具体实施方式

本实施方式中采用的铝电解槽为DX技术铝电解槽，其横截面结构和材料如图1所示。该电解槽由S275J级钢制成的外壳组成，内部装有多层衬里材料。支架/槽壳由坚固的结构支撑的相对松散的外壳组成，电解槽垂直侧有加固工字梁，电解槽底部有用于支撑的工字型支架，以抵消阴极两侧的向外弯曲和向上弯曲。

电解槽底部的衬里材料是隔热砖，可防止热量通过电解槽底部大量散失，电解槽的这一部分使用的特殊材料包括蛭石板、耐火砖和硅酸钙板。这些材料的导热系数低，并且足够坚硬，足以承载上面的其他结构。在底部之上，衬里材料是充当电解槽阴极的阴极碳块。阴极碳块通常比捣固糊料更适合用于衬里，因为阴极碳块能够提供更高的强度、更高的密度和更低的电阻率。阴极碳块在电解槽的整个长度上均匀分布，在阴极碳块和电解槽的间隙处有捣固糊料，形成用于还原反应的不透液的容器。电解质在电解槽底部的渗透程度和渗透速率很大程度上决定电解槽的使用寿命和能源利用率，因此捣固糊料的密封效果是决定电解槽使用寿命和能源利用率的重要因素。衬里材料还用于将位于电解槽内的电解质/铝与槽壳侧壁分开，用于电解槽侧面衬里的材料需要能够保持电解槽所需的热量平衡，DX电解槽中侧面衬里使用的材料是碳砖和碳化硅砖，这是基于它们的热特性设置的：碳砖和碳化硅砖允许热量流过槽的侧面，从而形成槽帮。

为研究铝电解槽自由对流冷却的情况，在自由对流冷却过程中收集停止运作的铝电解槽各个部分的温度读数。为此，在停止运作后，将热电偶放置在顶板、侧面槽壳、槽壳底部以及电解质/铝液的中心。每次读数在槽的两个相邻位置收集，以确保完全可信。温度测试在电解槽停止运作后立即开始，并且在电解槽从电解厂房移动到维修室的各个阶段持续测试了近7天。测试了电解质在出铝前后的温度，测试了电解槽顶板、电解槽底部和槽内剩余金属的温度随时间的变化，这些测试均在电解槽中间部分进行。

在侧面槽壳，热电偶设置在电解槽侧面槽壳的上游端、下游端和出铝端。电解槽顶板设置三个热电偶，分别在上游端、下游端和出铝端。两个热电偶设置在电解槽槽壳的底部，分别距离上游侧和下游侧800毫米。在电解厂房内无法在距离上下游侧800毫米设置热电偶，因此采用在距离两边缘100毫米处进行测量。使用的具体仪器如下：用于检测槽壳(包括顶板、侧面槽壳和槽壳底部)表面温度的用于检测电解质/铝液温度，用于检测电解质/铝液温度的Marshal Tip热电偶组件，Fluke和Aristo温度计。从这些设置好的热电偶中获得电解槽温度数据。

在电解厂房中，第一组测量是在断电前15分钟和断电后15分钟完成的，然后每小时测量一次，持续19小时。在电解厂房外，在电解槽离线并转移后的3hr.20min完成第一组测量，最后一组测量在断电后的6天23小时后完成。

CFD模型通过ANSYS和Star-CCM+进行建模和模拟分析。

电解槽的2D工程图是用AutoCAD绘制的，将实际上电解槽中使用的材料映射到2D工程图中，如图2和图3所示，分别展示电解槽的宽度侧截面和长度侧截面。

本实施方式中针对DX电解槽的冷却系统包括：(1)强制对流系统：包括风管和鼓风机，所述风管在铝电解槽侧面槽壳底端外侧，也可以同时设置在电解槽槽壳底部，鼓风机将冷空气吹入风管，风管可以将冷空气引入电解槽的底部，形成强制对流，引入速度可为5m/s-20m/s。(2)撞击射流系统包括空气压缩机和与空气压缩机相连通的管道网，管道网设置在电解槽侧面槽壳处和电解槽上方，管道网在面向电解槽侧面槽壳、电解槽顶板、铝液和槽帮的一侧设置喷嘴；空气压缩机将压缩空气送入管道网，压缩空气在管道网中高速流动，从喷嘴中喷出，与侧面槽壳、电解槽顶板、铝液和槽帮热表面形成空气撞击射流。(3)热辐射吸收系统包括金属管、冷却液循环泵、冷源，金属管、冷却液循环泵、冷源相互连通；金属管的一部分设置在铝液和槽帮上方，彼此相互平行，从电解槽一端延至电解槽另一端，这部分金属管称为热收集器，这些金属管还可以互相通过金属板焊接在一起，或者几根管为一组通过金属板焊接在一起，使热收集器形成一个面积更大的板型结构，以增大收集热量的面积。冷却液循环泵将冷却液泵入金属管内，冷却液通过金属管流过铝液和槽帮上方，之后流入冷源，通过冷源冷却后返回冷却液循环泵进行循环。

图5-8展示了该系统的可视化图，这些可视化图中，只画出了四分之一个电解槽用于示意。图中为了清楚，没有画出撞击射流装置在铝液和槽帮上方的管道网，也没有画出通风系统。而热辐射吸收系统仅示出了部分金属管和冷源，但不难理解，金属管内的冷却液流入冷源冷却后，通过冷却液循环泵再次泵入金属管，进行循环利用。

关于铝液和槽帮上方设置的撞击射流系统的管道网和与之相配套的通风系统，如图4所示，在本实施方式的撞击式射流冷却技术中，对于铝液和槽帮上方设置的管道网中的喷嘴，采用圆形喷嘴的直列阵列，这种设计对于给定的气体流量来说，是最有效的撞击射流配置。在本实施方式中，根据电解槽的尺寸在喷嘴和铝液之间留出50厘米的间隙，外缘的喷嘴与电解槽内侧壁所在的竖直平面也有50cm的间隔。认为出喷嘴的气流速度从5m/s到20m/s不等。当相邻喷嘴之间的空间向周围环境开放时，会发生一个优选的撞击射流阵列，从而允许空气连续向上流动并直接排出加热后的废空气。为防止污染环境，同时也为了使空气形成一个完整的回路，在设计时采用了通风系统，通风系统和铝液及槽帮上方设置的撞击射流系统管道网如图4所示，在这些管道网的上方设置盖板，盖板连通通风系统的通风管道，撞击射流之后向上流动的废气经通风系统抽出电解槽。需要注意的是，图4仅是单独的铝液和槽帮上方设置的撞击射流系统的管道网和与之相配套的通风系统的示意图，虽然图4中没有画出，但实际上在管道网和盖板之间，还有前文所述的热辐射吸收系统的热收集器。

撞击射流系统的管道网和喷嘴是设置在铝液/电解质和槽帮上方(也可称为电解槽上方)、电解槽顶板上方和电解槽侧面槽壳处的，铝液/电解质和槽帮上方由于位置较好，该部分的热量可以有效地通过撞击射流从电解槽中去除。由于设计的强制对流系统中的风管由于电解槽中阴极钢棒的阻塞，无法有效地冷却侧面槽壳的上部，因此提出同样采用撞击射流对这一部分进行局部冷却，这样压缩空气通过管道网和喷嘴引入侧面槽壳的特定位置，通过增加槽壳表面的空气速度并引入湍流来增强冷却效果。同样道理也可以采用撞击射流对顶板进行冷却，因为顶板也是电解槽散热的有效区域。

铝液/电解质和槽帮是电解槽最热的区域，也是最有效的冷却位置。但完全依赖撞击射流对这部分进行冷却的话，会产生很多有害烟气，即使有通风系统，仍然会有较大的环境危害。因此，铝液/电解质和槽帮的冷却同时也采用了热辐射吸收系统。热辐射吸收系统的热收集器本身是用高辐射吸收率的材料制备，比如铝(金属管和金属管之间焊接的金属板)，还可以在热收集器表面涂装高发射率材料的涂层以防止过热。在电解槽停止运作且电解槽的阳极去除后，将热收集器移至铝液和槽帮上方，使冷却液流经热收集器，从高温表面收集热量，流入冷源冷却后重新引入循环。

通过参数研究优化了喷嘴阵列的配置(喷嘴直径和间距)，以适合电解槽中铝液和喷嘴阵列之间的间隙，从而以最大可能的效率运行。在最佳配置下，可以通过改变空气喷射速度和冷却体的表面温度来推导传热关系。

上述这些冷却系统中的每一种最初将分别考虑，并且将研究它们对总体冷却曲线的影响。在优化这些过程后，再将这些冷却系统进行组合，并检查对所得冷却曲线的影响。

1.风管冷却(强制对流)的CFD模型

针对铝冶炼厂电解槽的外壳(槽壳)建立了一种基于三维有限元的计算流体动力学(CFD)模型，设置尺寸为0.02m的进气管道，位于阴极钢棒下方。该模型模拟了以5m/s的速度在阴极钢棒，侧面槽壳外侧和槽壳底部上强制流动的气流。温度相关的传热系数是通过在适当的环境空气域中对等温面和槽壳的精确形状进行建模来估算的，其中在地面上的特定位置引入了入口速度边界条件。由于域流对温度的强烈依赖性，因此使用了基于耦合的求解器。利用RNG k-ε雷诺兹平均模型对诱导湍流进行了建模。获得的侧面槽壳中心、顶板和槽壳底部等位置的对流传热系数随温度变化的情况如图9所示，并在图9中与这些位置的自由对流情况下的传热系数进行了比较。

通过引入强制对流，传热系数在侧面槽壳中心处增加了三倍，在槽壳底部增加了两倍，但是由于顶板远离冷却通道，顶板区域的传热系数几乎没有受到影响。通过这个模型为槽壳的其他部分建立了类似的曲线，将这些曲线用于FHT(快速Hartley变换)模型的边界条件。先前获得的稳态解被用作该模型的初始条件。模型中残留铝液和电解质高度分别为4.65cm和1cm。该模型通过断开上部的铝液/电解质与残留金属之间的界面，来模拟在1小时内去除铝液/电解质的过程。这样可以确保在获得稳态解后，从模型中消除了金属热量。通过输入提取潜热的命令，对660℃的温度下的金属凝固进行建模。通过环境温度的变化对电解厂房转移到维修室进行热建模，忽略此移动期间的风的影响。该模型引入表面到表面的辐射，以估计热辐射吸收系统的性能。采用一维方程模拟了表面对表面的辐射模型，并记录了最大15％的误差。假定所有物体都是灰色的，并且它们的辐射率为常数。热收集器的辐射率是0.9，而电解质的辐射率是0.45。建立了四个模型来评估性能，如下所示：

情况1：侧面单独冷却；

情况2：对侧面和底部进行冷却；

情况3：顶部单独冷却；

情况4：顶部，侧面和底部同时冷却。

针对槽壳的各个部分，估计了每种情况下的温度和历史热通量。因为建模是采用四分之一电解槽(14U/S)，所以热通量估计值是DX电解槽的四分之一，可以乘以4得出总热通量。图10和图11显示了这四种情况下的侧面槽壳中心的温度记录(冷却曲线)和热通量。在情况1到情况4中，侧面槽壳处的冷却速率增加。这表示从情况1-4侧面槽壳冷却性能的整体增加。图11的热通量历史记录还显示，从情况1-4来看，电解槽该部分的吸热率提高了。

图12和13显示了槽壳顶板的温度和热通量的变化记录。情况1-4中，槽壳顶板的冷却速率也有增加。但是，在情况1-4的冷却过程中，该部分的热通量要小于自由对流环境下的热通量。由于未对槽的顶板部分施加冷却，因此表明其他进行了冷却的部分可能提取了自然流经顶板的热量。

在这些情况下，记录在槽底部的冷却曲线和热通量历史证明了这一假设(图14和15)。图15显示了将强制对流冷却应用于槽壳底部时，产生了更快的冷却和热量提取。然而，当仅对侧面槽壳进行强制冷却时，槽底部的冷却速率增加，但是热通量减小。

情况1和情况2不会引起冷却曲线和热通量的显著变化。但是，仔细观察表明，情况1和情况2会使铝液的冷却速率略有增加，但与自由对流时的数值对比，铝液的散热速率却有小幅下降。这表明最初通过自由对流从顶部移除的热流在这两种情况下是从侧面被排出。这样，情况1、2中铝液的冷却速率的整体增加值是相对最小的。但是，在情况3中，当仅从顶部进行冷却时，铝液的冷却速率和散热速率就会提高。而在情况4中，全方向的冷却进一步提高了冷却速率和散热速率。

这些结果表明，最好的散热冷却方法是采用情况4中的思路。由于电解槽侧面和底部的隔热层限制了散热，因此热量从一侧向另一侧的传递取决于传热系数的大小，而不是从热源中移走。另一方面，仅从顶部除去热量会减少侧面和底部的热通量，也就是在那些方向上的热阻增加了。另外，不均匀的冷却速度会引起热应力，从而可能损坏钢制的槽壳。

2.槽壳的强制对流冷却系统方案

当空气被迫接触表面时，接触到表面的空气颗粒将被阻塞并最终停止。这导致相邻流体层由于以不同速度运动的相邻流体元件之间的粘性应力(摩擦力)而变慢。后续的流体层也被阻塞，但程度不与一开始的层相同。这种趋势一直持续到停滞的流体对流速的影响可以忽略不计的区域(图16)。产生速度梯度的区域称为速度边界层。

同样，当流体的温度不同于槽体的温度时，也会创建一个温度梯度。存在该温度梯度的区域称为热边界层。该边界层中的条件决定了从流体和槽体之间传热的性质。从平坦表面传热的性质如今已被很好地理解，并且有相应的实验统计，但对于电解槽这种相对复杂的表面，还没有很好的实验统计结果。这种强制对流冷却技术中，槽壳的对流传热通过增加其表面上的空气流速来实现，尽管实现此目的也可以采用降低环境空气的温度的方法，但提高空气的速度是一种更经济可行的选择。在冶炼厂中，这种冷却方案可以通过将风管放置在电解槽侧面槽壳底端的地面上来实现，如图8、图16所示，通过鼓风机向风管中鼓入冷空气。

与朝上的热板不同，朝下的热板(对于铝电解槽来说也就是槽壳底部)不适合浮力驱动的自由对流。这是由于空气从板到地面的负温度梯度所致。密度大的冷空气位于底部，而密度较低的热空气位于非常靠近热表面的位置，系统处于平衡状态。槽壳底部的较大面积意味着会存在相当大的这种空气停滞的平衡区域。为了消除这种停滞，提出了在底部也设置吹入冷空气的风管。该过程将通过降低电解槽槽壳底部的环境温度，增加空气流动速度并引入湍流来增加从电解槽底部的传热。另外，也期望能够产生降低维修室的整体环境温度的效果。电解槽的底部一般设置工字型支架，电解槽底部的风管可以设置在这些支架结构之间，穿过电解槽的横向长度。

3.热辐射吸收系统方案

热辐射吸收系统是通过辐射将热量驱出。众所周知，辐射系统在高温下最有效，所以铝液和槽帮是该排热系统的目标位置。该方案涉及在敞开的电解槽上方放置一个有效的辐射吸收器(热收集器)，以在冷却过程中增强从铝液/槽帮传出的热量。热收集器收集的热量通过流经热收集器的冷却液从系统中传导出去。热辐射吸收系统的热收集器示意图如图17-19所示。在操作过程中，将热收集器简单地朝维修室中的敞开电解槽降低即可。冷却液通过热收集器中的金属管从槽的一个纵向侧(长度侧)传递到另一侧。如图18所示，热收集器相邻的两根金属管内的冷却液可设置为以相反的方向流动，确保热收集器表面温度的均匀稳定。从热收集器流出的冷却液在经由冷却液循环泵重新引入循环之前，先流经冷源进行冷却。

与完全平面结构的热收集器不同，将金属管的部分表面积也暴露在热表面上会使收集器的表面积增加约40％。从理论上讲，这提高了热收集器的辐射传热能力，因此将金属管之间焊接金属板是一种更有效的提高辐射传热能力的方法。为了进一步增强散热效果，可以对热收集器的金属管方向进行修改，以使热收集器在铝液面上的表面积最大化。比如金属管在电解槽的两个端部以一定角度(如45°)倾斜的热收集器，如图20和21所示，由于建模是在四分之一个电解槽上，图20和21只示出了金属管的一半，可以想象金属管另一半与图20对称，金属管与电解槽上表面从横向侧面来看，形成一个三角形或者说倒V形。也可以使用Z字形热收集器，如图22和23所示。

4.撞击射流系统方案

在这个冷却系统的方案中，撞击铝液的撞击射流阵列用于提高铝液表面的传热系数。圆形喷嘴的直线阵列、圆形喷嘴的交错阵列和狭缝喷嘴是可用于空气撞击射流系统设计的三个选项。在选择阵列配置时，优选的情况是当相邻喷嘴之间的空间向周围环境开放时，允许撞击射流后的空气连续向上流动并直接排放废气。由于这种方法可能污染冶炼厂的环境，因此在其设计中采用了合适的通风系统。此外，为了避免过热，可以在管道网的两侧布置冷却水管道。

5.冷却方案的性能评估和参数优化

在已开发的数学模型的帮助下，评估本实施例中电解槽冷却方案的性能。所采用的技术为通过风管在槽壳处(主要是侧面槽壳底端和槽壳底部)的强制对流、位于铝液上方的热辐射吸收以及在电解槽上方(主要是铝液和槽帮上方)、电解槽顶板和侧面槽壳处设置的撞击空气射流。对于强制对流风管的布置，冷却方案基于通过迫使空气在槽壳上来冷却电解槽，它要求对槽壳结构上的气流进行建模的高精度(转换为数百万个离散节点)。在评估该冷却方案时采用了该方法，并开发了专门的模型来估计空气流速对通过槽壳传递的热量的影响。用模型计算的与流速有关的传热系数被使用到电解槽的模型中，然后将其用于评估电解槽的冷却性能。其他两种方案涉及在平坦铝液表面上的辐射和撞击射流，对于这两种方案的表现也进行了评估，但对于这两种方案没有设置会引入不切实际的计算持续时间的流体域。需要非常注意的是，由于无法在冶炼厂的电解槽序列上进行冷却，因此只有在将电解槽移至电解槽维修室之后(停止运作后的14小时)，才在模型中启用上述主动冷却技术。

对于槽壳强制对流冷却方案，为DX电解槽的槽壳开发了3D CFD模型，并在阴极钢棒下方设有17cm x 40cm的风管。选择此尺寸以使风管适用于电解槽支架的工字支撑结构之间，成为槽壳的一部分，传热阻力最小。与温度相关的传热系数是通过在合适的环境空气域中对等温层与槽壳的精确形状进行建模来计算的，该模型类似于自由对流模型。但是，在该模型中，引入管道作为入口速度边界条件，迫使气流以5m/s到20m/s的速度在阴极钢棒、侧面槽壳、槽壳底部流动。由于域流对温度的强烈依赖性，因此使用了基于耦合的求解器，采用RNGk-ε雷诺兹平均模型对诱导湍流进行了建模，并且还包括了引力效应。计算域使用最大尺寸为0.002m的网格离散化。根据经验，槽壳外的边界条件被建模为环境温度壁面，而不是压力出口，因为后者会引起背压。动量和能量方程分别使用10^-3和10^-6残差值的收敛准则。改变壁面温度和空气速度，并为每个支架表面部分计算与温度有关的传热系数。经模拟计算，采用5m/s、10m/s、20m/s的空气流速时，相对自然对流冷却，大约分别能减少22、24、26小时的冷却时间。

通过将收集器设置在铝液表面上方一定距离处，并在其之间设置空气域，来评估辐射冷却方案。每个表面上的净辐射通量是表面性质的函数，在表面施加热边界条件，通过计算使辐射达到平衡。通过考虑每个表面及其与所有其他表面交换辐射的方式，可以在整个封闭系统的所有表面上实现辐射平衡。因此，模型的第一步是计算每个表面与表面间相互作用。在将表面分解为小块并计算了小块对的角系数后，可通过在整个封闭系统的所有表面上施加光谱辐射平衡，来独立地获得每个小块上的辐射通量。采用了一种创新方法，即通过对构成每个小块的所有边界面的单元表面值进行表面平均，来获得小块的发射功率、反射率和透射率值。进行了研究，以确定改变热收集器温度、与铝液表面的间隙以及热收集器面积的影响。确定合适的热收集器与电解槽顶部的距离为1～1.2m。考虑的温度范围从10℃到25℃，Z字形热收集器用于提高热收集器的面积。图24是热收集器的单元板设计图，金属管和金属板材质为铝，金属管内径10cm，厚度1cm，金属板厚度2cm。当这些单元板设置成平行铝液表面(或者说电解槽上表面)时，电解槽需要14个这样的单元板。如果采用图20中的倾斜式热收集器或图22中的Z字形热收集器，根据倾斜角度或Z字锯齿形方向可能需要不同的单元板尺寸和数量。

在撞击射流系统中，对于电解槽上方的管道网中的喷嘴，通过选择在特定气体流速下能够产生最大传热的喷嘴参数，实现了最佳的喷嘴布置。在给定的总气体流速和固定的喷嘴与冷却表面的间隙(H)下，找到了喷嘴直径(D)和喷嘴间距(s)的最佳值。

图25是撞击射流系统的喷嘴为圆形，阵列方式为直列分布，出喷嘴气体流速为5m/s，距铝液表面50cm时，设置在电解槽上方的喷嘴的参数优化曲线。结果表明，在这一条件下，优化的喷嘴出口直径为0.05～0.06m，最优值0.053m。根据图25可以看出，撞击射流系统的管道网中管道直径优选为0.16m～0.28m，最优值0.16m，设置在电解槽上方的喷嘴相互间隔优选0.5m～1m，最优值0.62m，在同一平面内均匀分布。

采用这种结构的话，本实施方式所用的电解槽的上方共需要132个均匀分布的喷嘴。设计了如图26的管道网的基本喷嘴单元，管道材质为铝，喷嘴材质为黄铜或不锈钢，每个基本喷嘴单元上面有3个喷嘴，总共需要44个这样的喷嘴单元，来冷却整个电解槽上方，以获得最佳的效果。

本系统模型通过结合速度入口、压力出口和壁面边界条件来表示空气撞击射流、通风系统管道和盖板。因此，当与周围环境相同温度的空气撞击射流与铝液表面接触时，废空气在环境压力下被引导通过出口。这一过程继续进行，用高速空气不断地代替废空气，移除铝液的热量。

本系统通过结合强制对流系统、撞击射流系统和热辐射吸收系统，可以将电解槽的冷却时间减少约60小时。

表1为根据本实施方式中的电解槽尺寸，实际采用的冷却系统各部分的材料和规格。本领域技术人员应知晓，实际应用于不同尺寸的电解槽中时，除开权利要求里面限定的优选数值之外，诸如热收集器实际高度、喷嘴总数、热收集器中的金属管数等参数是可以根据具体的电解槽尺寸进行调整的，因此此表中的数值仅作为示例，不作为对于冷却系统各部分参数的限定。

表1