【摘要】：我國鋁產(chǎn)能位居世界首位,鋁電解生產(chǎn)過程中消耗大量電能,節(jié)能是當前鋁電解研究的重要方向。鋁電解陽極過程產(chǎn)生大量氣體,導致槽電壓升高,并與熔液中金屬鋁發(fā)生二次反應降低電流效率。為降低槽電壓,研究者們嘗試采用開槽陽極、傾斜式陽極以及在陽極上加載超聲的方法,其核心就在于加快陽極氣體逸出,減少陽極氣泡在陽極表面的停留。以往文獻中對于超聲頻率、聲強、極距變化、氣泡在陽極表面的分布作用及其對鋁電解電流效率的影響研究少有報道。針對上述不足和問題,本文開展了系統(tǒng)性研究。 首先,針對超聲波在鋁電解過程的應用,對超聲頻率作用槽電壓的影響進行了探索研究。結果表明,較低頻率的超聲(20kHz)能得到較好的超聲降低槽電壓的效果。 其次,針對鋁電解高溫(930～960℃)造成對氣泡實驗和觀察的困難,對氣泡在陽極表面的粒徑大小分布、各面積百分比、覆蓋度進行冷態(tài)模擬實驗研究。結果表明,當電流密度低于0.2A/cm2時,陽極氣泡最大尺寸和覆蓋度隨著電流密度的增高而增大；當電流密度大于0.2A/cm2,陽極氣泡最大直徑和覆蓋度隨電流密度的變化不明顯。0.05A/cm2陽極氣泡最大直徑和氣泡覆蓋度隨極距的降低稍微有所增大：0.2A/cm2陽極氣泡最大直徑和氣泡覆蓋度隨極距的降低變化不明顯,表明當電流密度較大時,氣泡的最大直徑和氣泡覆蓋度與極距的關系不大。 另外,圍繞超聲主要通過陽極氣泡發(fā)生作用的方式,為獲得最佳的超聲輸入能量、電解極距、在冷態(tài)電解槽中對加載超聲后氣泡行為和槽電壓進行了測試研究。結果表明,隨著超聲聲強的增大,氣泡在陽極的區(qū)域覆蓋度變小,槽電壓降低值不斷升高；當超聲聲強增大到0.027W/cm2,陽極上氣泡被完全去除,繼續(xù)增大聲強,超聲對槽電壓的降低效果則減弱。超聲聲強低于臨界值時,氣泡區(qū)域覆蓋度隨著極距的降低而有所增大,表明靜壓力的增大阻礙超聲驅除氣泡。對氣泡在陽極上的大小分布和覆蓋率作詳細的研究,不僅對節(jié)能和提高電流效率有重要的作用,對電解槽磁場和流場的研究同樣具有重要的作用。 隨后對超聲與槽電壓和電解槽有效電阻率的關系進行系統(tǒng)研究。結果表明,隨著超聲聲強的增大,槽電壓降低值不斷增大,但槽電壓降低值增大效果越來越弱；而隨著極距的降低,在一定超聲聲強下,槽電壓降低值變小,通過對電解槽有效電阻率的計算表明,隨著電流密度的升高,電解槽有效電阻率降低,而超聲的引入使得電解槽有效電阻率變得更低。為強化槽電流同時不影響熱平衡的條件下增大產(chǎn)能提供一種技術可能性。 在上述結果基礎上,綜合研究超聲作用和極距變化對電流效率的影響。結果表明,電流密度0.75A/cm2左右,在陽極上加載超聲能夠提高電流效率,超聲對電流效率的提高效果可達2%左右,而與極距變化同時進行時并未見明顯增加。進一步構建陽極氣泡從長大到逸出冰晶石熔液表面的各部分歷程的傳質速率模型,對電解槽電流效率進行模擬研究。結果顯示,同等氣體量氣泡在電解質熔液中存在的粒徑越小、上浮過程越長,其引起的CO2傳質速率和電流效率損失越大。陽極電流密度對陽極底部氣泡生長過程中的傳質速率影響較大,而對逸出氣泡上浮過程中向電解質熔液中C02傳質速率影響不明顯。極距變化對氣泡在冰晶石熔液中的擴散傳質速率和電流效率的影響作用不明顯,但實驗測量電流效率隨極距降低的變化較大,極距35-40mm時計算值與實測值較接近；極距較低(小于35mm),計算值小于實測值,表明應同時考慮其他影響CO2傳質的因素,才能對電流效率進行較為合理的模擬和評估。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TF821

【參考文獻】

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本文編號：2738053