Математическая модель магнитной гидродинамики и теплообмена в алюминиевом электролизере

Представлена новая нестационарная трехмерная математическая модель алюминиевого электролизера, позволяющая выполнять сопряженные термоэлектрический и магнитогидродинамический расчеты с учетом образования гарнисажа и настыли. В модели учитывается нелинейная зависимость коэффициентов электропроводности и теплопроводности материалов от температуры, а для ферромагнитных материалов – нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Коэффициенты теплоотдачи на наружных поверхностях включали лучистую и конвективную составляющие теплообмена и являлись функциями температуры окружающей среды и локальной температуры поверхности. В уравнении энергии учитывались внутренние источники теплоты, обусловленные протеканием электрического тока, экзотермическими реакциями и дополнительными тепловыми эффектами, связанными с загрузкой сырья и фазовыми переходами. Для получения численного решения был применен метод контрольного объема. Экспериментальная апробация разработанной математической модели выполнялась на электролизере С8БМЭ. В работе представлены расчетные и экспериментальные данные магнитных, электрических, тепловых и гидродинамических полей. Сопоставление результатов расчета с данными, полученными при проведении промышленных экспериментов, показало, что разработанная модель с достаточной для инженерных расчетов точностью отражает физические процессы, протекающие в алюминиевом электролизере. Расчетные значения электрического напряжения, магнитной индукции и температуры практически совпадают с измеренными. Полученные путем расчета направления скоростей в металле и форма рабочего пространства имеют незначительные отличия от экспериментальных значений. Разработанная модель может быть использована для оценки режимных и конструктивных параметров работы новых и модернизированных алюминиевых электролизеров. Дальнейшие исследования будут направлены на уточнение расчетных результатов при помощи совершенствования разработанной математической модели.

1. Qiang Wang, Baokuan Li, Mario Fafad. Effect of anode change on heat transfer and magnetohydrodynamic flow in aluminum reduction cell. JOM. 2016. No. 68. P. 610— 622.

2. Yang Song, Jianping Peng, Yuezhong Di, Yaown Wang, Naixiang Feng. Performance of the cathodes with trapezoidal protrusions in aluminum electrolysis cells. JOM. 2017. No. 69. P. 2844—2850.

3. Meijia Sun, Baokuan Li, Linmin Li, Jianping Peng. Effect of steel multi-collector bars on current density and magnetohydrodynamic stability in an aluminum reduction cell. Light Metals. 2018. P. 565—572.

4. Bojarevics V. Time dependent MHD models for aluminum reduction cells. Light Metals. 2010. P. 199—206.

5. Hua J., Rudshaug M., Droste C., Jorgensen R., Giskeodegard N.-H. Modelling of metal flow and metal pad heaving in a realistic reference aluminum reduction cell. Light Metals. 2016. P. 339—344.

6. Arkhipov A., Alzarooni A., Al Jasmi A., Potocnik V. Improving the undestanding of busbar design and cell MHD performance. Light Metals. 2017. P. 671—677.

7. Renaudier S., Langlois S., Bardet B., Picasso M., Masserey A. Alucell: A unique suite of models to optimize pot design and performance. Light Metals. 2018. P. 541—549.

8. Bardet B., Foetisch T., Renaudier S., Rappaz J., Flueck M., Picasso M. Alumina dissolution modelling in aluminium electrolysis cell considering MHD driven convection and thermal impact. Light Metals. 2016. P. 315—319.

9. Hongliang Zhang, Ling Ran, Jinding Liang, Tianshuang Li, Kena Sun, Jie Li. Study on 3D full cell ledge shape calculation and optimal design criteria by coupled thermos-flow model. Light Metals. 2018. P. 587—596.

10. ANSYS CFX Release 18.2.0 Documentation (2017).

11. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 1981. No. 39. P. 201—225.

12. Brent A.D., Voller V.R., Reid K.J. Enthalpy-porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal. Numerical Heat Transfer. 1988. No. 13(3). P. 297—318.

13. Arkhipov G.V., Pingin V.V., Tretyakov Ya.A. Polyakov P.V. Simulation of cell thermoelectric field with consideration of electrochemical processes. Light Metals. 2007. P. 327—331.

14. Немчинова Н.В., Радионов Е.Ю., Сомов В.В. Исследование влияния формы рабочего пространства на МГД-параметры работы электролизера при производстве алюминия. Вестник ИРГТУ. 2019. Т. 23. No. 1. С. 169—178.

15. Минцис М.Я., Поляков П.В., Сиразутдинов Г.А. Электрометаллургия алюминия. Новосибирск: Наука, 2001.

16. Potocnik V., Laroche F. Comparison of measured and calculated metal pad velocities for different prebake cell designs. Light Metals. 2001. P. 419—425.

17. Стаханов В.В., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Галашев А.Е. Влияние перегрева и состава электролита на профиль гарнисажа в алюминиевом электролизере. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2018. No. 4. C. 24—30.

18. Hongliang Zhang, Qiyu Wang, Jie Li, Hui Guo, Jingkun Wang, Tianshuang Li. Study on side ledge behavior under current fluctuations based on coupled thermo-electric model. Light Metals. 2019. P. 647—655.

19. Nandana V., Gutt R., Gesell H., Cubeddu A., Duessel R., Janoske U. Virtual battery foam: A multi-physics numerical solver to simulate the aluminium electrolysis process. ICSOBA Conf. Belem, Brazil, 2018. P. 961—976.

20. Solheim A., Giskeodegard N.H., Holt N.J. Sideledge facing metal in aluminium electrolysis cells: Freezing and melting in the presence of a bath film. Light Metals. 2016. P. 333—338.

21. Solheim A., Hjertenas E., Tschope K., Kucharik M., Holt N.J. Sideledge in aluminium cells: Further considerations concerning the trench at the metal-bath boundary. Light Metals. 2019. P. 787—793.