大型铝电解槽多物理场的工业测试分析及反映铝液液面状态新方法的研究

发布时间：2021-05-06 22:31

　　工业化的发展使得各行业一直保持着对铝的高需求量状态。随着铝电解生产规模的扩大和发展,我国已具备独立自主设计和建造大型预焙阳极铝电解槽的技术和能力,在烟气净化和自动化控制技术上也取得了长足的进步。但能源和原材料的供应压力以及国内劳动力优势的逐年递减,使得我国铝电解工业正面临着巨大的风险和挑战。现阶段,我国铝电解行业发展的重点正在向铝电解槽的优化设计与研发、工艺技术的改进与创新、生产管理的精细控制等方向转移,以达到生产运行高效低耗的目的。铝电解槽的设计要求从分析各种结构材料的性能及其与生产工艺关系的角度出发,借助于计算机仿真软件模拟计算各物理场,比较不同设计方案的可行性及优势,进而达到设计的优化。对大量工业实测数据的研究与分析不仅是槽况诊断装置、自动化操作控制程序和系统开发的前提,也是物理场计算中数学模型选择和建立的基础,更是验证仿真计算准确性、可靠性以及电解槽设计合理性的依据。现阶段国内铝电解领域的研究焦点多集中在对物理场及槽况的模拟,由于测试设备和能力等条件的制约,对于铝电解槽多物理场的大型工业测试与分析,只有少数专业测试团队能够进行,其以数据为主的测试报告内容相对简单,测试数据与分析... 

【文章来源】：东北大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：158 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 铝的发现与工业化生产的发展
        1.1.1 铝的发现
        1.1.2 铝电解的工业化生产
    1.2 冰晶石-氧化铝熔盐电解法
        1.2.1 基本原理
            1.2.1.1 冰晶石-氧化铝熔盐结构
            1.2.1.2 电极反应
        1.2.2 电解铝生产工艺流程
        1.2.3 铝电解槽的类型
    1.3 课题提出的背景及意义
        1.3.1 原铝产量与消费量
        1.3.2 国内外铝电解生产水平与成本的差距
        1.3.3 现阶段亟待解决的问题及课题的提出
    1.4 我国铝电解槽多物理场仿真与工业测试研究现状
        1.4.1 我国铝电解槽多物理场仿真研究现状
        1.4.2 我国铝电解槽多物理场工业测试研究现状
    1.5 课题内容安排与创新点
        1.5.1 内容安排
        1.5.2 课题创新点
第2章 多物理场测试内容及方法
    2.1 课题研究的对象与测试手段
    2.2 电压平衡测试
        2.2.1 电压平衡测试的内容
        2.2.2 阳极电流分布测试方法
            2.2.2.1 阳极导杆等距压降测试原理
            2.2.2.2 阳极导杆等距压降测试方法
            2.2.2.3 阳极电流分布的计算
        2.2.3 电压平衡测试参数与计算方法
            2.2.3.1 阴极压降
            2.2.3.2 阳极压降
            2.2.3.3 母线压降
            2.2.3.4 极间压降
            2.2.3.5 效应分摊电压
        2.2.4 阴极电流分布测试与计算方法
        2.2.5 斜立母线电流计算方法
    2.3 能量平衡测试
        2.3.1 能量平衡测试的内容
        2.3.2 能量平衡的计算方法
            2.3.2.1 能量收入计算
            2.3.2.2 能量支出计算
        2.3.3 能量平衡测点布置与测试方法
            2.3.3.1 槽壳
            2.3.3.2 罩板
            2.3.3.3 槽沿板
            2.3.3.4 阴极钢棒
            2.3.3.5 铝导杆
            2.3.3.6 摇篮架
            2.3.3.7 电解质温度
            2.3.3.8 烟气流量、压力及温度
            2.3.3.10 环境温度
            2.3.3.11 槽内形
    2.4 磁场测试
        2.4.1 测试仪器、设备和测点布置
        2.4.2 计算方法
    2.5 流速场测试
        2.5.1 测试原理
        2.5.2 测试点分布与测试步骤
第3章 多物理场工业测试数据分析与结果
    3.1 电压平衡测试数据分析与结果
        3.1.1 阳极电流分布计算数据分析与结果
        3.1.2 电压平衡测试计算数据分析与结果
        3.1.3 阴极电流分布计算数据分析与结果
        3.1.4 斜立柱母线电流计算数据分析与结果
        3.1.5 阳极导杆等距压降测试数据分析与结果
    3.2 能量平衡测试数据分析与结果
        3.2.1 能量平衡与热平衡计算数据分析与结果
        3.2.2 槽内形数据分析与结果
    3.3 磁场测试数据分析与结果
        3.3.1 磁感应强度计算数据分析与结果
        3.3.2 电磁力数据分析与结果
            3.3.2.1 水平电磁力数据分析与结果
            3.3.2.2 垂直电磁力数据分析与结果
        3.3.3 铝液水平环流与电流分布之间的关系
        3.3.4 母线结构配置分析
            3.3.4.1 立柱进电比
            3.3.4.2 阴极母线的垂直位置
            3.3.4.3 端部绕行母线与槽底补偿母线分析
    3.4 流速场测试数据分析与结果
        3.4.1 水平流速场的分析
        3.4.2 铁棒的溶蚀
        3.4.3 铝水平、水平最大流速位置与沉淀高度
    3.5 小结
        3.5.1 多物理场测试分析的新视角
        3.5.2 多物理场测试结果分析总结
            3.5.2.1 按出电形式
            3.5.2.2 按阴极炭块形式
            3.5.2.3 方案四、五、六电解槽的细节差异
        3.5.3 存在的问题与建议
第4章 反映导杆等距压降状态新方法的参数确定
    4.1 研究问题的提出与理论研究思路
    4.2 阳极导杆三维温度场方程的推导和建立
    4.3 与阳极导杆等距压降相关的参数确定
    4.4 方程及参数确定的现实意义与应用
第5章 拟合公式与工业测试验证
    5.1 参数的工业测试
    5.2 拟合公式及物理意义
    5.3 拟合曲线与等距压降曲线等效的数据分析说明
        5.3.1 数据分析完整示例说明
        5.3.2 其他数据图示说明
    5.4 结论
第6章 温度场反映铝液液面状态的理论研究
    6.1 问题研究的可行性
    6.2 理论研究与公式推导
        6.2.1 电流和温度的关系的建立
            6.2.1.1 “0上”微元作为研究对象的F_v
            6.2.1.2 “0下”微元作为研究对象的F_v
            6.2.1.3 “0”微元作为研究对象的F_v
        6.2.2 导杆电流公式的推导与建立
        6.2.3 导杆温度与铝液高度间关系式的建立
    6.3 结论
第7章 总结与展望
    7.1 研究内容与结论
        7.1.1 电、热、磁、流场测试结果间的相互关系
        7.1.2 电解槽的生产运行稳定性和设计的合理性
        7.1.3 反映导杆等距压降状态和铝液液面状态的新方法
    7.2 研究工作展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的论文
攻读学位期间参加的科研项目和主要工作


【参考文献】：
期刊论文
[1]300,400kA大型铝电解槽铝液的波动状态[J]. 李剑虹,涂赣峰,戚喜全,毛继红.  东北大学学报(自然科学版). 2011(11)
[2]预焙槽阳极电流分布和极距的关系[J]. 张钦菘,杨晓东.  轻金属. 2011(05)
[3]基于无线网的铝电解槽电流分布在线监测系统设计与实现[J]. 铁军,赵仁涛,张志芳,李月恒,王晓纯,赵新亮.  材料与冶金学报. 2010(S1)
[4]不同槽况下160kA铝电解槽阳极电流的频谱分析[J]. 李贺松,殷小宝,韦隆和,黄涌波,唐骞,单峰.  中国有色金属学报. 2010(05)
[5]铝电解槽电压平衡测试与分析[J]. 刘正.  有色金属设计. 2010(01)
[6]168kA新型阴极高效节能铝电解槽节能机理[J]. 王紫千,姜艳丽,冯乃祥.  化工学报. 2009(11)
[7]铝电解槽阴极铝液液面波动实时监测系统设计[J]. 王紫千,冯乃祥,彭建平,王耀武.  冶金自动化. 2009(04)
[8]大型铝电解槽母线配置的数值仿真与优化[J]. 李茂,周孑民.  中南大学学报(自然科学版). 2009(03)
[9]2008年全球原铝产量[J]. 王祝堂.  轻金属. 2009(04)
[10]不同电解工艺条件对铝电解槽温度场分布影响的计算机模拟[J]. 肖忠良,刘丹,湛雪辉.  矿冶工程. 2009(02)

博士论文
[1]铝电解槽热场仿真与槽壳温度在线检测系统研究[D]. 孟玲.山东大学 2011
[2]大型铝电解槽非稳态非均一模型及关键极节能技术研究[D]. 李贺松.中南大学 2006
[3]铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究[D]. 周萍.中南大学 2002

硕士论文
[1]基于DSP的铝电解阳极电流监测系统[D]. 樊肇军.北方工业大学 2012
[2]基于阳极电流波动信号的铝电解槽槽况诊断方法研究[D]. 殷小宝.中南大学 2010
[3]对全球原铝产业2000-2006年全要素生产率的研究[D]. 刘轶.山东理工大学 2009
[4]铝电解槽槽膛内形在线监测的研究及应用[D]. 林燕.中南大学 2007
[5]阳极导杆电流录波分析系统[D]. 王震.华中科技大学 2007
[6]300kA铝电解槽电热应力场及钠膨胀应力的仿真优化研究[D]. 伍玉云.中南大学 2007
[7]基于信号特征分析的阳极效应检测与预报研究[D]. 刘飞岐.大连理工大学 2006
[8]铝电解槽极距与铝液波动在线监测系统的研究与应用[D]. 张家奇.中南大学 2006
[9]铝电解槽阳极导杆电流示波器的研制[D]. 文斌.华中科技大学 2006
[10]基于现代信号处理的铝电解阳极效应检测定位的研究与实现[D]. 杨军.大连理工大学 2005



本文编号：3172728