铝电解槽阴极块形状的优化

铝电解槽阴极块形状的优化要点:1、铝电解槽阴极的热电模型是合适的2、设计优化工具已发展经济型的研究3、结果
表明减少CVD和优化阴极寿命增加20%。（cathodevoltagedrop阴极电压降，简称CVD）关键词：铝电解槽优化节能设计阴极磨损热电分析摘要：一个有限元优化模型确定的一个AP-30型铝电解槽【AP-30电解槽技术及技术指标法国彼施涅铝公司在开发280kA电解槽后，于1986年初又起动了有120台电解槽的G系列。在此以后，世界上又有4个电解系列采用此项技术，并将系列电流提高到近300kA（简称AP-30型电解槽）】阴极块的最佳形状。最佳的设计形状是使得在阴极块表面上的电场的电流密度尽可能均匀，同时延长其寿命，以尽量减少其能量消耗，并尽量减少材料的成本。结果表明：通过对集电极棒的设计进行一些改变，可使阴极电压降降低93mV，电池的寿命可提高20%。1、简介图1所示为典型的铝电解槽生产铝的示意图。电解过程是由直流电流从阳极通过冰晶石电解质流到铝液层，铝在电解质中溶解。由于电解质具有较低的电导率，电流仍然主要是垂直的通过4~5厘米电解质间隔流到带负电荷的铝液表面。一旦电流进入高电导率的铝液层，它不再局限于一个垂直的路，因为其他在电解槽侧壁和阴极固化电解质成分的电阻远大于铝液。其结果是，铝液层中生成水平的电流，并导致磁流体动力扰动，从而在熔融铝产生波。从金属焊盘上，电流流入阴极碳块，然后通过阴极内嵌入到铸铁密封件中的钢制集电极棒中。集电极棒将电流从槽中带出，并连接到每一个槽周边的更大的铝母线上。这些母线进入在槽系中的下一个槽的阳极棒。图1霍尔-埃鲁铝电解槽示意图在电解槽运行中，一个具有挑战性的问题是阴极碳块成分的磨损。这个问题显而易见会缩短设备寿命。尽管事实上，阴极炭块的磨损与钠渗透的降解在过去已经进行了深入的研究，对潜在的现象仍然存在几个问题。磨损的来源可以是化学，电化学和机械的原因。结构和在内衬碳表面和铝液和电解质混合液的大量交换看起来是磨损的主要因素。它们依赖于碳材料，孔隙率，氟化铝3AlF的含量和熔融氧化铝的扰动。据目前的研究，电流密度的影响是占主要地位。事实上，电流密度分布曲线和阴极普遍的W型磨损曲线直接相关。尽管有实际利益，很少有研究致力于集电极棒或碳块组件对金属的电稳定性影响。在一些这些调查中，提出为了使电流密度更均匀设计修改的阴极。不幸的是，这些研究没有考虑到碳块的磨损。本论文从设计角度探讨了阴极块的这个问题。一个AP-30型电解槽阴极组件三维有限元模型第一次被开发。该模型接下来用于调查块表面上电流密度对其磨损率的影响。这些结果将产生的阴极寿命的预测模型。集电极棒和炭块组件的设计修改提出在优化过程中采用经济分析作为对不同的操作标准比较的基础。2、数学模型一个AP-30铝电解槽正在研究阴极炭块组件示意图如图2所示。集电极棒是碳钢制成用铸铁密封。内衬碳是由石墨化碳制成。在块表面的液体是铝液和电解质的混合，它的比例依赖于槽的热稳定性和电流流动。图2AP-30阴极炭块组装和识别模型的边界条件（阴极块的四分之一）为了模拟块组件中电位的分布和传热，根据以下假设建立数学模型：槽子寿命主要受阴极上的非均匀电流密度影响；瑞尼和威尔金对AP-30阴极块电化学磨损形曲线进行的测度仍然保留；瑞尼和威尔金发现
磨损速率与时间无关；在整个磨损过程
阴极电压降（CVD）保持不变；
集电极棒内嵌铜和钢之间的接触热阻可以忽略不计（内嵌铜已被添加到集电极棒以达到优化的目的，见图9）；阴极碳材料的导电性认为是各向异性的。各向异性和阴极的挤压制备工艺直接相关。控制方程的电势分布和传热，然后可以表示为0V(1)qzyxzTkyTkxTkzyx(2)是电导率，V是电势，k是导热系数，T是温度。体积热源项q代表了焦耳效应，它由下式给出：2Eq(3)电场是由公式（1）中电势V的解得到的，其中VE-公式（1）和（2）的边界条件如下：在混合液的表面（边界1，图2）：operationTT（4）在于槽壁接触的表面，在阴极组件的底面以及在集电极棒的密封面（边界2和'2，图2）：nTThzyxTkbulk,,-（5）h是热传导系数：T（n）为集电极棒表面或块的外表面温度处的温度。bulkT是槽周围的环境空气温度。暴露于周围空气的表面传热系数h，已与自然对流的相关性的实证估计（边界2）。对于接触的绝缘壁或与底部的电池的块组件的表面，该系数小时计算，以便考虑到所有的材料层之间的块和空气以外的壳（边界'2）的整体热电阻。对于密封铸铁表面的接触电阻（边界3，图2）：21ssVVlJ（6）l/为两接触面之间单位长度的导电率，V为每个表面的电压。在混合液上表面（边界4，图2）：specifiedVV（7）在棒的末梢（边界5，图2）;specifiedII（8）I是被许多块分隔的电解槽的电流最后，一个施加在中央平面上和在阴极以及混合液的横向表面对称的边界条件（边界6，图2）：0,0,0,0xTxVzTzV（9）数值解以上公式（1）~（3）和边界条件（4）~（9）用牛顿-拉普森残余量有限元法解决。计算由一个有270000节点的网格执行。对于电势和温度的分布，当残差的总和满足下面标准时，称为收敛R（10）的大小为0.001，虽然用了更精细的网格大小和更严格的收敛标准，但结果并没有显着改善。铝液-壁界面是特别关注的问题。的确，在这个界面（图3），导热系数下降了两个数量级的大小，电阻率下降了四个数量级。图3铝液-壁界面示意图为了避免急剧的物理性质变化导致的数值不稳定，铝液-壁界面可视为一种假象材料，这种材料温度依赖性处于壁架和铝液的中间（图4）。图4考虑液态铝和壁架假想材料的温度依赖性结果分为两部分。首先，建立了电流密度和阴极块的寿命之间的一种联系。然后调查关键设计参数对阴极块的寿命的影响。其次，进行多条件优化分析，以确定最佳的阴极设计。4.1寿命与表面电流密度相关性雷尼和-威尔金做了一个AP-30阴极炭块的磨损分布报告，预测的电流密度如图5首先，显而易见，最大磨损部位和炭块表面的最大电流密度的Z位置之间是匹配的。根据许多学者的研究，观察到的碳块表面的磨损是由电化学引起的。基于这种分析，磨损与当地的电流密度有关。它是由整体磨损轮廓匹配实现W形状。第二，每一点上的磨损率沿着阴极（Z轴）可以用以下公式估算第三，这种表达方式与对应的电流密度的结合产生了如图6所示的相关关系。在下一节中，这种相关性将被用于执行优化分析。最后，如图7所示计算的阴极寿命取决于电流密度和碳块的初始厚度两个因素。阴极寿命可以表示为：公式的分母来自图六的相关分析。从这些结果中，当最大电流密度为34750A/m2时，阴极实际设计的寿命为5.2年。雷尼和-威尔金进行几个电解实验研究发现随着时间的推移阴极磨损率保持不变。另一方面，杜普伊斯观察到磨损率随着池年龄而增加。为了阐明这个问题，采用本模型进行了连续一年的模拟。初始磨损率首先是由电流密度分布决定的，因此，在试验一年之后，阴极的侵蚀形状可以预测。然后重新计算这一年的侵蚀块的电流密度分布以确定将保留的第二年的磨损率的新分布。然后用这种方法重新计算第二年，以此类推，计算五年以上。由此产生的磨损呈现如图8。这一图示的检验表明，通过验证假设的平均恒定磨损率，恒定磨损率的磨损曲线和变速率的磨损曲线几乎是相似的。然而，磨损预测与可变磨损率的策略是向池中央略微突出。这种现象是由于壁面的增加电阻引起的，这一效果被杜普伊斯的研究忽视了。事实上，随着炭块磨损的发展，炭块暴露于液态铝的表面区域冷却下来，并改变了壁面轮廓。因此，电流密度的峰值向池中心转移，从而使碳磨损。4.2最优化方案本次调查的目的是确定的碳块内的集电极棒的设计以延长其寿命。这一目标是通过改变阴极块的形状来实现的，从而使电流密度沿阴极的表面尽可能的统一，并尽量减少能源消耗。如图9所示,对十个几何参数进行了研究，这些参数的范围见表1。改变阴极的设计，自然会影响电解槽的制造，以及它的能量消耗。在优化过程中要考虑这些影响（图10）。本经济学分析的目的是基于相同的标准来比较不同的设计。结果必须被视为相对的，而不是绝对的，因为经济因素是依赖市场和时间的。此设计描绘了在阴极电压降，寿命，和最大的节约铜量之间的最佳的折中方案。讨论的结果是基于一个参考测试案例，描述如下：最好的设计是通过最大限度地利用以下成本函数。对于参考和优化的电解槽，AEref和AEnew包括所有的成本（材料，制造和能源消耗）。编制成本函数时，假定电解池的采购和启动成本为300000美元，改性de阴极单元的制造成本是500美元,铜的成本是8美元/公斤,现金流是基于12%的最小可接受返回比，资本化期0.25年。此外，能源的成本估计P是功率消耗，NH是每个时间周期的小时数和CC是单位电力成本（0.05美元/千瓦时）。功率消耗p=VI,V是阴极电压降的电压,I流经电解槽的电流。进行了近300次全模拟，花费约215小时的中央处理器时间来确定最佳的阴极块。根据中央复合设计增强抽样方法,进行了精心设计了一系列模拟。三优化方法被用来找出最佳方案：抽样方法，遗传算法和拉格朗日二次逼近法。在表2中总结了阴极块的预测优化尺寸。图12中示出了相应的设计。不同标准和成本分析的主要结果见表3。结果表明，优化的电解槽的节约超过20000美元。图13比较了优化块中的电流密度分布与基准块的电流密度分布。可以看出，通过优化块中心的电流更大。由于棒越宽，内部加铜棒，块就更冷（图14）。因此，在电解过程中，壁架的结构将加强。还需要进一步研究，以考察该设计变更对磁流体力学行为的影响和电解池的操作。在最有影响的参数中，发现：1、集电极棒应尽可能宽，在阴极块出口处的铜的横截面也应扩大，以减少阴极电压降。2、铁棒的高度应小于（约等10厘米）以提高碳材料的比例和延长阴极寿命。3、在阴极块的制造中，在经济可接受的情况下应采用尽可能多的铜。它的高导电性产生一个均匀的电流密度在阴极的表面上，从而延长其寿命。对一些关键设计和操作参数的影响也进行了研究。节省的以百分比为单位总结在表4中，定义为：在表4中看见，随着电力成本的增加，优化阴极块的节省越来越有吸引力。相对于参考模型，优化设计在阴极块的表面产生更均匀的电流密度（UCD）。其结果是，阴极块的寿命延长了20%。此外，基于以前的研究，均匀的电流密度和电解池的稳定性是相关的。可以预测最佳设计将允许一个较小的阳极的阴极的距离，从而降低了电解池的能量消耗。最后，推测阴极电压降将随时间变化。对参考模型进行的计算表明，新的阴极块的电压降和使用5年的旧的腐蚀过的阴极块的电压降相差2%。在本研究中还忽略了阴极电压降的变化对成本函数的影响。5、结束语模拟AP-30铝电解槽阴极炭块的电流分布和传热特性的数值模型被开发。然后，该模型被彻底地用于确定阴极块的最佳形状。设计的最佳形状是使得在阴极块表面上的电场密度尽可能均匀，从而延长其寿命和最大限度地减少其能量消耗。设计优化也要考虑经济。结果表明，通过对集热器的设计进行一些改变，阴极的寿命可以增加20%，阴极电压降可以减少93mV。然而，需要进一步的工作，是检查的边沿形状对电流分布的影响。