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