铝电解槽膛内形在线动态仿真理论研究

铝电解槽膛内形在线动态仿真理论研究 法.在此基础上.提出了能初步应用于现场的槽膛内形在 线动态仿真技术方案. 关键词铝电#坦壁由垄动态仿真台 中图岳系囊亨Fll1.52——一 槽膛内形对电流分布,熔体流动,电流效 率,吨铝能耗和槽寿命等均有显着的影响.现 场常常出现相同性能的槽而生产指标却相差很 远的现象,其原因大多是由于炉膛不规整导致 槽子发生摆动,使操作和控制难以正常进行所 致.以往的研究主要是电解槽的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和改造. 难以为操作和管理人员提供操作决策依据和在 线监控模型.因而槽膛内形的在线动态仿真研 究就非常迫切,工程应用价值大.本文从铝电 解工艺理论角度研究了实现槽膛内形在线动态 仿真的可行性. 1槽帮消长影响因素 工艺参数对槽膛内形的影响除了电解质工 作温度这一综台指标之外,主要是通过改变熔 盐电解质体系的特性,接着再通过熔体参数来 影响槽膛内形.集中 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为热量的积累与耗散 及槽内熔体”水当量”的变化.槽帮在熔体周围 的消长过程是一个非常复杂的动态过程,涉及 体系中如下4个方面 (1)熔体热力学参数包括熔体熔点(初 晶点),熔池水当量,熔体表面张力等,这些因 素直接影响晶核的形成和结晶析出. (2)熔体动力学参数;包括熔体粘度,扩 散系数,导热系数,导电率和离子迁移数等. (3)槽体结构参数:包括内衬结构,阳极 尺寸,槽壳结构,加工面宽度和母线结构等. 其中内衬结构是决定电解槽设计时基准热平衡 和初期槽膛内形的重要外因.槽体结构对槽膛 内形的影响除内衬材料的热物性性质随槽龄增 长有所改变外(慢时变过程),其它都是固定不 变的,对于生产中的定型槽这些因素对槽帮的 消长不再有影响. (4)外界环境条件:包括环境温度和空气 流速,尽管两者对槽帮的消长也有影响,但并 不是主要因素. 依据参数随时间变化的规律,可将影响槽 膛内形的因素分为”静态影响因素”和”动态影 响因素两类. 静态因素是指对槽膛内形虽有影响,甚至 是比较大的影响,但在生产中已不再随时间发 生变化,或随时间的变化很小,或虽有变化, 但在一定时间段内仍保持不变,在各不同时间 段内均能用常数代表的因素.动态因素是指在 电解生产中随时间不断发生变化和渡动的因 素.显然,槽体结构参数是静态影响因素,其 它都是动态影响因素. 0国家经贸蚕资助课题收稿日期:199709—05;修回日期:199802—12 游旺,男,29岁,博士 中国有色盘属1998年12月 2静态影响因素 内衬材料的热物性参数随槽龄增长虽有一 定的变化,但在一段时间内可视为相对稳定, 对槽膛内形的影响属于慢时变的稳态过程.可 将内衬材料的热物性参数按槽龄分为多个时间 段,在每一时间段内认为热物性参数是常数, 段与段之间的取值可以相同也可以不相同.更 好的办法应该是建立内衬材料各槽龄段热物性 参数数据库,但这个方面的研究工作相当耗时 耗力,到目前为止还很少见国内外有完整的报 遭.其他结构参数都是定型参数,只要在生产 中保持不变,对槽膛内形就不会再有影响. 3动态影响因素 生产中随时变化且又影响熔体热力学和动 力学特性的因素是工艺技术参数和操作参数. 具体地说是: 工艺技术参数;系列电流,槽电压,极距, 电解质温度,铝液温度,分子比,电解质和铝 液水平,阳极效应系数; 常规操作作业:加料,换阳极,出铝,调 整极距,边加工. 3.I电解温度,电流,电压 电解温度是影响槽膛内形的综合因素,是 槽子动态热平衡的结果与体现.研究采用基于 能量收支估算的热平衡估算模型来估算电解温 度,并定期用现场实测温度校正.以电解槽整 体作为计算体系,并以电解温度作为计算基 础,考察槽热平衡式中的4项可得动态热平衡 方程式为L—J: A供电=A电解+A加热+A热掼+A导甥 (I) A供可直接由槽电压(V)和系列电流(』) 的在线采样值计算,即:A=V?. A*可通过应用热力学数据从电化学反 应式出发推导建立起与系列电流的关系.涉及 电流效率的铝电解总反应为 Al, T)+—手五,T)+c(.T)一 ‘1 AI(I, T)十号(2一专)cT)+ 1 昔(专一I)CO(T)(2)_』 式中y代表电流效率,可按槽出铝量换算. 取电解温度为T:1228K,推导可得: A=(O.441+I131y)』 A导线可通过设定导线电阻(R,0)为电 流的函数来解决,即:A导线=RI/1000. 忽略阳极气体在离开计算体系前的物理显 热对槽热平衡状态的影响,并令 0=A供电一A电解一A导线,则0就可视为 输入电解槽内的发热功率.由以上推导可知, 0=Vl一(O441十11317)I— RI/iooo(3) A取决于加入槽内的原料种类和重量, 在槽正常运行过程中,Alz的加热和熔解是 A的主要部分.添加Ak是影响槽温最显 着的因素.加料对槽温的影响一是由加入的冷 料在被加热和部分立即熔解过程中吸收大量热 量而导致的电解质温度短时的急骤变化,这可 视为动态热平衡被暂时打破;另一方面是由 (平均)加料速率不足或过量而导致的电解质温 度(相对)缓慢的变化,这种变化可视为电解质 温度动态热平衡温度的变化,也即热平衡状态 的变化,由此即可计算出动态热平衡温度变化 的增量?T,然后再对电解槽作非稳态传热解 析即可估算出槽膛内形. 32极距及其调整 极距及其调整有两个目的,一是维持正常 的极距,二是通过调整极距来改变铝电解槽的 能量输入,实行对槽热平衡状态的控制.其直 接结果是引起槽电压的波动,准确地说,是焦 耳电压的波动,因此对槽膛内形的影响实质上 就是槽电压对槽膛内形的影响.这可以直接通 过在线采集得到的系列电流和槽电压来计算. 3.3出铝 出铝是影响槽膛内形的周期性因素.其影 第8卷第4期赫旺等:铝电解槽膛内形在线动态仿真理论研究?697 响主要是改变了槽内熔池水当量,同时使得铝 液层上下两面之间的温度差减小,铝液层下表 面温度升高,从而引起热平衡和槽膛内形的变 化.出铝瞬间对热平衡的影响可近似等效于一 次额外下料约3Ok窟0J,将其影响转换为槽电 压的变化.出铝后铝水平降低,至下一次出铝 之前铝水平对槽膛内形的影响可按如下 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进 行估算. (1)铝液层温度变化的估算 铝液内的温度并非均匀一致,而是在上下 两面之间存在一温度差.根据经验,可设定铝 水平最高时电解质与铝液层平均温度的差值 (AT)为5?左右,最低时为3?左右.这样. 出铝后铝液层温度随铝水平变化关系可用式 (4)计算. TM-二-q-TB(4) 式中了1B一电解质温度.K;一估计函数, =-一. ?了1用式(5)估算: ?T=3+2(H一HD)/AH(5) 忽略槽帮斜度导致的铝液面积和体积的增 量,任意时刻的铝水平可由电流强度,电流效 率,时间和槽膛容积以及铝液密度来估算. H1=HD+?G/D(6) 式中H一任意时刻铝水平,cm;H.一出铝 后铝水平(最小值),cm;?H一出铝前后铝水 平的高度差,cm;p一铝液密度,kg/m; SD—HD时对应的铝液面积,cm;?G一电解 槽铝产量的增量,k窖,可由下式计算: ?G:3.356×10Irr(7) 式中卜一电解槽的电流强度,A;r一电解槽 的电流效率,%;r一出铝后运行时间,h. (2)熔池水当量变化的估算 由式(7)即可求出铝液质量的增量.将之 代入到水当量的计算式中,即可求出对应铝水 平下的水当量. 然后将T作为铝液温度以及水当量代 入槽况解析,就能达到对铝水平对槽瞠内形影 响的动态估计. 34熔体流动 熔体流动对槽帮的消长有两种影响,一是 流动对槽帮的机械冲蚀,二是影响熔体与槽帮 之间的对流换热速率.流动对槽帮的机械冲 蚀,主要表现在增大新凝固层的表观过热 度b].熔体流动对熔体与槽帮结壳之间的对流 换热系数的影响可由经验公式计算求出J. 35分子比 分子比是影响熔体热力学的根本因素.是 确定能否形成槽帮的决定性判据之一.分子比 的变化即电解质成分的变化使得槽帮结壳初晶 点发生变化.引起槽帮结壳密度和导热系数的 变化,从而影响槽膛内形和槽内热平衡.分子 比对初晶点的影响可用实验式估算求出-. 正常生产中,分子比在一定时间内不可能有大 的变化,其波动可通过现场定期 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得到. 3.6边jjo-r(电解槽边部打壳下料) 边加工是影响槽膛内形最大,最难估计的 因素.边加工对槽膛内形的影响主要体现在以 下几个方面.边加工时.槽内电解质中被打人 大量的结壳与Ako粉末.一方面打入电解质 中的冷料融化需要吸收大量的热,同时槽壳散 热增多破坏了电解槽原有的能量平衡;另一方 面玲料融化后,电解质质量也发生了变化,影 响了槽内电解质的水当量?(kJ/K)水当量 w可由下式估算. W三mz’(8) 式中m为槽内不同物质的质量,c为对应 物质的热容. 电解槽水当量的变化比较复杂,与电解质 和铝液的质量,电解质成分,电解温度以及边 加工,出铝,槽帮熔化等因素有关.若加工前 后电解槽吸收的能量保持不变,即 Q噬,加工前=Q吸, 加工后 亦即 ?-T=-(9) 若边加工前后的槽内水当量发生了变化, 由式(9)可知,加工前后的电解温度必然要发 生相应的变化.此外,边加工对电解质成分也 中国有色金属1998年12月 有一定的影响.上述几方面的影响均会引起电 解槽热场发生变化.实际生产中,由于边加工 量的多少随现场操作情况而变化,无法进行准 确测量,因此每次边加工量是个随机的不可知 量.研究中首先设定边加工量为一常数,然后 在模态校验中根据实际情况逐步修正. 3.7更换阳极 更换阳极是影响槽膛内形的周期性因素. 对换极的影响处理如下: (1)假定更换1块阳极需砸开3块阳极的 宽度.如果换极在边部,则取为两块阳极的宽 度加40mm再加烟道端或出铝端的距离. (2)计算残余阳极带走的热量; (3)新换阳极被加热所吸收的热量; (4)换极过程中打入槽膛内的结壳和粉末 被加热所吸收的热量; (5)槽壳散热增量,水当量增量. 换极对槽膛内形的强影响是区域性的,如 采用”切片模型”并能在线采集到各阳极块上的 电流分布,解析结果是比较准确的. 3.8阳极效应 阳极效应是一种特殊现象,发生时槽电压 短时间内上升到20,50v,因而能量消耗增加 到5,12倍.效应分摊的电压(?v#)可用式 (1O)计算. ?V效应=(V效应一V槽),/1440(10) 式中为效应系数,次/日;V效应,V槽分 别为发生效应时与正常运行时的槽电压;,为 每次效应持续时间,min. 阳极效应对热平衡的影响是以脉冲形式表 现的.对电解质温度有很大影响,但对槽膛内 形的影响却滞后很大.研究中一方面监视阳极 效应,另一方面对电解质温度进行时间序列分 析和平均(滤波平滑处理),消除强脉冲项. 4动态仿真技术方案 通过对上述动态影响因素的在线采集和估 算,就能估算出电解槽的热平衡和温度变化的 增量(?Q和?T),将之代入关于槽膛内形的 非稳态导热微分方程进行解析并对?Q和?T 以及槽膛内形进行循环校验就能得到各时间段 图1槽膛内形动态仿真技术方案 Fig.1Technicalschemeforfreezedynamicsimulation 第8卷第4期游旺等:铝电解槽膛内形在线动态仿真理论研究?699 的槽膛内形,其技术方案如图1所示. 5结语 按该方案设计的槽膛内形在线动态仿真软 件经实践初步证明,以电流,电压为主变量, 其他动态因素为辅变量,以热平衡衡算为基础 确定的槽膛内形在线动态仿真技术方案,比较 实际地反映了实际生产中槽膛内形的消长情 况,把握了槽膛内形变化的本质,能较准确地 反映实际生产中槽膛内形的变化趋势.具有较 大的工程应用价值. REFERENCES lQiuZhuxian(邱竹贤)PrebakedA]uminiumElec tmiysis(预焙槽炼铝)Beijing:MetaLLurgicalIndus tryPress,1980:6 2LiJie(李士力).PhDthesisChangsha:Central SouthUniversityofTechnology.1993 3YouWang(持旺)PhDthesisChangsha:Central SouthUniversityofTechnology,1997 4DemaeddeEandCambridgeLELightMetals. 1975:1l1122 5HaupinWETMS-AIME.AnnualMeetingPaper NewYork.1971. 6Meic(梅炽)alJournalofCentra1.SouthIn sitituteofMiningandMetallurgy(中南矿抬学院学 报).1986.52(6):29—37 7RmturaA,SoLbeimAand$tertenALightMetals, 1990:311. 8SkybakmoenE,SolheimAandStertenALight MetaLs,1990:317 oN-LINEDYNAMICSIMULATIoNoFFREEZE PRoFILEINALUMINIUMELECTRoLYSIS YouWang.WangOianpu.LiXinfengandMeiChi DepartmentofAppliedPhysicsandHeatEnneering, CentralSouthUniversityofTechnology,Changsha410083,P.R.China ABSTRACTBymeansofanaly口 ngtherelationshipbetweenthemoltenelectrol~eprope~iesandthefreezeDmilleas weLLasthelawsoffactorsaffectingthefreezeprofilewithrespecttotime.thetechnologicalfactorsaffectingthetreege pmfilewereclassifiedintotwotypes,ie.staticfactorsanddynamicfactors,forthefirsttimeBaseduponthedetailed researcho[ithedynamicfactorsandtheirnumericalsolutionapproaches,atechnicalpmposalofestablishinganon.1inedy namicsimulationwhichcanbeusedincommercialpracticewasmade Keywo~dsaluminiumelectrolysisfreezepmfiledynamicsimulation c编辑袁赛前)