張紅亮，王志剛，李劼，賴延清

(中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

熔鹽電解法生產(chǎn)鋁是目前工業(yè)煉鋁的唯一方法，電解槽通常采用碳素陽(yáng)極和陰極，電解槽通入強(qiáng)大的直流電，在陰極析出金屬鋁，在陽(yáng)極生成CO2和CO氣體。在電解過(guò)程中，碳素陽(yáng)極直接參與化學(xué)反應(yīng)，因而不斷消耗，需要定時(shí)更換陽(yáng)極來(lái)維持電解生產(chǎn)，由此產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題：(1) 優(yōu)質(zhì)碳消耗量大，需要配備龐大的碳素陽(yáng)極生產(chǎn)工廠，增加了生產(chǎn)成本；(2) 陽(yáng)極需經(jīng)常更換，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度；(3) 極距不穩(wěn)定，需要復(fù)雜的機(jī)械裝置來(lái)調(diào)整極距；(4) 電解反應(yīng)產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2和少量的CO以及大量的致癌物質(zhì)CFn等，給環(huán)境造成極大的污染。而使用惰性陽(yáng)極及相應(yīng)的電解工藝則可以有效避免這些問(wèn)題，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 無(wú)需碳素陽(yáng)極生產(chǎn)工廠，生產(chǎn)成本降低；(2) 陽(yáng)極不需經(jīng)常更換，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；(3) 極距穩(wěn)定，易于控制；(4) 陽(yáng)極產(chǎn)品為氧氣，避免了環(huán)境污染[1]。

本文作者在進(jìn)行惰性陽(yáng)極電解試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)2種現(xiàn)象：陽(yáng)極氣泡相當(dāng)細(xì)小且無(wú)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生。而國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者也有過(guò)相關(guān)報(bào)道，如 Cassayre等[2?3]在對(duì)析氧陽(yáng)極(SnO2, Cu, Cu-Ni, Cu-Al)和碳素陽(yáng)極電解過(guò)程的氣泡特征的研究中發(fā)現(xiàn)惰性陽(yáng)極的O2氣泡細(xì)小，析出特征與碳素陽(yáng)極上CO2氣泡析出特征有很大差異；徐君莉等[4]研究了采用金屬惰性陽(yáng)極的鋁電解過(guò)程中不同電流密度下陽(yáng)極氣泡的成核、長(zhǎng)大、匯聚和排放過(guò)程，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極氣泡細(xì)?。籊ao等[5]采用透明電解槽觀測(cè)了惰性陽(yáng)極和碳素陽(yáng)極電解過(guò)程的氣泡析出行為，發(fā)現(xiàn)碳素陽(yáng)極氣泡聚集長(zhǎng)大后以大氣泡析出，而金屬陽(yáng)極上氣泡析出過(guò)程可分為陽(yáng)極表面氧化、O2形成和氣泡脫附3個(gè)階段。因此，對(duì)惰性陽(yáng)極的氣體行為進(jìn)行研究，能夠?qū)Χ栊噪姌O鋁電解新工藝的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。目前，對(duì)陽(yáng)極氣體及其擾動(dòng)下的電解質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行研究主要有物理模型[6?9]、實(shí)驗(yàn)室電解槽[10]及數(shù)值模擬[11?13]3種方法。近年來(lái)，數(shù)值模擬的方法越來(lái)越多地應(yīng)用于鋁電解工業(yè)中，為鋁電解槽的結(jié)構(gòu)改造及工藝設(shè)計(jì)提供了許多參考。數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地了解各參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響，降低設(shè)計(jì)成本。此外，數(shù)值模擬也使計(jì)算結(jié)果能更好地可視化。在此，本文作者采用數(shù)值模擬方法計(jì)算惰性陽(yáng)極氣體及其帶動(dòng)下的電解質(zhì)流動(dòng)情況，并考查相關(guān)結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 模型簡(jiǎn)化

鋁電解槽中的陽(yáng)極氣體及電解質(zhì)流動(dòng)場(chǎng)十分復(fù)雜，是典型的多相流動(dòng)，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化：

(1) 不考慮電解質(zhì)中懸浮氧化鋁的影響，即簡(jiǎn)化為兩相流模型。

(2) 不考慮電解質(zhì)中的溫度分布不均，認(rèn)為溫度均勻即為電解溫度，在求解控制方程時(shí)不求解能量方程，只求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

(3) 不考慮氣泡之間的碰撞和接合。

1.2 基本方程

本文采用歐拉?歐拉多相流計(jì)算方法，其連續(xù)性方程為：

式中：i?，ρi和Ui分別表示i相(i為L(zhǎng)或G，L表示電解質(zhì)，G表示氣體)的體積分?jǐn)?shù)、密度和平均速度。在求解區(qū)域的每個(gè)微元內(nèi)，電解質(zhì)和氧氣共同存在，體積分?jǐn)?shù)之間存在關(guān)系：

動(dòng)量方程為：

式中：SMi表示質(zhì)量力；μeff為有效黏度；p為兩相壓力。Mi(ML= ?MG)為兩相的動(dòng)量傳遞，它是兩相相對(duì)速度、各相密度、界面密度和曳力系數(shù)的函數(shù)。曳力系數(shù)采用Ishii-Zuber關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，

式中：Re為相對(duì)Reynolds數(shù)；Bo為Bond數(shù)，

μL為電解質(zhì)黏度；d為氣泡直徑；g為重力加速度；σ為氣體與電解質(zhì)之間的表面張力，這里取為0.14 N/m。

對(duì)于電解質(zhì)，湍流模型選為標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型；對(duì)于氣體，湍流模型選為零方程模型[14]。

1.3 模型及邊界條件

模型初始情況下的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)如表1所示。

表1 初始結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)Table 1 Initial structural and technical parameters

模型在ANSYS中生成并進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖1)，然后，輸出到 CFX中進(jìn)行邊界條件及求解的相關(guān)設(shè)定。

根據(jù)糯玉米用途的不同，采收期各異。適時(shí)采收的鮮果穗，糯性好、果皮薄、無(wú)渣、風(fēng)味好，過(guò)早或過(guò)晚采收都將影響其品質(zhì)和適口性。一般來(lái)說(shuō)，適宜采收期在授粉后20-28天，外觀苞葉稍黃、花絲變干呈棕色，籽粒成熟度為乳熟中、末期，即可采收。用作糧食和淀粉生產(chǎn)的粒用糯玉米則與普通玉米相同，在完熟期收獲。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh of model

陽(yáng)極底部及側(cè)部面設(shè)定為Inlet邊界，定義氣體和電解質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)和速度，電解質(zhì)的速度定義為 0 cm/s，氣體的速度采用以下公式計(jì)算[15]：

式中：I為電流；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；F為法拉第常數(shù)；P為壓力；φ為氣體的體積分?jǐn)?shù)；S為浸入電解質(zhì)中的陽(yáng)極面積。電解質(zhì)上表面定義為 Outlet中的Degassing邊界，其他面設(shè)置為Wall邊界。

1.4 材料屬性

計(jì)算中所需的材料屬性見表2[14]。

表2 材料屬性Table 2 Material properties

2 結(jié)果與討論

2.1 初始結(jié)果分析

在初始條件下，經(jīng)計(jì)算得到Z=0平面的電解質(zhì)流速矢量圖如圖2所示。從圖2可見：電解質(zhì)在陽(yáng)極氣體的作用下隨陽(yáng)極氣體上升，遇到空氣表面后又返回到電解槽中，整體上形成了2個(gè)對(duì)稱的旋渦；在陽(yáng)極側(cè)部旋渦更為明顯，距離陽(yáng)極氣體越近，電解質(zhì)流速越大，電解質(zhì)最大流速為5.273 cm/s。

圖2 電解質(zhì)流速矢量圖(Z=0)Fig.2 Vector of electrolyte velocity (Z=0)

2.2 氣泡直徑的影響

根據(jù)電解實(shí)驗(yàn)觀察，惰性陽(yáng)極電解時(shí)陽(yáng)極氣泡細(xì)小，估計(jì)直徑范圍為2～8 mm。當(dāng)設(shè)定氣泡直徑由2 mm增加至8 mm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖3所示。

圖3 流速隨氣泡直徑的變化Fig.3 Velocity variation with bubble diameter

從圖3(a)可見：隨著氣泡直徑的增大，氣體的平均流速和最大流速都有一定程度的增大，其中氣體最大流速增加幅度較大，氣泡直徑由2 mm增加到8 mm時(shí)，氣體最大流速由25.661 cm/s增加到32.308 cm/s，增加了25.90%。氣體的平均流速在氣泡直徑由2 mm增加到3 mm時(shí)有較大程度的增加，而后隨著氣泡直徑的變化，氣體的平均流速變化不明顯。圖3(b)表明電解質(zhì)流速在氣泡直徑由2 mm增加到3 mm時(shí)，最大流速和平均流速有所降低，而后隨氣泡直徑增加總體呈上升趨勢(shì)，平均流速及最大流速均在氣泡直徑3 mm時(shí)最小。氣體的流速越大，氣流就能夠越快地從電解槽中脫離出去，對(duì)電解過(guò)程的不良影響就會(huì)越小，因此從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，氣泡直徑控制在3 mm是比較理想的。

2.3 電流的影響

當(dāng)電流由70 A增大到130 A時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖4所示。

圖4 流速隨電流的變化Fig.4 Velocity variation with current intensity

2.4 溫度的影響

當(dāng)電解質(zhì)溫度由860 ℃增加到980 ℃時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖5所示。

圖5 流速隨溫度的變化Fig.5 Velocity variation with temperature

從圖5(a)可見：電解質(zhì)溫度對(duì)氣體流速的影響與電流的影響相同，隨著溫度的升高，氣體的平均流速略有降低，但降低很小，而氣體的最大流速有所增加，增加幅度也同樣不大。從圖5(b)可見：電解質(zhì)平均流速和最大流速均隨著溫度的升高而增大，平均流速由1.499 cm/s增加到1.567 cm/s，增加了4.54%，電解質(zhì)最大流速增加了5.24%。溫度升高，氣體生成率增加，因此，電解質(zhì)流速有所增加。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，低溫電解更有利于提高電流效率。

2.5 極距的影響

當(dāng)極距由4.5 cm增加到7.5 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖6所示。

圖6 流速隨極距的變化Fig.6 Velocity variation with anode-cathode distance

從圖6(a)可見：氣體的平均流速隨極距的增加而增加，當(dāng)極距由4.5 cm增至7.5 cm時(shí)，氣體的平均流速由19.431 cm/s增加到19.464 cm/s；氣體的最大流速隨極距的增加基本保持不變。從圖6(b)可見：電解質(zhì)平均流速隨極距的增加而下降，當(dāng)極距由4.5 cm增至7.5 cm時(shí)，電解質(zhì)平均流速由1.634 cm/s下降至1.236 cm/s，降低了24.36%。電解質(zhì)最大流速隨極距增加沒(méi)有明顯變化。極距增加相當(dāng)于增加了電解質(zhì)的體積，在氣體生成率不變的情況下，電解質(zhì)的流速自然會(huì)有所降低。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，適當(dāng)增加極距是有利的。

2.6 陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度的影響

當(dāng)陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度由4 cm增加到10 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖7所示。

圖7 流速隨陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度的變化Fig.7 Velocity variation with anode immersion depth

從圖7(a)可見：隨著陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度的增加，氣體的平均流速整體呈下降趨勢(shì)，但變化幅度很小，氣體的最大流速呈上升趨勢(shì)，但增幅同樣不大。從圖7(b)可見：電解質(zhì)平均流速及最大流速隨著陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度的增加基本呈上升趨勢(shì)，其中電解質(zhì)的平均流速由1.533cm/s增加到1.623cm/s，增加了5.87%；最大流速由 6.225cm/s增加到 6.983cm/s，增加了12.18%。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度取小為宜。

2.7 陽(yáng)極半徑的影響

當(dāng)陽(yáng)極半徑由4 cm增加到10 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖8所示。

圖8 流速隨陽(yáng)極半徑的變化Fig.8 Velocity variation with anode radius

從圖8(a)可見：隨著陽(yáng)極半徑的增加，氣體的最大流速下降，氣體的平均流速基本保持不變，最大流速由26.434 cm/s下降到23.813 cm/s，下降了9.92%。從圖8(b)可見：電解質(zhì)平均流速隨陽(yáng)極半徑的增大基本呈下降趨勢(shì)，只在陽(yáng)極半徑由9 cm增加到10 cm時(shí)略有上升；當(dāng)陽(yáng)極半徑由4 cm增加到8 cm時(shí)，電解質(zhì)平均流速下降較為明顯，由1.626 cm/s下降至1.380 cm/s，下降了15.13%，而后陽(yáng)極半徑再增加時(shí)，平均流速基本無(wú)變化。電解質(zhì)最大流速隨陽(yáng)極半徑的增加而降低，最大流速由7.788 cm/s下降至4.679 cm/s，下降了39.92%。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，適當(dāng)增加陽(yáng)極半徑是有利的。

2.8 陽(yáng)極倒角半徑的影響

當(dāng)陽(yáng)極倒角半徑由20 mm增加到45 mm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖9所示。

圖9 流速隨陽(yáng)極倒角半徑的變化Fig.9 Velocity variation with anode chamfer radius

從圖9(a)可見：隨著陽(yáng)極倒角半徑的增加，氣體的平均流速變化很??；當(dāng)陽(yáng)極倒角半徑從20 mm增加到45 mm時(shí)，氣體的最大流速呈降低趨勢(shì)，而當(dāng)陽(yáng)極倒角半徑由45 mm增加到50 mm時(shí)，氣體的最大流速有所增加。從圖9(b)可見：電解質(zhì)的平均流速及最大流速均隨著陽(yáng)極倒角半徑的增加而先降低后增加，平均流速在40 mm的倒角半徑時(shí)取得最小值，最大流速在35 mm的倒角半徑時(shí)取得最小值，而氣體的平均流速在35 mm倒角半徑時(shí)取得最大值，因此在現(xiàn)有的陽(yáng)極尺寸下，陽(yáng)極倒角半徑取為35～40 mm為宜。

3 結(jié)論

(1) 在陽(yáng)極氣體的帶動(dòng)下，電解質(zhì)沿陽(yáng)極中心呈對(duì)稱循環(huán)流動(dòng)，距離陽(yáng)極氣體越近，電解質(zhì)流速越大；隨陽(yáng)極氣泡直徑的增大，氣體流速逐漸增加，電解質(zhì)流速先下降后增加，氣泡直徑的最佳值為3 mm。

(2) 電流增加，氣體的平均流速降低，氣體的最大流速增加，電解質(zhì)平均及最大流速均增加，電流不宜過(guò)大；電解溫度增加，氣體的平均流速降低，氣體的最大流速增加，電解質(zhì)平均及最大流速均增加，這對(duì)低溫電解更有利；極距增加，氣體平均流速增加，電解質(zhì)平均流速降低，適當(dāng)增加極距有利于電解槽操作；陽(yáng)極浸入電解質(zhì)深度增加，氣體平均流速降低，電解質(zhì)平均流速增加，陽(yáng)極浸入深度不宜過(guò)大。

(3) 陽(yáng)極半徑增加，氣體的平均流速增加，電解質(zhì)平均流速降低，應(yīng)適當(dāng)增加陽(yáng)極半徑；陽(yáng)極倒角半徑對(duì)氣體及電解質(zhì)流場(chǎng)有一定影響，合理的陽(yáng)極倒角半徑為35～40 mm。

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