懸浮式陰極鋁電解槽的設計及其電場的有限元分析.pdf

1、鋁電解槽是鋁電解生產的主體設備，實驗室用鋁電解槽多采用石墨槽體加氧化鋁瓷管內襯做槽體，以避免電解過程的側部導電。采用該結構的鋁電解槽，其電流強度一般都很小，產鋁量少，難以滿足實驗室在研究鋁電解技術時的需要。如果實驗室用鋁電解槽具備一定的產鋁能力，并且造價適中，這無疑為鋁電解技術的研究提供很大地便利。鋁電解槽內的電場分布是否合理在很大程度上決定了電解槽設計的合理性，并且對理解槽內的電解過程有著重要的意義。
　　 本文針對實驗室研究

2、鋁電解技術時對小型電解槽的需要，在借鑒現(xiàn)有電解槽結構的基礎上，通過改變電解槽傳統(tǒng)的陰、陽極結構，設計了兩種實驗室用小型懸浮式陰極鋁電解槽：豎直棒式陰極和懸浮托盤式陰極鋁電解槽。兩種結構的鋁電解槽均采用石墨作為陰、陽極和槽體材料。
　　 利用兩種結構的鋁電解槽分別進行了生產純鋁、鋁-鈦及鋁-鈧合金的電解試驗，結果表明，豎直棒式陰極鋁電解槽電流效率不足30％，效率較低，存在一些技術難題需要進一步研究；而懸浮托盤式陰極鋁電解槽，在電解

3、電流為300A的條件下，其電流效率接近80％，持續(xù)工作時間在十二小時以上。該結構鋁電解槽徹底解決了側部導電問題，在實驗室條件下，具備一定量的電解鋁生產能力，且造價低廉，為實驗室研究鋁電解技術提供了一種有效的實驗手段。
　　 本文在成功設計和建造了兩種鋁電解槽的基礎上，采用有限元方法建立了電解槽電場的數學模型，利用ANSYS有限元軟件對電解槽的電場分布進行了仿真模擬計算。結果表明：豎直棒式陰極鋁電解槽的整體電壓為1.518V，電解

4、槽內的電流密度分布滿足鋁電解的要求，但由于電解槽內鋁液電位與陽極電位相接近，造成鋁原子的再氧化，導致該結構鋁電解槽的電解效率較低，不具備實際使用的價值；對于懸浮托盤式陰極鋁電解槽，電解電流300A的條件下，其整體電壓為1.344V，其中電解質熔體電壓1.210V左右，電解電流主要從陽極經電極間的電解質流向陰極，陰極表面的電流密度可達0.4A/cm2～0.6A/cm2，超過了鋁電解對陰極電流密度的要求。分析結果從理論上證明了該結構電解槽的