160kA预焙铝电解槽在低分子比和低温条件下的三维电热场

利用有限元分析软件ANSYS建立了160kA铝电解槽1/4整槽的三维实体模型和有限元模型。在假定的合适边界条件下,对比分析了电解槽在转变为低分子比、低温条件下前、后的三维电热场分布情况。仿真结果表明:当电解槽转变为低分子比、低温条件后,伸腿增长,结壳增厚,槽底更冷;电解质初晶等温线在底部耐火砖中的位置由中部上移,靠近阴极炭块底部,在端部阴极炭块内水平方向等温线倾斜较大;当降低电解质分子比和电解温度时,增强端部2个炭块高度方向上导热性能,并进行相应的电解工艺和电解槽结构的改进,才有利于提高电流效率。     

铝电解槽电热场计算精度与网格密度的关系

以某300 kA铝电解槽为实验对象,利用有限元商业软件ANSYS12.0建立其1/4槽电热模型,研究电热场计算精度与网格密度的关系。首先,通过在同一模型但不同网格划分策略下的计算结果和计算时间的实验比较,初步确定整体网格划分方案,再在模型局部区域进行网格疏密的探索研究。研究结果表明：对于铝电解槽电热场仿真精度而言,电流密度越大的区域受网格密度影响越大,应采用较细的网格;而电势梯度和温度梯度并非网格密度的决定性因素;最终确定所用算例模型的网格划分方案为：x和y方向单元尺寸均为30 mm,z方向阳极钢爪与阳极炭块接触部分取40 mm,z方向其余部分取70 mm,此时,计算精度高且计算效率最高。     

预焙铝电解槽三维槽帮形状的模拟计算

应用APDL语言设计一种新型的三维槽帮形状计算算法,通过循环调用前处理、求解和后处理模块,自动调整三维槽帮表面节点坐标,实现铝电解槽三维槽帮形状的计算。选择成熟的180 kA铝电解槽作为研究算例,在有限元软件ANSYS的平台上建立四分之一槽电热模型,并引入热接触来描述熔体与槽帮、阳极和阴极等之间的对流传热,进行三维槽帮的数值仿真研究。采用这种三维计算方法可以更加真实的考虑铝电解槽的结构和工艺参数情况,电热耦合计算又将电场对热场的影响考虑在内,更加符合实际情况。研究结果表明：该算法得到的槽帮形状与实测结果基本一致,同时验证铝电解槽槽帮在小面厚度大于大面厚度,而在角部处槽帮最厚的规律。该方法可为新型铝电解槽设计提供技术支撑。     

实验室用悬浮式阴极铝电解槽及其电场的有限元分析

提出了一种实验室用悬浮式阴极铝电解槽的结构形式,并用200 A和300 A该结构电解槽分别进行了纯铝及铝-钪合金的电解试验,用ANSYS软件对电解槽内的电势及电流密度分布进行了有限元分析.结果表明,电解槽的结构是可行的,电流效率可达80%左右,特别适合在实验室中用于铝电解技术的研究.     

应用耦合法计算大型铝电解槽的电流场

本文建立了大型铝电解槽电流场的数学模型,应用有限元和边界元耦合法进行计算,方便地处理了阴极炭块的非均匀正交各向异性问题;在计算中使用了具有场域自动剖分,矩阵分块,矩阵行优化排序和非零存贮等稀疏矩阵技术的计算程序,在对多种结壳情况下铝电解槽电流场的数值计算结果进行分析的基础上,得出了一种使铝液中水平电流较小的结壳形状。     

高密度阳极铝电解槽电-热场耦合仿真研究

在铝电解槽中,阳极炭块内存在的气孔会降低炭块的导电和导热性能,并且增加炭渣,降低电流效率,导致炭耗和直流电耗升高。通过浸渍工艺得到的高密度阳极可以有效地降低炭块的气孔率。为了探究高密度阳极铝电解槽的电-热场变化和影响,基于ANSYS软件建立高密度阳极铝电解槽的电-热场耦合计算模型。研究结果表明：铝电解槽高密度阳极炭块的平均温度上升8.73 ℃,热应力增加,但形变量减小;侧部槽壳的平均温度下降28.59 ℃,热应力和形变量均降低,有利于保持槽膛内形稳定;热场变化主要与阳极炭块物性改变有关;槽电压降低49.16 mV,主要与炭块物性改变和电解质电阻率降低有关;高密度阳极电流全导通时间缩短3.39 h,可有效减弱换极产生的负面影响,阳极使用寿命可延长4 d,炭耗降低10.3 kg/t;铝电解槽反应能耗占比增加0.62%,电流效率提高1.69%,直流电耗降低270 kW·h/t。     

导流式铝电解槽电热平衡计算建模与应用

采用经验公式与数值计算相结合的方法建立导流槽电平衡及能量平衡计算模型,针对1台114.5 kA系列槽进行计算,得到槽体电热场的分布和槽膛内形的相关信息。研究结果表明:在设定的工艺条件下,导流槽的槽极距可降至2.75 cm,体系电压可降至3.312 V,铝电解能量利用率提高到53.63%,体现了导流槽的极大节能潜力。在计算工况下,导流槽也能获得形状规整的槽帮,稳态时槽帮厚度可达12 cm左右。该计算模型和计算结果可为导流槽的设计提供参考。     

基于ANSYS的中厚板焊接有限元三维数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS,对中厚板焊接的温度场和应力应变场进行三维数值动态模拟,并将计算量控制在可接受的范围内。建模时采用两种单元结合以获得焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网格,热载荷施加过程中采用余量控制法,应力应变场的分析采取了一系列非线性措施。计算结果表明在焊接和冷却过程中角变形沿纵向并不总是线性分布的。     

铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析

基于通用有限元软件ANSYS建立了某大型铝电解槽结构的三维实体模型和热应力场耦合分析的有限元模型. 考虑材料非线性和接触非线性的基础上对电解槽结构强度进行了仿真计算,给出了槽壳和摇篮架的应力、应变云图,分析了电解槽结构的变形规律,并提出了结构优化的途径. 以槽壳近似弹性体为目标,对不同组合载荷工况进行了反算,得出与实际更接近的荷载条件.     

铝电解槽阴极电场的计算机仿真

应用有限差分方法计算了工业铝电解槽阴极三维空间的电场分布。讨论了160kA和 135 kA 两种不同容量预焙阳极电解槽的阴极电场特性,绘制出阴极电位等值图,分析了影响阴极电场特性的诸因素。研究了改善阴极性能,促进降低电压降的可能性     

铝电解槽石墨化阴极和槽壳的变形

通过实验室和工业电解槽系统研究了铝电解槽阴极和槽壳的变形,从中获取钠膨胀系数并用于工业阴极和槽壳的应力场的模拟分析,在考虑温度梯度热应力和钠膨胀化学应力共同作用条件下,获得了工业槽焙烧、启动后槽壳的变形位移数值.用机械式位移计对350 kA石墨化阴极工业电解槽变形进行了长达360 d的现场测试和监测,模拟值与实测值吻合.     

320kA预焙铝电解槽电磁场分布计算与优化

利用ANSYS电磁场有限元法,建立了320 kA预焙铝电解槽三维电磁场有限元模型,计算了铝电解槽内的电场分布及磁场分布,计算结果与实测结果相吻合,验证了该模型的正确性.在此基础上提出了一种新型电解槽结构,并应用参数化设计语言(APDL)建立该结构的电磁场计算模型,以磁场为目标对该结构进行了整体优化.最终优化后电磁场分布表明:该结构铝电解槽能减小铝液层水平电流,磁场分布对称性好,有利于改善槽内铝液的流动状态,具备较大的节能潜力.     

预焙铝电解槽阳极效应的智能预报方法

开发了以槽电阻斜率和累积斜率为主要判据、以物料平衡估算值以及电阻针振强度为辅助判据的阳极效应智能预报方法.该方法的步骤是首先获取用于阳极效应预报的信息,包括槽电阻采样、槽电阻低通滤波、槽电阻斜率与累积斜率计算、槽电阻针振强度计算以及物料平衡估算(即估算一定时间内累计加入电解槽内的氧化铝量与该时间内理论消耗量之差);然后据此进行阳极效应预报,即利用当前解析周期内的电阻斜率与累积斜率推理确定当前预报阳极效应的可信度,依据近期槽电阻针振强度的变化趋势以及物料累计偏差的取值情况对可信度进行调整,依据可信度值对阳极效应预报的进程标志进行处理.测试结果表明,该方法的阳极效应预报成功率达90％以上.     

工作辊辊形对铝箔板形影响的有限元分析

将铝箔轧机辊系及轧件统一考虑建立了有限元分析模型,分别计算了在冷辊(开始轧制)和热辊(稳定轧制)状态下,不同工作辊辊形的辊缝及轧制压力的轴向分布,分析了工作辊辊形对铝箔板形的影响.建议铝箔轧制时上工作辊采用AFW辊形,下工作辊采用平辊的工艺制度.     

井地电法的三维正反演研究

通过简化井地电法模型为垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质模型,利用三维有限元法实现了垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质电场的正演计算。应用非线性阻尼最小二乘迭代算法实现了地表电位数据的地下目标层电阻率反演,通过简化模型对相应计算程序进行了检验,证实了程序的可靠性。用给定模型正演得到的地表"理论合成数据"来反演地下异常体,并对数据测量范围和干扰水平对反演的影响进行了讨论。该研究可为提高井地电法反演质量提供部分理论指导依据。     

接地系统电感的三维有限元计算

从磁场能量的角度出发，采用电磁场有限元的计算方法，给出了接地系统电感的更为有效的计算方法，该方法克服了用计算导体在空气中的电感方法求接地系统电感的不足，不仅考虑了接地导体中电流分布对电感的影响，同时还考虑了土壤中的扩散电流分布对接地系统电感的影响，分析了注入电流的频率对接地系统的电感影响，计算结果表明，频率的变化对接地系统电感的影响小于对空气中导体电感的影响。     

楔横轧铝合金轧件内部空洞演变

采用数值模拟的手段,研究了楔横轧轧制铝合金时轧件内部空洞演化的一般规律和工艺参数对空洞演化的影响.结果表明:轧件内部单空洞演化的一般规律是球形—椭球形—轧件内部轴向贯通的孔腔;多空洞演化时,位于轧件中心的空洞的变化规律和单空洞时相似,但其余位置的空洞发生了闭合,它们对中心空洞有正作用方面的影响;在模具的各个阶段中,楔入段的后期和展宽段的前期是内部空洞演化的关键阶段;在楔横轧加工的工艺参数方面,展宽角是影响空洞演化的最敏感因素,其次是断面收缩率,再次是成形角.研究证明了小的成形角、展宽角和断面收缩率均有利于轧件内部空腔的扩展.     

焙烧过程中阴极类型对阴极热场分布的影响

以有限元分析软件ANSYS为平台,建立了160 kA铝电解槽焦粒焙烧时的三维1/4整槽模型;对3种典型阴极炭块（半石墨质、半石墨化和石墨化）在给定焙烧条件下的热场分布进行了仿真研究。结果表明:由于这3种炭块的电导率和导热系数依次增大,因此,在相同的焙烧条件下达到焙烧终点（阴极最高温度为1 030℃）时,阴极的温度分布依次变均匀;半石墨化和石墨化阴极与半石墨质阴极相比,其最大温差分别降低了133℃和232℃;阴极表面平均温度分别提高了34℃和57℃;周边糊的平均温度分别提高了77℃和126℃;900℃以上温度所占面积则从52.4%分别提高到63.0%和70.5%;达到相同终点的焙烧时间从96 h分别增加到132 h和205 h。当焦粒层厚度从20 mm增加到30 mm时,石墨化炭块的焙烧时间从205 h缩短到90 h,虽然焙烧效果有所下降,但仍然显著优于其他2种炭块在焦粒层厚度为20 mm时的焙烧效果。