第43卷第12期 中南大学学报自然科学版) Vol 43 No 12 2012年12月 Journal of Central South University(Science and Technology) Dec.2012 铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排岀的影响 杨帅,张红亮,徐宇杰,张翮辉,邹忠,李劼,赖延清 中南大学冶金科学与工程学院,湖南,长沙,410083) 摘要:采用数值仿真的方法计算在铝电解槽预焙阳极上开槽后的气泡-电解质流场,从阳极底掌下电解质中气泡 分布的角度考察阳极不同开槽方式对气泡排出的影响。结果表明:阳极不开槽时底掌下电解质中的气泡可以分为 2层,靠上的一层为方形薄层,靠下的一层为聚集于中部的半方半椭圆的气泡层,整个气泡层厚度较大且气泡含 量多:开槽位置及开槽数量均对在阳极长度方向开槽的排气效果有较大影响,合理开槽能明显加快气泡的排放, 消除中心聚集的部分气泡层;在阳极宽度方向开槽也可以促进气泡排放,但其效果主要受开槽数量的影响:在阳 极竖直方向开槽对减小气泡层厚度和气泡含量作用不太显著 关键词:铝电解:阳极开槽:阳极气体:气泡排出 中图分类号:TF821 文献标志 文章编号:1672-7207(2012)12-4617- Effects of slot cutting at prebaked anodes on bubble elimination in aluminum reduction cell YANG Shuai, ZHANG Hong-liang, XU Yu-jie, ZHANG He-hui, ZoU Zhong, LI Jie, LAI Yan-qing (School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China) Abstract: The anode gas induced bubble-electrolyte flow fields around a prebaked carbon anode with slots in aluminum reduction cell were calculated by using the numerical simulation method, and the distribution of bubble in electrolyte below the anode was discussed for examining the effects of longitudinal, transverse and vertical slot cutting at anodes on bubble elimination. The results show that the gas layer below anode can be divided into two layers, the upper one is a thin square layer, and the lower one is gather in the centre with a half- square and half-circle shape, and the whole layer is thick and contains large volume of anode gas. The number and location of longitudinal slots show great effect on exhaust effect, and appropriate slots will quicken the bubble elimination process and remove the lower gas layer. When anode has transverse slots, the bubble escapes faster from the pool, and slots number is the most important factor for exhaust effect in the case. Anode with vertical slots shows no significant effect on reducing the bubble content and thickness of the gas Key words: aluminum electrolysis; slot anode; anode gas; bubble elimination 现今工业应用的预焙铝电解槽均使用平底的炭阳泡。此部分气泡的存在严重恶化了极间电解质的导电 极,由于其底掌面积较大并且与电解质的润湿性较差,性,减小了电解质与阳极的接触面积,增大了极间电 阻碍了铝电解反应过程产出的阳极气体向槽外排放 压降。同时,由于电解质与铝液的水平流动与垂直 因此阳极底掌下的电解质层中总是积存着部分阳极气波动,致使部分气泡与铝液接触并发生氧化反应,引 收稿日期:2012-02-27;修回日期:2012-06-14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51104187):教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100162120008 通信作者:张红亮(1979-),男,湖南临湘人,博士,副教授,从事冶金过程仿真与控制研究;电话:0731-88830474;E-mail: net hotan@l63com
第 43 卷第 12 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.43 No.12 2012 年 12 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Dec. 2012 铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排出的影响 杨帅，张红亮，徐宇杰，张翮辉，邹忠，李劼，赖延清 (中南大学 冶金科学与工程学院，湖南，长沙，410083) 摘要：采用数值仿真的方法计算在铝电解槽预焙阳极上开槽后的气泡−电解质流场，从阳极底掌下电解质中气泡 分布的角度考察阳极不同开槽方式对气泡排出的影响。结果表明：阳极不开槽时底掌下电解质中的气泡可以分为 2 层，靠上的一层为方形薄层，靠下的一层为聚集于中部的半方半椭圆的气泡层，整个气泡层厚度较大且气泡含 量多；开槽位置及开槽数量均对在阳极长度方向开槽的排气效果有较大影响，合理开槽能明显加快气泡的排放， 消除中心聚集的部分气泡层；在阳极宽度方向开槽也可以促进气泡排放，但其效果主要受开槽数量的影响；在阳 极竖直方向开槽对减小气泡层厚度和气泡含量作用不太显著。 关键词：铝电解；阳极开槽；阳极气体；气泡排出 中图分类号：TF821 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2012)12−4617−09 Effects of slot cutting at prebaked anodes on bubble elimination in aluminum reduction cell YANG Shuai, ZHANG Hongliang, XU Yujie, ZHANG Hehui, ZOU Zhong, LI Jie, LAI Yanqing (School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China) Abstract: The anode gas induced bubbleelectrolyte flow fields around a prebaked carbon anode with slots in aluminum reduction cell were calculated by using the numerical simulation method, and the distribution of bubble in electrolyte below the anode was discussed for examining the effects of longitudinal, transverse and vertical slot cutting at anodes on bubble elimination. The results show that the gas layer below anode can be divided into two layers, the upper one is a thin square layer, and the lower one is gather in the centre with a half square and halfcircle shape, and the whole layer is thick and contains large volume of anode gas. The number and location of longitudinal slots show great effect on exhaust effect, and appropriate slots will quicken the bubble elimination process and remove the lower gas layer. When anode has transverse slots, the bubble escapes faster from the pool, and slots number is the most important factor for exhaust effect in the case. Anode with vertical slots shows no significant effect on reducing the bubble content and thickness of the gas layer. Key words: aluminum electrolysis; slot anode; anode gas; bubble elimination 现今工业应用的预焙铝电解槽均使用平底的炭阳 极， 由于其底掌面积较大并且与电解质的润湿性较差， 阻碍了铝电解反应过程产出的阳极气体向槽外排放， 因此阳极底掌下的电解质层中总是积存着部分阳极气 泡。此部分气泡的存在严重恶化了极间电解质的导电 性，减小了电解质与阳极的接触面积，增大了极间电 压降[1−3] 。同时，由于电解质与铝液的水平流动与垂直 波动，致使部分气泡与铝液接触并发生氧化反应，引 收稿日期：2012−02−27；修回日期：2012−06−14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104187)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100162120008) 通信作者：张红亮(1979−)，男，湖南临湘人，博士，副教授，从事冶金过程仿真与控制研究；电话：073188830474；Email：net_hotang@163.com
中南大学学报(自然科学版) 第43卷 起电流效率的损失。另外,若极间氧化铝浓度降低, 炭阳极与电解质的润湿性变差,气泡更难排出并逐渐 理论基础及模型 聚合形成连续气膜覆盖于阳极底掌,就会引发阳极效 应,槽电压大幅上升,产生大量额外电能消耗并引起 极间过热,导致电解生产不稳定。解决这些问题的1.1控制方程 关键在于使电解反应过程产出的阳极气体及时排 在铝电解槽膛内,典型的物相有气泡、电解质 并使阳极周围电解质的流动更有利于电解槽的传质传铝液及少量固体分散物等,因此,研究槽内的流体流 热。国内外研究与应用表明,在炭阳极上开槽可以有动时,需采用多相流的计算方法。关于电解质的运动, 效促进阳极气体的排放,表现出良好的节能减排效已有许多的研究表明气体的作用是最主要的因 果5叫,然而在阳极开槽的工业应用中也产生了一些问素,因此本文中仅研究阳极气体作用下的电解质 题,改变了原本电解槽的许多行为,出现了若干负面流动,即仅包含气泡与电解质两相。不考虑熔体中的温 影响,如炭渣上升、阳极使用周期缩短及铝液中铁含度差以及气泡的分散与聚合,采用欧拉欧拉法计算此 量升高等。因此,为优化阳极开槽设计,减小开气泡电解质两相流动,其连续性方程及动量方程为: 槽对电解槽的负面影响,针对阳极开槽对电解过程影 ar apa)+\ VapaUm)=0 (1) 响的研究具有非常重要的意义。 Grunspan研究了在 阳极上开倾斜向上的导气槽,指出此种开槽方法相对 ( pau)+V·(z(paUa×Ua) 于水平开槽更加有利于气泡排出。李相鹏等1从电解 质流动及湍动的角度研究了开槽阳极对电解质流动的 ra vpa +v auger (vUa +(VUa)))+SM+M 影响,指出部分阳极气体可以从开槽部位排出,从而 (2) 减少气体在阳极底掌的停留时间及覆盖率,并且促进式中:ra,Pa和U分别为第a相(a分为Ba相和 电解质向开槽部位流动,对降低极间压降与阳极效应 相,分别代表电解质和气泡)的体积分数、密度和平均 系数以及保持电解槽良好的传质传热都有利;同时, 速度;{acm为有效黏度;Pa为两相压力:SM为作用 阳极开通槽相对于非通槽更能保持电解质的稳定流 于a相的外部作用力;M为流动相间的动量传递,与 动,对电流效率也更加有利。Yang等利用PV粒相间相对速度、密度和曳力有关。在每个流体部分的 子图像测速技术)研究阳极开槽的深度及宽度对电解每个微元内,电解质和气泡同时共存,相互间体积分 质流动的影响,指出随着阳极消耗,导气槽浸没于电数满足如下关系 解质的部分越来越少,气体从导气槽中排出对于电解 质流动影响越大,电解质循环中心向上移动,阳极开 槽湍动比不开槽的要小:开槽宽度的增大,从导气槽 气泡与电解质间的曳力系数C采用Ishi- Zuber关 中排放的电解质流速增大,同时湍动能减小,电解质系式进行计算: 流动更加稳定。徐宇杰基于考虑电磁力及水平流动 影响的非线性浅水模型分别计算了在无气泡影响及有 C=max{max(1+0.1Re).0.44 气泡影响情况下的磁流体波动稳定性,指出气泡的存 8 (4) 在加剧了铝液电解质界面的变形程度,对电流分布的 均匀性会产生负面影响;因此可以合理推测,减小气式中:Re为颗粒 Reynolds数:Eo为 Eotvos数。分别 泡的影响对于改善槽内磁流体波动性也有作用。工业为 应用的实际效果及以上研究都表明:阳极开槽可以有 Ba JUBu-Ubald 效促进阳极气体的排出,然而对于阳极开槽方式的设 计,大多基于经验判断,缺少相关理论研究,而这对 Eo="PBald- 于气泡排出的效果有决定性影响。本文作者运用数值 仿真的方法研究预焙铝电解槽阳极不同开槽方式对于式中:a为电解质黏度;d为气泡直径;g为重力加 阳极气体排出的影响,从阳极底掌下气泡层存在状态速度:a为气泡与电解质的界面张力 的角度分析不同开槽方式对于阳极气泡排出的作用 非均相多相流动可应用均相湍流模型或非均相湍 结果可为优化阳极开槽设计提供参考 流模型进行计算,但采用均相湍流模型更为普遍
4618 中南大学学报(自然科学版) 第 43 卷 起电流效率的损失。另外，若极间氧化铝浓度降低， 炭阳极与电解质的润湿性变差，气泡更难排出并逐渐 聚合形成连续气膜覆盖于阳极底掌，就会引发阳极效 应，槽电压大幅上升，产生大量额外电能消耗并引起 极间过热，导致电解生产不稳定[4] 。解决这些问题的 关键在于使电解反应过程产出的阳极气体及时排出， 并使阳极周围电解质的流动更有利于电解槽的传质传 热。国内外研究与应用表明，在炭阳极上开槽可以有 效促进阳极气体的排放，表现出良好的节能减排效 果[5−9] 。 然而在阳极开槽的工业应用中也产生了一些问 题，改变了原本电解槽的许多行为，出现了若干负面 影响，如炭渣上升、阳极使用周期缩短及铝液中铁含 量升高等[10−11] 。因此，为优化阳极开槽设计，减小开 槽对电解槽的负面影响，针对阳极开槽对电解过程影 响的研究具有非常重要的意义。Grunspan [12] 研究了在 阳极上开倾斜向上的导气槽，指出此种开槽方法相对 于水平开槽更加有利于气泡排出。李相鹏等[13] 从电解 质流动及湍动的角度研究了开槽阳极对电解质流动的 影响，指出部分阳极气体可以从开槽部位排出，从而 减少气体在阳极底掌的停留时间及覆盖率，并且促进 电解质向开槽部位流动，对降低极间压降与阳极效应 系数以及保持电解槽良好的传质传热都有利；同时， 阳极开通槽相对于非通槽更能保持电解质的稳定流 动，对电流效率也更加有利。Yang 等[14] 利用 PIV(粒 子图像测速技术)研究阳极开槽的深度及宽度对电解 质流动的影响，指出随着阳极消耗，导气槽浸没于电 解质的部分越来越少，气体从导气槽中排出对于电解 质流动影响越大，电解质循环中心向上移动，阳极开 槽湍动比不开槽的要小；开槽宽度的增大，从导气槽 中排放的电解质流速增大，同时湍动能减小，电解质 流动更加稳定。徐宇杰[15] 基于考虑电磁力及水平流动 影响的非线性浅水模型分别计算了在无气泡影响及有 气泡影响情况下的磁流体波动稳定性，指出气泡的存 在加剧了铝液电解质界面的变形程度， 对电流分布的 均匀性会产生负面影响；因此可以合理推测，减小气 泡的影响对于改善槽内磁流体波动性也有作用。工业 应用的实际效果及以上研究都表明：阳极开槽可以有 效促进阳极气体的排出，然而对于阳极开槽方式的设 计，大多基于经验判断，缺少相关理论研究，而这对 于气泡排出的效果有决定性影响。本文作者运用数值 仿真的方法研究预焙铝电解槽阳极不同开槽方式对于 阳极气体排出的影响，从阳极底掌下气泡层存在状态 的角度分析不同开槽方式对于阳极气泡排出的作用， 结果可为优化阳极开槽设计提供参考。 1 理论基础及模型 1.1 控制方程 在铝电解槽膛内，典型的物相有气泡、电解质、 铝液及少量固体分散物等，因此，研究槽内的流体流 动时，需采用多相流的计算方法。关于电解质的运动， 已有许多的研究表 明气体的作用是最主要的因 素[14−17] ，因此本文中仅研究阳极气体作用下的电解质 流动， 即仅包含气泡与电解质两相。 不考虑熔体中的温 度差以及气泡的分散与聚合，采用欧拉欧拉法计算此 气泡电解质两相流动，其连续性方程及动量方程为： (r ) (r U ) 0 t ara ara a ¶ + — × = ¶ (1) (r U ) (r ( U U )) t ara a a ra a a ¶ + — × ¥ = ¶ T eff ( ( ( ) )) M r p r U U S M - a— a + — ama a a a a × — + — + + (2) 式中：rα，ρα 和 Uα 分别为第 α 相(α 分为 Ba 相和 Bu 相，分别代表电解质和气泡)的体积分数、密度和平均 速度；μα, eff 为有效黏度；Pα 为两相压力；SMα 为作用 于 α 相的外部作用力；Mα 为流动相间的动量传递，与 相间相对速度、密度和曳力有关。在每个流体部分的 每个微元内，电解质和气泡同时共存，相互间体积分 数满足如下关系： r 1 Â a = (3) 气泡与电解质间的曳力系数 C 采用 IshiiZuber 关 系式进行计算： 24 0.75 C max max (1 0.1Re ),0.44 Re Ï È ˘ = Ì + Í ˙ Ó Î ˚ 2 0.5 8 min , 3 3 Eo È ˘ ¸ ˝ Í ˙ Î ˚˛ (4) 式中：Re 为颗粒 Reynolds 数；Eo 为 Eotvos 数。分别 为： Ba Bu Ba Ba r U U d Re m - = (5) 2 Bu Ba g d Eo r r s - = (6) 式中：μBa 为电解质黏度；d 为气泡直径；g 为重力加 速度；σ 为气泡与电解质的界面张力。 非均相多相流动可应用均相湍流模型或非均相湍 流模型进行计算，但采用均相湍流模型更为普遍[17]
杨帅,等:铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排出的影响 本文采用均相标准keε湍流模型进行计算 到CFX中设定相关计算参数并进行计算。 1.2模型及边界条件 根据槽内流体运动的情况,设定阳极底掌及与电 以某预焙铝电解槽设计方案的相关部分为研究对解质接触的侧部为气泡 Inlet边界,分别定义气泡覆盖 象,其阳极尺寸(长×宽×高)为1600mm×650mm×率及气体流量,气体的流量m-n按照下式计算: 550mm。计算中所需的工艺参数如表1所示。 722x2+14x 103 表1工艺参数 式中:η为电流通过侧部或底部的比例,本次计算取 Table 1 Technical parameters 侧部电流占总电流的15%;为阳极通过的总电流 极距/mm电解质水平/mm阳极流经电流/A x与x分别为阳极气体中CO2及CO的摩尔分数,本 次计算x与x分别取78%和22%;F为法拉第常数。 45 8000 电解质上表面为气体出口,定义为 Degassing边界 其余面均为不可滑移壁面;在本文选择的工艺条件下, 在铝电解阳极开槽的应用领域,存在长度和宽度根据前人的研究结果,阳极气泡平均直径可取10 方向开槽均在使用的现状,但同时也有学者提出更为 mm 8。 复杂的开槽方法,包括竖直方向的开槽或者各方向结1.3材料属性 合起来开槽的方法,本文分别研究在沿阳极长度方向 计算中所需的材料属性见表217 开槽、宽度方向开槽、竖直方向开槽下气泡在阳极底 掌下电解质中的分布及积存情况。对于此几种开槽方 表2材料性能 式,开槽宽度均为20mm;长度、宽度方向上开槽深 Table 2 Material properties 度均为300mm,竖直方向上导气槽均为通槽,即导 密度(kgm3)黏度(kgms) 气槽连通阳极底掌与阳极上表面,不开槽及几种不同 气泡 0.398 方向开槽的阳极炭块示意图如图1所示。仿真计算时 所有模型在 ANSYS中生成并进行网格划分,再输出 解质 2130 2.513×10-3 边距 b开槽深度 开槽宽度 开槽深度 (a)不开槽:(b)长度方向开槽:(c)宽度方向开槽;(d)竖直方向开槽 图1不同开槽方式的阳极示意图 Fig 1 Schematic diagrams of different carbon anodes
第 12 期 杨帅，等：铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排出的影响 4619 本文采用均相标准 kε 湍流模型进行计算。 1.2 模型及边界条件 以某预焙铝电解槽设计方案的相关部分为研究对 象，其阳极尺寸(长×宽×高)为 1 600 mm×650 mm× 550 mm。计算中所需的工艺参数如表 1 所示。 表 1 工艺参数 Table 1 Technical parameters 极距/mm 电解质水平/mm 阳极流经电流/A 45 220 8 000 在铝电解阳极开槽的应用领域，存在长度和宽度 方向开槽均在使用的现状，但同时也有学者提出更为 复杂的开槽方法，包括竖直方向的开槽或者各方向结 合起来开槽的方法，本文分别研究在沿阳极长度方向 开槽、宽度方向开槽、竖直方向开槽下气泡在阳极底 掌下电解质中的分布及积存情况。对于此几种开槽方 式，开槽宽度均为 20 mm；长度、宽度方向上开槽深 度均为 300 mm，竖直方向上导气槽均为通槽，即导 气槽连通阳极底掌与阳极上表面，不开槽及几种不同 方向开槽的阳极炭块示意图如图 1 所示。 仿真计算时， 所有模型在 ANSYS 中生成并进行网格划分，再输出 到 CFX 中设定相关计算参数并进行计算。 根据槽内流体运动的情况，设定阳极底掌及与电 解质接触的侧部为气泡 Inlet 边界， 分别定义气泡覆盖 率及气体流量，气体的流量 min 按照下式计算： a b in 3 a b 22 14 10 2 I x x m F x x h + = + (7) 式中：η 为电流通过侧部或底部的比例，本次计算取 侧部电流占总电流的 15%；I 为阳极通过的总电流； xa 与 xb 分别为阳极气体中 CO2 及 CO 的摩尔分数，本 次计算 xa 与 xb分别取 78%和 22%；F 为法拉第常数。 电解质上表面为气体出口，定义为 Degassing 边界， 其余面均为不可滑移壁面； 在本文选择的工艺条件下， 根据前人的研究结果，阳极气泡平均直径可取 10 mm [18] 。 1.3 材料属性 计算中所需的材料属性见表 2 [17] 。 表 2 材料性能 Table 2 Material properties 材料 密度/(kg∙m −3) 黏度/(kg∙m −1 ∙s −1) 气泡 0.398 5.055×10 −5 电解质 2 130 2.513×10 −3 (a) 不开槽；(b) 长度方向开槽；(c) 宽度方向开槽；(d) 竖直方向开槽 图 1 不同开槽方式的阳极示意图 Fig.1 Schematic diagrams of different carbon anodes
4620 中南大学学报(自然科学版) 第43卷 泡层较厚,边缘较薄,此分布情况与Kiss等9的研究 2结果与讨论 结论是基本一致的。由于气泡的存在会严重恶化此层 电解质的导电性及与炭阳极的润湿性,同时槽内铝液 波动时下部气泡层中的气泡容易接触铝液而造成电流 2.1长度方向开槽对气泡排出的影响 效率的损失,若电解质中氧化铝浓度较低,此气泡层 分别计算阳极不开槽、沿长度方向上中间位置开可能会更厚且气体含量更多而更容易引发阳极效应 条槽、边距分别为50,100,125,150及200mm 因此这样的气泡层的存在对实现低电压及低效应铝电 的位置上开2条槽及均匀开3条槽后的气泡电解质流解都是相当不利的。 场,分析在阳极长度方向上开槽对气泡排出的影响, 考虑在阳极长度方向开槽,由表3可以看出,所 各开槽方案分别按上述顺序定义为A至H。 有长度方向的开槽方案均有利于减小电解质中气泡含 表3所示为A至H开槽方案的阳极底掌下气泡分量及气泡覆盖率。参考图2(b),2(1,2(g)及2(h)可知 布状况的计算结果,图2及图3所示分别A至H开槽合适的阳极长度方向上开槽能消除集聚在阳极底掌下 方案距阳极底掌105mm及2lmm的电解质截面上气中心部位的下部气泡层,使整个气泡层简化为一薄层, 泡体积分数分布情况,分布图中左侧指向电解槽的大减小了整体厚度并且气泡的分布较为均匀,有效促进 了气体的排放,减小气泡与铝液接触的可能性;此外 由图2(a)及图3(a)可知:不开槽阳极底掌下电解由表3中方案B,G以及H的气泡在不同电解质界面 质中的气泡在水平方向上可以分为2层,位置较上的上的体积分数及气体总积存量可知,开槽数量越多越 层形态对应于阳极底掌的形状,呈现为一个方形薄有利于促进气泡的排放,从而减小气体在阳极下的体 层状的分布(浅蓝色部分);靠下的一层为分布于中部积分数及总积存体积;但值得注意的是,开3条槽相 位置的气泡层,大致呈半方半椭圆形的分布,气泡含对于开2条槽在气泡总积存量上只减小了089L,气 量从中心到边缘逐渐减少,并且较多的聚集在阳极底泡体积分数也差别较小,但其质量损失已经高达4608 掌的中部。对比图2(a)及图3(a)可知:距阳极底掌越kg,因此从效率及经济性上考虑,在阳极长度方向上 向下的电解质截面中气泡体积含量越小,并且从上到开1条或2条导气槽较为合理。 下减小的很快。由表3可知:在距阳极底掌5mm的 考虑开槽位置对阳极长度方向上开2条槽的排气 电解质层平均气泡体积分数可达5096%,在距阳极底效果的影响。对比图3(c),(d),(e),(1)及图(g),并由 掌10.5mm时减少到1751%,而当距底掌21mm时表3中开槽方案C,D,E,F以及G的气泡体积分数 已经减少到约169%,因此从竖直方向上看,其下部及总积存体积可知:气泡层的形态随着阳极开槽位置 气泡层的形态呈一个长条薄层状,靠近中心部位的气的变化而有一定的差别,槽边距增大时,阳极底掌下 表3不同长度方向开槽阳极底掌下的气泡分布状况 below anode with different longitudinal slot cutting 气泡平均体积分数 阳极 方案 气泡总积存 距底掌5mm处 距底掌10.5mm处 距底掌21mm处 体积几L质量损失 1751 187×10-7 10. 8.63 0.25 7.3 30.72 0.18 30.72 4.ll×10 6.45 5.98 2.15 2.67×10 5.0
4620 中南大学学报(自然科学版) 第 43 卷 2 结果与讨论 2.1 长度方向开槽对气泡排出的影响 分别计算阳极不开槽、沿长度方向上中间位置开 1 条槽、边距分别为 50，100，125，150 及 200 mm 的位置上开2条槽及均匀开3条槽后的气泡电解质流 场，分析在阳极长度方向上开槽对气泡排出的影响， 各开槽方案分别按上述顺序定义为 A 至 H。 表 3所示为 A至 H开槽方案的阳极底掌下气泡分 布状况的计算结果， 图 2 及图 3 所示分别 A 至 H 开槽 方案距阳极底掌10.5 mm及21 mm 的电解质截面上气 泡体积分数分布情况，分布图中左侧指向电解槽的大 面。 由图 2(a)及图 3(a)可知：不开槽阳极底掌下电解 质中的气泡在水平方向上可以分为 2 层，位置较上的 一层形态对应于阳极底掌的形状，呈现为一个方形薄 层状的分布(浅蓝色部分)；靠下的一层为分布于中部 位置的气泡层，大致呈半方半椭圆形的分布，气泡含 量从中心到边缘逐渐减少，并且较多的聚集在阳极底 掌的中部。对比图 2(a)及图 3(a)可知：距阳极底掌越 向下的电解质截面中气泡体积含量越小，并且从上到 下减小的很快。由表 3 可知：在距阳极底掌 5 mm 的 电解质层平均气泡体积分数可达 50.96%， 在距阳极底 掌 10.5 mm 时减少到 17.51%，而当距底掌 21 mm 时 已经减少到约 1.69%，因此从竖直方向上看，其下部 气泡层的形态呈一个长条薄层状，靠近中心部位的气 泡层较厚，边缘较薄，此分布情况与 Kiss 等[19] 的研究 结论是基本一致的。由于气泡的存在会严重恶化此层 电解质的导电性及与炭阳极的润湿性，同时槽内铝液 波动时下部气泡层中的气泡容易接触铝液而造成电流 效率的损失，若电解质中氧化铝浓度较低，此气泡层 可能会更厚且气体含量更多而更容易引发阳极效应， 因此这样的气泡层的存在对实现低电压及低效应铝电 解都是相当不利的。 考虑在阳极长度方向开槽，由表 3 可以看出，所 有长度方向的开槽方案均有利于减小电解质中气泡含 量及气泡覆盖率。参考图 2(b)，2(f)，2(g)及 2(h)可知： 合适的阳极长度方向上开槽能消除集聚在阳极底掌下 中心部位的下部气泡层， 使整个气泡层简化为一薄层， 减小了整体厚度并且气泡的分布较为均匀，有效促进 了气体的排放， 减小气泡与铝液接触的可能性；此外， 由表 3 中方案 B，G 以及 H 的气泡在不同电解质界面 上的体积分数及气体总积存量可知，开槽数量越多越 有利于促进气泡的排放，从而减小气体在阳极下的体 积分数及总积存体积；但值得注意的是，开 3 条槽相 对于开 2 条槽在气泡总积存量上只减小了 0.89 L，气 泡体积分数也差别较小， 但其质量损失已经高达 46.08 kg，因此从效率及经济性上考虑，在阳极长度方向上 开 1 条或 2 条导气槽较为合理。 考虑开槽位置对阳极长度方向上开 2 条槽的排气 效果的影响。对比图 3(c)，(d)，(e)，(f)及图(g)，并由 表 3 中开槽方案 C，D，E，F 以及 G 的气泡体积分数 及总积存体积可知：气泡层的形态随着阳极开槽位置 的变化而有一定的差别，槽边距增大时，阳极底掌下 表 3 不同长度方向开槽阳极底掌下的气泡分布状况 Table 3 Situation of gas distribution below anode with different longitudinal slot cutting 气泡平均体积分数/% 方案 距底掌 5 mm 处 距底掌 10.5 mm 处 距底掌 21 mm 处 气泡总积存 体积/L 阳极 质量损失/kg A 50.96 17.51 1.69 10.45 0 B 33.95 4.21 1.87×10 −7 7.61 15.36 C 39.83 10.41 0.79 8.63 30.72 D 31.92 5.61 0.25 7.33 30.72 E 29.52 4.87 0.18 6.96 30.72 F 26.14 3.24 4.11×10 −8 6.45 30.72 G 23.05 2.86 2.36×10 −8 5.98 30.72 H 17.31 2.15 2.67×10 −8 5.09 46.08
铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排出的影响 气泡 体积分数:1×1031×10-12×1013×1014×101体积分数:1×1051×10-12×10-13×1014×101 体积分数:1×10-51×10-12×1013×1014×10-1体积分数:1×1051×10-12×1013×10-14×101 气泡■ 体积分数:1×1031×10-12×10-13×1014×101体积分数:1×10351×10-12×10-13×1014×10 气泡 气泡 体积分数:1×1051×1012×1013×10-14×10体积分数:1×101×10-12×1013×10-14×1 (a)方案A;(b)方案B:(c)方案C:(d)方案D;(e)方案E;(方案F;(g)方案G:(h)方案H 图2不同长度方向上开槽方案阳极底掌下10.5mm电解质层中气泡体积分数分布 Fig 2 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different longitudinal slot cutting 气泡层的分布范围及体积分数都有所减小,中心部位槽应尽量少,则开1条槽已经足够;若要达到更好的 聚集的下部气泡层逐渐被压缩为长条状,当槽边距达排气效果,则需开2条槽并且合理的选择开槽的位置 到125-150mm间的某一值时,中心部位集聚的下部但开槽后阳极质量损失相对于开1条槽增加1倍。 气泡层消失,气泡层变成薄层状;若开槽部位边距继2.2宽度方向开槽对气泡排出的影响 续增大,气体的覆盖率及总积存量继续减小,当槽边 分别计算沿阳极宽度方向上开1条槽、均匀开2 距达到200mm时,气泡总积存量从不开槽时的1045条槽及3条槽,整体左移50mm的3条槽及均匀开4 L下降到598L,减少了42.78%,阳极底掌下5mm条槽的气泡-电解质流场,分析在阳极宽度方向上开 中电解质气泡体积分数从5098%下降至2305%。从槽对气泡排出的影响,各开槽方案分别按上述顺序定 以上分析可以看出:在开2条槽时,合理选择开槽位义为I至M 置对于发挥其最大的促进排气效果具有重要意义,本 表4所示为I至M开槽方案的阳极底掌下气泡分 实例中所选择的阳极尺寸及工艺条件均较为具有代表布状况的计算结果,图4所示分别为开槽方案为I至 性,因此若确定在阳极长度方向上开2条槽时,开槽M时距阳极底掌10.5mm的电解质截面上气泡体积分 的位置距侧边应在200mm以上。 数分布情况,各分布图中左侧指向电解槽大面。 从减少阳极质量损失及开槽成本考虑,在底部开 由图4可知:在阳极宽度方向上开槽有利于减小
第 12 期 杨帅，等：铝电解槽预焙阳极开槽对气泡排出的影响 4621 (a) 方案 A；(b) 方案 B；(c) 方案 C；(d) 方案 D；(e) 方案 E；(f) 方案 F；(g) 方案 G；(h) 方案 H 图 2 不同长度方向上开槽方案阳极底掌下 10.5 mm 电解质层中气泡体积分数分布 Fig.2 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different longitudinal slot cutting 气泡层的分布范围及体积分数都有所减小，中心部位 聚集的下部气泡层逐渐被压缩为长条状，当槽边距达 到 125~150 mm 间的某一值时，中心部位集聚的下部 气泡层消失，气泡层变成薄层状；若开槽部位边距继 续增大，气体的覆盖率及总积存量继续减小，当槽边 距达到 200 mm 时， 气泡总积存量从不开槽时的 10.45 L 下降到 5.98 L，减少了 42.78%，阳极底掌下 5 mm 中电解质气泡体积分数从 50.98%下降至 23.05%。从 以上分析可以看出：在开 2 条槽时，合理选择开槽位 置对于发挥其最大的促进排气效果具有重要意义，本 实例中所选择的阳极尺寸及工艺条件均较为具有代表 性，因此若确定在阳极长度方向上开 2 条槽时，开槽 的位置距侧边应在 200 mm 以上。 从减少阳极质量损失及开槽成本考虑，在底部开 槽应尽量少，则开 1 条槽已经足够；若要达到更好的 排气效果， 则需开 2 条槽并且合理的选择开槽的位置， 但开槽后阳极质量损失相对于开 1 条槽增加 1 倍。 2.2 宽度方向开槽对气泡排出的影响 分别计算沿阳极宽度方向上开 1 条槽、均匀开 2 条槽及 3 条槽，整体左移 50 mm 的 3 条槽及均匀开 4 条槽的气泡−电解质流场，分析在阳极宽度方向上开 槽对气泡排出的影响，各开槽方案分别按上述顺序定 义为 I 至 M。 表 4 所示为 I 至 M 开槽方案的阳极底掌下气泡分 布状况的计算结果，图 4 所示分别为开槽方案为 I 至 M 时距阳极底掌 10.5 mm 的电解质截面上气泡体积分 数分布情况，各分布图中左侧指向电解槽大面。 由图 4 可知：在阳极宽度方向上开槽有利于减小