卢婷婷等：铝电解槽废阴极炭块电-热耦合处理过程数值模拟 735· -A-Volatilization rate of fluoride salts 100 后在9V下供压12h的工况进行升温一保温过程 Weight loss rate of SCCB 0 80 图4为不同供电时间下，炉型沿z轴方向 (=0.89m)的横截面对应的温度分布云图.图中可 .0 50 60 见加热过程中，炉芯与炉料共同作为发热体，炉料 40 电阻率较炉芯小的多，因此炉芯升温速度快、热扩 散动力强.升温过程中温度由中心向外逐渐扩散， 10 20 高温等温面不断向外扩散.由温度分布云图可以 看出在供电12h时，炉芯及部分炉料温度升高至 800 1000120014001600 1800 Temperature/C 2000℃左右，随加热时间延长，高温区逐渐扩大 图3不同处理温度与废阴极炭块烧损及氟化盐挥发的关系 加热18h后氟化盐挥发率为83.1%：当加热24h Fig.3 Relationship between burning loss of SCCB and volatilization of 炉芯最高温可达2250℃，计算此时氟化盐挥发率 fluoride salts at different temperatures 高达98%，满足氟化盐完全挥发要求.伴随炉料升 行了优化设计，炉膛内温度高于1700℃的区域定 温，保温层的温度也在不断升高.较高电压下炉芯 义为有效挥发区域，高于1700℃体积与总物料体 温度快速升高，但一定的保温条件有利于块状物 积的占比定义为氟化盐挥发率.通过CFD-Post中 料的均匀受热.铝电解槽废阴极炭块具有一定的 的函数功能对模型选定区域指定的某个物理量进行 粒度，因此加热后需要在高温下保温一段时间，力 积分，即可得到该物理量不同温度区间的体积分数 求保证炉内升温速度以及温度分布均匀.为维持 定义氟化盐挥发率大于90%，即可认为挥发完全. 炉内现有温度水平，同时避免耐火保温层的持续 温度由炉膛中心传递到边部需要一定的时 升温.在保温阶段，电极两端电压取9V处理2h, 间，利用较高电压提高中心位置的最高温度，借助 保持炉内温度维持在1700℃以上，至此供电36h 温差可以有效缩减炉膛整体升温所需的时间.如 完成，氟化盐挥发率为92.1%.由温度云图可以看 果长时间地维持送电，存在电能浪费问题，而升温 出，保温过程高温区不再向外扩散，此外，从云图 速度过快会影响热效率P0-2)本文处理的炉料特 的演变发现两端电极是热量散失的一个主要部 殊性在于具有一定的导电性，即通电时会自身发热 位，这是由石墨本身具有较大的导热系数和比热 为了了解高温炉加热过程中炉内温度的变化情况， 容导致的，而石墨毡及岩棉则由于导热系数较小， 根据实际经验与理论计算，选取12V供压24h,然 使得炉型上部具有较好的保温性能 (a) (b) Temperature/℃ 2000 1859 1718 (c) d 1577 6 1154 1013 87 32 5 450 27 图4不同加热时间下中心截面温度云图(Z-0.89m).(a)4h:(b)8h:(c)12h:(d)16h:(e)24h:(f)36h Fig.4 Contours of temperature distribution in the cross section(Z=0.89 m)of the furnace at different heating time:(a)4 h;(b)8 h;(c)12 h;(d)16 h;(e) 24h;()36h行了优化设计. 炉膛内温度高于 1700 ℃ 的区域定 义为有效挥发区域，高于 1700 ℃ 体积与总物料体 积的占比定义为氟化盐挥发率. 通过 CFD-Post 中 的函数功能对模型选定区域指定的某个物理量进行 积分，即可得到该物理量不同温度区间的体积分数. 定义氟化盐挥发率大于 90%，即可认为挥发完全. 温度由炉膛中心传递到边部需要一定的时 间，利用较高电压提高中心位置的最高温度，借助 温差可以有效缩减炉膛整体升温所需的时间. 如 果长时间地维持送电，存在电能浪费问题，而升温 速度过快会影响热效率[20‒21] . 本文处理的炉料特 殊性在于具有一定的导电性，即通电时会自身发热. 为了了解高温炉加热过程中炉内温度的变化情况， 根据实际经验与理论计算，选取 12 V 供压 24 h，然 后在 9 V 下供压 12 h 的工况进行升温—保温过程. 图 4 为不同供电时间下 ，炉型 沿 z 轴方向 （z=0.89 m）的横截面对应的温度分布云图. 图中可 见加热过程中，炉芯与炉料共同作为发热体，炉料 电阻率较炉芯小的多，因此炉芯升温速度快、热扩 散动力强. 升温过程中温度由中心向外逐渐扩散， 高温等温面不断向外扩散. 由温度分布云图可以 看出在供电 12 h 时，炉芯及部分炉料温度升高至 2000 ℃ 左右，随加热时间延长，高温区逐渐扩大. 加热 18 h 后氟化盐挥发率为 83.1%；当加热 24 h 炉芯最高温可达 2250 ℃，计算此时氟化盐挥发率 高达 98%，满足氟化盐完全挥发要求. 伴随炉料升 温，保温层的温度也在不断升高. 较高电压下炉芯 温度快速升高，但一定的保温条件有利于块状物 料的均匀受热. 铝电解槽废阴极炭块具有一定的 粒度，因此加热后需要在高温下保温一段时间，力 求保证炉内升温速度以及温度分布均匀. 为维持 炉内现有温度水平，同时避免耐火保温层的持续 升温. 在保温阶段，电极两端电压取 9 V 处理 12 h， 保持炉内温度维持在 1700 ℃ 以上，至此供电 36 h 完成，氟化盐挥发率为 92.1%. 由温度云图可以看 出，保温过程高温区不再向外扩散，此外，从云图 的演变发现两端电极是热量散失的一个主要部 位，这是由石墨本身具有较大的导热系数和比热 容导致的，而石墨毡及岩棉则由于导热系数较小， 使得炉型上部具有较好的保温性能. 50 40 30 20 10 0 100 80 60 40 20 0 800 1000 1200 Temperature/℃ Mass loss rate of SCCB/% 1400 1600 1800 Volatilization rate of fluoride salts/% Volatilization rate of fluoride salts Weight loss rate of SCCB 图 3 不同处理温度与废阴极炭块烧损及氟化盐挥发的关系 Fig.3 Relationship between burning loss of SCCB and volatilization of fluoride salts at different temperatures Temperature/℃ 2000 1859 1718 1577 1436 1295 1154 1013 873 732 591 450 309 168 27 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 4 不同加热时间下中心截面温度云图（Z=0.89 m）.（a）4 h；（b）8 h；（c）12 h；（d）16 h；（e）24 h；（f）36 h Fig.4 Contours of temperature distribution in the cross section (Z=0.89 m) of the furnace at different heating time: (a) 4 h; (b) 8 h; (c) 12 h; (d) 16 h; (e) 24 h; (f) 36 h 卢婷婷等： 铝电解槽废阴极炭块电−热耦合处理过程数值模拟 · 735 ·