米蘭 石磊 王世愛(ài)

摘 要：研究了50KA制鈉電解槽溫度場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值模擬分析方法，采用有限元法計(jì)算了新的電解槽溫度場(chǎng)，其分析結(jié)果，為新槽體的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制鈉電解槽;溫度場(chǎng);數(shù)值分析;有限元法

0 ?前言

由于50KA 制鈉電解槽電解中溫度因素的影響很大，它直接影響到電解工藝能否實(shí)現(xiàn)。此外電能的消耗、電流效率、原材料及輔助材料的消耗及產(chǎn)品的質(zhì)量都與溫度密切相關(guān)。為此，筆者借鑒在大型鋁電解槽的設(shè)計(jì)中物理場(chǎng)的研究成果[1]，采用有限元法完成其溫度場(chǎng)的計(jì)算分析。

1.計(jì)算方法的確定

傅里葉定律描述了熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律[2]。對(duì)于平面穩(wěn)定溫度場(chǎng)，其溫度函數(shù)應(yīng)在物體所占平面區(qū)域G中滿(mǎn)足調(diào)和方程

由于溫度場(chǎng)的其他邊界條件難以確定，研究中主要采用溫度邊界條件，即已知物體表面的溫度，其中f為已知函數(shù)，表示邊界上的溫度。在計(jì)算中采用實(shí)測(cè)的溫度值。

在第一類(lèi)邊界條件下，其泛函數(shù)為：

利用變分原理，建立有限元方程，在有限元系統(tǒng)中，熱傳導(dǎo)的控制方程為：

在線性穩(wěn)態(tài)熱分析中。不考慮熱質(zhì)量影響或溫度相關(guān)材料特征，溫度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，且是定常的，故控制方程可簡(jiǎn)化為：

為了檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，除采用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相驗(yàn)證的方法外。也使用了國(guó)際上比較通用的有限元計(jì)算軟件，如ANSYS等的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

2計(jì)算模型及有限元模型

模型計(jì)算均采用三角形單元，其中模型二劃分為。1865個(gè)三角形單元，1000個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于模型中某些的邊角部位加大了計(jì)算密度，以便于分析，計(jì)算的邊界條件為已知邊界條件其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得，兩側(cè)溫度為100攝氏度，底部溫度為120攝氏度。熔巖表面溫度為1100攝氏度，其他部位按線性插值.

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖1為有限元計(jì)算結(jié)果的等溫線圖，圖中可見(jiàn)由于金屬熔巖等導(dǎo)熱系數(shù)大，其溫度梯度小于槽體，其內(nèi)部溫度比較均勻，尤其在坩鍋中心，這種比較穩(wěn)定的溫度分布對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處。

從圖1中可以看出，在電解槽中，各種材料相鄰處，溫度梯度發(fā)生很大變化，尤其是槽體與其他保溫材料間的變化最為明顯，這一結(jié)果提示著此區(qū)間可能產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致材料變形乃至材料破壞。這是設(shè)計(jì)中今后應(yīng)考慮的方面。

4. 結(jié) 語(yǔ)

采用數(shù)值分析的方法，可以較高效率地進(jìn)行設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。但對(duì)于新工藝、新設(shè)備，須建立能正確描述其特征的數(shù)學(xué)物理方程，并研究其數(shù)值解方法。

本文所介紹的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模擬，基本上能夠反映工藝條件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料也比較吻合。但對(duì)于熔鹽表面主要是熱輻射的邊界部分，有一定的誤差，需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃永忠，王化章.鋁電解生產(chǎn)[M].湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2004.175- 218.

[2] 楊全，張真，金屬凝固與鑄造過(guò)程數(shù)值模擬[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：米蘭，1981年9月 女 內(nèi)蒙赤峰人，

烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究生學(xué)歷，企業(yè)節(jié)熱節(jié)能方向。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目

項(xiàng)目類(lèi)別：自然科學(xué)自籌項(xiàng)目

項(xiàng)目編號(hào)：NJZC17579

項(xiàng)目名稱(chēng)：50KA鈉電解槽溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與優(yōu)化