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大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究

作　者: 刘杰
导　师: 李劼
学　校: 中南大学
专　业: 电化学工程
关键词: 铝电解槽电场磁场母线耦合仿真
分类号: TF821
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

铝电解槽内电场、磁场等物理场的相互耦合作用，对铝电解槽的电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。因此，深入研究铝电解槽内电场、磁场的分布形式及相互耦合关系，对提高铝电解槽优化设计、工程分析以及新型电解槽的开发与设计均具有重要的理论与实践指导意义。本文综合铝电解槽电场和磁场的最新研究进展，以ANSYS为开发平台，综合考虑各影响因素，建立了高准确度的电磁场耦合计算、优化模型，着重研究了大型电解槽的电场和磁场分布规律。主要的研究内容及成果如下：(1)以350kA预焙铝电解槽系列为对象，综合考虑槽内导体、母线系统、铁磁材料、空气漏磁、炉帮、相邻槽和相邻厂房等因素，运用有限元软件ANSYS建立了三维稳态磁场计算模型，采用国内某铝厂电解槽实测电流为载荷计算得到磁场分布，与该槽实测磁场对比，数值非常接近。与其他研究者所建立的模型相比，本文建立的磁场计算模型无论是计算的准确性还是研究的全面性均明显提高。运用该模型在理想情况下对该系列电解槽的磁场设计进行了分析和优化。(2)建立了350kA预焙铝电解槽系列母线电场分析模型，对母线系统各组成部分在母线电阻平衡中的作用进行了研究。其中提出了阴极软母线的电阻配置计算方法，该方法可以有效指导阴极母线电阻网络的局部设计。同时，研究了当前所采用的横梁母线结构所带来的问题，并作了相关的优化。所建立的电场分析模型能够排除其他因素的干扰准确反应母线的电阻配置情况，为电解槽母线系统电阻的设计、测试和优化提供了新的参考。(3)延用350kA电解槽的磁场计算方法，开发了超大型预焙铝电解槽的仿真模型。从磁场设计的角度，分解研究了铝电解槽各部分所产生的磁场以及它们对铝电解槽磁场的作用，包括槽内导体及槽壳部分、端部回流母线、槽底回流母线、阳极立柱母线和横梁母线等。运用这些磁场分布特点，对超大型预焙槽进行了初步磁场设计，得到了一些可参考的磁场配置方案，并对其磁场的稳定性与可行性进行了初步探讨。同时，总结出一套较为有效的磁场设计方法，该方法对电解槽的磁场设计有较好的参考作用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章文献综述  9-25
  1.1 铝电解工业的发展与现状  9-12
    1.1.1 现代铝电解工业简介  9-10
    1.1.2 铝电解工业技术展望  10-11
    1.1.3 我国铝电解工业现状  11-12
  1.2 铝电解槽电、磁场研究方法评述  12-21
    1.2.1 铝电解槽电场数值计算方法  12-14
    1.2.2 铝电解槽磁场数值计算方法  14-19
    1.2.3 磁场仿真计算研究现状  19-21
  1.3 母线设计研究现状  21-23
  1.4 课题研究目的及意义  23
  1.5 本文的主要研究内容与方案  23-25
第二章铝电解槽电场、磁场解析数学物理模型  25-31
  2.1 铝电解槽电场模型  25-27
    2.1.1 母线电场解析模型  25
    2.1.2 槽内导体部分电场解析模型  25-26
    2.1.3 铝电解槽导电系统综合解析模型  26-27
  2.2 铝电解槽磁场模型  27-30
    2.2.1 母线系统磁场计算模型  27-28
    2.2.2 槽内导体部分磁场计算模型  28-29
    2.2.3 槽壳磁场计算模型  29
    2.2.4 电磁力场计算模型  29-30
  2.3 材料电、磁物性参数  30-31
第三章铝电解槽电磁场计算方法验证及优化  31-44
  3.1 模型建立  31-34
    3.1.1 电场模型的建立  31-33
    3.1.2 磁场模型的建立  33-34
  3.2 边界条件  34
    3.2.1 电场载荷与边界条件  34
    3.2.2 磁场载荷与边界条件  34
  3.3 模型及计算方法验证  34-36
  3.4 优化与讨论  36-43
    3.4.1 电场结果分析  37
    3.4.2 同厂房相邻电解槽对本槽磁场的影响  37-38
    3.4.3 相邻厂房电解槽对本槽磁场的影响  38-40
    3.4.4 磁场结果分析与讨论  40-41
    3.4.5 关于厂房间距的优化  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章铝电解槽母线电场优化研究  44-55
  4.1 模型和边界条件  44-45
    4.1.1 模型建立  44-45
    4.1.2 边界条件  45
  4.2 结果分析  45-47
  4.3 阴极软母线电阻优化  47-51
    4.3.1 方法推导  47-50
    4.3.2 实例计算  50
    4.3.3 结果分析  50-51
    4.3.4 讨论与建议  51
  4.4 阳极横梁母线的优化  51-54
    4.4.1 两侧之间的电流平衡的研究  52-54
    4.4.2 同侧阳极之间的电流平衡研究  54
  4.5 本章小结  54-55
第五章预焙铝电解槽磁场设计研究  55-68
  5.1 铝电解槽磁场构成研究  55-62
    5.1.1 槽内实体及槽壳部分  55-56
    5.1.2 母线部分的设计  56-62
  5.2 铝电解槽磁场设计步骤  62-67
  5.3 总结与讨论  67
  5.4 本章小结  67-68
第六章总结与展望  68-70
参考文献  70-77
附录  77-78
致谢  78-79
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目  79

大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究

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