低电压大容量铝电解槽三维瞬态电-磁-流场强耦合建模及磁流体稳定性研究

A strong-coupling mathematical model of three-dimensional transient electro-magnetic-flow fields and a corresponding analysis method of MHD stability will be built up according to the MHD theory and the feature of aluminum electrolytic system.The synchronous transient computation of electro-magnetic-flow fields will be achieved based on ANSYS software platform, and the characteristic parameters of the wave of metal-bath interface will be obtained through Spectrum analysis.The MHD behavior of the typical low-voltage large-capacity cells is calculated and analyzed, and MHD stability of the cells with various structures are also proved in theory.Finally, and aming at optimizing MHD stability,some criterion for the design of cell structure and corresponding technical condition will be put forward, based on a systematical analysis of the effect of cell structure and technical condition on electric magnetic and flow fields.This project can provide the reliable analysis means and theory foundation for the development of a low-voltage large-capacity aluminum reduction cell and its operation technology.

本项目针对已有铝电解槽磁流体行为研究所用理论模型存在缺陷且适用范围存在局限性的现状，开展铝电解槽三维瞬态电-磁-流场强耦合建模及磁流体稳定性分析与优化研究。项目根据磁流体动力学原理和铝电解体系自身特点，建立三维瞬态电-磁-流场强耦合数学模型及基于该模型的磁流体稳定性分析方法，基于ANSYS平台实现三场的同步瞬态计算，通过频谱分析获得铝液-电解质界面波动特征参数；对典型低电压大容量槽的磁流体行为进行计算和分析，理论论证各种结构槽的磁流体稳定性；在系统分析槽结构及工艺参数调整对电场、磁场和流场的影响的基础上，以优化磁流体稳定性为核心，提出槽结构及对应工艺技术条件设计的若干准则。本项目研究工作可为低电压大容量铝电解槽及其运转技术的开发提供可靠的分析研究手段和基础理论依据。

本项目针对已有铝电解槽磁流体行为研究所用理论模型存在缺陷且适用范围存在局限性的现状，开展铝电解槽三维瞬态电-磁-流场强耦合建模及磁流体稳定性分析与优化研究。.项目严格按照项目计划书的设计，开展了以下内容的研究：三维瞬态电-磁-流场强耦合数学模型及基于该模型的磁流体稳定性分析方法的研究；对典型低电压大容量槽的磁流体行为进行计算和分析，理论分析各种结构槽的磁流体稳定性；在系统分析槽结构及工艺参数调整对电场、磁场和流场的影响的基础上，以优化磁流体稳定性为核心，提出槽结构及对应工艺技术条件设计的若干准则。.经过四年的工作，已完成全部研究内容，得到以下主要结果：.（1）建立了完整的三维瞬态电-磁-流场强耦合模型，并解决了求解的收敛性和稳定性，提出了铝电解槽新型结构的磁流体行为研究的方法，算例分析表明，瞬态三相流强耦合能够揭示铝电解流场中更多潜在规律，可以挖掘出阳极气泡相对电解质流场的显著作用；.（2）通过对异形阴极方案、新型导电结构阴极方案与高导电阴极钢棒方案三类不同阴极结构的新型铝电解槽的磁流体稳定性分析及波动行为研究，结果表明，相较于采用普通阴极，三种方案均使该槽的铝液、电解质流速在不同程度上下降，此外，三种方案均使该槽的铝液-电解质界面扰动有所减小，异形阴极方案使该槽电流效率略有下降，另两种方案未使电流效率发生明显变化；.（3）综合应用阳极电流分布检测与流场测试，结果表明，所建立的方法与实际测试结果更为吻合，验证了项目提出方法的有效性；.（4）系统分析了不同工况下的电磁流场，提出了一套改进型磁流体稳定性评价准则，即整槽熔体划分为多个功能区域，应用电磁流强耦合模型获得各区域金属-电解质界面的三维瞬态演变，基于界面变形量、变形区域分布等信息评价电解槽的稳定性。.项目研究所获得模型可为特大型或新型结构铝电解槽及其配套运行技术的开发，提供可靠的分析研究手段和基础理论依据，具有重要的理论和实际意义。