鋁電解槽中氣泡行為的可視化研究現(xiàn)狀與進展

　　摘要：鋁電解過程陽極氣泡的生長機理、運動規(guī)律及對電解質(zhì)運動的影響對電解槽的穩(wěn)定運行有非常重要的作用。研究鋁電解槽陽極氣泡，最重要的是能夠直接觀察到陽極氣泡的生長和運動規(guī)律。為了實現(xiàn)電解槽中氣泡行為的可視化，目前國內(nèi)外學者建立了各種模型來研究電解過程中氣泡的特性，其中主要的研究模型為室溫水模型、低溫電解模型、高溫電解模型和數(shù)值模擬模型。對這四種模型的研究現(xiàn)狀進行了分析，展望了其發(fā)展前景。

　　本文源自有色金屬工程,2020,10(09):66-71.《有色金屬工程》由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會主管、北京礦冶研究總院主辦的公開刊物(ISSN 2095-1744，CN10-1004∕TF)，是有色行業(yè)權(quán)威技術(shù)期刊，是涉及有色金屬(輕、重、稀、貴)地質(zhì)、采礦、選礦、冶煉、加工、材料、環(huán)保、設備、過程控制等專業(yè)的綜合性科學技術(shù)刊物。

　　陽極氣泡行為是近幾十年來鋁電解工作者的研究熱點之一。在鋁電解中，陽極底面發(fā)生陽極反應生成CO2等氣體。陽極氣體的產(chǎn)生機理對溫室氣體(主要是CF4和CnF2n+2，其溫室潛能分別是CO2的6000倍和9200倍)的產(chǎn)生排放研究有很大幫助。由于氣泡的導電性差，氣泡在陽極底部的產(chǎn)生、長大和聚集對槽內(nèi)電場的分布有很大影響。當氣泡完全聚集在陽極底掌形成大氣泡層時，此氣泡層阻止了電流的傳遞，使電壓顯著提高，增加了能耗。另一方面，氣泡運動是推動電解質(zhì)循環(huán)流動的主要驅(qū)動力之一，有助于電解槽內(nèi)氧化鋁的傳輸和熱量的傳遞。

　　因此，研究電解槽內(nèi)陽極氣泡的生長機理、運動規(guī)律及對電解質(zhì)熔體運動的影響對電解槽的穩(wěn)定運行有非常重要的作用。研究鋁電解槽陽極氣泡的方向之一是要實現(xiàn)陽極氣泡行為的可視化，也就是能夠直接觀察到陽極氣泡的生長和運動規(guī)律。為了實現(xiàn)鋁電解槽中氣泡行為的可視化，國內(nèi)外學者建立了各種模型來觀察和研究電解過程中氣泡的特性及對電解槽的影響，其中主要的研究模型為室溫水模型、低溫電解模型、高溫電解模型和數(shù)值模擬模型。本文對這幾種模型的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，并展望了其發(fā)展前景。

　　1、室溫水模型

　　鋁工作者們發(fā)現(xiàn)室溫下水的黏度和表面張力等性質(zhì)與高溫電解質(zhì)相似(見表1)，利用相似性質(zhì)建立了室溫水模型。此種模型實驗成本低，觀察和測量方便容易，還可以根據(jù)電解槽的實際情況，建立與工業(yè)級別尺寸相同的槽模型來模擬不同工藝條件和不同操作手段下電解槽內(nèi)氣泡的行為，因此很多學者利用室溫水模型開展了這方面的研究。

　　表1水模型與工業(yè)槽物理性質(zhì)對比[1]

　　1984年FORTIN等[2]在TMS上做了關(guān)于水模型模擬鋁電解槽陽極氣體行為的報告。他建立了150kA電解槽的二維全尺寸水模型，通過向多孔介質(zhì)陽極內(nèi)鼓入壓縮空氣，模擬陽極氣體的產(chǎn)生，用照相機記錄氣泡行為，并對氣泡行為進行了分析，如圖1所示。由圖1(a)可見，氣泡的形成過程共有6個階段，對于水平陽極，小氣泡在陽極底面產(chǎn)生，直徑長大到5mm左右開始橫向生長，不同的氣泡聚集成大氣泡，最后形成一個完全覆蓋陽極底掌的氣泡層，當氣泡邊緣達到陽極邊緣，氣泡快速脫離陽極，留下空白的陽極表面，開始進行下一個氣泡循環(huán)。由圖1(b)可見，在傾斜陽極上，氣泡析出時頭部大、尾部較小，這種氣泡被稱為Fortin氣泡。由圖1(c)可知，傾斜陽極底面滑移的氣泡聚集成幾個大氣泡，然后依次析出。

　　CHEN等[3]也做了類似的研究，通過攝像機記錄氣體通過小直徑的管子注入陽極底面模擬氣體產(chǎn)生，并研究了陽極傾斜角度、通氣管直徑、通氣速度對氣泡脫離時的氣泡體積和上升速度的影響，發(fā)現(xiàn)陽極傾斜角度增大可以增大氣泡的脫離速度，同時減小氣泡脫離時的體積。SOLHEIM等[4,5]通過室溫水模型研究了氣泡引起的電解質(zhì)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)循環(huán)速度隨氣體生成速度增大、陽極傾角增大、熔體黏度減小而增大。KISS等[6]也采用水模型研究了氣泡行為，但是在氣泡產(chǎn)生方面，他采用了很巧妙的方法，加熱代表陽極的金屬板，在金屬板底面生成氣體，以此模擬電解槽陽極產(chǎn)生氣體。研究發(fā)現(xiàn)當陽極尺寸夠大時，聚合作用形成的大氣泡并不是完美的圓形;運動中的大氣泡同樣有一個厚厚的頭在前面引導，在后面拖著很長的小尾巴。

　　雖然室溫水模型的實驗設備簡單、成本低、便于觀察和測量、應用范圍廣泛，但是由于氣泡產(chǎn)生機理的不同，根據(jù)水模型觀察到的氣泡行為和工業(yè)電解槽上的存在一些差異，但不可否認的是，室溫水模型在氣泡引起的流動方面取得了很好的成績。

　　圖1陽極底部氣泡行為[2]

　　2、低溫電解模型

　　室溫水模型可以在宏觀層面預測電解質(zhì)流動，但在氣泡產(chǎn)生、生長、運動等特性方面與真實電解過程存在差異。所以，一些學者建立了低溫條件下的電解模型。采用鋁電解槽的槽結(jié)構(gòu)，通過電解低溫乃至室溫的電解質(zhì)模擬氣泡產(chǎn)生以及對鋁電解槽的影響。在電解質(zhì)選取方面，不同學者有不同選擇，電解質(zhì)主要集中在NaOH溶液、CuSO4溶液、水和NaCl熔鹽電解。QIAN等[7]以NaOH溶液模擬工業(yè)電解質(zhì)，研究兩種陽極在不同設計(開槽)下的氣泡行為。陽極一種是表面光滑的石墨電極，另一種是鋁電解槽中用過的碳素陽極。實驗中用電源連接陰陽極，電解得到氣泡。研究發(fā)現(xiàn)對于開槽陽極，小氣泡很容易在槽底聚集并合并成大氣泡，而在未開槽陽極，氣泡形成扁平狀氣泡囊，氣泡靜止或者運動速度很小。薛玉卿等[8]以CuSO4為電解質(zhì)，石墨為陽極，通過電解實驗模擬工業(yè)鋁電解中陽極氣體的運動規(guī)律和氣泡運動對電解質(zhì)運動的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當陽極嚴格水平時，氣泡會一直長大，直到接近陽極底掌邊緣然后沿陽極大側(cè)面釋放;當陽極傾斜時，大氣泡在運動途中合并沿途的小氣泡。

　　在碳陽極底部存在較大的氣泡甚至出現(xiàn)氣泡層，這些氣泡的存在對槽壓降影響很大，能增大電阻，進而增大能耗，這一點引起了很多研究者的興趣。THOMAS等[9]為了研究氣泡存在對槽壓降的影響，引入非連續(xù)的粒子(空心陶瓷粒子)模擬氣泡，電解質(zhì)為28%氯化鈉和73%氯化鉛熔鹽。在實驗時把電極插入到電解質(zhì)，測量沒有氣泡存在時的電阻，然后提高電極，向電解質(zhì)中投入空心陶瓷球，降低電極，再次測量電阻，若兩次測量值不同，即可說明氣泡存在對槽電阻的影響。研究者考察了粒子形狀、大小對電阻增加的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡產(chǎn)生的電阻大小主要由氣泡體積決定。

　　目前低溫電解模型更多的應用在對電解槽內(nèi)電場的研究上，其氣泡產(chǎn)生機理，氣液表面張力等性質(zhì)與真實電解槽還有一定差異，其模擬的準確性也存在一定的缺陷。

　　3、高溫電解模型

　　研究鋁電解槽氣泡行為最直觀和最有效的方法是直接在電解情況下觀察和測量陽極氣泡，目前學者在這方面也做了不少工作。研究方法主要有兩種，一是透明槽技術(shù)，二是X光照相技術(shù)。

　　鋁工作者很早就開始嘗試將鋁電解過程可視化。1975年，HAUPIN等[10]用裝有藍寶石窗口的石墨坩堝進行了透明槽實驗，觀測到了氣泡在陽極產(chǎn)生的過程。研究發(fā)現(xiàn)氧化物(氧化鋁或氧化硅)濃度降低，氣泡的體積會變大，氣泡體積隨電流密度的增大而增大。但這種方法存在致命缺陷：成本高、實驗時間短。20世紀80年代，邱竹賢院士發(fā)明了低成本的透明槽[11,12]。此種透明槽是一種以石英為電解坩堝的電解可視裝置，大大降低了高溫透明槽的成本，利用透明槽可在陽極底部觀察到陽極氣泡。GAO等[13]和WANG等[14]改進了石英坩堝的結(jié)構(gòu)，將坩堝分為兩個部分：陰極室和陽極室。在兩室之間有一層石英璧，石英壁的底面有一條2mm的小縫隙，為熔鹽的導電通道，這樣就避免了鋁霧擴散到陽極室影響觀測視線。他們用這種透明槽研究了石墨陽極和惰性陽極上的氣泡行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在碳素陽極上氣泡聚集成大氣泡，然后快速脫離。2015年該團隊繼續(xù)開發(fā)了多角度觀測新型高溫透明電解槽[15,16]，首次直接觀察到了電解狀態(tài)下的陽極底面氣泡行為。研究了不同陽極不同電流密度下氣泡的產(chǎn)生、長大及聚合行為，氣泡排出周期以及對應的電壓降關(guān)系。

　　除了通過透明電解槽直接觀測外，很多學者利用X光透射的特性，將X光照相技術(shù)應用到鋁電解槽氣泡行為的研究上。UTIGARD等[17]和CASSAYRE等[18,19]利用X光照相機技術(shù)研究了電解過程中石墨陽極上的氣泡行為。因為X光通過氣泡，所以氣泡所在位置為白色，而對于高密度的材料，X光不易通過，所以在照片中顯示為黑色。研究發(fā)現(xiàn)，在電解過程中陽極側(cè)面生成很多的小氣泡，陽極底部生成尺寸較大的大氣泡。而惰性陽極氣泡行為與碳素陽極完全不同，氣泡并沒有聚合現(xiàn)象，在惰性陽極周圍形成一層泡沫狀氣泡層。氣泡的直徑大概0.1mm，比碳素陽極氣泡小10～30倍。

　　高溫電解模型可以觀察真實電解條件下的氣泡的生成行為，但是在研究氣泡行為中也存在問題，由于實驗室所使用的陽極尺寸很小(60～70mm)，將得到的研究結(jié)果放大到工業(yè)槽中是否適用，仍需進一步的研究。由于實驗成本高，改變陽極的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對氣泡影響的研究也比較麻煩，很難得到在不同陽極結(jié)構(gòu)和不同陽極傾角的氣泡行為結(jié)果。

　　4、數(shù)值模擬模型

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(CFD)在航空、電力、水力、化工等方面已得到廣泛應用，越來越多的冶金工作者開始用數(shù)值模擬技術(shù)研究鋁電解過程中的一些難題，其數(shù)值模擬研究主要集中在對氣泡行為模擬和對氣泡引起的流場模擬方面。

　　密蘇里科技大學的WANG等[20]在氣泡行為的數(shù)值模擬方面做了很好的工作。他們以全尺寸水模型為基礎(chǔ)建立了數(shù)值模擬模型，研究水模型中氣泡流動導致的現(xiàn)象。對大氣泡的形狀、運動、逸出頻率和氣泡的流動情況都進行了預測，并用相同尺寸的數(shù)學模型進行了驗證。澳大利亞的FENG等[21,22]在室溫下，用CFX軟件來模擬電解槽中氣泡導致的電解質(zhì)的流動，CFX軟件是商業(yè)CFD軟件，可進行流體力學、傳熱學、電磁學等模擬計算。計算結(jié)果用水模型實驗進行驗證，用PIV測量水流速度，通過對比，發(fā)現(xiàn)實驗測得的結(jié)果和模擬結(jié)果有較好的相似性。PIV又稱粒子圖像測速法，是一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的激光流體力學測速方法測量流體速度，后續(xù)有多位學者采用此文中的PIV數(shù)據(jù)為數(shù)值模擬模型進行驗證。詹水清等[23,24,25,26]對鋁電解槽熔體內(nèi)陽極氣泡-電解質(zhì)氣液兩相流進行數(shù)值模擬，計算考慮了陽極氣泡的聚集和破裂情況，得到電解質(zhì)的運動、氣泡體積和氣泡尺寸分布等信息。

　　近年來，學者越來越關(guān)注電解槽中氣泡和電磁力共同作用時對電解質(zhì)的影響，并取得了較大進展。如SOLHEIM等[27,28]早就開始用計算機數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合室溫水模型研究氣泡引起的電解質(zhì)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)磁場引起的鋁液波動對電解質(zhì)的流動影響較小。趙志彬[29]采用高溫透明槽實驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法對鋁電解過程產(chǎn)生的陽極氣泡進行了研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明只有當磁場強度大到一定程度后(1000倍于工業(yè)測量值)，電解質(zhì)才能在電磁力的作用下推動氣泡運動，遺憾的是該工作未經(jīng)過實驗驗證。SUN等[30,31]建立了鋁電解槽電-磁-流場三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，分別考察了電磁力與氣泡對槽內(nèi)流場分布及界面波動的影響。研究表明，氣泡和電磁力均影響電解質(zhì)-鋁液界面的穩(wěn)定性，且電磁力對電解質(zhì)-鋁液界面的穩(wěn)定性影響效果更明顯。SUN的研究結(jié)果和SOLHEIM、趙志彬等的研究結(jié)果有差異，說明電磁力和氣泡對電解槽內(nèi)電解質(zhì)的影響機理還需要再深入研究。

　　數(shù)值模型起步晚，但其強大的解決問題的能力是其他模型不能比擬的，但是數(shù)值模擬也存在缺點，目前數(shù)值模擬技術(shù)還不是很成熟，其應用受到驗證模型的限制。在數(shù)值模擬中，必須要有室溫水模型、低溫電解模型和工業(yè)測試數(shù)據(jù)的驗證，否則其可信性存在很大問題。

　　5、結(jié)論與建議

　　目前關(guān)于鋁電解槽陽極氣泡行為的研究日趨成熟，各個模型都取得了有價值的研究成果，但是并沒有一種模型是十全十美的，怎樣建立一種完美的模型，實現(xiàn)鋁電解槽氣泡行為的真實再現(xiàn)，是當今鋁工作者的研究熱點之一。

　　應將室溫水模型、低溫電解模型、高溫電解模型和數(shù)值模擬模型這四種模型有機結(jié)合，學者之間應加強合作、取長補短。在氣泡產(chǎn)生機理研究上采用高溫電解模型和低溫電解模型模擬氣泡的產(chǎn)生機理和氣泡對電場的影響，從而得到一些關(guān)于氣泡行為的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在氣泡的流體動力學運動方面，結(jié)合室溫水模型和低溫電解模型研究氣泡對電解質(zhì)流動及質(zhì)液界面的影響，從而得到一些關(guān)于氣泡流體動力學的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。以前三種模型中得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立符合物理相似、數(shù)學相似的CFD模型、鋁電解槽電-磁-流場耦合模型，同時不斷充實和完善CFD模型，不斷提高數(shù)值模擬的準確性和可信性，最終達到用建立的CFD模型指導工業(yè)生產(chǎn)的目的。

　　參考文獻：

　　[8]薛玉卿,周乃君,包生重.鋁電解槽內(nèi)陽極氣泡運動的冷態(tài)模擬[J].中國有色金屬學報,2006,26(10):1823-1828.

　　[23]詹水清,周孑民,李茂,等.開孔陽極鋁電解槽熔體中氣液兩相流數(shù)值模擬[J].化工學報,2013,64(10):3612-3619.

　　[29]趙志彬.鋁電解氣泡行為的高溫實驗研究與數(shù)值仿真[D].沈陽:東北大學,2016:91-101.