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铝电解槽熔体区散热分析


? 

3   8?

中 固 有

色 冶 金  

口研究与探讨 

铝 电解槽熔体区散热分析 
黄 俊 , 世 焕  姚
( 铝 国际 贵 阳 铝镁 设 计 研 究 院 , 州 贵 阳 5 0 0 ) 中 贵   5 04 

[ 摘<

br />一

要】 解析 电解 槽 内衬 热耗 散 机 理 对 于 电 解槽 设 计 十 分 重要 ,   关键 考 虑 电 解 槽 两 个 区域 的 热损 失 ,   第
区域是 槽 温 与槽 周 空 气温 度 所 形 成 的温 度 梯 度 产 生 的驱 动 力 , 另一 个 区域 主 要 的 驱 动 力 是槽 子 的过 热  

度 。 文 中 着重 分 析 了电解 槽 熔 体 区的散 热现 象。  
【 键 词 ] 铝 电 解槽 ; 帮 ; 热度 ; 流换 热  关   炉 过 对

[ 图分 类 号] T 8 1 中 F 2 

[ 文献 标 识 码 】 B  

【 章编 号 ] 17 — 13 2 0 )5 0 3 — 3 文   6 2 6 0 (0 80 — 0 8 0  

l 电解 槽 热 损 失 的形 式 和 区域   
在 电解槽 的能量 平衡 分 析 中 , 能 量 消耗 可 分  其
t n  
— — — — —

— 、

 

为 两类 : 欧姆 型 的热 ( 能量 ) ① 或 损失 , 即消 耗 于 母 
线、 阳极 、 阴极 和 极 距 问 的 能 量 ; 化 学 型 能 量 损  ②
失, 即预 热 反 应 物质 所 需 的能 量 , 了生 产 所 需 的  为 能量( 吸热 反应 ) 铝 的再 氧化 或铝 的 二次 反 应 ( 和 放 

l  空 解 tt区 槽od   熔1w 体\外 区2 w’ 【  I部   气
t  
’. ... ... ... ~  

热 反应 ) 需 的能量 。电解槽 的热 损 失可 以 简单 地  所 分 成两个 区域 ( 图 1 : A是 电解槽 侧部 , 见 )区 由于结  壳 或伸 腿 的存在 . 壳 与 电解 质 界 面 上 的温 度受 电  结 解 质 初 晶温 度 的约 束 , 因此 , 伸腿 传 出 的热 损 失  从
是 属 于 电解 质 过 热 度 ( 一。 的热 损 失 ; B是 属    t) j 。 区

t  i 2

图 2 电解槽熔 体 区传热模 型示 意 图     其存 在如 下关 系 :   Q= c 一 )  10( t a 1 1
() 1 

于在 电解 质温度 条件 下传 出 的热 损失 。  
电 解质  条 件下 

件 下 的散 热 

舍?    
Q= 2舵 t A 3 (-        ̄)

() 2 
() 3 
() 4 

翥  1 l-  4 v  -  A  ̄
式 中:  

图 1 电解 槽 热损失 区域示 意 图 

Q 、 :Q 、   Q 、 ,Q一

分 别 为 从 熔 体 区通 过 对 流 换 

本文 主要分 析 了 电解槽 熔体 区 ( A) 区 的传 热原 
理及 电解 槽 采 取 不 同优 化 措 施 时 可 能 引起 的 电解  槽 物理参 数 的变化 。  

传 热 到 内衬 的热 量 、 内衬 内壁 通过 热 传导 传 向槽  从 壳 的热量 、 槽壳 通 过对 流换 热 传到 外 部空 气 区 的  从
热量 、 电解槽熔 体 区 向外 的总散 热量 :   、厂   分 别为 内部 、 部对 流换热 系数 ; 外  

2 电解 槽熔 体 区传 热 分 析 
21 传热 类型  .

t t 小   厂 _ t、 /f   

壁面温度 , 别为炉帮温度( 分 即液 相  分 别为熔 体温 度与 外部空 气温 度 ;  

线 温度 ) 与侧 部槽壳 温度 ;  
A —传 热系 数 : —  

电解 槽熔体 区的传热类 型可 简化 为 图 2模式 。  
[ 作者 简 介 ] 黄 俊 (94 )男 , 17 一 , 高级 工 程 师 。  

20 0 8年 l 0月第 5期 
6 — 内衬 等 的厚 度 : —  
— —



俊 等 : 电解 槽熔 体 区散 热分 析  铝

?3 ?  9  

式 ( ) , 于 Q 不 变 , 气温 度  和  不 变 , 3中 由 , 空  
面积 A 的增加 使 得槽 壳 温度 t  降低 , 槽 壳 表面  即把 高温 区 域 的温度 降下来 ,使 得槽 壳表 面 温度 分 布均 
匀。  

面 积 

对 电解槽 熔 体 区 ( 壳 、 块 、 糊 、 槽 炭 扎 结壳 等 ) 的  多 层传 热 , ( ) 式 4 可进 一 步表 示为 :  

Q=   

式 ( ) ,t -以) 增 加 将 使 ∑A届  2 中 ( lt 的 w   降低 , 于 

者+ 者+ ∑ 六 
区的散 热量 有下 列等 式 :  

( 着 ∑A 5 )    

是 , 似 于 电 解槽 侧 部 吹风 的结 果 , 帮厚 度  随  类 炉
的 降低 而增 大 。   以上 分 析可 知 。 于 在 运 行状 态 下 已 建立 了热  对 平 衡 的 电解 槽 , 部 吹风 与 电解 槽 侧 部 加设 散 热 片  侧 所 带 来 的最 直 接 结 果 是 槽 壳 温 度 的 降低 与 炉 帮 厚  度 的增 大 。 而不 是散 热量 的增 加 。  

由传 热理 论 可 知 , 由于 热 量 平 衡 , 电解 槽 熔 体 

Q= -Q =    Q = 2Q 即从 熔 体 区传 到 内衬 的 热 量 等 于 从 内衬 内壁  通 过 热传 导 传 向槽 壳 的 热量 , 时也 等 于 从槽 壳 通  同
过 对流换 热 传到 外部 空 气 区的热 量 。这三 项热 量都  等 于 电解 槽 熔体 区 向外 的总散 热 量 。   由式 ( ) 知 , 解槽 的 散 热 量 仅 与 对 流 换 热  1可 电 系 数  ( 即铝 液一 帮 对 流 换热 系 数 , 炉 电解 质 一 帮  炉 对 流换 热 系数 ) 和温 差 ( 即过 热度 ) 关 。 。 有   在生 产 

3 电解 槽 热状 态 时 的散 热特 征   
下 面通过 公 式 推 导及 数 值 计算 , 析 电解 槽 热  分 状 态 时的散 热 特征 。其 中的计算 数 据及模 型不特 定 
某一 电解槽 , 限 于对 电解槽 的基本 特征 进行探 讨 。 仅   分 析 的基 本 条件 如下 :  
槽壳 :l1mm, 】5 W/m?   8= 6 A = 0 ( K)

过 程 中难 以通 过 操作 来 改 变 , 改 变 ( 大 或减 小 ) 要 增   电解 槽 散 热量 , 最终 取 决 于 改变 的途 径 是 否能 使 过 
热度 产生 变化 。   22 电解槽 侧部 吹风 对 散热 量 的影 响  . 吹 风 即增 大 外部 对 流 换 热 系数  , 不 改变 其  在

侧部 炭块 :2 10 m, 22 W/m?   8= 2 m A= 0 ( K)
扎糊 :3 10 m, F9 ( K) 8= 0 m A W/m?  

炉 帮 :  1 W/m?   A= . ( K) 3
31 侧 部 吹 风   .

他操 作 条 件 、 电解 槽 已经 运行 的状 态 下 , 式 ( ) 从 1 看 
出, 电解 质 液 相 温 度 与 电 解 温 度 不 变 , 过 热 度 不  即

当热 流量 不 变 时 ( 电解 槽 过 热度 与 内部 换热  即 系数 不 变 ) 过槽 侧 部 吹风 ( , 通 改变 换 热 系数  ) 使壁 

变, 同时  如 前 述不 变 , Q 不 变 。 因此 Q=   则   IQ 总 
的散 热量 不变 。  

面 温度 降低 1 0℃ , t 0 如  从 3 0℃降 至 2 0℃, 5 5 通过 
式 ( )式 ( ) 1~ 5 , 可得 出此 时 的炉 帮厚 度理论 变 化为 :  
瓯_ 11  一 38  2 .7 1 .5 = +

Q 不变,   由式 ( ) 知 : ,p 散 热 量 不 变 , 气  3可 Q=   空 温度  不变 , 增 大 , 槽 壳温 度 t   则  降 低 ;   由式 ( ) 2 可知 : :t 不 变 , Q、。   t  降 低 , ∑A H 降  则  i

其 中 : , 分别 为 变化 前 、 炉 帮 的厚 度 。     后   表 1 出了通 过建 立简 化 的数值 模型 计算 出 的  列

低, 即内衬 传导 层热 阻 降低 :  

槽 壳 温度 与炉 帮 厚度 随  的变 化量 。基 础 条件 : 槽 
温 (6   与 过热 度 ( ) 变,。10   ( ? 。 9 0c C) 8℃ 不  = 0 0W/m K) 

每 + 。 ’  = 。  + l26等   3国  +  

( 6 )  

表 1 槽 壳 温度 与炉 帮厚 度随  的变化 

式 ( ) 下 标 1 4分 别 表 示 槽 壳 、 部 炭 块 、 6中 ~ 侧 扎 

糊、 炉帮 。其 中动 态平 衡 下 能 改 变 的仅 有 炉 帮 厚 度 
&, 因此 炉帮 厚度 国 随着 ∑A 的降低 而增 大 。 因    正 为 炉帮 厚度 的增 大抵 消 了  带来 的影 响 。 以 电解  所

槽 侧部 吹风 , 电解 槽 散热 量不 变 。  
23 电解 槽侧 部加 设 散热 片对 散热 量 的影 响  .  

在 传 热过 程 中 , 壁 是 用加 大 表 面积 的办法 来  肋
降低 对 流换 热热 阻 , 到增强 传 热 的作用 。 起  

32 改 变 多层平 壁 的导热 系数  . 改变 多层 平 壁 的导热 系数 A4   ,即改 变 电解 槽 

式 ( ) , 于 电 解 槽 侧 部 加 设 散 热 片 没 有 涉  1中 由
及 到 过热 度 与 内部 换 热 系数 的改 变 , 因此 散 热 量 不 
变 

侧 部 各 种 内衬 材 料 如 : 块 、 化 硅 、 糊 等 , ( ) 炭 炭 杂 式 1  中  、。 不 变 , 以散 热 量 Q 不 变 ; ( ) Q =  、   所 - 式 3 中 ,  Q。 以 Q 不 变 , 、 不变 , 以槽 壳温 度 t 变 。 , 所 ,     所  不  

?

4   0?

中 固 有 色 冶 金  


口研究与探讨 
(   7)

对 于式 ( )仅 ∑( ) 变, 2, A 改 即式 ( ) 6 改变 , 因此 ,   最终 改变 的只有 炉帮厚 度  。   以下分 析 的基 本 条件 : 糊 厚 度 10mm, 糊  扎 5  扎 导热系 数 由 9W/m? 逐 渐增加 到 2   ( K)   ( K) 0 W/m? 。  
生:   堕  
厶 A   厶 A2  

0 6 4 L  p   . 6    e/ r — 2

紊流状 态下 , 外部 对流换 热系数 为 :  
、 

= 了

A (.3 R 0 8 0 P m 00 7 e8 7 ) r   .  
L 

() 8 

其 中 : 为普 朗特数, 反应 流体 物性对 换热 系    是 数 影 响的一个 准则 , 可通 过计 算或查 表 得到 ; A为空 


13 。 9 。2 。5   13 。 2 。2 。   . 0 0 - 0 0 50 :   +f   一   )   13 .  13 、 9 .    2  0


+ 

+  

+ 

虹 +  

+ +    

气 导热 系数 ; L为平壁 定型尺 寸 。  、   根 据上 述公 式 , 3列 出了外 部 空气 以 不 同速  表 度 掠过 电解槽平 壁 时计算 的对 流换热 系数值 。计算  的基础数 据 :空气温 度 2 0℃,电解 槽壁 面温 度 3 0 5  c , 气 导 热 系 数 00 7   ( K)/"06 1 电 解  c空 . 8W/m? , = . , 3 3 8 槽 平壁定 型 尺寸 L取 7 0r 考虑 电解槽 侧部 的主  0   m( a 要 换热 区域 )  。 表 3 空 气流速 与外部 对 流换 热 系数 的关系 
空 气 流 速/ s c ?  ? 一 m?一 4w m K   
5   1  0 2  0 1 3  O.5 1 .4 46   2 71 0.  

6 _ 19 41 .  +l

从 上述 推导 式 中可 看 出 , 厚度 的增 加 量 仅 与炉  帮导热 系数和初 始扎 糊厚 度有关 。在此例 中炉 帮增 
厚 1 . m。 1 9m   33 过 热 度 改 变  .

维 持槽 温 不变 , 外部 换热 系数 o= 0 0 (2 t 1 0 W/ . l m 
O= 0 (  K) 前述 的内衬 条件 及 不 同的过 热  t 3   m ? ,将   W/

空 气 流 速/ S m? 
3  0 4  0 5  0

a w ? -  # m  K
3 .9 68   5 .4 71   7 3  6-8

度 代入 式 ( ) 式 ( )计算 结果 见表 2 由表 2可 见 , 1~ 5 , 。  
随着过 热 度 的增加 , 壳温 度增 加 同时炉 帮厚 度 降  槽 低 。这 里 , 熔体 区的散热 量与过 热度成 正 比关系 。   表 2 槽 壳 温度和 炉帮厚 度 随过热度 的变化 

由雷诺数 计算公 式 可得 到, 气流速 在 2 m s 当空 3/  
左 右 , 动状 态 开始 由层 流变 为紊 流 。因此 从 列表  流 中可 看到 流速 在 3   / 0r s以上 时 。 流换 热 系数 增大  n 对 较快。   同时 , 式 ( ) ( ) 看到  L作 为电解槽 平壁  从 7 、8 可 的定 型尺寸 对最 终换 热 系数 的影 响较大 , 就使 电  这 解 槽对 流换 热的位 置设计 需更 进一步 的研究 。  

34 受迫对 流条 件下  .

需 要说 明 的是 以上 仅借 用 了外 掠 平 板 对 流 换  热 模式 来进 行分 析 , 在实 际过程 中, 由于位 置 、 离 、 距   方 向以及空气质量流量 等的不 同将使结果变得复杂。  

电解槽通过槽壳与空气进行换热 , 释放热量 。空气 
以一 定 的流 速 掠过 槽 壳 有 两 种 方式 :一 是 自然 对 
流, 即空 气 因各部 分 温度 不 同而 引起 的 密度 差 异所  产生 的流 动 : 是 受 迫 对 流 . 二 即外 力 作 用 下产 生 的 

4 结 论 
目前 的 电解槽 生产 中 . 论是 强 化 电流 还是 设  无 计 新 槽 型 , 在努 力地 增 加 电解槽 散 热量 。从上 述  都 分析 中可 看 出 , 电解 槽 熔 体 区 . 终 对 散 热量 取  在 最 决 定作 用 的是过热 度 。这 一切是 由相 对不变 的 电解  质液相 线与 可变化 厚度 的炉 帮来体 现 。对于 在运行 

空气流 动 。目前 运行 的电解槽 基本 为 自然 对 流下 的 

换 热 。下面探讨 受迫 对流 下 电解 槽 的换 热情 况 。  
吹风 条件 下 的 电解 槽 散 热 , 理论 上 可 引用 传热  学 中的外掠平 板换 热模式 来分 析 。外掠 平板 的流动  状态 可分 为层 流 与紊 流两 种 , 各适 用 于 不 同 的换 热  方程 。一般情况 下 可 以临 界雷诺 数来化 分 。外 掠平  板层 流换热 适用 范 围是 R <  ̄ 0 . e 5 1 紊流 换 热适 用范 
围 是 5 1  e 0 x 0 ≤R ≤1  

状 态 下 已建立 了热平 衡 的 电解槽 . 采取 一些 措 施如 
侧 部 吹风 和侧 部 加设 散 热片 等 , 不能 直接 增 加 电  虽

解 槽 散热 量 . 文 中所述 的一些 措施 可 使炉 帮 厚度  但 增 加及 槽壳 温度 降低 , 使温 度均 匀分 布 , 过热  同时 则 度 有 了一 个提 高 的空 问 。 为增 加 电解 槽 的散 热 量提 
( 下转第 7 0页)  

层 流状态 下 . 根据 传热 学 的理论 推导 , 部 对流  外 换 热系数 为 :  

? 

7   0?

中 固 有 色 冶 金  

口企业管理 

擅 自使 用 他 人 专利 的侵 权 的数 量 和诉 讼 机 会 大 幅 
度减少 。  

面对 标 准专利 化 的 困境 , 国家要 积 极 加快 技术 

标准 体 系 的建立 , 是维 护 国家 利益 和 基本 安 全 的  它 重要 手段 。另外 , 国家 还要 制定 法 律法 规 进一 步 完  善技 术 标准 市场 , 施 国家标 准 和 知识 产 权统 一 发  实 展 战略 。技 术标 准 与知 识产 权 有机 结合 , 有利 于提 
升 我 国企 业 自主创新 高 新技 术 能力 ; 利 于提 升 我  有 国企业 自主创新 品牌 的全球 化 : 利 于提 升 我 国企  有

3 . 信息披 露 和专利 实施许 可声 明  .2 2 按 照 国际标 准化 组织 的知识 产 权政 策 , 标 准  在 制定 过 程 中进 行 事先 审查 , 技术标 准 涉 及 到专 利 技  术 的 内 容需 要 专 利 持 有人 信 息 披 露 和 作 出专 利 实  施许 可声 明是有 效规制 专利权 滥用 的最 佳方案 。标  准 实施 后 , 如果 专利 许 可侵 犯 了社会 公 共 利益 和 专  利持 有人 的合法 权益 , 当事人 可 以寻求诉 讼 。  

业 开拓 国外 市 场 的竞争 能 力 ; 利 于提 升 我 国企业  有
先 进生 产力 的发展 : 利 于提升 我 国企 业 经 营管 理  有 水平 。  

4 结 束语 
我 国企 业不 能 总是 给 国外 先进 标 准 当代 工 者 ,   这 就要求 我 国企业要有 自己的 自主创新 品牌 。创 新  的品牌 要受 知识 产 权保 护 , 把受 知识 产权 保 护 的 自   主创新 品牌 形 成 国家标 准 甚至 是 国际 标 准 , 技 术  从 标准 的战 略 层 面上 打 造 我 国企业 的 国 际经 济 市 场  技术优 势 。  

『 参考文 献1  
[] 《 内 外 标 准 、 利 概 要 》 写 组 . 内外 标 准 、 利 概 要 [ . 1   国 专 编 国 专 M] 北 
京 : 国标 准 出版 社 .0 6 中 20.  

[] 王海 瀛 . 术 垄 断 的新 趋 势一 专 利 标 准 化 [】 五 届 中 国标 准化  2 技 A. 第 论 坛 暨 “ 耐 德 电 气 杯 ” 国标 准 化 优 秀论 文选 集 ( 册 )C_ 施 全 下 【  J  
[] 杨 昌 适 . 准 化 与 企 业 自主 创 新 [ . 五 届 中 国标 准 化 论 坛 暨  3 标 A】 第 “ 耐 德 电气 杯 ” 国标 准 化优 秀论 文 选 集 ( 施 全 下册 ) ] [. C 

I v si a i n o  t nda d z to   fi t le t lp o r y n e tg to f r sa r i a i n o  n elc ua  r pe t  
Ya g Ch n — s i   a —h i n   a g h , Xi o u  Li

Ab t a t T eb s   o c p   f h  n el cu l r p r   n   c n c l t n a d z t n i i t d c d d s u s g t e s r c : h   a i c n e to  e i tl t a  o e t a d t h ia  a d r i i    n r u e , ic si  h   c t e p y e s a o s o n r l t n h p i h   ewe n T e c n l so  st a  h n s   n e p ie n e st  o i e t e i tl cu l r p ry ea i s i  n t e b t e . h   o cu in i h tC i e e e tr r   e d  o c mb n  h  n el t a  o e   o   s e p t
a d tc n c lsa d r iain fri r v  he i tr a ina  o e e ty  n  e h i a t n a d z to  o  mp o e t  n e n to lc mp tn l . Ke wo d:i tle t lp o et sa da d z to ;sr tg   fe tr ie y r n el cua  r p ry; tn r iai n ta e y o   n eprs  
痧 痧 、 、 c   : 痧 ,   。 驴

( 接第 4 上 0页 )  

由于 两个 区域 散 热机 理 不 同 . 文 仅分 析 熔体  本 区 的传 热 情 况 , 排 除在 两 区交 界 . 文 所 述 措施  不 本 的结 果与实 际情况 存在 一定偏 差 。   『 参考 文献1  
[] Mc d n FJS. n ryB ln ea dC l D n m c  rc t A s 1  ̄d e ,  . E eg   a c  n   el y a is o . h u t t a   P 6   

出了一 个方 向。增 大过热 度 , 就是 吹 风 或加 设 散  这 热 片可增加 电解槽 散热 量 的根 本原 因 。在新 的 电解 
槽设 计 中 , 可通 过 区 B的散 热状 态 分 布调整 来 增  还
加 电解槽 散 热量 , 体措 施 有 : 整 通 风 的烟气 量 , 具 调  

懈  覆盖 料高 度 , 大 电解 槽 上 部 散 热 , 化 电解  低 加 优 厂 房通风设 计 , 加 电解 槽槽 周 的散热 。 增  

A . me igWo so 1 9) 8— 2 . 1S ln  r h p(9 8, 9 3 0 t k   2  

[] 章 熙 民, 泽 霈 , 飞 鸣 . 热 学 [ . 京 : 2 任 梅 传 M] 北 中国 建 筑 丁业 出版 社 ,  
2 0】 0  

Anay eo   o t n z n   a   si to  n t e a u i um   el ls   fm le   o e he tdispa i n i  h   l m n c l 
HUANG J n Y  u , AO S i h a     h— u n
Ab t a t I i i o a tt  elu d rt n   h   h sc o  h   e td s i a in i s e t e l i g o   n a u n m  sr c :  s mp r n  o w l n e sa d t e p y i  ft e h a  isp t  n i  h  i n   fa   l mi u t   t   o d n r d c in c l f rd s n n     e   e1 T e k y f au e t a e i t  o s e ai n i t e 2 z n sh a O Sme h . e u t   e l o   e i i g a n w c l. h   e  e t r  o tk  n o c n i r t   S h     o e   e t S  e a  o   g d o   l n s I   n   o e t e d vn   r e i  e g o a t e ma  r d e t ewe n t e c l o ea i g t mp r t r  n  h   im. n o e z n , h   r i gf c  s t   lb l h r l a i n  t e     el p r t  e e au e a d t e i o h   g b h   n c l a i n e e a u e W h l n t e oh rz n , h   r i g f r e i t e c l s p r e t I   i p p r s me p e  e l mb e t mp r t r . i i  h   t e  o e t e d v n  o c  s h   el u e h a . n t s a e  o   h .   t e i     h   n me o   ft e h a  is ai n i  h   l n z n   a   e n a ay e . o n n o     e td s i t  n t e mo t   o e h sb e   n lz d h p o e  
Ke   r s:aumi u c l;mo tn z n y wo d l n m  el le   o e;h a  isp to e td s i ai n;f r a e wal u e h a ;h a r n e   y c n e to   u c   l;s p r e t e tta f rb   o v cin n


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