一种基于ansys的铝电解槽磁场有限元计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法，基于有限元ANSYS软件先建立包含前后槽的电解槽电场模型，并根据母线的截面积和中心线空间位置，使用导电的线单元代表母线，通过电场计算得到每一段母线的实际电流分布后，再通过母线转换方法将LINK68线单元转换为SOURC36导磁线单元，并与其它导磁部分共同建立整个电解槽磁场有限元模型，利用模型计算得到槽内磁场分布。应用该方法可明显改善铝电解槽母线设计中磁场计算存在的各类偏差，提高磁场计算的准确性，有助于优化电解槽设计。
【专利说明】
-种基于ANSYS的错电解槽磁场有限元计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于侣电解槽领域，特别是设及一种基于ANSYS的侣电解槽磁场有限元计 算方法。
【背景技术】
[0002] 现代大型侣电解系列中，整流后的直流电通过侣母线直接引入到电解槽上，槽与 槽之间通过侣母线串联而成。母线在电解槽中主要承担着将电流从上游电解槽阴极棒输送 至下游电解槽阳极导杆的功能，而母线的不同配置方式极大的影响着电解槽的物理场分 布，制约着侣的氧化损失W及电流效率的指标高低。从设计上来讲，一旦槽结构和阴阳极参 数及材料确定之后，最重要的就是设及重要物理场-磁场的母线配置设计，而要确定母线的 最佳配置与结构也是相当困难的，需要长期深入的实践经验。
[0003] 与其它物理场的计算相比，侣电解槽内的磁场设计更为复杂，究其原因是槽内外 分布着大量自由电流和槽壳、钢梁、钢爪等铁磁材料。近年来，侣电解槽不断向大型化发展， 磁场分布对侣电解槽稳定性的作用日益重要，磁场计算与设计逐渐成为侣电解槽设计的热 点和难点。而在影响槽内磁场分布的多个因素中，母线的设计起着决定性的作用，不同的母 线结构和排布方式对槽内磁场的优化效果各不相同。
[0004] 现行的对于电解槽槽内磁场的计算方法，一般是假定母线处于理想状况，通过给 各条母线赋上相同的电流大小，来计算槽内空间的磁场分布。但实际上，由于母线的排布方 式和接入电解槽的位置各异，各母线内实际的电流分布相差甚大，运与假定的理想状况不 符。使用运种对于母线电流的理想假设会使得后续的槽内磁场计算结果产生较大偏差，无 法反映槽内理想状态下的磁场分布，从而也无法对各种母线配置方案的效果进行合理的评 估。鉴于母线结构设计是磁场设计的核屯、，母线的磁场计算不准确，将会极大地影响电解槽 的磁流体稳定性设计效果。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种基于ANSYS的侣电解槽磁场有限元计算方法，W解决现 有磁场计算中因母线电流和电压分布与实际不符，使得后续的槽内磁场计算结果产生较大 偏差，无法反映反应槽内理想状态下的磁场分布，从而也无法对各种母线配置方案的效果 进行合理评估的问题。
[0006] -种基于ANSYS的侣电解槽磁场有限元计算方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1:获取侣电解槽及母线的结构参数及工艺运行条件；
[000引所述侣电解槽及母线的结构参数包括槽体各导电部分及母线的尺寸和其对应的 材料属性参数；
[0009] 其中，槽体各导电部分及母线的尺寸是指阳极结构、阴极结构、炉膛和各条母线的 长度、宽度W及高度或厚度;材料属性参数是指每个部分的电导率和磁导率；
[0010] 所述运行工艺条件包括极距、电解质水平、侣水平及槽系列电流值；
[0011 ]步骤2:依据步骤I获得的数据，利用郁良元软件ANSYS建立包含前后槽的电解槽电 场模型；
[0012] 步骤3:根据实际槽系列的电流值，在电解槽电场模型上施加零电压和电流载荷， 开展有限元计算，得到槽内导体和母线部分的实际电流分布值；
[0013] 步骤4:构建磁场计算模型；
[0014] 将步骤2所得的电解槽电场模型中的槽体单元转变为导磁单元;将电解槽电场模 型中LINK68导电线单元建立的母线单元转换成为对应的用于磁场计算的Sourc36导磁线单 元，得到磁场计算模型；
[0015] 步骤5:将步骤3获得的槽内导体和母线部分的实际电流分布值施加到步骤4构建 的磁场计算模型上；
[0016] 步骤6: W步骤3中得到的电流分布值为边界条件，并在磁场模型外边界的节点上 施加零磁标量位的磁边界条件，利用solve求解器对磁场计算模型进行计算求解，再通过 ANSYS后处理模块对求解值进行处理得到槽内磁场分布计算结果。
[0017] 所述电解槽电场模型的构建过程如下：
[0018] 步骤A:依据步骤1获得的数据定义模型中各个材料属性，建立电解槽几何模型；
[0019] 步骤B:设置网格尺寸，使用=维导电单元对电解槽几何模型中的槽体部分进行网 格划分；
[0020] 步骤C:根据母线结构参数中母线的截面积和中屯、线空间位置，使用导电的线单元 LINK68建立母线结构，并通过等电位约束将线单元与槽内导体S维单元模型组合，从而得 到电解槽电场模型。
[0021 ]所述步骤2和步骤4中构建模型时均使用AP化语言进行参数化建模。
[0022] 所述步骤4中建立的磁场计算模型中，还包含相邻槽系列的磁场模型，用于W计算 邻列槽磁场的影响。
[0023] 所述步骤4建立的磁场计算模型中，前后邻槽的数量为6-12台。
[0024] 有益效果
[0025] 与现有的磁场计算方法相比，本发明具备如下优点：
[0026] (1)在磁场计算过程中，不是在母线上设定理想状况下的电流分布值，而是根据槽 内导体及槽间母线的电阻，来计算得到每段母线实际的电流分布，因而可W在磁场计算中 得到较准确的磁场分布。
[0027] (2)在母线单元的转换过程中，通过所本发明的方法可W自动的从电场结果中读 取电流强度、母线截面积形状与=维空间位置信息，并自动建立导磁的线单元，由于所采用 的是参数化设计语言(APDL)，可W避免大量重复性的人工操作，减少人为失误，还可W根据 所要计算的槽型，方便地修改结构、载荷等参数，大幅度提升磁场计算的精度和效率。
[00%] (3)磁场计算中考虑了前后槽和相邻槽系列对本槽磁场分布的影响，对磁场分布 的计算较为精确。
[0029]应用该方法可明显改善侣电解槽母线设计中磁场计算存在的各类偏差，提高磁场 计算的准确性，有助于优化电解槽设计。
【附图说明】
[0030] 图I为电场计算的电场模型图；
[0031] 图2为磁场计算的磁场模型图；
[0032] 图3为基于LINK68单元的母线局部图；
[0033] 图4为基于S0URC36单元的母线局部图；
[0034] 图5为本发明的方法流程图；
[0035] 图6为应用本发明方法计算得到的某420kA级电解槽侣液中部磁场分布图。其中， (a)为槽长轴方向磁场分量Bx的分布云图，（b)为槽短轴方向磁场分量By的分布云图，（C)为 槽高度方向磁场分量化的分布云图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。
[0037] 本发明所述一种基于ANSYS的侣电解槽磁场有限元计算方法的流程图如图5所示， 具体步骤如下：
[0038] 步骤(1):获取侣电解槽及母线的结构参数及工艺运行条件；
[0039] 所述侣电解槽结构参数包括槽体各导电部分及母线的尺寸和其对应的材料属性 参数，其中，槽体各导电部分的尺寸是指阳极结构、阴极结构、炉膛和各条母线的长度、宽度 W及高度或厚度;槽体各部分的材料属性参数是指各部分的电导率和磁导率;上述参数均 为固有属性参数；
[0040] 所述运行工艺条件包括极距、电解质水平、侣水平及槽系列电流值；
[0041] 步骤(2):依据步骤(1)获得的数据，利用有限元软件ANSYS建立包含前后槽的电解 槽电场模型；
[0042] 步骤A:依据步骤1获得的数据定义模型中各个材料属性，建立电解槽几何模型；
[0043] 步骤B:设置网格尺寸，使用=维导电单元对电解槽几何模型中的槽体部分进行网 格划分；
[0044] 步骤C:根据母线结构参数中母线的截面积和中屯、线空间位置，使用导电的线单元 LINK68建立母线结构，如图3所示，并通过等电位约束将线单元与槽内导体S维单元模型组 合，从而得到电解槽电场模型，如图1所示。
[0045] 步骤(3):根据实际槽系列的电流值420kA，在步骤(2)得到的电场计算模型上施加 零电压和电流载荷，开展有限元计算，得到槽内导体和母线部分的电流分布值。
[0046] 步骤（4):将步骤（2)所得的电场模型槽体单元转变为导磁单元；将电场模型中 LINK68单元建立母线转换成为对应的用于磁场计算的Sourc36导磁线单元，如图4所示;在 外边界的节点上施加零磁标量位(MAG = O)的磁边界条件;建立磁场计算模型，如图2所示。
[0047] 步骤(5):将步骤(3)获得的每段母线实际电流分布值，施加到步骤(4)建立的磁场 计算模型上。
[0048] 步骤(6): W步骤(3)中得到的电流分布值为边界条件，并在磁场模型外边界的节 点上施加零磁标量位的磁边界条件，利用solve求解器对磁场模型进行计算求解，通过 ANSYS后处理模块得到槽内磁场分布计算结果。
[0049] 所述步骤(2)和步骤(4)中，建模过程使用AP化语言进行参数化建模。
[0050] 所述步骤(4)中建立的磁场模型中，还包含了相邻槽系列的磁场模型，W计算邻列 槽磁场的影响。
[0051] 所述步骤(4)中建立的磁场模型中，前后邻槽的数量各6台。
[0052] 实施例一
[0053] 本实施例W某420kA级预赔侣电解槽为例，该电解槽采用单阳极设计，共48块阳 极，阳极炭块尺寸1700mm X 660mm X 635mm，共24块阴极炭块，阴极炭块尺寸3680mm X 665mm X485mm，并用非通长双钢棒出电，大面加工距离为280mm，小面加工距离为390mm，取侣水平 220mm，电解质水平180mm，极距45mm，电流效率94 %。
[0054] 采用本发明的基于ANSYS的侣电解槽磁场有限元计算方法进行计算，图6中（a)、 (b)及(C)分别为该420kA级电解槽侣液中部磁场各方向上的磁感应强度分布云图（Bx、By、 化）。表1为计算得到的槽内侣液中部水平磁场结果分布表，表2为计算得到的槽内侣液中部 垂直磁场结果分布表。
[(K)S日]表1水平磁场结果分布表
[0化6]
[0化7] 表2垂直磁场结果分布表 [0化引
[0化9]由图6及表1、表2可W看出，垂直磁场最大值，该420kA电解槽化最大值为38.27GS， 小于40GS，该极值属于理想的范围。
[0060] 再次，由磁场四个象限的均值可W看出，四个象限中，第一至第=项象限均值都小 于5Gs，只有第四象限稍大于5Gs。而且，在阳极正投影区域下，小于IOGs的区域占全部区域 的92.75%，表明绝大部分区域都小于IOGs，运对电解槽的稳定性有很大的好处。
[0061] 因此，可应用本发明提出的方法较为准确地得到槽内的磁场分布、磁场各个分量 的磁感应强度、磁场四个象限的具体分布情况，从而对磁场设计做出分析和评价，W寻找更 加合适的磁场设计和母线排布方式。
[0062] 本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在 不脱离本发明精神的情况下，可W对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不 应W本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
【主权项】
1. 一种基于ANSYS的铝电解槽磁场有限元计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:获取铝电解槽及母线的结构参数及工艺运行条件； 所述铝电解槽及母线的结构参数包括槽体各导电部分及母线的尺寸和其对应的材料 属性参数； 其中，槽体各导电部分及母线的尺寸是指阳极结构、阴极结构、炉膛和各条母线的长 度、宽度以及高度或厚度;材料属性参数是指每个部分的电导率和磁导率； 所述运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值； 步骤2:依据步骤1获得的数据，利用有限元软件ANSYS建立包含前后槽的电解槽电场模 型； 步骤3:根据实际槽系列的电流值，在电解槽电场模型上施加零电压和电流载荷，开展 有限元计算，得到槽内导体和母线部分的实际电流分布值； 步骤4:构建磁场计算模型； 将步骤2所得的电解槽电场模型中的槽体单元转变为导磁单元;将电解槽电场模型中 LINK68导电线单元建立的母线单元转换成为对应的用于磁场计算的Sourc36导磁线单元， 得到磁场计算模型； 步骤5:将步骤3获得的槽内导体和母线部分的实际电流分布值施加到步骤4构建的磁 场计算模型上； 步骤6:以步骤3中得到的电流分布值为边界条件，并在磁场模型外边界的节点上施加 零磁标量位的磁边界条件，利用solve求解器对磁场计算模型进行计算求解，再通过ANSYS 后处理模块对求解值进行处理得到槽内磁场分布计算结果。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解槽电场模型的构建过程如下： 步骤A:依据步骤1获得的数据定义模型中各个材料属性，建立电解槽几何模型； 步骤B:设置网格尺寸，使用三维导电单元对电解槽几何模型中的槽体部分进行网格划 分； 步骤C:根据母线结构参数中母线的截面积和中心线空间位置，使用导电的线单元 LINK68建立母线结构，并通过等电位约束将线单元与槽内导体三维单元模型组合，从而得 到电解槽电场模型。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2和步骤4中构建模型时均使用 APDL语言进行参数化建模。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中建立的磁场计算模型中，还包 含相邻槽系列的磁场模型，用于以计算邻列槽磁场的影响。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4建立的磁场计算模型中，前后邻 槽的数量为6-12台。
【文档编号】G06F17/50GK106021760SQ201610364742
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】张红亮, 梁金鼎, 李劼, 李天爽, 孙珂娜, 张凯, 肖劲
【申请人】中南大学