导流式铝电解槽电-热平衡计算建模与应用

周乃君，童道辉，张家奇，王瑞雪

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

随着异型阴极铝电解槽在工业成功应用[1]，人们加大了导流式铝电解槽[2]的研究。导流槽的结构特点是将阳极与阴极碳块做成斜坡状，并在阴极中间开排铝沟。设计合理时，电解生成的铝液可以顺着斜坡流入中间贮铝沟内，再定期被抽走。因此，阴极表面基本不存贮铝液，故不存在铝液波动问题，从而为降低极距提供了可能。然而，铝电解槽的极距不只是受到铝液波动的限制，还要受到电-热平衡的约束。为维持稳定的电解温度，极距应保持一个恰当值使电解质产生焦耳热。这部分热能通常占总输入电能的30%左右。如果能尽量降低极距而又不影响电解槽的稳定生产，将可以节省大量电能。因此，有必要对导流槽的电压平衡以及能量平衡进行深入研究。铝电解槽的电-热场研究通常采用有限元分析软件 ANSYS进行[3-5]，但其中有很多量如过电压、分解电压、电解质压降及电解反应所需能耗等需要应用经验公式来计算。本文作者采用经验公式和数值计算相结合的方法，获得导流型铝电解的电平衡和能量平衡信息，并以此为依据对导流槽的节能潜力进行分析和评估。

1 电平衡计算方法

铝电解槽的电平衡是指槽电压与各支出电压之和的平衡。电压平衡关系可由下式表示：

式中：E槽为槽电压，V；E极间为从阳极到阴极之间的电压降，V；E阳极为阳极压降，V；E阴极为阴极压降，V；E母线为母线压降，V。……