field is the basis of other physical fields, and it has a direct impact on aluminum production, including horizontal current, thermal-electric balance, groove chamber shape, aluminum liquid inter face, and then it will have impact on current efficiency, power consumption per ton aluminum, life of the cell and the other economic and technical index In the study of thermal-electric field direct measurement of some parameters is difficult and needs huge work and only some key arts can be measured. In this paper, numerical simulation method is used to simulate the thermal-electric field to realize the optimization production In this paper, the thermal-electric model is established based on the cell data of a 300 KA large pre-baked anode aluminum reduction cell using FEM Analysis Software of COMSOL Multiphysics. And in the simulation, take the whole 1/4 cell cutting along long and short axis symmetrical surface as the research object. The thermal-electric field of aluminum reduction cell will be counted a steady-state field andsolve coupling Laplace equation and Poisson equation In this paper, the voltage distribution and temperature distribution of the aluminum reduction cell are calculated in the stable production process of the cell and discuss its rationality. Then the thermal field of the cell is calculated according to replacing the anode and changing the thickness of insulating material of anode. When the thickness of insulation material is reduced from 160mm to 40mm the maximum temperature of the cell remained unchanged and the lowest temperature decreased from 128 to 79degrees Celsius. Effect of temperature of new anode on the cell shows
II Calculation of Thermal-Electric Field in 300KA Prebaked Anode Aluminum Reduction Cell Abstract In the modern production of aluminum industry,aluminum reduction cell is the main equipment.There are a few kinds of physical fields in the cell, including electric field, thermalfield, magnetic field, stress field, flow field and so on.Each of these physical fields is not independent of each other, but interactional. Each physical field will have a large or small effect on other physical fields and the relationship is very complex. The thermal-electric field is the basis of other physical fields, and it has a direct impact on aluminum production, including horizontal current, thermal-electric balance,groove chamber shape, aluminum liquid interface,and then it will have impact on current efficiency,power consumption per ton aluminum, life of the cell and the other economic and technical index.In the study of thermal-electric field, direct measurement of some parameters is difficult and needs huge work and only some key parts can be measured. In this paper,numerical simulation method is used to simulate the thermal-electric field to realize the optimization production. In this paper, the thermal-electric model is established based on the cell data of a 300 KA large pre-baked anode aluminum reduction cell using FEM Analysis Software of COMSOL Multiphysics. And in the simulation, take the whole 1/4 cell cutting along long and short axis symmetrical surface as the research object.The thermal-electric field of aluminum reduction cell will be counted a steady-state field andsolve coupling Laplace equation and Poisson equation. In this paper, the voltage distribution and temperature distribution of the aluminum reduction cell are calculated in the stable production process of the cell and discuss its rationality. Then the thermal field of the cell is calculated according to replacing the anode and changing the thickness of insulating material of anode. When the thickness of insulation material is reduced from 160mm to 40mm,the maximum temperature of the cell remained unchanged and the lowest temperature decreased from 128 to 79degrees Celsius. Effect of temperature of new anode on the cell shows
that if the temperature of new anode is higher, the minimum temperature of the cell and the ambient temperature is much higher. Then the change of temperature of new anode is calculated transiently. The result shows that the anode is heated through heat transportation. All the results will provide guidelines for aluminum production Key Words: aluminum reduction cell, thermal-electric field, COMSOL Multiphysics
III that if the temperature of new anode is higher, the minimum temperature of the cell and the ambient temperature is much higher. Then the change of temperature of new anode is calculated transiently. The result shows that the anode is heated through heat transportation. All the results will provide guidelines for aluminum production. Key Words: aluminum reduction cell,thermal-electric field,COMSOL Multiphysics
目录 摘要 Abstract. 第一章绪论…..,,,,,,,…,… 1.1铝电解工业简介… 12铝电解槽电热场的研究… 121研究电热场的方法 122边界条件简介 245 1.3本课题主要研究内容和方案 13.1本课题的主要研究内容 132本课题的主要研究方案… 14本章小结 第二章铝电解槽电热场物理数学模型 5566 2.1建立铝电解槽物理模型 22建立铝电解槽数学模型. 23 COMSOL Multiphysics在电热场耦合计算中的应用 24本章小结 第三章 COMSOL Multiphysics建模过程 3.1铝电解槽物理建模过程 3.1.1定义铝电解槽的模型 3.1,2建立铝电解槽的几何模型 8899999 3.1.3选择模型各部分对应的材料 3.14设定电场和热场 3.1.5网格剖分 3.1.6求解计算模型 3.1.7后处理和结果的可视化
目 录 摘 要..................................................................................................... I Abstract............................................................................................... II 第一章 绪论......................................................................................... 1 1.1 铝电解工业简介....................................................................................................1 1.2 铝电解槽电热场的研究....................................................................................... 1 1.2.1 研究电热场的方法..................................................................................... 2 1.2.2 边界条件简介..............................................................................................4 1.3 本课题主要研究内容和方案...............................................................................5 1.3.1 本课题的主要研究内容.............................................................................5 1.3.2 本课题的主要研究方案.............................................................................5 1.4 本章小结.................................................................................................................5 第二章 铝电解槽电热场物理数学模型.............................................. 6 2.1 建立铝电解槽物理模型....................................................................................... 6 2.2 建立铝电解槽数学模型....................................................................................... 7 2.3 COMSOL Multiphysics 在电热场耦合计算中的应用.....................................8 2.4 本章小结.................................................................................................................8 第三章 COMSOL Multiphysics 建模过程........................................... 9 3.1 铝电解槽物理建模过程....................................................................................... 9 3.1.1 定义铝电解槽的模型.................................................................................9 3.1.2 建立铝电解槽的几何模型.........................................................................9 3.1.3 选择模型各部分对应的材料.................................................................... 9 3.1.4 设定电场和热场....................................................................................... 10 3.1.5 网格剖分....................................................................................................13 3.1.6 求解计算模型........................................................................................... 13 3.1.7 后处理和结果的可视化...........................................................................14
3.2结果分析和讨论… 3.3本章小结 第四章覆盖料厚度对铝电解槽温度场的影响… r79 41计算过程和结果 42结果分析和讨论 43本章小结 第五章更换阳极工艺对槽体温度场的影响 51不同温度的新阳极对槽体温度的影响 51.1计算过程和结果 51.2结果分析和讨论 52换极后新阳极温度的变化 5.21计算过程和结果 522结果分析和讨论… 53本章小结 40 第六章结论.,,… 参考文献 在学校期间研究成果 致谢
3.2 结果分析和讨论..................................................................................................17 3.3 本章小结.............................................................................................................. 17 第四章 覆盖料厚度对铝电解槽温度场的影响.................................19 4.1 计算过程和结果..................................................................................................19 4.2 结果分析和讨论..................................................................................................21 4.3 本章小结.............................................................................................................. 23 第五章 更换阳极工艺对槽体温度场的影响.....................................24 5.1 不同温度的新阳极对槽体温度的影响............................................................24 5.1.1 计算过程和结果...................................................................................... 24 5.1.2 结果分析和讨论...................................................................................... 28 5.2 换极后新阳极温度的变化.................................................................................30 5.2.1 计算过程和结果...................................................................................... 30 5.2.2 结果分析和讨论....................................................................................... 38 5.3 本章小结.............................................................................................................. 40 第六章 结论....................................................................................... 41 参考文献............................................................................................... 43 在学校期间研究成果............................................................................46 致谢....................................................................................................... 47
北方工业大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 11铝电解工业简介 铝在自然界的分布极广,除了用作导电、导热的材料外,还在交通运输业 航空工业、冶金工业以及农业上具有非常重要的应用。由于氧化铝中氧和铝非常 难分离,目前工业上采用冰晶石一氧化铝熔盐电解法电解铝。 现代铝工业除了从铝土矿生产原铝之外,还有从低品位铝矿用电热还原法生 产铝一硅一铁钛合金。 铝电解槽中发生多个化学反应,包括冰晶石解离、氧化铝溶解、阳极反应和 阴极反应,这些反应的总和可以表示为下列化学反应式 2A10,+3C==4A/+3C0 (1-1) 铝电解的总反应是将氧化铝还原出铝,同时炭阳极与氧结合生成二氧化碳。 12铝电解槽电热场的研究 在铝电解时,会给电解槽通入300KA(或者其他数值)的直流电,在实际 生产中,电解槽都会保持良好的热平衡,槽体的电压和温度的分布都会在合理的 范围内,这将促使形成良好的槽帮、减少铝液波动、提髙电流效率、增长槽体寿 命等。通入电解槽的直流电由铝导杆导入,依次流过钢爪、阳极炭块、熔融电解 质、铝液、阴极炭块,由阴极钢棒流出输送给另一台电解槽。通入强大直流电 的电解槽部分结构都会因为电产生热,而且在铝电解质部分产生的热量极高,这 是因为电解质的电导率很低,所以电解质升温可以供给化学反应所需的热量,由 耐火砖、保温砖等组成的槽体底部可以起到保温的作用,而电解槽的上部和侧部 可以起到散热的作用⑤。 铝电解槽中电场和热场都会对铝生产带来一定的影响,具体的影响主要包括 水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度,进而就会影 响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。合理的电热场 分布和槽内衬设计会使槽体达到良好的电热平衡,铝液波动减小,得到规整的槽 膛内形,同时提高电流的效率,降低消耗的电能,并且达到增加槽寿命的目的 通过对电热场的计算仿真,可以在较短时间内轻松得到适合的内衬结构参数,从
北方工业大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 铝电解工业简介 铝在自然界的分布极广，除了用作导电、导热的材料外，还在交通运输业、 航空工业、冶金工业以及农业上具有非常重要的应用。由于氧化铝中氧和铝非常 难分离，目前工业上采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法电解铝 [1]。 现代铝工业除了从铝土矿生产原铝之外，还有从低品位铝矿用电热还原法生 产铝—硅—铁钛合金。 铝电解槽中发生多个化学反应，包括冰晶石解离、氧化铝溶解、阳极反应和 阴极反应，这些反应的总和可以表示为下列化学反应式[2]： 2 3 2 2Al O 3C 4Al 3CO (1-1) 铝电解的总反应是将氧化铝还原出铝，同时炭阳极与氧结合生成二氧化碳 [3]。 1.2 铝电解槽电热场的研究 在铝电解时，会给电解槽通入 300KA（或者其他数值）的直流电，在实际 生产中，电解槽都会保持良好的热平衡，槽体的电压和温度的分布都会在合理的 范围内，这将促使形成良好的槽帮、减少铝液波动、提高电流效率、增长槽体寿 命等。通入电解槽的直流电由铝导杆导入，依次流过钢爪、阳极炭块、熔融电解 质、铝液、阴极炭块，由阴极钢棒流出输送给另一台电解槽 [4]。通入强大直流电 的电解槽部分结构都会因为电产生热，而且在铝电解质部分产生的热量极高，这 是因为电解质的电导率很低，所以电解质升温可以供给化学反应所需的热量，由 耐火砖、保温砖等组成的槽体底部可以起到保温的作用，而电解槽的上部和侧部 可以起到散热的作用 [5][6]。 铝电解槽中电场和热场都会对铝生产带来一定的影响，具体的影响主要包括 水平电流的大小、槽体电热平衡、槽膛伸腿长度、铝液界面平稳度，进而就会影 响电流的效率、能耗多少、槽体部分结构的寿命等经济技术指标。合理的电热场 分布和槽内衬设计会使槽体达到良好的电热平衡，铝液波动减小，得到规整的槽 膛内形，同时提高电流的效率，降低消耗的电能，并且达到增加槽寿命的目的 [8]。 通过对电热场的计算仿真，可以在较短时间内轻松得到适合的内衬结构参数，从
北方工业大学硕士研究生学位论文 而得到经济技术指标良好的电解槽。 对铝电解槽的电热场仿真首先得确定槽体的结构参数,比如槽体的形状、阳 极和阴极炭块的大小及数量、侧部内衬和底部内衬的结构等等;然后得确定槽体 的工艺参数,比如通入电解槽的直流电的大小、铝液和电解质的厚度、电解质的 成分和配比、槽体部分的温度等等:最后还得设定槽体各部分材料的属性参数值 和设定电热场的边界条件,最后进行求解计算。在一般的电热场仿真中,会对 以下几种参数进行计算:(1)槽体电场中电流的分布状况、水平电流的大小和槽 体从上到下各部分电压的大小;(2)槽体热场中的温度分布:(3)槽帮的形状、 伸腿的位置:(4)槽体的电热平衡状况:(5)槽壳热流分布及总的热流损失等。 对计算出的这些参数的大小进行分析,通过改变上述的结构、工艺和材料属性等 参数或者是改变边界条件,从而改变槽体电压和电流的分布状况、等温线分布 槽帮形状等等,直到达到较好的结果,得到稳定生产铝的电解槽。 121研究电热场的方法 铝电解槽硏究电热场的方法主要有数值仿真法、经验公式法、直接测试法。 (1)数值仿真法 铝电解槽中存在着多种物理场,包括电场、热场、磁场、应力场、流场等。 在这些物理场中每一个物理场都不是相互独立的,而是相互影响的,每一种物理 场都会对其他的几种物理场产生或大或小的影响,关系非常复杂m。电解槽中 物理场的综合作用会对电解槽的电流效率和其他技术经济指标产生很大影响。虽 然铝电解槽中存在着各种物理场,但是可以根据它们的相关程度划分为两大部分, 一个是电热-应力场,另一个是电-磁-流场。目前,研究物理场的最实用的方 法就是数值仿真法。而硏究槽体电热场的数值仿真方法分为静态数值仿真和动态 数值仿真两种方法。其中,静态数值仿真是指在给定的工艺参数和物理结构下, 建立相应的物理模型和对应的电热场的边界条件,利用计算机的仿真软件对电解 槽中电热场分布(电压和温度)、槽体的热平衡进行求解计算。但是铝电解槽的 高温熔盐电解反应特别复杂,它的运行受到非常多的共同的作用,从而导致了槽 体工作状态的变化。这种恶劣的槽况会导致电解过程中的电流效率降低、能耗上 升、槽寿命减少等等情况m。然而在静态模型中难以求解每个工艺参数对槽体 运行状况的影响,这是因为稳态的电热场是不存在的,在实际生产中电解槽都是 围绕着某个稳定的状态进行了小幅度波动。动态仿真则是将动态的数据(通过实 时监测得到的数据)输入计算机,进行计算并分析得出结果,从而能够实现在线 监测电解槽的工作状态和指导实际生产。而且动态数值仿真方法和自动控制系统
北方工业大学硕士研究生学位论文 2 而得到经济技术指标良好的电解槽[9]。 对铝电解槽的电热场仿真首先得确定槽体的结构参数，比如槽体的形状、阳 极和阴极炭块的大小及数量、侧部内衬和底部内衬的结构等等；然后得确定槽体 的工艺参数，比如通入电解槽的直流电的大小、铝液和电解质的厚度、电解质的 成分和配比、槽体部分的温度等等；最后还得设定槽体各部分材料的属性参数值 和设定电热场的边界条件，最后进行求解计算 [10]。在一般的电热场仿真中，会对 以下几种参数进行计算：（1）槽体电场中电流的分布状况、水平电流的大小和槽 体从上到下各部分电压的大小；（2）槽体热场中的温度分布；（3）槽帮的形状、 伸腿的位置；（4）槽体的电热平衡状况；（5）槽壳热流分布及总的热流损失等 [11]。 对计算出的这些参数的大小进行分析，通过改变上述的结构、工艺和材料属性等 参数或者是改变边界条件，从而改变槽体电压和电流的分布状况、等温线分布、 槽帮形状等等，直到达到较好的结果，得到稳定生产铝的电解槽。 1.2.1 研究电热场的方法 铝电解槽研究电热场的方法主要有数值仿真法、经验公式法、直接测试法。 (1)数值仿真法 铝电解槽中存在着多种物理场，包括电场、热场、磁场、应力场、流场等[12]。 在这些物理场中每一个物理场都不是相互独立的，而是相互影响的，每一种物理 场都会对其他的几种物理场产生或大或小的影响，关系非常复杂 [13][14]。电解槽中 物理场的综合作用会对电解槽的电流效率和其他技术经济指标产生很大影响。虽 然铝电解槽中存在着各种物理场，但是可以根据它们的相关程度划分为两大部分， 一个是电-热-应力场，另一个是电-磁-流场 [15]。目前，研究物理场的最实用的方 法就是数值仿真法。而研究槽体电热场的数值仿真方法分为静态数值仿真和动态 数值仿真两种方法。其中，静态数值仿真是指在给定的工艺参数和物理结构下， 建立相应的物理模型和对应的电热场的边界条件，利用计算机的仿真软件对电解 槽中电热场分布（电压和温度）、槽体的热平衡进行求解计算。但是铝电解槽的 高温熔盐电解反应特别复杂，它的运行受到非常多的共同的作用，从而导致了槽 体工作状态的变化。这种恶劣的槽况会导致电解过程中的电流效率降低、能耗上 升、槽寿命减少等等情况 [16][17]。然而在静态模型中难以求解每个工艺参数对槽体 运行状况的影响，这是因为稳态的电热场是不存在的，在实际生产中电解槽都是 围绕着某个稳定的状态进行了小幅度波动。动态仿真则是将动态的数据（通过实 时监测得到的数据）输入计算机，进行计算并分析得出结果，从而能够实现在线 监测电解槽的工作状态和指导实际生产。而且动态数值仿真方法和自动控制系统
北方工业大学硕士研究生学位论文 如果结合利用,就可以实现槽体的在线监控。对于影响铝生产的三大因素槽体温 度、电流效率和槽膛内形这些参数到现在为止都没有经济和技术上的可行在线检 测的方法,所以检测这三大指标就成了以后电解槽动态仿真的重要任务。 (2)经验公式法 经验公式法是指理论获得的某些数据、通过测试得到的数据和记录进行经验 总结,这样就形成了某些经验公式,从而获得一些用于生产的数据方法。下面就 举个运用经验公式法的例子。由经验可知,槽帮的厚度、伸腿长度往往和此位置 的槽壳外表的温度存在着某种特定的关系,所以就可以通过测量槽帮厚度、伸腿 长度在槽体某些位置的数据,同时测量这些位置对应的槽壳外表的温度,通过这 些测得的数据,找出它们之间存在的经验公式,这样在以后测得槽壳外表的温度 之后就可以根据经验公式计算出槽壳外表的温度了。研究槽体热流分布的状况, 可以知道,在槽帮的最薄的地方,热流的方向是近似垂直于槽壳厚度方向的,所 以我们可以把这部分的传热看作是一维热处理,槽帮的厚度和槽壳外表温度之间 存在着某种对应的关系公式,这样利用经验公式就可以某种程度上满足需求。经 验公式法得到了比较广泛的应用,是因为它具有便捷的计算过程,但是对于在某 一台和某种特定的情况下得出的经验公式来说,它并不一定适合其他状况或者其 他的电解槽。因为不同电解槽的工艺条件可能相差比较大或者是同一台电解槽随 着时间的变换使得它的材质发生了一定的形变。这时候使用经验公式就会得出不 准确的结论,必须重新总结经验公式或对其进行校正。除此之外,计算机辅助测 量来确定槽膛内形的方法、利用出铝数据和极距估算槽帮的厚度的方法也得到了 应用。 (3)直接测试法 直接测试法,是对铝电解槽进行直接测试,然后用测得的数据对铝电解槽的 电热场进行分析总结,得出一些结论。在测试的过程中需要运用一些测量工具, 而且由于恶劣的生产环境,测量的难度相当大,工作量也很大。也是因为直接测 量的这种局限性,导致不能测槽体所有的位置、所有的数据参数。只能测量槽体 的某些具有代表性的槽体位置和具有代表性的参数,所以对铝电解槽的研究用直 接测试法不能掌握槽体的整体全面的数据进行分析。在实际的测量中,铝厂只是 针对有限数量的电解槽的电热场参数进行测量。针对一台电解槽测得的数据分析 所得的结论不能应用在另一台电解槽上,因为每台电解槽所处的状态是有很大差 异的。在测量数据之前都要移走阳极炭块上方的槽罩、氧化铝结壳也要被破坏掉, 导致电解质裸露在空气中,这样会使槽体自身散失大量的热量,使本来处在热平 衡状态的电解槽变得不平衡了,直接影响了槽体的温度,这样测得的数据就不够
北方工业大学硕士研究生学位论文 3 如果结合利用，就可以实现槽体的在线监控。对于影响铝生产的三大因素槽体温 度、电流效率和槽膛内形这些参数到现在为止都没有经济和技术上的可行在线检 测的方法，所以检测这三大指标就成了以后电解槽动态仿真的重要任务。 (2)经验公式法 经验公式法是指理论获得的某些数据、通过测试得到的数据和记录进行经验 总结，这样就形成了某些经验公式，从而获得一些用于生产的数据方法。下面就 举个运用经验公式法的例子。由经验可知，槽帮的厚度、伸腿长度往往和此位置 的槽壳外表的温度存在着某种特定的关系，所以就可以通过测量槽帮厚度、伸腿 长度在槽体某些位置的数据，同时测量这些位置对应的槽壳外表的温度，通过这 些测得的数据，找出它们之间存在的经验公式，这样在以后测得槽壳外表的温度 之后就可以根据经验公式计算出槽壳外表的温度了 [18]。研究槽体热流分布的状况， 可以知道，在槽帮的最薄的地方，热流的方向是近似垂直于槽壳厚度方向的，所 以我们可以把这部分的传热看作是一维热处理，槽帮的厚度和槽壳外表温度之间 存在着某种对应的关系公式，这样利用经验公式就可以某种程度上满足需求。经 验公式法得到了比较广泛的应用，是因为它具有便捷的计算过程，但是对于在某 一台和某种特定的情况下得出的经验公式来说，它并不一定适合其他状况或者其 他的电解槽。因为不同电解槽的工艺条件可能相差比较大或者是同一台电解槽随 着时间的变换使得它的材质发生了一定的形变。这时候使用经验公式就会得出不 准确的结论，必须重新总结经验公式或对其进行校正。除此之外，计算机辅助测 量来确定槽膛内形的方法、利用出铝数据和极距估算槽帮的厚度的方法也得到了 应用 [19]。 (3)直接测试法 直接测试法，是对铝电解槽进行直接测试，然后用测得的数据对铝电解槽的 电热场进行分析总结，得出一些结论。在测试的过程中需要运用一些测量工具， 而且由于恶劣的生产环境，测量的难度相当大，工作量也很大。也是因为直接测 量的这种局限性，导致不能测槽体所有的位置、所有的数据参数。只能测量槽体 的某些具有代表性的槽体位置和具有代表性的参数，所以对铝电解槽的研究用直 接测试法不能掌握槽体的整体全面的数据进行分析。在实际的测量中，铝厂只是 针对有限数量的电解槽的电热场参数进行测量。针对一台电解槽测得的数据分析 所得的结论不能应用在另一台电解槽上，因为每台电解槽所处的状态是有很大差 异的。在测量数据之前都要移走阳极炭块上方的槽罩、氧化铝结壳也要被破坏掉， 导致电解质裸露在空气中，这样会使槽体自身散失大量的热量，使本来处在热平 衡状态的电解槽变得不平衡了，直接影响了槽体的温度，这样测得的数据就不够