铝电解槽是工业生产铝的核心设备,而氧化铝是工业生产铝的主要原料,氧化铝浓度分布情况直接影响电解槽的生产效率和运行稳定性。同时,铝电解槽在运行过程中需要保持良好的热平衡,这样可以减少铝电解过程中的能耗,而氧化铝的添加会破坏电解槽热平衡。本文在国家国际科技合作专项项目的资助下,针对当前国内外铝电解槽氧化铝浓度分布和下料过程电解质温度场研究的不足,开展了某420kA大型预焙电解槽氧化铝浓度动态分布、最优下料方式及下料过程电解质浓度-热场的研究,为氧化铝下料工艺设计及优化提供技术指导。本文的主要研究内容与成果如下:(1)根据铝电解槽中电解质流场和氧化铝浓度分布特点,本文基于氧化铝下料与消耗数学模型,建立了氧化铝浓度瞬态分布模型,实现了铝电解槽全槽氧化铝浓度按时间变化的分布情况的精确解析。针对该模型,本文首次提出并采用了全槽氧化铝最大浓度/最小浓度c cmax min/、最大速度/最小速度v vmax min/、体积比volr以及面积比arear等时变因素,对下料过程中模型的周期稳定性进行了分析,并与现场实测数据进行对比,很好地验证了本文数值模型的正确性。(2)为了更好地完善铝电解槽的下料方式,本文系统地考虑了下料点个数和位置、下料周期和批次等因素对氧化铝浓度分布的影响,通过对比分析选择出最优下料方式。计算发现,下料点个数越多,添加的氧化铝颗粒分布越好;相邻下料位置距离应适当;下料批次越多,氧化铝浓度分布越好;在允许的条件下,下料周期越小越好。整体上满足“勤加工,少下料”的下料原则时,全槽氧化铝浓度分布较均匀,有利于提高产铝效率。(3)针对氧化铝下料过程对电解质区域热场的影响,本文首次建立了铝电解槽内电解质浓度-热场耦合计算模型,在精确模拟氧化铝浓度分布的基础上,研究了下料期间电解质温度及热平衡的变化趋势,为电解槽的生产稳定性提供指导。