張紅亮，王志剛，李劼，賴延清

(中南大學 冶金科學與工程學院，湖南 長沙，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極和陰極，電解槽通入強大的直流電，在陰極析出金屬鋁，在陽極生成CO2和CO氣體。在電解過程中，碳素陽極直接參與化學反應，因而不斷消耗，需要定時更換陽極來維持電解生產(chǎn)，由此產(chǎn)生了一系列的問題：(1) 優(yōu)質碳消耗量大，需要配備龐大的碳素陽極生產(chǎn)工廠，增加了生產(chǎn)成本；(2) 陽極需經(jīng)常更換，增加了勞動強度；(3) 極距不穩(wěn)定，需要復雜的機械裝置來調整極距；(4) 電解反應產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2和少量的CO以及大量的致癌物質CFn等，給環(huán)境造成極大的污染。而使用惰性陽極及相應的電解工藝則可以有效避免這些問題，并具有如下優(yōu)點：(1) 無需碳素陽極生產(chǎn)工廠，生產(chǎn)成本降低；(2) 陽極不需經(jīng)常更換，降低了勞動強度；(3) 極距穩(wěn)定，易于控制；(4) 陽極產(chǎn)品為氧氣，避免了環(huán)境污染[1]。

本文作者在進行惰性陽極電解試驗時發(fā)現(xiàn)2種現(xiàn)象：陽極氣泡相當細小且無陽極效應發(fā)生。而國內外其他學者也有過相關報道，如 Cassayre等[2?3]在對析氧陽極(SnO2, Cu, Cu-Ni, Cu-Al)和碳素陽極電解過程的氣泡特征的研究中發(fā)現(xiàn)惰性陽極的O2氣泡細小，析出特征與碳素陽極上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極的鋁電解過程中不同電流密度下陽極氣泡的成核、長大、匯聚和排放過程，發(fā)現(xiàn)陽極氣泡細??；Gao等[5]采用透明電解槽觀測了惰性陽極和碳素陽極電解過程的氣泡析出行為，發(fā)現(xiàn)碳素陽極氣泡聚集長大后以大氣泡析出，而金屬陽極上氣泡析出過程可分為陽極表面氧化、O2形成和氣泡脫附3個階段。因此，對惰性陽極的氣體行為進行研究，能夠對惰性電極鋁電解新工藝的開發(fā)提供理論基礎與技術支撐。目前，對陽極氣體及其擾動下的電解質流場進行研究主要有物理模型[6?9]、實驗室電解槽[10]及數(shù)值模擬[11?13]3種方法。近年來，數(shù)值模擬的方法越來越多地應用于鋁電解工業(yè)中，為鋁電解槽的結構改造及工藝設計提供了許多參考。數(shù)值模擬的優(yōu)點在于能夠方便地了解各參數(shù)變化對結果的影響，降低設計成本。此外，數(shù)值模擬也使計算結果能更好地可視化。在此，本文作者采用數(shù)值模擬方法計算惰性陽極氣體及其帶動下的電解質流動情況，并考查相關結構及工藝參數(shù)對流場的影響。

1 模型及計算方法

1.1 模型簡化

鋁電解槽中的陽極氣體及電解質流動場十分復雜，是典型的多相流動，在進行數(shù)值模擬時必須進行相應的簡化：

(1) 不考慮電解質中懸浮氧化鋁的影響，即簡化為兩相流模型。

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

(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或G，L表示電解質，G表示氣體)的體積分數(shù)、密度和平均速度。在求解區(qū)域的每個微元內，電解質和氧氣共同存在，體積分數(shù)之間存在關系：

動量方程為：

式中：SMi表示質量力；μeff為有效黏度；p為兩相壓力。Mi(ML= ?MG)為兩相的動量傳遞，它是兩相相對速度、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關系式進行計算，

式中：Re為相對Reynolds數(shù)；Bo為Bond數(shù)，

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

對于電解質，湍流模型選為標準k?ε模型；對于氣體，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構及工藝參數(shù)如表1所示。

表1 初始結構及工藝參數(shù)Table 1 Initial structural and technical parameters

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

根據(jù)糯玉米用途的不同，采收期各異。適時采收的鮮果穗，糯性好、果皮薄、無渣、風味好，過早或過晚采收都將影響其品質和適口性。一般來說，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

陽極底部及側部面設定為Inlet邊界，定義氣體和電解質的體積分數(shù)和速度，電解質的速度定義為 0 cm/s，氣體的速度采用以下公式計算[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為氣體的體積分數(shù)；S為浸入電解質中的陽極面積。電解質上表面定義為 Outlet中的Degassing邊界，其他面設置為Wall邊界。

1.4 材料屬性

計算中所需的材料屬性見表2[14]。

表2 材料屬性Table 2 Material properties

2 結果與討論

2.1 初始結果分析

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

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

2.2 氣泡直徑的影響

根據(jù)電解實驗觀察，惰性陽極電解時陽極氣泡細小，估計直徑范圍為2～8 mm。當設定氣泡直徑由2 mm增加至8 mm時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖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，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)表明電解質流速在氣泡直徑由2 mm增加到3 mm時，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，平均流速及最大流速均在氣泡直徑3 mm時最小。氣體的流速越大，氣流就能夠越快地從電解槽中脫離出去，對電解過程的不良影響就會越小，因此從增大氣體流速、降低電解質流速的角度考慮，氣泡直徑控制在3 mm是比較理想的。

2.3 電流的影響

當電流由70 A增大到130 A時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖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

當電解質溫度由860 ℃增加到980 ℃時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖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：電解質溫度對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，電解質流速有所增加。從增大氣體流速、降低電解質流速的角度考慮，低溫電解更有利于提高電流效率。

2.5 極距的影響

當極距由4.5 cm增加到7.5 cm時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖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，當極距由4.5 cm增至7.5 cm時，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：電解質平均流速隨極距的增加而下降，當極距由4.5 cm增至7.5 cm時，電解質平均流速由1.634 cm/s下降至1.236 cm/s，降低了24.36%。電解質最大流速隨極距增加沒有明顯變化。極距增加相當于增加了電解質的體積，在氣體生成率不變的情況下，電解質的流速自然會有所降低。從增大氣體流速、降低電解質流速的角度考慮，適當增加極距是有利的。

2.6 陽極浸入電解質深度的影響

當陽極浸入電解質深度由4 cm增加到10 cm時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖7所示。

圖7 流速隨陽極浸入電解質深度的變化Fig.7 Velocity variation with anode immersion depth

從圖7(a)可見：隨著陽極浸入電解質深度的增加，氣體的平均流速整體呈下降趨勢，但變化幅度很小，氣體的最大流速呈上升趨勢，但增幅同樣不大。從圖7(b)可見：電解質平均流速及最大流速隨著陽極浸入電解質深度的增加基本呈上升趨勢，其中電解質的平均流速由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、降低電解質流速的角度考慮，陽極浸入電解質深度取小為宜。

2.7 陽極半徑的影響

當陽極半徑由4 cm增加到10 cm時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖8所示。

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

從圖8(a)可見：隨著陽極半徑的增加，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：電解質平均流速隨陽極半徑的增大基本呈下降趨勢，只在陽極半徑由9 cm增加到10 cm時略有上升；當陽極半徑由4 cm增加到8 cm時，電解質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%，而后陽極半徑再增加時，平均流速基本無變化。電解質最大流速隨陽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、降低電解質流速的角度考慮，適當增加陽極半徑是有利的。

2.8 陽極倒角半徑的影響

當陽極倒角半徑由20 mm增加到45 mm時，氣體流速與電解質流速的相應變化如圖9所示。

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

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

3 結論

(1) 在陽極氣體的帶動下，電解質沿陽極中心呈對稱循環(huán)流動，距離陽極氣體越近，電解質流速越大；隨陽極氣泡直徑的增大，氣體流速逐漸增加，電解質流速先下降后增加，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，電解質平均及最大流速均增加，電流不宜過大；電解溫度增加，氣體的平均流速降低，氣體的最大流速增加，電解質平均及最大流速均增加，這對低溫電解更有利；極距增加，氣體平均流速增加，電解質平均流速降低，適當增加極距有利于電解槽操作；陽極浸入電解質深度增加，氣體平均流速降低，電解質平均流速增加，陽極浸入深度不宜過大。

(3) 陽極半徑增加，氣體的平均流速增加，電解質平均流速降低，應適當增加陽極半徑；陽極倒角半徑對氣體及電解質流場有一定影響，合理的陽極倒角半徑為35～40 mm。

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