4620 中南大学学报(自然科学版) 第43卷 泡层较厚,边缘较薄,此分布情况与Kiss等9的研究 2结果与讨论 结论是基本一致的。由于气泡的存在会严重恶化此层 电解质的导电性及与炭阳极的润湿性,同时槽内铝液 波动时下部气泡层中的气泡容易接触铝液而造成电流 2.1长度方向开槽对气泡排出的影响 效率的损失,若电解质中氧化铝浓度较低,此气泡层 分别计算阳极不开槽、沿长度方向上中间位置开可能会更厚且气体含量更多而更容易引发阳极效应 条槽、边距分别为50,100,125,150及200mm 因此这样的气泡层的存在对实现低电压及低效应铝电 的位置上开2条槽及均匀开3条槽后的气泡电解质流解都是相当不利的。 场,分析在阳极长度方向上开槽对气泡排出的影响, 考虑在阳极长度方向开槽,由表3可以看出,所 各开槽方案分别按上述顺序定义为A至H。 有长度方向的开槽方案均有利于减小电解质中气泡含 表3所示为A至H开槽方案的阳极底掌下气泡分量及气泡覆盖率。参考图2(b),2(1,2(g)及2(h)可知 布状况的计算结果,图2及图3所示分别A至H开槽合适的阳极长度方向上开槽能消除集聚在阳极底掌下 方案距阳极底掌105mm及2lmm的电解质截面上气中心部位的下部气泡层,使整个气泡层简化为一薄层, 泡体积分数分布情况,分布图中左侧指向电解槽的大减小了整体厚度并且气泡的分布较为均匀,有效促进 了气体的排放,减小气泡与铝液接触的可能性;此外 由图2(a)及图3(a)可知:不开槽阳极底掌下电解由表3中方案B,G以及H的气泡在不同电解质界面 质中的气泡在水平方向上可以分为2层,位置较上的上的体积分数及气体总积存量可知,开槽数量越多越 层形态对应于阳极底掌的形状,呈现为一个方形薄有利于促进气泡的排放,从而减小气体在阳极下的体 层状的分布(浅蓝色部分);靠下的一层为分布于中部积分数及总积存体积;但值得注意的是,开3条槽相 位置的气泡层,大致呈半方半椭圆形的分布,气泡含对于开2条槽在气泡总积存量上只减小了089L,气 量从中心到边缘逐渐减少,并且较多的聚集在阳极底泡体积分数也差别较小,但其质量损失已经高达4608 掌的中部。对比图2(a)及图3(a)可知:距阳极底掌越kg,因此从效率及经济性上考虑,在阳极长度方向上 向下的电解质截面中气泡体积含量越小,并且从上到开1条或2条导气槽较为合理。 下减小的很快。由表3可知:在距阳极底掌5mm的 考虑开槽位置对阳极长度方向上开2条槽的排气 电解质层平均气泡体积分数可达5096%,在距阳极底效果的影响。对比图3(c),(d),(e),(1)及图(g),并由 掌10.5mm时减少到1751%,而当距底掌21mm时表3中开槽方案C,D,E,F以及G的气泡体积分数 已经减少到约169%,因此从竖直方向上看,其下部及总积存体积可知:气泡层的形态随着阳极开槽位置 气泡层的形态呈一个长条薄层状,靠近中心部位的气的变化而有一定的差别,槽边距增大时,阳极底掌下 表3不同长度方向开槽阳极底掌下的气泡分布状况 below anode with different longitudinal slot cutting 气泡平均体积分数 阳极 方案 气泡总积存 距底掌5mm处 距底掌10.5mm处 距底掌21mm处 体积几L质量损失 1751 187×10-7 10. 8.63 0.25 7.3 30.72 0.18 30.72 4.ll×10 6.45 5.98 2.15 2.67×10 5.04620 中南大学学报(自然科学版) 第 43 卷 2  结果与讨论 2.1  长度方向开槽对气泡排出的影响 分别计算阳极不开槽、沿长度方向上中间位置开 1 条槽、边距分别为 50，100，125，150 及 200  mm 的位置上开2条槽及均匀开3条槽后的气泡­电解质流 场，分析在阳极长度方向上开槽对气泡排出的影响， 各开槽方案分别按上述顺序定义为 A 至 H。 表 3所示为 A至 H开槽方案的阳极底掌下气泡分 布状况的计算结果， 图 2 及图 3 所示分别 A 至 H 开槽 方案距阳极底掌10.5 mm及21 mm 的电解质截面上气 泡体积分数分布情况，分布图中左侧指向电解槽的大 面。 由图 2(a)及图 3(a)可知：不开槽阳极底掌下电解 质中的气泡在水平方向上可以分为 2 层，位置较上的 一层形态对应于阳极底掌的形状，呈现为一个方形薄 层状的分布(浅蓝色部分)；靠下的一层为分布于中部 位置的气泡层，大致呈半方半椭圆形的分布，气泡含 量从中心到边缘逐渐减少，并且较多的聚集在阳极底 掌的中部。对比图 2(a)及图 3(a)可知：距阳极底掌越 向下的电解质截面中气泡体积含量越小，并且从上到 下减小的很快。由表 3 可知：在距阳极底掌 5  mm 的 电解质层平均气泡体积分数可达 50.96%， 在距阳极底 掌 10.5 mm 时减少到 17.51%，而当距底掌 21 mm 时 已经减少到约 1.69%，因此从竖直方向上看，其下部 气泡层的形态呈一个长条薄层状，靠近中心部位的气 泡层较厚，边缘较薄，此分布情况与 Kiss 等[19] 的研究 结论是基本一致的。由于气泡的存在会严重恶化此层 电解质的导电性及与炭阳极的润湿性，同时槽内铝液 波动时下部气泡层中的气泡容易接触铝液而造成电流 效率的损失，若电解质中氧化铝浓度较低，此气泡层 可能会更厚且气体含量更多而更容易引发阳极效应， 因此这样的气泡层的存在对实现低电压及低效应铝电 解都是相当不利的。 考虑在阳极长度方向开槽，由表 3 可以看出，所 有长度方向的开槽方案均有利于减小电解质中气泡含 量及气泡覆盖率。参考图 2(b)，2(f)，2(g)及 2(h)可知： 合适的阳极长度方向上开槽能消除集聚在阳极底掌下 中心部位的下部气泡层， 使整个气泡层简化为一薄层， 减小了整体厚度并且气泡的分布较为均匀，有效促进 了气体的排放， 减小气泡与铝液接触的可能性；此外， 由表 3 中方案 B，G 以及 H 的气泡在不同电解质界面 上的体积分数及气体总积存量可知，开槽数量越多越 有利于促进气泡的排放，从而减小气体在阳极下的体 积分数及总积存体积；但值得注意的是，开 3 条槽相 对于开 2 条槽在气泡总积存量上只减小了 0.89  L，气 泡体积分数也差别较小， 但其质量损失已经高达 46.08  kg，因此从效率及经济性上考虑，在阳极长度方向上 开 1 条或 2 条导气槽较为合理。 考虑开槽位置对阳极长度方向上开 2 条槽的排气 效果的影响。对比图 3(c)，(d)，(e)，(f)及图(g)，并由 表 3 中开槽方案 C，D，E，F 以及 G 的气泡体积分数 及总积存体积可知：气泡层的形态随着阳极开槽位置 的变化而有一定的差别，槽边距增大时，阳极底掌下 表 3  不同长度方向开槽阳极底掌下的气泡分布状况 Table 3 Situation of gas distribution below anode with different longitudinal slot cutting  气泡平均体积分数/% 方案 距底掌 5 mm 处 距底掌 10.5 mm 处 距底掌 21 mm 处 气泡总积存 体积/L  阳极 质量损失/kg  A 50.96  17.51  1.69  10.45  0  B 33.95  4.21  1.87×10 −7 7.61  15.36  C 39.83  10.41  0.79  8.63  30.72  D 31.92  5.61  0.25  7.33  30.72  E  29.52  4.87  0.18  6.96  30.72  F  26.14  3.24  4.11×10 −8 6.45  30.72  G 23.05  2.86  2.36×10 −8 5.98  30.72  H 17.31  2.15  2.67×10 −8 5.09  46.08