第10卷第9期 有色金属工程 Vol. 10. No 9 2020年9月 Nonferrous Metals engineering September 2020 doi:10.3969/jiss.2095-1744.2020.09.011 铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 李松,石忠宁2,赵志彬 (1.六盘水师范学院化学与村料工程学院,贵州六盘水553000; 2.东北大学冶金学院,沈阳110819 3.沈阳铝镁设计研究院有限公司,沈阳110001) 摘要:铝电解过程阳极气泡的生长机理、运动规律及对电解质运动的影响对电解槽的稳定运行有非常重要的作用。研究铝电 解槽阳极气泡,最重要的是能够直接观察到阳极气泡的生长和运动规律。为了实现电解槽中气泡行为的可视化,目前国内外学者 建立了各种模型来研究电解过程中气泡的特性,其中主要的研究模型为室温水模型、低温电解模型、高温电解模型和数值模拟模 型。对这四种模型的研究现状进行了分析,展望了其发展前景。 关键词:铝电解;阳极气泡;研究进展 中图分类号:TF821文献标志码:A文章编号:2095-1744(2020)09-0066-06 Visual Research Status and development of Bubble Behavior in Aluminum Electrolytic Cell LI Song, shi Zhongning, ZHAO Zhibin (1. School of Chemical and Materials Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553000, China: 2. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819. China 3. Shenyang Aluminum and Magnesium Engineering and Research Institute, Shenyang 110001, China) Abstract: The growth mechanism, movement of anode bubbles and its influence on the electrolyte flow are very mportant for cell stability in aluminum reduction cells. One of the most important aspects in studying anode bubbles is to directly observe and investigate the detailed behavior of anode bubbles. To visualize the behavior of bubbles electrolytic cells and study their characteristics in electrolysis, domestic and foreign scholars have established variety models, such as the room temperature water model, low-temperature electrolysis model, high-temperature electrolysis model, and numerical simulation model. with this background, this paper analyzes the research status and development prospects of the four models above. Key words: aluminum electrolysis; anodic bubble; research progress 收稿日期:2020-01-18 基金项目:贵州省教育厅自然科学项目(黔教合KY字[20171273);六盘水师范学院重点学科项目( LPSSYZDXK201708);六盘水师范学院科 技创新团队项目( LPSSYKJTD201801, LPSSYKJTD201905);六盘水市重点实验室项目(52020-2018-03-04,52020-2019-05-09);六盘水市科技 创新团队项目(52020-2019-05-08) Fund: Supported by the Guizhou Provincial Department of Education Foundation( Qianjiaohe KYZi[2017]273)Project The Key Cultivation Disciplines of Liupanshui Normol University( LPSSYZDXK201708)Project: The Science and Technology Innovation Group of Liupanshui Normol University(LPSSYKJTD201801, LPSSYKJTD201905)Project: The Liupanshui Key Laboratory( 52020-2018-03-04, 52020-2019-05-09) Project: The Science and Technology Innovation Group of Liupanshui (52020-2019-05-08)Project. 作者简介:李松(1988-—),男,硕士,副教授,主要从事熔盐电解研究。 引用格式:李松,石忠宁,赵志彬.铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展[几.有色金属工程,2020,10(9):66-71. LI Song, SHI Zhongning, ZHAO Zhibin. Visual Research Status and Development of Bubble Behavior in Aluminum Electrolytic CellLJ] Nonferrous Me ngineerIng,2020,10(9):66-71
第１０卷 第９期 ２ ０ ２ ０ 年 ９ 月 有色金属工程 ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０２０ 犱狅犻：１０３９６９／犼犻狊狊狀２０９５１７４４２０２００９０１１ 收稿日期：２０２００１１８ 基金项目：贵州省教育厅自然科学项目（黔教合 ＫＹ 字［２０１７］２７３）；六盘水师范学院重点学科项目（ＬＰＳＳＹＺＤＸＫ２０１７０８）；六盘水师范学院科 技创新团队项目（ＬＰＳＳＹＫＪＴＤ２０１８０１，ＬＰＳＳＹＫＪＴＤ２０１９０５）；六盘水市重点实验室项目（５２０２０２０１８０３０４，５２０２０２０１９０５０９）；六盘水市科技 创新团队项目（５２０２０２０１９０５０８） Ｆｕｎｄ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＧｕｉｚｈｏｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ （ＱｉａｎｊｉａｏｈｅＫＹＺｉ［２０１７］２７３）Ｐｒｏｊｅｃｔ；ＴｈｅＫｅｙＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓｏｆＬｉｕｐａｎｓｈｕｉＮｏｒｍｏｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＬＰＳＳＹＺＤＸＫ２０１７０８）Ｐｒｏｊｅｃｔ；ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎ ＧｒｏｕｐｏｆＬｉｕｐａｎｓｈｕｉ ＮｏｒｍｏｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＬＰＳＳＹＫＪＴＤ２０１８０１，ＬＰＳＳＹＫＪＴＤ２０１９０５）Ｐｒｏｊｅｃｔ；ＴｈｅＬｉｕｐａｎｓｈｕｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ（５２０２０２０１８０３０４，５２０２０２０１９０５０９） Ｐｒｏｊｅｃｔ；ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＧｒｏｕｐｏｆＬｉｕｐａｎｓｈｕｉ（５２０２０２０１９０５０８）Ｐｒｏｊｅｃｔ． 作者简介：李 松（１９８８—），男，硕士，副教授，主要从事熔盐电解研究。 引用格式：李 松，石忠宁，赵志彬．铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展［Ｊ］．有色金属工程，２０２０，１０（９）：６６７１． ＬＩＳｏｎｇ，ＳＨＩＺｈｏｎｇｎｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｚｈｉｂｉｎ．ＶｉｓｕａｌＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＢｕｂｂｌｅＢｅｈａｖｉｏｒｉｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＣｅｌｌ［Ｊ］． ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，１０（９）：６６７１． 铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 李 松１，石忠宁２，赵志彬３ （１． 六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 ５５３０００； ２． 东北大学 冶金学院，沈阳 １１０８１９； ３． 沈阳铝镁设计研究院有限公司，沈阳 １１０００１） 摘 要：铝电解过程阳极气泡的生长机理、运动规律及对电解质运动的影响对电解槽的稳定运行有非常重要的作用。研究铝电 解槽阳极气泡，最重要的是能够直接观察到阳极气泡的生长和运动规律。为了实现电解槽中气泡行为的可视化，目前国内外学者 建立了各种模型来研究电解过程中气泡的特性，其中主要的研究模型为室温水模型、低温电解模型、高温电解模型和数值模拟模 型。对这四种模型的研究现状进行了分析，展望了其发展前景。 关键词：铝电解；阳极气泡；研究进展 中图分类号：ＴＦ８２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５１７４４（２０２０）０９００６６０６ 犞犻狊狌犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺犛狋犪狋狌狊犪狀犱犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狅犳犅狌犫犫犾犲犅犲犺犪狏犻狅狉犻狀 犃犾狌犿犻狀狌犿犈犾犲犮狋狉狅犾狔狋犻犮犆犲犾犾 ＬＩＳｏｎｇ１，ＳＨＩＺｈｏｎｇｎｉｎｇ２，ＺＨＡＯＺｈｉｂｉｎ３ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉｕｐａｎｓｈｕｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉｕｐａｎｓｈｕｉ５５３０００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ． ３．ＳｈｅｎｙａｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍａｎｄＭａｇｎｅｓｉｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００１，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆａｎｏｄｅｂｕｂｂｌｅｓａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｆｌｏｗａｒｅｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｃｅｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌｓ．Ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｐｅｃｔｓｉｎｓｔｕｄｙｉｎｇａｎｏｄｅｂｕｂｂｌｅｓ ｉｓｔｏｄｉｒｅｃｔｌｙｏｂｓｅｒｖｅａｎｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎｏｄｅｂｕｂｂｌｅｓ．Ｔｏｖｉｓｕａｌｉｚｅｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｂｕｂｂｌｅｓｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｃｅｌｌｓａｎｄｓｔｕｄｙｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ，ｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｓｃｈｏｌａｒｓｈａｖｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｖａｒｉｅｔｙ ｍｏｄｅｌｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｔｅｒｍｏｄｅｌ，ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ．Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｆｏｕｒｍｏｄｅｌｓａｂｏｖｅ． 犓犲狔狑狅狉犱狊： ａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ；ａｎｏｄｉｃｂｕｂｂｌｅ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ
第9期 李松等:铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 67 阳极气泡行为是近几十年来铝电解工作者的研够直接观察到阳极气泡的生长和运动规律。为了实 究热点之一。在铝电解中,阳极底面发生阳极反应现铝电解槽中气泡行为的可视化,国内外学者建立 生成CO2等气体。阳极气体的产生机理对温室气体了各种模型来观察和研究电解过程中气泡的特性及 主要是CF4和CσF2n+2,其温室潜能分别是CO的δ对电解槽的影响,其中主要的研究模型为室温水模 o00倍和9200倍)的产生排放研究有很大帮助。由型、低温电解模型、高温电解模型和数值模拟模型。 于气泡的导电性差,气泡在阳极底部的产生、长大和本文对这几种模型的研究现状进行了总结分析,并 聚集对槽内电场的分布有很大影响。当气泡完全展望了其发展前景 聚集在阳极底掌形成大气泡层时,此气泡层阻止 了电流的传递,使电压显著提高,增加了能耗。另1室温水模型 方面,气泡运动是推动电解质循环流动的主要 铝工作者们发现室温下水的黏度和表面张力等 驱动力之一,有助于电解槽内氧化铝的传输和热性质与高温电解质相似(见表1),利用相似性质建 量的传递。 立了室温水模型。此种模型实验成本低,观察和测 因此,研究电解槽内阳极气泡的生长机理、运动量方便容易,还可以根据电解槽的实际情况,建立与 规律及对电解质熔体运动的影响对电解槽的稳定运工业级别尺寸相同的槽模型来模拟不同工艺条件和 行有非常重要的作用。研究铝电解槽阳极气泡的方不同操作手段下电解槽内气泡的行为,因此很多学 向之一是要实现阳极气泡行为的可视化,也就是能者利用室温水模型开展了这方面的研究 表1水模型与工业槽物理性质对比 Table 1 Comparison of physical properties between water model and industrial cell ater model Electrolyte Fluoride melt The kinetic viscosity of theelectrolyte/ 1.003×10-2 3.0×10-3 Change by adding an additive, such as butanol) Electrolyte surface te 0.07 Change by adding an additive, such as butanoL) Anode material Porous material Carbon material Carbon monoxide, carbon dioxide, fluorocarbons 1984年 FORTIN等口在TMS上做了关于水对气泡脱离时的气泡体积和上升速度的影响,发现 模型模拟铝电解槽阳极气体行为的报告。他建立了阳极倾斜角度增大可以增大气泡的脱离速度,同时 150kA电解槽的二维全尺寸水模型,通过向多孔介减小气泡脱离时的体积。 SOLHEIM等通过室 质阳极内鼓入压缩空气,模拟阳极气体的产生,用照温水模型研究了气泡引起的电解质循环,发现电解 相机记录气泡行为,并对气泡行为进行了分析,如图质循环速度随气体生成速度增大、阳极倾角增大 1所示。由图1(a)可见,气泡的形成过程共有6个熔体黏度减小而增大。KIsS等[也采用水模型研 阶段,对于水平阳极,小气泡在阳极底面产生,直径究了气泡行为,但是在气泡产生方面,他采用了很 长大到5mm左右开始横向生长,不同的气泡聚集巧妙的方法,加热代表阳极的金属板,在金属板底 成大气泡,最后形成一个完全覆盖阳极底掌的气泡面生成气体,以此模拟电解槽阳极产生气体。研 层,当气泡边缘达到阳极边缘,气泡快速脱离阳极,究发现当阳极尺寸够大时,聚合作用形成的大气 留下空白的阳极表面,开始进行下一个气泡循环。泡并不是完美的圆形;运动中的大气泡同样有 由图1(b)可见,在倾斜阳极上,气泡析出时头部大、个厚厚的头在前面引导,在后面拖着很长的小 尾部较小,这种气泡被称为 Fortin气泡。由图1(c)尾巴 可知,倾斜阳极底面滑移的气泡聚集成几个大气泡, 虽然室温水模型的实验设备简单、成本低、便于 然后依次析出。 观察和测量、应用范围广泛,但是由于气泡产生机理 CHEN等也做了类似的研究,通过摄像机记的不同,根据水模型观察到的气泡行为和工业电解 录气体通过小直径的管子注入阳极底面模拟气体产槽上的存在一些差异,但不可否认的是,室温水模型 生,并研究了阳极倾斜角度、通气管直径、通气速度在气泡引起的流动方面取得了很好的成绩
第９期 李 松等：铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 阳极气泡行为是近几十年来铝电解工作者的研 究热点之一。在铝电解中，阳极底面发生阳极反应 生成ＣＯ２等气体。阳极气体的产生机理对温室气体 （主要是ＣＦ４和Ｃ狀Ｆ２狀＋２，其温室潜能分别是ＣＯ２的６ ０００倍和９２００倍）的产生排放研究有很大帮助。由 于气泡的导电性差，气泡在阳极底部的产生、长大和 聚集对槽内电场的分布有很大影响。当 气 泡 完 全 聚集在阳极 底 掌 形 成 大 气 泡 层 时，此 气 泡 层 阻 止 了电流的传递，使电压显著提高，增加了能耗。另 一方面，气泡 运 动 是 推 动 电 解 质 循 环 流 动 的 主 要 驱动力之一，有 助 于 电 解 槽 内 氧 化 铝 的 传 输 和 热 量的传递。 因此，研究电解槽内阳极气泡的生长机理、运动 规律及对电解质熔体运动的影响对电解槽的稳定运 行有非常重要的作用。研究铝电解槽阳极气泡的方 向之一是要实现阳极气泡行为的可视化，也就是能 够直接观察到阳极气泡的生长和运动规律。为了实 现铝电解槽中气泡行为的可视化，国内外学者建立 了各种模型来观察和研究电解过程中气泡的特性及 对电解槽的影响，其中主要的研究模型为室温水模 型、低温电解模型、高温电解模型和数值模拟模型。 本文对这几种模型的研究现状进行了总结分析，并 展望了其发展前景。 １ 室温水模型 铝工作者们发现室温下水的黏度和表面张力等 性质与高温电解质相似（见表１），利用相似性质建 立了室温水模型。此种模型实验成本低，观察和测 量方便容易，还可以根据电解槽的实际情况，建立与 工业级别尺寸相同的槽模型来模拟不同工艺条件和 不同操作手段下电解槽内气泡的行为，因此很多学 者利用室温水模型开展了这方面的研究。 表１ 水模型与工业槽物理性质对比［１］ 犜犪犫犾犲１ 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狆犺狔狊犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊犫犲狋狑犲犲狀狑犪狋犲狉犿狅犱犲犾犪狀犱犻狀犱狌狊狋狉犻犪犾犮犲犾犾 Ｗａｔｅｒｍｏｄｅｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｗａｔｅｒ Ｆｌｕｏｒｉｄｅｍｅｌｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃ ２５ ９６０ Ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ／ （ｍ２·ｓ－１） １．００３×１０－２ （Ｃｈａｎｇｅｂｙａｄｄｉｎｇａｎａｄｄｉｔｉｖｅ，ｓｕｃｈａｓｂｕｔａｎｏｌ） ３．０×１０－３ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎ／ （Ｎ·ｍ－１） ０．０７２ （Ｃｈａｎｇｅｂｙａｄｄｉｎｇａｎａｄｄｉｔｉｖｅ，ｓｕｃｈａｓｂｕｔａｎｏｌ） ０．１３２ Ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌ Ｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌ Ｇａｓ Ａｉｒ Ｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅ，ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅ，ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ １９８４年 ＦＯＲＴＩＮ 等［２］在 ＴＭＳ上做了关于水 模型模拟铝电解槽阳极气体行为的报告。他建立了 １５０ｋＡ 电解槽的二维全尺寸水模型，通过向多孔介 质阳极内鼓入压缩空气，模拟阳极气体的产生，用照 相机记录气泡行为，并对气泡行为进行了分析，如图 １所示。由图１（ａ）可见，气泡的形成过程共有６个 阶段，对于水平阳极，小气泡在阳极底面产生，直径 长大到５ｍｍ 左右开始横向生长，不同的气泡聚集 成大气泡，最后形成一个完全覆盖阳极底掌的气泡 层，当气泡边缘达到阳极边缘，气泡快速脱离阳极， 留下空白的阳极表面，开始进行下一个气泡循环。 由图１（ｂ）可见，在倾斜阳极上，气泡析出时头部大、 尾部较小，这种气泡被称为 Ｆｏｒｔｉｎ气泡。由图１（ｃ） 可知，倾斜阳极底面滑移的气泡聚集成几个大气泡， 然后依次析出。 ＣＨＥＮ 等［３］也做了类似的研究，通过摄像机记 录气体通过小直径的管子注入阳极底面模拟气体产 生，并研究了阳极倾斜角度、通气管直径、通气速度 对气泡脱离时的气泡体积和上升速度的影响，发现 阳极倾斜角度增大可以增大气泡的脱离速度，同时 减小气泡脱离时的体积。ＳＯＬＨＥＩＭ 等［４５］通过室 温水模型研究了气泡引起的电解质循环，发现电解 质循环速度随气体生成速度增大、阳 极 倾 角 增 大、 熔体黏度减小而增大。ＫＩＳＳ等［６］也采用水模型研 究了气泡行为，但是在气泡产生方面，他采用了很 巧妙的方法，加热代表阳极的金属板，在金属板底 面生成气 体，以 此 模 拟 电 解 槽 阳 极 产 生 气 体。研 究发现当阳 极 尺 寸 够 大 时，聚 合 作 用 形 成 的 大 气 泡并不是完 美 的 圆 形；运 动 中 的 大 气 泡 同 样 有 一 个厚 厚 的 头 在 前 面 引 导，在 后 面 拖 着 很 长 的 小 尾巴。 虽然室温水模型的实验设备简单、成本低、便于 观察和测量、应用范围广泛，但是由于气泡产生机理 的不同，根据水模型观察到的气泡行为和工业电解 槽上的存在一些差异，但不可否认的是，室温水模型 在气泡引起的流动方面取得了很好的成绩。 ６７
68 有色金属工 第10卷 fortin bubble ④ (a)Bubble behavior of horizontal anode 图1阳极底部气泡行为( Fig. 1 Bubble behavior at the bottom of anode] 2低温电解模型 明气泡存在对槽电阻的影响。研究者考察了粒子形 状、大小对电阻增加的影响,发现气泡产生的电阻大 室温水模型可以在宏观层面预测电解质流动,小主要由气泡体积决定。 但在气泡产生、生长、运动等特性方面与真实电解过 目前低温电解模型更多的应用在对电解槽内电 程存在差异。所以,一些学者建立了低温条件下的场的研究上,其气泡产生机理,气液表面张力等性质 电解模型。采用铝电解槽的槽结构,通过电解低温与真实电解槽还有一定差异,其模拟的准确性也存 乃至室温的电解质模拟气泡产生以及对铝电解槽的在一定的缺陷 影响。在电解质选取方面,不同学者有不同选择,电 解质主要集中在NaH溶液、CuSO溶液水和Na(3高温电解模型 熔盐电解。QIAN等以NaOH溶液模拟工业电 研究铝电解槽气泡行为最直观和最有效的方法 解质,研究两种阳极在不同设计(开槽)下的气泡行是直接在电解情况下观察和测量阳极气泡,目前学 为。阳极一种是表面光滑的石墨电极,另一种是铝者在这方面也做了不少工作。研究方法主要有两 电解槽中用过的碳素阳极。实验中用电源连接阴阳种,一是透明槽技术,二是X光照相技术。 极,电解得到气泡。研究发现对于开槽阳极,小气泡 铝工作者很早就开始尝试将铝电解过程可视 很容易在槽底聚集并合并成大气泡,而在未开槽阳化。1975年, HAUPIN等0用装有蓝宝石窗口的 极,气泡形成扁平状气泡囊,气泡静止或者运动速度石墨坩埚进行了透明槽实验,观测到了气泡在阳极 很小。薛玉卿等以CuSO4为电解质,石墨为阳产生的过程。研究发现氧化物(氧化铝或氧化硅)浓 极,通过电解实验模拟工业铝电解中阳极气体的运度降低,气泡的体积会变大,气泡体积随电流密度的 动规律和气泡运动对电解质运动的影响规律。结果增大而增大。但这种方法存在致命缺陷:成本高、实 表明,当阳极严格水平时,气泡会一直长大,直到接验时间短。20世纪80年代,邱竹贤院士发明了低 近阳极底掌边缘然后沿阳极大侧面释放;当阳极倾成本的透明槽口13。此种透明槽是一种以石英为 斜时,大气泡在运动途中合并沿途的小气泡。 电解坩埚的电解可视装置,大大降低了高温透明槽 在碳阳极底部存在较大的气泡甚至出现气泡的成本,利用透明槽可在阳极底部观察到阳极气泡。 层,这些气泡的存在对槽压降影响很大,能增大电GAO等[和WANG等改进了石英坩埚的结 阻,进而增大能耗,这一点引起了很多研究者的兴构,将坩埚分为两个部分:阴极室和阳极室。在两室 趣。 THOMAS等为了研究气泡存在对槽压降的之间有一层石英璧,石英壁的底面有一条2mm的 影响,引非连续的粒孑(空心陶瓷粒子)模拟气泡,小缝隙,为熔盐的导电通道,这样就避免了铝雾扩散 电解质为28%氯化钠和73%氯化铅熔盐。在实验到阳极室影响观测视线。他们用这种透明槽研究了 时把电极插入到电解质,测量没有气泡存在时的电石墨阳极和惰性阳极上的气泡行为。结果发现,在 阻,然后提高电极,向电解质中投入空心陶瓷球,降碳素阳极上气泡聚集成大气泡,然后快速脱离。 低电极,再次测量电阻,若两次测量值不同,即可说2015年该团队继续开发了多角度观测新型高温透
有 色 金 属 工 程 第１０卷 图１ 阳极底部气泡行为［２］ 犉犻犵１ 犅狌犫犫犾犲犫犲犺犪狏犻狅狉犪狋狋犺犲犫狅狋狋狅犿狅犳犪狀狅犱犲［２］ ２ 低温电解模型 室温水模型可以在宏观层面预测电解质流动， 但在气泡产生、生长、运动等特性方面与真实电解过 程存在差异。所以，一些学者建立了低温条件下的 电解模型。采用铝电解槽的槽结构，通过电解低温 乃至室温的电解质模拟气泡产生以及对铝电解槽的 影响。在电解质选取方面，不同学者有不同选择，电 解质主要集中在 ＮａＯＨ 溶液、ＣｕＳＯ４溶液、水和 ＮａＣｌ 熔盐电解。ＱＩＡＮ 等［７］以 ＮａＯＨ 溶液模拟工业电 解质，研究两种阳极在不同设计（开槽）下的气泡行 为。阳极一种是表面光滑的石墨电极，另一种是铝 电解槽中用过的碳素阳极。实验中用电源连接阴阳 极，电解得到气泡。研究发现对于开槽阳极，小气泡 很容易在槽底聚集并合并成大气泡，而在未开槽阳 极，气泡形成扁平状气泡囊，气泡静止或者运动速度 很小。薛 玉 卿 等［８］以 ＣｕＳＯ４ 为 电 解 质，石 墨 为 阳 极，通过电解实验模拟工业铝电解中阳极气体的运 动规律和气泡运动对电解质运动的影响规律。结果 表明，当阳极严格水平时，气泡会一直长大，直到接 近阳极底掌边缘然后沿阳极大侧面释放；当阳极倾 斜时，大气泡在运动途中合并沿途的小气泡。 在碳阳极底部存在较大的气泡甚至出现气泡 层，这些气泡的存在对槽压降影响很大，能增大电 阻，进而增大能耗，这一点引起了很多研究者的兴 趣。ＴＨＯＭＡＳ等［９］为了研究气泡存在对槽压降的 影响，引入非连续的粒子（空心陶瓷粒子）模拟气泡， 电解质为２８％氯化钠和７３％氯化铅熔盐。在实验 时把电极插入到电解质，测量没有气泡存在时的电 阻，然后提高电极，向电解质中投入空心陶瓷球，降 低电极，再次测量电阻，若两次测量值不同，即可说 明气泡存在对槽电阻的影响。研究者考察了粒子形 状、大小对电阻增加的影响，发现气泡产生的电阻大 小主要由气泡体积决定。 目前低温电解模型更多的应用在对电解槽内电 场的研究上，其气泡产生机理，气液表面张力等性质 与真实电解槽还有一定差异，其模拟的准确性也存 在一定的缺陷。 ３ 高温电解模型 研究铝电解槽气泡行为最直观和最有效的方法 是直接在电解情况下观察和测量阳极气泡，目前学 者在这方面也做了不少工作。研究方法主要有两 种，一是透明槽技术，二是 Ｘ光照相技术。 铝工作者很早就开始尝试将铝电解过程可视 化。１９７５年，ＨＡＵＰＩＮ 等［１０］用装有蓝宝石窗口的 石墨坩埚进行了透明槽实验，观测到了气泡在阳极 产生的过程。研究发现氧化物（氧化铝或氧化硅）浓 度降低，气泡的体积会变大，气泡体积随电流密度的 增大而增大。但这种方法存在致命缺陷：成本高、实 验时间短。２０世纪８０年代，邱竹贤院士发明了低 成本的透明槽［１１１２］。此种透明槽是一种以石英为 电解坩埚的电解可视装置，大大降低了高温透明槽 的成本，利用透明槽可在阳极底部观察到阳极气泡。 ＧＡＯ 等［１３］和 ＷＡＮＧ 等［１４］改 进 了 石 英 坩 埚 的 结 构，将坩埚分为两个部分：阴极室和阳极室。在两室 之间有一层石英璧，石英壁的底面有一条２ｍｍ 的 小缝隙，为熔盐的导电通道，这样就避免了铝雾扩散 到阳极室影响观测视线。他们用这种透明槽研究了 石墨阳极和惰性阳极上的气泡行为。结果发现，在 碳素 阳 极 上 气 泡 聚 集 成 大 气 泡，然 后 快 速 脱 离。 ２０１５年该团队继续开发了多角度观测新型高温透 ６８
第9期 李松等:铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 明电解槽[,首次直接观察到了电解状态下的阳拟模型进行验证。詹水清等[2321对铝电解槽熔体 极底面气泡行为。研究了不同阳极不同电流密度下内阳极气泡-电解质气液两相流进行数值模拟,计算 气泡的产生、长大及聚合行为,气泡排出周期以及对考虑了阳极气泡的聚集和破裂情况,得到电解质的 应的电压降关系 运动、气泡体积和气泡尺寸分布等信息。 除了通过透明电解槽直接观测外,很多学者利 近年来,学者越来越关注电解槽中气泡和电磁 用ⅹ光透射的特性,将Ⅹ光照相技术应用到铝电解力共同作用时对电解质的影响,并取得了较大进展。 槽气泡行为的研究上。 UTIGARD等[]和如 SOLHEIM等[早就开始用计算机数值模拟 CASSAYRE等利用X光照相机技术研究了电技术结合室温水模型研究气泡引起的电解质循环, 解过程中石墨阳极上的气泡行为。因为ⅹ光通过发现磁场引起的铝液波动对电解质的流动影响较 气泡,所以气泡所在位置为白色,而对于高密度的材小。赵志彬[采用高温透明槽实验结合数值模拟 料,Ⅹ光不易通过,所以在照片中显示为黑色。研究的方法对铝电解过程产生的阳极气泡进行了研究 发现,在电解过程中阳极侧面生成很多的小气泡,阳数值模拟结果表明只有当磁场强度大到一定程度后 极底部生成尺寸较大的大气泡。而惰性阳极气泡行(1000倍于工业测量值),电解质才能在电磁力的 为与碳素阳极完全不同,气泡并没有聚合现象,在惰作用下推动气泡运动,遗憾的是该工作未经过实验 性阳极周围形成一层泡沫状气泡层。气泡的直径大验证。SUN等[03建立了铝电解槽电-磁-流场三 概0.1mm,比碳素阳极气泡小10~30倍 维非稳态数学模型,分别考察了电磁力与气泡对槽 高温电解模型可以观察真实电解条件下的气泡内流场分布及界面波动的影响。研究表明,气泡和 的生成行为,但是在研究气泡行为中也存在问题,由电磁力均影响电解质-铝液界面的稳定性,且电磁力 于实验室所使用的阳极尺寸很小(60~70mm),将对电解质-铝液界面的稳定性影响效果更明显 得到的研究结果放大到工业槽中是否适用,仍需进SUN的研究结果和 SOLHEIM、赵志彬等的研究结 步的研究。由于实验成本高,改变阳极的结构和果有差异,说明电磁力和气泡对电解槽内电解质的 工艺参数对气泡影响的研究也比较麻烦,很难得到影响机理还需要再深入研究 在不同阳极结构和不同阳极倾角的气泡行为结果。 数值模型起步晚,但其强大的解决问题的能力 4数值模拟模型 是其他模型不能比拟的,但是数值模拟也存在缺点, 目前数值模拟技术还不是很成熟,其应用受到验证 随着信息技术的发展,计算流体力学(CFD)在模型的限制。在薮值模拟中,必须要有室温水模型、 航空、电力、水力、化工等方面已得到广泛应用,越来低温电解模型和工业测试数据的验证,否则其可信 越多的冶金工作者开始用数值模拟技术研究铝电解性存在很大问题 过程中的一些难题,其数值模拟研究主要集中在对 气泡行为模拟和对气泡引起的流场模拟方面 5结论与建议 密苏里科技大学的WANG等[0在气泡行为的 目前关于铝电解槽阳极气泡行为的研究日趋成 数值模拟方面做了很好的工作。他们以全尺寸水模熟,各个模型都取得了有价值的研究成果,但是并没 型为基础建立了数值模拟模型,研究水模型中气泡有一种模型是十全十美的,怎样建立一种完美的模 流动导致的现象。对大气泡的形状、运动、逸出频率型,实现铝电解槽气泡行为的真实再现,是当今铝工 和气泡的流动情况都进行了预测,并用相同尺寸的作者的研究热点之一。 数学模型进行了验证。澳大利亚的FENG等(21在 应将室温水模型、低温电解模型、高温电解模型 室温下,用CFX软件来模拟电解槽中气泡导致的电和数值模拟模型这四种模型有机结合,学者之间应 解质的流动,CFX软件是商业CFD软件,可进行流加强合作、取长补短。在气泡产生机理研究上采用 体力学、传热学、电磁学等模拟计算。计算结果用水高温电解模型和低温电解模型模拟气泡的产生机理 模型实验进行验证,用PIⅤ测量水流速度,通过对和气泡对电场的影响,从而得到一些关于气泡行为 比,发现实验测得的结果和模拟结果有较好的相似的关键数据。在气泡的流体动力学运动方面,结合 性。PIⅴ又称粒子图像测速法,是一种瞬态、多点、室温水模型和低温电解模型研究气泡对电解质流动 无接触式的激光流体力学测速方法测量流体速度,及质液界面的影响,从而得到一些关于气泡流体动 后续有多位学者采用此文中的PⅣⅤ数据为数值模力学的关键数据。以前三种模型中得到的数据为基
第９期 李 松等：铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 明电解槽［１５１６］，首次直接观察到了电解状态下的阳 极底面气泡行为。研究了不同阳极不同电流密度下 气泡的产生、长大及聚合行为，气泡排出周期以及对 应的电压降关系。 除了通过透明电解槽直接观测外，很多学者利 用 Ｘ光透射的特性，将 Ｘ光照相技术应用到铝电解 槽 气 泡 行 为 的 研 究 上。 ＵＴＩＧＡＲＤ 等［１７］ 和 ＣＡＳＳＡＹＲＥ等［１８１９］利用 Ｘ 光照相机技术研究了电 解过程中石墨阳极上的气泡行为。因为 Ｘ 光通过 气泡，所以气泡所在位置为白色，而对于高密度的材 料，Ｘ光不易通过，所以在照片中显示为黑色。研究 发现，在电解过程中阳极侧面生成很多的小气泡，阳 极底部生成尺寸较大的大气泡。而惰性阳极气泡行 为与碳素阳极完全不同，气泡并没有聚合现象，在惰 性阳极周围形成一层泡沫状气泡层。气泡的直径大 概０．１ｍｍ，比碳素阳极气泡小１０～３０倍。 高温电解模型可以观察真实电解条件下的气泡 的生成行为，但是在研究气泡行为中也存在问题，由 于实验室所使用的阳极尺寸很小（６０～７０ｍｍ），将 得到的研究结果放大到工业槽中是否适用，仍需进 一步的研究。由于实验成本高，改变阳极的结构和 工艺参数对气泡影响的研究也比较麻烦，很难得到 在不同阳极结构和不同阳极倾角的气泡行为结果。 ４ 数值模拟模型 随着信息技术的发展，计算流体力学（ＣＦＤ）在 航空、电力、水力、化工等方面已得到广泛应用，越来 越多的冶金工作者开始用数值模拟技术研究铝电解 过程中的一些难题，其数值模拟研究主要集中在对 气泡行为模拟和对气泡引起的流场模拟方面。 密苏里科技大学的 ＷＡＮＧ 等［２０］在气泡行为的 数值模拟方面做了很好的工作。他们以全尺寸水模 型为基础建立了数值模拟模型，研究水模型中气泡 流动导致的现象。对大气泡的形状、运动、逸出频率 和气泡的流动情况都进行了预测，并用相同尺寸的 数学模型进行了验证。澳大利亚的 ＦＥＮＧ等［２１２２］在 室温下，用 ＣＦＸ软件来模拟电解槽中气泡导致的电 解质的流动，ＣＦＸ 软件是商业 ＣＦＤ 软件，可进行流 体力学、传热学、电磁学等模拟计算。计算结果用水 模型实验进行验证，用 ＰＩＶ 测量水流速度，通过对 比，发现实验测得的结果和模拟结果有较好的相似 性。ＰＩＶ 又称粒子图像测速法，是一种瞬态、多点、 无接触式的激光流体力学测速方法测量流体速度， 后续有多位学者采用此文中的 ＰＩＶ 数据为数值模 拟模型进行验证。詹水清等［２３２６］对铝电解槽熔体 内阳极气泡电解质气液两相流进行数值模拟，计算 考虑了阳极气泡的聚集和破裂情况，得到电解质的 运动、气泡体积和气泡尺寸分布等信息。 近年来，学者越来越关注电解槽中气泡和电磁 力共同作用时对电解质的影响，并取得了较大进展。 如ＳＯＬＨＥＩＭ 等［２７２８］早就开始用计算机数值模拟 技术结合室温水模型研究气泡引起的电解质循环， 发现磁场引起的铝液波动对电解质的流动影响较 小。赵志彬［２９］采用高温透明槽实验结合数值模拟 的方法对铝电解过程产生的阳极气泡进行了研究， 数值模拟结果表明只有当磁场强度大到一定程度后 （１０００倍于工业测量值），电解质才能在电磁力的 作用下推动气泡运动，遗憾的是该工作未经过实验 验证。ＳＵＮ 等［３０３１］建 立 了 铝 电 解 槽 电磁流 场 三 维非稳态数学模型，分别考察了电磁力与气泡对槽 内流场分布及界面波动的影响。研究表明，气泡和 电磁力均影响电解质铝液界面的稳定性，且电磁力 对电 解 质铝 液 界 面 的 稳 定 性 影 响 效 果 更 明 显。 ＳＵＮ 的研究结果和ＳＯＬＨＥＩＭ、赵志彬等的研究结 果有差异，说明电磁力和气泡对电解槽内电解质的 影响机理还需要再深入研究。 数值模型起步晚，但其强大的解决问题的能力 是其他模型不能比拟的，但是数值模拟也存在缺点， 目前数值模拟技术还不是很成熟，其应用受到验证 模型的限制。在数值模拟中，必须要有室温水模型、 低温电解模型和工业测试数据的验证，否则其可信 性存在很大问题。 ５ 结论与建议 目前关于铝电解槽阳极气泡行为的研究日趋成 熟，各个模型都取得了有价值的研究成果，但是并没 有一种模型是十全十美的，怎样建立一种完美的模 型，实现铝电解槽气泡行为的真实再现，是当今铝工 作者的研究热点之一。 应将室温水模型、低温电解模型、高温电解模型 和数值模拟模型这四种模型有机结合，学者之间应 加强合作、取长补短。在气泡产生机理研究上采用 高温电解模型和低温电解模型模拟气泡的产生机理 和气泡对电场的影响，从而得到一些关于气泡行为 的关键数据。在气泡的流体动力学运动方面，结合 室温水模型和低温电解模型研究气泡对电解质流动 及质液界面的影响，从而得到一些关于气泡流体动 力学的关键数据。以前三种模型中得到的数据为基 ６９
70 有色金属工程 第10卷 础,建立符合物理相似、数学相似的CFD模型、铝电[1]QUzX, FAN L M, GRJOTHEIM K. Dissolution of 解槽电-磁-流场耦合模型,同时不断充实和完善 aluminum in cryolite-alumina melts( see-through cell CFD模型,不断提高数值模拟的准确性和可信性, studies)[C]//New Orleans: The Minerals, Metals &. 最终达到用建立的CFD模型指导工业生产的目的。 Materials Society, 1986: 525-533 [12] QIU Z XFAN L M. GRJOTHEIM Ket al. Formatic 参考文献: of metal fog during molten salt electrolysis observed in a see-through cellUJ] Journal of Applied Electrochemistry [1] ZHAO Z B, FENG Y Q, SCHWARZ M P, et al. 1987,17(4):707-71 Numerical modeling of flow dynamics in the aluminum [13] GAO BL HU X W. XU JL. et al. Study on bubble behavior on anode in aluminum electrolysis-Part [I [C]// COz cryolite systems[J]. Metallurgical and Materials Warrendale: The Minerals, Metals & Materials Society. Transactions B,2015,48(2):1200-1216 [2] FORTIN S, GERHARDT M, GESING A J. Physical 2006:467-470 modeling of bubble behavior and gas release from [14] WANG Z W. GAO B L, LI H T. Study on bubble aluminum reduction cell anodes[C]//Los Angeles: The behavior on anode in aluminum electrolysis-Part I[C]// Warrendale: The Minerals, Metals & Materials Society, Minerals, Metals &. Materials Society, 1984: 385-395 [3] CHEN J JJ, QIAN K X, ZHAO J C Resistance due to the presence of bubbles in an electrolytic cell with a [15] ZHAO Z B, WANG Z W, GAO B L,et al. Observation grooved anode[J]. Chemical Engineering Research and of anodic bubble behaviors using laboratory scale Design,2001,79(4):383-388 transparent aluminium electrolysis cells[C]//Warrendale [4] SOLHEIM A, JOHANSEN S T, ROLSETH S, et al. The Minerals, Metals & Materials Society, 2015 Gas induced bath circulation in aluminum reduction cells[J]. Journal of Applied Electrochemistry, 19 [16]ZHAO Z B, WANG Z W, GAO B L, et al. Anodic 19(5):703-712 bubble behavior and voltage drop in a laboratory [5] SOLHEIM A, THONSTAD S J Model cell studies of transparent aluminium electrolysis cell[J]. Metallurgical gas induced resistancein Hall-Heroult cells[C3// nd Materials Transactions B, 2016, 47(3): 1962-1975 Warrendale, The Minerals, Metals &. Materials [17J UTIGARD T, TOGURI J M, IP SW.Direct Society,1987:239-245 observation of the anode effect by radiography[Cl// [6] KISS L I. PONCSAK S. TOULOUSE D, et al Warrendale: The Minerals, Metals & Materials Society. Warrendale: The Minerals. Metals &. Materials Society. [18] CASSAYRE L, UTIGARD O, BOUVET S Visuali 04:159-167. [7] QIAN K, CHEN Z D, CHEN J J J. Bubble coverage anodes[J] Journal of Minerals, Metals and Materials and bubble resistance using cells with horizontal Society,2002,54(5):41-45. electrode[j]. Journal of Applied Electrochemistry, [19] CASSAYRE L, PLASCENCIA G, MARIN T, et al 8.28(10):1141-1145 Gas evolution on graphite and oxygen-evolving anodes [8]薛玉卿,周乃君,包生重.铝电解槽内阳极气泡运动的冷 during aluminium electrolysis [C]//Warrendale:The 态模拟[]中国有色金属学报,2006,26(10):18231828 Minerals, Metals &. Materials Society, 2006: 421-425. XUE Yuging, ZHOU Naijun BAO Shengzhong. Normal [20] WANG Y F, ZHANG L F, ZUO X J. Simulation of the temperature analogue experiment of anode bubble's eletrolyte behavior in aluminum electrolysis cells[J]. The Chinese aluminum electrolysis cell[J]. Metallurgical and Materials Journal of Nonferrous Metals, 2006.26(10): 1823-1828 Transactions B,2011,42(5):1051-1064. [9] THOMAS M. HYDE B J, WELCH. The gas under [21] FENG Y Q YANG W, COOKSEY M. Development of anodes in aluminum smelting cells. Part I: Measuring bubble driven flow CFD model applied for aluminium and modeling bubble resistance under horizontally smelting cells[J]. The Journal of Computational [10] HAUPIN W E, MCGREW W C See-through hall eas Multiphase Flows,2010.2(3):179-188 iented electrodes[C]//Warrendale: The Minerals Metals & Materials Society, 1997:333-340 22] FENG Y Q. SCHWARZ M P, YANG W, et al.Two- phase CFD model of the bubble-driven flot Heroult cell[J].Aluminium, 1975.51(4):273-275 molten electrolyte layer of a hall-heroult aluminum
有 色 金 属 工 程 第１０卷 础，建立符合物理相似、数学相似的 ＣＦＤ模型、铝电 解槽电磁流 场 耦 合 模 型，同 时 不 断 充 实 和 完 善 ＣＦＤ模型，不断提高数值模拟的准确性和可信性， 最终达到用建立的 ＣＦＤ模型指导工业生产的目的。 参考文献： ［１］ ＺＨＡＯ Ｚ Ｂ，ＦＥＮＧ Ｙ Ｑ，ＳＣＨＷＡＲＺ Ｍ Ｐ，ｅｔａｌ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｆｌｏｗｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ：Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎａｉｒｗａｔｅｒａｎｄ ＣＯ２ｃｒｙｏｌｉｔｅｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０１５，４８（２）：１２００１２１６． ［２］ ＦＯＲＴＩＮＳ，ＧＥＲＨＡＲＤＴ Ｍ，ＧＥＳＩＮＧ ＡＪ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｇａｓ ｒｅｌｅａｓｅｆｒｏｍ ａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌａｎｏｄｅｓ［Ｃ］／／ＬｏｓＡｎｇｅｌｅｓ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９８４：３８５３９５． ［３］ ＣＨＥＮＪＪＪ，ＱＩＡＮＫＸ，ＺＨＡＯＪＣ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｕｅｔｏ ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｂｕｂｂｌｅｓｉｎａｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｃｅｌｌｗｉｔｈａ ｇｒｏｏｖｅｄａｎｏｄｅ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２００１，７９（４）：３８３３８８． ［４］ ＳＯＬＨＥＩＭ Ａ，ＪＯＨＡＮＳＥＮＳＴ，ＲＯＬＳＥＴＨ Ｓ，ｅｔａｌ． Ｇａｓｉｎｄｕｃｅｄ ｂａｔｈｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｉｎａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９８９， １９（５）：７０３７１２． ［５］ ＳＯＬＨＥＩＭ Ａ，ＴＨＯＮＳＴＡＤＳＪ．Ｍｏｄｅｌｃｅｌｌｓｔｕｄｉｅｓｏｆ ｇａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎ ＨａｌｌＨéｒｏｕｌｔ ｃｅｌｌｓ［Ｃ］／／ Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９８７：２３９２４５． ［６］ ＫＩＳＳ Ｌ Ｉ，ＰＯＮＣＳＡＫ Ｓ，ＴＯＵＬＯＵＳＥ Ｄ，ｅｔａｌ． Ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔｏｆｂｕｂｂｌｅｓｆｒｏｍｔｈｅｉｒｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｓｉｔｅｓ［Ｃ］／／ Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ， ２００４：１５９１６７． ［７］ ＱＩＡＮ Ｋ，ＣＨＥＮ Ｚ Ｄ，ＣＨＥＮＪＪＪ．Ｂｕｂｂｌｅｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｂｕｂｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｕｓｉｎｇ ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９９８，２８（１０）：１１４１１１４５． ［８］ 薛玉卿，周乃君，包生重．铝电解槽内阳极气泡运动的冷 态模拟［Ｊ］．中国有色金属学报，２００６，２６（１０）：１８２３１８２８． ＸＵＥ Ｙｕｑｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｎａｉｊｕｎ，ＢＡＯ Ｓｈｅｎｇｚｈｏｎｇ．Ｎｏｒｍａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎａｌｏｇｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆａｎｏｄｅｂｕｂｂｌｅ’ｓ ｂｅｈａｖｉｏｒｉｎａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌｓ［Ｊ］．ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，２００６，２６（１０）：１８２３１８２８． ［９］ ＴＨＯＭＡＳ Ｍ，ＨＹＤＥ ＢＪ，ＷＥＬＣＨ．Ｔｈｅｇａｓｕｎｄｅｒ ａｎｏｄｅｓｉｎａｌｕｍｉｎｕｍｓｍｅｌｔｉｎｇｃｅｌｌｓ．ＰａｒｔＩ：Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ［Ｃ］／／Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９９７：３３３３４０． ［１０］ＨＡＵＰＩＮ Ｗ Ｅ，ＭＣＧＲＥＷ Ｗ Ｃ．Ｓｅｅｔｈｒｏｕｇｈ ｈａｌｌ Ｈｅｒｏｕｌｔｃｅｌｌ［Ｊ］．Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ，１９７５，５１（４）：２７３２７５． ［１１］ＱＩＵＺＸ，ＦＡＮ Ｌ Ｍ，ＧＲＪＯＴＨＥＩＭ Ｋ．Ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍｉｎｃｒｙｏｌｉｔｅａｌｕｍｉｎａ ｍｅｌｔｓ（ｓｅｅｔｈｒｏｕｇｈｃｅｌｌ ｓｔｕｄｉｅｓ）［Ｃ］／／Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９８６：５２５５３３． ［１２］ＱＩＵＺＸ，ＦＡＮＬＭ，ＧＲＪＯＴＨＥＩＭ Ｋ，ｅｔａｌ．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆｍｅｔａｌｆｏｇｄｕｒｉｎｇｍｏｌｔｅｎｓａｌｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎ ａｓｅｅｔｈｒｏｕｇｈｃｅｌｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９８７，１７（４）：７０７７１４． ［１３］ＧＡＯＢＬ，ＨＵ Ｘ Ｗ，ＸＵＪＬ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｂｕｂｂｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｏｎａｎｏｄｅｉｎａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＰａｒｔⅡ［Ｃ］／／ Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ， ２００６：４６７４７０． ［１４］ＷＡＮＧＺ Ｗ，ＧＡＯ Ｂ Ｌ，ＬＩ Ｈ Ｔ．Ｓｔｕｄｙｏｎｂｕｂｂｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｏｎａｎｏｄｅｉｎａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＰａｒｔⅠ［Ｃ］／／ Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ， ２００６：４６３４６６． ［１５］ＺＨＡＯＺＢ，ＷＡＮＧＺ Ｗ，ＧＡＯＢＬ，ｅｔａｌ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｏｄｉｃ ｂｕｂｂｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｃａｌｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｌｕｍｉｎｉｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌｓ［Ｃ］／／Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ： Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１５： ８０１８０６． ［１６］ＺＨＡＯ Ｚ Ｂ，ＷＡＮＧ Ｚ Ｗ，ＧＡＯ Ｂ Ｌ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｄｉｃ ｂｕｂｂｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ ｉｎ ａ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０１６，４７（３）：１９６２１９７５． ［１７］ＵＴＩＧＡＲＤ Ｔ，ＴＯＧＵＲＩ Ｊ Ｍ，ＩＰ Ｓ Ｗ．Ｄｉｒｅｃｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎｏｄｅｅｆｆｅｃｔｂｙｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ［Ｃ］／／ Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ， １９８８：１２７１３０． ［１８］ＣＡＳＳＡＹＲＥＬ，ＵＴＩＧＡＲＤＯ，ＢＯＵＶＥＴＳ．Ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ ｇａｓ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎｅｖｏｌｖｉｎｇ ａｎｏｄｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００２，５４（５）：４１４５． ［１９］ＣＡＳＳＡＹＲＥ Ｌ，ＰＬＡＳＣＥＮＣＩＡ Ｇ，ＭＡＲＩＮ Ｔ，ｅｔａｌ． Ｇａｓｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｎｇｒａｐｈｉｔｅａｎｄｏｘｙｇｅｎｅｖｏｌｖｉｎｇａｎｏｄｅｓ ｄｕｒｉｎｇａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ［Ｃ］／／Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，２００６：４２１４２５． ［２０］ＷＡＮＧＹＦ，ＺＨＡＮＧＬＦ，ＺＵＯＸＪ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｆｌｕｉｄｆｌｏｗｒｅｌａｔｅｄｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｏｆａｎ ａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，２０１１，４２（５）：１０５１１０６４． ［２１］ＦＥＮＧＹ Ｑ，ＹＡＮＧ Ｗ，ＣＯＯＫＳＥＹ Ｍ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ ｂｕｂｂｌｅｄｒｉｖｅｎｆｌｏｗ ＣＦＤ ｍｏｄｅｌａｐｐｌｉｅｄｆｏｒａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦｌｏｗｓ，２０１０，２（３）：１７９１８８． ［２２］ＦＥＮＧＹ Ｑ，ＳＣＨＷＡＲＺ Ｍ Ｐ，ＹＡＮＧ Ｗ，ｅｔａｌ．Ｔｗｏ ｐｈａｓｅ ＣＦＤ ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｂｕｂｂｌｅｄｒｉｖｅｎｆｌｏｗ ｉｎｔｈｅ ｍｏｌｔｅｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｌａｙｅｒｏｆａ ｈａｌｌｈéｒｏｕｌｔａｌｕｍｉｎｕｍ ７０
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第９期 李 松等：铝电解槽中气泡行为的可视化研究现状与进展 ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｂ， ２０１５，４６（４）：１９５９１９８１． ［２３］詹水清，周孑民，李茂，等．开孔阳极铝电解槽熔体中气 液两 相 流 数 值 模 拟［Ｊ］．化 工 学 报，２０１３，６４（１０）： ３６１２３６１９． ＺＨＡＮ Ｓｈｕｉｑｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｊｉｅｍｉｎ，ＬＩ Ｍａｏ，ｅｔａｌ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈｐｅｒｆｏｒａｔｅｄａｎｏｄｅｓ［Ｊ］． ＣＩＥＳＣＪｏｕｒｎａｌ，２０１３，６４（１０）：３６１２３６１９． ［２４］ＺＨＡＮ Ｓ Ｑ，ＬＩ Ｍ，ＺＨＯＵ Ｊ Ｍ，ｅｔａｌ．Ａ ＣＦＤＰＢＭ ｃｏｕｐｌｅｄｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇａｎｏｄｉｃｂｕｂｂｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌｓ［Ｃ］／／Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ：ＴｈｅＭｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ＆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，２０１４：７７７７８２． ［２５］ＺＨＡＮ Ｓ Ｑ，ＷＡＮＧ Ｚ Ｗ，ＹＡＮＧ Ｊ Ｈ，ｅｔａｌ．３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｓｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈａ ＣＦＤＰＢＭ ｃｏｕｐｌｅ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｅｍｉｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈ， ２０１７，５６（３０）：８６４９８６６２． ［２６］ＺＨＡＮ Ｓ Ｑ，ＹＡＮＧ Ｊ Ｈ，ＷＡＮＧ Ｚ Ｔ，ｅｔａｌ．ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｅｒｐｈａｓｅｆｏｒｃｅｓａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌｓｏｎｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｓｉｎ ｎｏｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， ＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，２０１７，６９（９）：１５８９１５９９． ［２７］ＳＯＬＨＥＩＭ Ａ，ＪＯＨＡＮＳＥＮ Ｓ Ｔ，ＲＯＬＳＥＴＨ Ｓ．Ｇａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂａｔｈ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９８９， １９（５）：７０３７１２． ［２８］ＳＯＬＨＥＩＭ Ａ，ＪＯＨＡＮＳＥＮ ＳＴ，ＲＯＬＳＥＴＨ Ｓ，ｅｔａｌ． Ｇａｓｄｒｉｖｅｎｆｌｏｗｉｎ ＨａｌｌＨｅｒｏｕｌｔｃｅｌｌｓ［Ｃ］／／Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ： Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９８９： ２４５２５２． ［２９］赵志彬．铝 电 解 气 泡 行 为 的 高 温 实 验 研 究 与 数 值 仿 真［Ｄ］．沈阳：东北大学，２０１６：９１１０１． ＺＨＡＯ Ｚｈｉｂｉｎ．Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓ［Ｄ］．Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６：９１１０１． ［３０］ＳＵＮ ＭＪ，ＭＯＬＬＡＡＢＢＡＳＩＲ，ＬＩＢＫ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１９，５８（３７）： １７５６８１７５８２． ［３１］ＳＵＮ Ｍ Ｊ，ＬＩＢ Ｋ，ＬＩＬ Ｍ．Ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ ｂｕｂｂｌｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｎａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｅｌｌｕｓｉｎｇａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＤＢＭＶＯＦＭＨＤ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＆ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｅｍｉｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１９，５８（８）：３４０７３４１９． ７１