50KA制钠电解槽温度场的数值模拟分析

米兰 石磊 王世爱

摘 要：研究了50KA制钠电解槽温度场问题的数值模拟分析方法，采用有限元法计算了新的电解槽温度场，其分析结果，为新槽体的开发设计提供了参考依据。

关键词：制钠电解槽;温度场;数值分析;有限元法

0  前言

由于50KA 制钠电解槽电解中温度因素的影响很大，它直接影响到电解工艺能否实现。此外电能的消耗、电流效率、原材料及辅助材料的消耗及产品的质量都与温度密切相关。为此，笔者借鉴在大型铝电解槽的设计中物理场的研究成果[1]，采用有限元法完成其温度场的计算分析。

1.计算方法的确定

傅里叶定律描述了热传导的基本规律[2]。对于平面稳定温度场，其温度函数应在物体所占平面区域G中满足调和方程

由于温度场的其他边界条件难以确定，研究中主要采用温度边界条件，即已知物体表面的温度，其中f为已知函数，表示边界上的温度。在计算中采用实测的温度值。

在第一类边界条件下，其泛函数为：

利用变分原理，建立有限元方程，在有限元系统中，热传导的控制方程为：

在线性稳态热分析中。不考虑热质量影响或温度相关材料特征，温度关于时间的导数，且是定常的，故控制方程可简化为：

为了检验计算结果，除采用与现场实际情况相验证的方法外。也使用了国际上比较通用的有限元计算软件，如ANSYS等的计算结果进行验证.

2计算模型及有限元模型

模型计算均采用三角形单元，其中模型二划分为。1865个三角形单元，1000个节点。对于模型中某些的边角部位加大了计算密度，以便于分析，计算的边界条件为已知边界条件其基础数据根据现场实测获得，两侧温度为100摄氏度，底部温度为120摄氏度。熔岩表面温度为1100摄氏度，其他部位按线性插值.

3 计算结果分析

图1为有限元计算结果的等温线图，图中可见由于金属熔岩等导热系数大，其温度梯度小于槽体，其内部温度比较均匀，尤其在坩锅中心，这种比较稳定的温度分布对于提高产品质量有好处。

从图1中可以看出，在电解槽中，各种材料相邻处，温度梯度发生很大变化，尤其是槽体与其他保温材料间的变化最为明显，这一结果提示着此区间可能产生比较大的热应力，从而导致材料变形乃至材料破坏。这是设计中今后应考虑的方面。

4. 结 语

采用数值分析的方法，可以较高效率地进行设备的开发设计。但对于新工艺、新设备，须建立能正确描述其特征的数学物理方程，并研究其数值解方法。

本文所介绍的稳态温度场的数学模拟，基本上能够反映工艺条件，计算结果与实测资料也比较吻合。但对于熔盐表面主要是热辐射的边界部分，有一定的误差，需根据经验加以处理。

参考文献

[1] 黄永忠，王化章.鋁电解生产[M].湖南：中南工业大学出版社，2004.175- 218.

[2] 杨全，张真，金属凝固与铸造过程数值模拟[M].浙江：浙江大学出版社，2008.

作者简介：米兰，1981年9月 女 内蒙赤峰人，

乌海职业技术学院，讲师，研究生学历，企业节热节能方向。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目

项目类别：自然科学自筹项目

项目编号：NJZC17579

项目名称：50KA钠电解槽温度场的数值模拟及现场测量与优化