新一代长寿命大型铝电解槽节能与控制基础研究

This project is closely concentrated on energy saving, the core issues of aluminum reduction technology. The present research highlights on the large scale aluminum cell are cell structure innovation, mass-heat transfer and intelligent control. Considering the characteristic of aluminum reduction process including multi-physics field coupling and multiple parameter association, effective research must be based on multidisciplinary association and systematic cooperation. Three scientific questions are proposed based on the structural and technological complexity of the large scale aluminum reduction cell: The nonlinear coupling mechanism of multi-physics field during the course of molten salts electrolysis, kinetics principle of high-temperature multi-phase interface reactions and mass-heat transfer, and carbon cathode failure modes and mechanism of long service life. This work, aiming to answer these three questions, will be carried out in five aspects: multi-physics field coupling model of gas-liquid flow under molten salts electrolysis, hydrodynamics of the coupling effect of new generation high-resistance flow and wave damping cathode and the whole-process rapid gas-escape anode, study on high accuracy magnetic field calculation in aluminum reduction cell and magnetohydrodynamic (MHD) stability, relationship between performance of cathode material used in aluminum reduction cell and long service life, and large scale aluminum reduction cell non-linear control. This work is supposed to provide theoretical basis for developing the high energy efficiency and intelligent control technology in aluminum industry to meet the targets for the national energy conservation and emission reduction.

本课题紧密围绕铝电解工业节能这一核心问题，以大型铝电解槽结构创新、质热传输、智能控制为研究思路，基于多学科交叉与系统的研究手段和方法，综合铝电解过程多场耦合、多参数协同等特点，凝练出熔盐电化学反应条件下多场非线性耦合机制；高温多相界面反应与质热传输过程动力学规律和碳素阴极材料损伤模式及长寿命服役机制三个科学问题。围绕三个科学问题，开展熔盐电化学反应条件下气液两相流多场耦合模型的建立，高阻流和减波的新一代阴极结构与全过程快速排气阳极结构耦合作用的流体力学研究，提高铝电解槽磁场计算精度及磁流体稳定性的研究，铝电解槽阴极材料性能及长寿命服役的研究和铝电解过程非线性控制等5方面的研究。最终为国家节能减排目标的实现和铝电解工业高效节能及智能控制提供科学依据和技术支撑。

本项目紧密围绕铝电解工业节能这一核心问题，以大型铝电解槽结构创新、质热传输、智能控制为研究思路，基于多学科交叉与系统的研究手段和方法，综合铝电解过程多场耦合、多参数协同等特点，针对3个科学问题—熔盐电化学反应条件下多场非线性耦合机制；高温多相界面反应与质热传输过程动力学规律和碳素阴极材料损伤模式及长寿命服役机制，开展了6个方面的研究内容—熔盐电化学反应条件下气液两相流多场耦合模型的建立，高阻流和减波的新一代阴极结构与全过程快速排气阳极结构耦合作用的流体力学研究，提高铝电解槽磁场计算精度及磁流体稳定性的研究，铝电解槽阴极材料性能及长寿命服役的研究，铝电解过程非线性控制和铝电解槽温度场计算基础研究。. 课题采用实验室实验、数值模拟和工业试验有机结合的方式进行。利用透明电解槽研究平台构建了高温物理仿真模型，研究了不同阳极开槽方式、界面润湿性、运动粘度和表面张力对气泡行为及氧化铝颗粒扩散行为的影响机理，并利用实验数据修正模型参数。基于高阻流和减波功能的新型阴极结构与具有全过程排气阳极的阳极结构耦合作用，研究了几种异型阴极结构电解槽，发现其相对于传统水平电解槽，电解质-铝液界面波动更加稳定。排气阳极增强了气体释放效率，利于减小电解质中气泡含量及阳极底掌的气泡覆盖率。研究了阴极电流密度、电解质分子比、氟化钾含量对不同阴极材料的侵蚀机理，发现增加阴极电流密度会降低孔隙周围骨料的力学性能，较高电解质分子比增加了阴极材料对钠的饱和吸收量，钠冰晶石电解质中氟化钾的添加会明显降低阴极的电解蠕变抗性。建立了带有复杂摇篮槽壳的铝电解槽磁场模型、电解质-铝液两相流、电解质-气泡两相流和基于电解质流动的氧化铝扩散模型，并分别对模型结果进行了校验。这些模型已经应用到SY 500KA新版铝电解槽设计方案中，正在建设中的电解系列计划2020年6月开始陆续投产。采用阳极电流在线检测方法实现了电解槽的基本槽况诊断。研究结果为国家节能减排目标的实现和铝电解工业高效节能及智能控制提供科学依据和技术支撑。