一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于热‑流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；属于铝电解槽设计技术领域。本发明专利技术方法基于铝电解槽的结构及运行工艺条件，采用有限元和有限体积计算理论及方法，建立铝电解槽热‑流场耦合模型，计算得到铝电解槽的炉帮形状，根据计算结果评估该条件下铝电解槽的工效。本发明专利技术方法考虑了铝电解槽内熔体流动对炉帮凝固的影响，同时依靠实际测试数据对模型进行校准,可计算得到与实际较为相符的炉帮形状，为电解槽的设计、生产的优化控制提供有效的支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；属于铝电解槽设计

技术介绍
铝电解槽内，高温熔融电解质在侧部发生凝固，称为炉帮。铝电解槽的炉帮位于槽膛内壁上，可保护侧部炭块免受电解质和铝液等高温熔体的侵蚀，同时，适当的炉帮厚度能够保持电解过程的热平衡和物料平衡，通过炉帮的溶解与生成，降低铝电解生产的温度波动和浓度波动。当槽温升高时，炉帮减薄增强散热,阻止槽温的升高；当槽温降低时，炉帮增厚，阻止热量散失。良好的铝电解槽保温结构设计是形成理想炉帮形状的前提条件。顶部、侧部和底部的保温情况决定了铝电解槽的温度分布以及炉帮厚度和伸腿长度。因此，研究炉帮形状受这些参数的影响程度，对于铝电解槽的结构设计以及处理生产过程中出现的各种问题，具有重要的指导作用。而不断优化的铝电解槽炉帮形状计算方法，对于这些研究具有非常重要的意义。对铝电解槽炉帮形状的计算，工业界和学术界提出了多种计算方法，主要是基于热场计算的一维、二维和伪三维模型。然而，现有对于炉帮形状的计算方法，均没有反映出熔体流动对炉帮形成的影响，计算中也仅仅是赋予熔体一个较高的均一等效导热系数，由传递原理可知，流速大的区域传热也较快，上述均一简化与实际情况有较大的偏差。这就导致了根据上述计算结果所做出的评估是存在一定的偏差的。除此之外，铝电解槽在大型化的方向迅猛发展，目前400kA及以上的槽型已占全部电解槽的一半以上，因此现有炉帮计算以及由该类计算方法所得的评估已经不能满足现代大型电解槽的设计、生产需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法。本专利技术一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法：包括下述步骤：步骤(1)：获得铝电解槽的结构参数及铝电解槽运行工艺条件所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛以及内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热率、导电率、磁导率、密度和比热容，以及熔体的粘度和熔化潜热；上述参数均为固有属性参数；所述铝电解槽运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值；步骤(2)：建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型依据步骤(1)获得的数据，并使用假设的初始炉帮形状，根据有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型；步骤(3)：提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件，并求解电热场模型和电磁场模型，根据运算结果提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布；步骤(4)：求解炉帮形状的理论分布建立起铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型，并导入步骤(3)得到的焦耳生热率分布作为热源St，导入电磁力密度分布作为动量源项Sv，利用有限体积法求解数学模型得到炉帮形状的理论分布；步骤(5)：校准和验证数学模型以已有的铝电解槽为对象，通过步骤1-4求解所得的炉帮形状的理论分布计算得到该已有的铝电解槽n个位置的炉帮形状；然后测量该已有的铝电解槽n个位置的实际炉帮形状；根据实际炉帮形状校准边界条件；得到校准后的边界条件；步骤(6)：电解槽的运行效果的评估利用步骤(5)所得校准后的边界条件以及步骤四所得铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型；设定不同的槽结构设计参数与运行参数，根据设定的槽结构设计参数以及运行参数计算出该条件下炉帮形状；并根据炉帮的厚度对不同条件下电解槽的运行效果作出评估。在实际应用过程中，所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛以及内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热率、密度和比热容，以及熔体的粘度和熔化潜热；上述参数均为固有属性参数；所述铝电解槽运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值。在本专利技术所述电解质水平是指熔融电解质层的高度、所述铝水平是指熔融铝液层的高度、所述槽系列电流值是指加载在电解槽。本专利技术一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；步骤(2)中所述假设的初始炉帮形状优选为崔喜风,邹忠,张红亮,等人在《预焙铝电解槽三维槽帮形状的模拟计算》中所提供的炉帮形状。本专利技术一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；步骤(2)中根据有限元理论及方法建立的铝电解槽电热场模型的表达式如下方程组(3)： ∂ ∂ x ( k x ∂ T ∂ x ) + ∂ ∂ y ( k y ∂ T ∂ y ) + ∂ ∂ z 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热‑流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法：其特征在于包括下述步骤：步骤(1)：获得铝电解槽的结构参数及铝电解槽运行工艺条件所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛以及内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热率、导电率、磁导率、密度和比热容，以及熔体的粘度和熔化潜热；所述铝电解槽运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值；步骤(2)：建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型依据步骤(1)获得的数据，并使用假设的初始炉帮形状，根据有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型；步骤(3)：提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件，并求解电热场模型和电磁场模型，根据运算结果提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布；步骤(4)：求解炉帮形状的理论分布建立起铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型，并导入步骤(3)得到的焦耳生热率分布作为热源St，导入电磁力密度分布作为动量源项Sv，利用有限体积法求解数学模型得到炉帮形状的理论分布；步骤(5)：校准和验证数学模型以已有的铝电解槽为对象，通过步骤1‑4求解所得的炉帮形状的理论分布计算得到该已有的铝电解槽n个位置的炉帮形状；然后测量该已有的铝电解槽n个位置的实际炉帮形状；根据实际炉帮形状校准边界条件；得到校准后的边界条件；步骤(6)：电解槽的运行效果的评估利用步骤(5)所得校准后的边界条件以及步骤四所得铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型；设定不同的槽结构设计参数与运行参数，根据设定的槽结构设计参数以及运行参数计算出该条件下炉帮形状；并根据炉帮的厚度对不同条件下电解槽的运行效果作出评估。...

【技术特征摘要】
1.一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法：其特征在于包括下述步骤：步骤(1)：获得铝电解槽的结构参数及铝电解槽运行工艺条件所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛以及内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热率、导电率、磁导率、密度和比热容，以及熔体的粘度和熔化潜热；所述铝电解槽运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值；步骤(2)：建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型依据步骤(1)获得的数据，并使用假设的初始炉帮形状，根据有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型；步骤(3)：提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件，并求解电热场模型和电磁场模型，根据运算结果提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布；步骤(4)：求解炉帮形状的理论分布建立起铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型，并导入步骤(3)得到的焦耳生热率分布作为热源St，导入电磁力密度分布作为动量源项Sv，利用有限体积法求解数学模型得到炉帮形状的理论分布；步骤(5)：校准和验证数学模型以已有的铝电解槽为对象，通过步骤1-4求解所得的炉帮形状的理论分布计算得到该已有的铝电解槽n个位置的炉帮形状；然后测量该已有的铝电解槽n个位置的实际炉帮形状；根据实际炉帮形状校准边界条件；得到校准后的边界条件；步骤(6)：电解槽的运行效果的评估利用步骤(5)所得校准后的边界条件以及步骤四所得铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型；设定不同的槽结构设计参数与运行参数，根据设定的槽结构设计参数以及运行参数计算出该条件下炉帮形状；并根据炉帮的厚度对不同条件下电解槽的运行效果作出评估。2.根据权利要求1所述的一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；其特征在于：步骤(2)中根据有限元理论及方法建立的铝电解槽电热场模型的表达式如下方程组(3)： ∂ ∂ x ( k x ∂ T ∂ x ) + ∂ ∂ y ( k y ∂ T ∂ y ) + ∂ ∂ z ( k z ∂ T ∂ z ) + q S = 0 q s = σ | ▿ φ | 2 - - - ( 3 ) ]]>方程组(3)中，kx,ky,kz分别为x、y、z轴方向的导热系数，ρ为密度，均由步骤(1)收集得到；T为温度；qs为电流产生的焦耳热；σ为材料的电导率；φ为电势。3.根据权利要求1所述的一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；其特征在于；步骤(2)中根据有限元理论及方法建立的电磁场模型的表达式为方程组(4)： ▿ · J = 0 J = - σ ▿ φ ▿ × H = J B = μ H ▿ · B = 0 - - - ( 4 ) ]]>方程组(4)中，J为电流密度；σ为材料电导率；μ为材料磁导率；φ为电势，来源于计算前加载的电边界条件；H为磁场强度，B是磁感应强度，通过求解电磁场模型后可得到。4.根据权利要求1所述的一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；其特征在于；步骤(3)中设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件；所述边界条件为：电热场模型中的槽系列电流大小、外界空气温度、与外界空气的对流换热系数，电磁场模型中的槽系列电流大小。5.根据权利要求1所述的一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；其特征在于；步骤(3)中，设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件，并采用伽辽金法求解电热场模型、采用全标量法求解电磁场模型。6.根据权利要求1所述的一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；其特征在于；步骤(4)中所述的铝电解槽凝固传热仿真数学模型为方程组(1)： ∂ ∂ t ( ρ H ) + ▿ · ( ρ v → H ) = ▿ · ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红亮，梁金鼎，李劼，李天爽，孙珂娜，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43