基于热量衡算和颗粒团聚行为分析的氧化铝溶解动力学研究

This project focuses on the dissolution kinetics of alumina in Hall-Héroult aluminum electrolysis process with the employment of high temperature see-through cell, in-situ gravimetric determination, multi-phase thermal balance analysis and heat-mass numerical modeling method based on the characteristic of the alumina dissolution process. This research centers on the multi-phase evolution and heat transfer mechanism during alumina dissolution, as well as the heat-related mass transfer process. Systematic studies on particle dispersion, agglomeration and the heat convection behavior between alumina and electrolyte will be carried out. The results will include: (1) revealing the agglomeration principles after alumina feeding; (2) explaining the heat-controlling process during alumina agglomeration; (3) understanding the mass transfer mechanism under the influence of heat transfer; (4) contributing to the lag-behind dissolution theory affected by alumina agglomeration. With the implementation of this project, a mass-heat coupled dissolution model for alumina will be built to support the technological innovation for alumina feeding in the aluminum industry.

本项目提出采用高温透明电解槽原位重量分析实验平台，结合同步温度测试技术、多相热平衡分析技术和热-质传输建模分析法，基于氧化铝溶解反应的热量需求及传质特征，研究铝电解工艺中氧化铝在冰晶石熔盐中的溶解动力学。围绕溶解过程中的多相演化及热量传输机制，以及铝电解质相变临界区域的非稳态热量平衡及质量传输机制两个关键问题，对溶解过程中的颗粒分散、团聚结壳行为及热量交换机制展开系统研究。该研究揭示氧化铝加料后的结壳行为规律，阐明氧化铝颗粒快速溶解和形成冷凝结壳的传热控制机理，明晰受热量传递过程阶段控制的溶解传质行为特征，补充由氧化铝颗粒团聚约束的氧化铝溶解滞后理论，建立耦合传质、传热方程的氧化铝两段式溶解数值模型。研究成果不仅从理论上支撑我国铝电解企业解决电解槽氧化铝溶解相关问题，而且对我国铝电解行业产业升级和技术进步具有重要的现实意义。

本项目采用高温透明电解槽原位重量分析实验平台，结合同步温度测试技术、多相热平衡分析技术和热-质传输建模分析法，基于氧化铝溶解反应的热量需求及传质特征，研究铝电解工艺中氧化铝在冰晶石熔盐中的溶解动力学。首先，利用改装的透明槽设备，采用原位重量分析法，研究了新鲜氧化铝加入到冰晶石熔液表面时，由于局部过冷而形成结壳和结壳溶解过程，测定了结壳的溶解速率及结壳的主要物理化学性质。通过对氧化铝溶解结壳过程的热量衡算，分析了氧化铝加料过程中的热量平衡，以及加料量、氧化铝预热温度、电解液温度对溶解过程的影响。. 为深入了解阳极气体搅动电解质对氧化铝溶解过程的强化规律，以及探究“阳极效应”的发生机理。在实验室搭建了200A高温透明电解槽可视化研究平台，通过底部观测和侧部观测相结合的方式，利用Matlab软件实现了矩阵数据批量处理方法，对不同电流密度、不同几何形状、不同尺寸的阳极底部气泡行为进行了对比分析。揭示了阳极底掌真实电流密度分布规律、阳极表面气泡更新局部差异和阳极气泡赋存位置取向等规律。. 鉴于铝电解过程中大部分的电解槽异常都与氧化铝下料不畅有关，而每次进行下料操作时首先要进行打壳操作，为保证打壳操作能够顺利进行，因此对铝电解覆盖料的晶型转变、板结等过程展开研究。研究了氧化铝-冰晶石固体混合物的晶型转变过程。在深入掌握X射线衍射K值法物相定量分析技术的基础上，研究了在不同分子比和不同温度下50%氧化铝-50%冰晶石配比的混合物中，氧化铝向α相转化的状态及其影响规律。. 本项研究补充了由氧化铝颗粒团聚约束的氧化铝溶解滞后理论，建立了耦合传质、传热方程的氧化铝两段式溶解数值模型。研究成果不仅从理论上支撑我国铝电解企业解决电解槽氧化铝溶解相关问题，而且对我国铝电解行业产业升级和技术进步具有重要的现实意义。