梁學(xué)民, 李 劼 張紅亮 王有山, 呂曉軍 張翮輝 劉業(yè)翔

(1.中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司，鞏義 451200)

靜流式鋁電解槽磁場仿真及設(shè)計(jì)

梁學(xué)民1,2, 李 劼1, 張紅亮1, 王有山2, 呂曉軍1, 張翮輝1, 劉業(yè)翔1

(1.中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司，鞏義 451200)

通過對(duì)槽內(nèi)磁場、電流場的分析和研究，提出一種靜流式鋁電解槽的概念，采用陰極垂直出電的方式代替目前的水平出電方式，從而大幅度降低鋁液層中的水平電流，大幅度削弱電磁力對(duì)槽內(nèi)熔體的影響，進(jìn)而減小鋁液的流動(dòng)和波動(dòng)，將電磁影響削弱到最低程度以實(shí)現(xiàn)熔體界面高穩(wěn)定性，并依此原理設(shè)計(jì)開發(fā)新型高效節(jié)能型鋁電解試驗(yàn)槽。同時(shí)對(duì)母線配置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在最優(yōu)化母線配置下，磁場數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明，該電解槽垂直磁場最大值為0.896 3 mT，平均值為0.360 2 mT，遠(yuǎn)低于同規(guī)格普通電解槽的垂直磁場，從而可獲得電解槽超穩(wěn)定運(yùn)行條件，為大幅度降低極距，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能創(chuàng)造條件。

靜流式；淺凹型陰極；垂直出電；磁流體

鋁電解槽的電、熱、磁以及磁流體力學(xué)穩(wěn)定性等物理場的研究為電解槽的設(shè)計(jì)改進(jìn)和工藝優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)。如 DUPUIS[1]提出一種電熱場模擬方法，可有效指導(dǎo)電解槽的槽殼設(shè)計(jì)，避免電解過程槽殼的過大變形。LI等[2]通過電解質(zhì)?陽極氣泡?鋁液三相流場的計(jì)算，解析出電解質(zhì)?鋁液界面電流效率的分布情況，為優(yōu)化工藝條件提高電流效率起到一定的參考價(jià)值。自20世紀(jì)80年代至90年代末，在各種物理場研究開發(fā)的基礎(chǔ)上，我國相繼成功開發(fā)了 180 kA、 280 kA和320 kA級(jí)大型鋁電解槽，在世界鋁工業(yè)的地位不斷提高[3]。近兩年來，400 kA級(jí)的超大型鋁電解槽亦實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化推廣，標(biāo)志著我國鋁電解槽技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[4]。與此同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)軟件的進(jìn)步，一批先進(jìn)的仿真軟件應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)中，如ANSYS、MHD-VALDIS等，使磁場、熱場及流場的計(jì)算更為簡便和有效。一批采用多立柱、槽底補(bǔ)償、非對(duì)稱補(bǔ)償?shù)拇笮筒勰妇€設(shè)計(jì)，取得了較好的磁場平衡，其垂直磁場絕對(duì)值可達(dá)0.5 mT左右, 各象限垂直磁場絕對(duì)值的平均值可達(dá)0.4 mT左右，滿足了垂直磁場均勻化的要求[5?6]。槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算也取得了較大進(jìn)展，大跨度管桁架上部結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)同步提升技術(shù)成功應(yīng)用。以上技術(shù)的集成應(yīng)用，使我國超大型鋁電解槽技術(shù)逐步成熟，為新型電解槽的開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步降低電解槽工作電壓達(dá)到節(jié)能的目的，近幾年有研究者提出了不同的思路減緩熔體的流動(dòng)。WANG等[7]開發(fā)了在陰極表面構(gòu)筑凸臺(tái)，以阻擋鋁液的流動(dòng)和液面的波動(dòng)，從而降低極距實(shí)現(xiàn)低電壓運(yùn)行，被稱為阻流式電解槽；劉風(fēng)琴等[8]在陰極碳?jí)K表面有規(guī)律的開細(xì)長溝槽，將鋁液導(dǎo)入槽端部得出鋁池，在較低鋁水平的操作條件下，液面的波動(dòng)得到有效抑制，這種結(jié)構(gòu)被稱為導(dǎo)流式電解槽，這一方案使理想的導(dǎo)流型電解槽設(shè)想成為可能。以上這些方法均取得了不同程度的效果，但由于陰極結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞，在陰極材料沒有突破的情況下，難以實(shí)現(xiàn)長期的低電壓穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)使槽壽命受到影響。同時(shí)由于未能從改變磁場和電流、磁流體穩(wěn)定性這一源頭上取得突破，也會(huì)使實(shí)際運(yùn)行效果大打折扣。

由于前述的兩種技術(shù)路線在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件下都不能擺脫電磁力對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響，單純的阻流或?qū)Я鞫紵o法取得長期低電壓穩(wěn)定運(yùn)行的效果，解決磁流體穩(wěn)定性仍然是低電壓節(jié)能技術(shù)的核心問題，為此，本文作者提出了一種靜流式電解槽的概念，通過大幅降低鋁液層中的水平電流和垂直磁場分布，使熔體界面達(dá)到靜流效果，從而實(shí)現(xiàn)大幅度降低電壓，減小鋁電解直流電耗。目前，所設(shè)計(jì)的12臺(tái)靜流式鋁電解槽已陸續(xù)投入工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)。

1 靜流式鋁電解槽及其總體設(shè)計(jì)

在鋁電解電化學(xué)過程中，實(shí)際起陰極作用的是鋁液表面而不是陰極炭塊表面。在鋁電解槽熔池內(nèi)，電解質(zhì)熔體和鋁液在無電磁力存在時(shí)，液體界面波動(dòng)在重力和粘性阻力的作用下逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，鋁液表面是平的。在運(yùn)行的電解槽上由于電磁力的存在，驅(qū)使熔體在熔池內(nèi)流動(dòng)并造成電解質(zhì)/鋁液交界面(即鋁液表面)的變形與波動(dòng)，從而引起鋁電解電極極距變化或短路，影響電流效率和電能消耗，同時(shí)進(jìn)一步引起電流、磁場和電磁力的擾動(dòng)，而變化的電磁力又反過來作用于熔體流動(dòng)和波動(dòng)，造成鋁電解生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定運(yùn)行的問題。這是電磁場和流場耦合的動(dòng)力體系，稱之為磁流體動(dòng)力學(xué)(Magneto-hydrodynamics，MHD)[6]。實(shí)際鋁電解槽是四周封閉的流動(dòng)區(qū)域，邊界反射形成的駐波代表了真實(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象。MHD穩(wěn)定性問題與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如電能消耗和電流效率直接相關(guān)[2]，一直是鋁電解槽研究設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題和技術(shù)關(guān)鍵。

1.1 槽內(nèi)導(dǎo)體對(duì)磁場和電流分布的影響

槽內(nèi)廣泛分布的導(dǎo)體對(duì)磁流體穩(wěn)定性的影響由電解槽固有的結(jié)構(gòu)決定，進(jìn)行磁流體模擬計(jì)算時(shí)，常常把它作為一個(gè)基本量[9?10]。槽內(nèi)導(dǎo)體電流和槽外周圍母線電流兩種情況下的垂直磁場分布，如圖1所示。圖1中TE和DE分別代表槽子的出鋁端(Tap end)和煙道端(Duct end)。槽內(nèi)導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場可視為合磁場分布的基本形式，在考慮爐幫的條件下磁場垂直分量Bz呈對(duì)角互為極值的分布形式，如圖1(a)所示。槽外周圍母線電流產(chǎn)生的磁場比槽內(nèi)導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場弱，其在進(jìn)電端兩個(gè)角部與前者同向疊加增強(qiáng)磁場，在出電端兩個(gè)角部與前者反向疊加消弱磁場，如圖1(b)所示?？梢?，槽內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場是不可忽視的[10]。

槽內(nèi)導(dǎo)體造成的垂直磁場最大達(dá)到2 mT，是由槽內(nèi)水平電流產(chǎn)生的，且主要是陰極鋼棒中的電流。槽內(nèi)導(dǎo)體中，電解質(zhì)的電阻比鋁液電阻大得多[11]，電流從陽極穿過電解質(zhì)到達(dá)鋁液界面，在電解質(zhì)層電流的分布是垂直而均勻的；在鋁液層，由于其良好的導(dǎo)電性與上層電解質(zhì)和下層碳?jí)K的導(dǎo)電性不可比性(相差100倍以上)，因而傳統(tǒng)槽在鋁液層都會(huì)產(chǎn)生一定水平電流分量[12]，如圖2所示。

1.2 靜流式鋁電解槽

圖1 不同電流源對(duì)鋁液中間垂直磁場的作用Fig.1 Comparison of vertical magnetic field caused by different current sources: (a) Conductor inside pot; (b) Busbar around pot

圖2 預(yù)焙陽極鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意圖(傳統(tǒng)式)Fig.2 Structure diagram of prebaked anode pot (ordinary pattern): 1—Aluminum rod; 2—Steel draw; 3—Anode carbon block; 4—Side ledge; 5—Electrolyte; 6—Aluminum melt;7—Cathode carbon block; 8—Cathode collect bar; 9—Side carbon block; 10—Surrounding paste draw; 11—Refractory brick; 12—Insulating brick; 13—Steel shell

針對(duì)槽內(nèi)導(dǎo)體對(duì)磁場和電流分布影響的特點(diǎn)，減小或消除鋁液層水平電流分量和陰極匯流棒電流，能夠有效削弱電磁場對(duì)熔體流動(dòng)和波動(dòng)的影響[13]，使槽內(nèi)造成熔體波動(dòng)的原始推動(dòng)力大大削弱或消除，熔體界面波動(dòng)在重力和粘性阻力的作用下逐漸達(dá)到平靜，即靜流的狀態(tài)。達(dá)到這一目標(biāo)需要有一種全新的槽內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)配置，為此，本文作者提出一種靜流式鋁電解槽結(jié)構(gòu)，其原理如圖3所示，對(duì)于垂直鋼棒的數(shù)量，可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

圖3 預(yù)焙陽極鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意圖(靜流式)Fig.3 Structure diagram of pre baked anode pot (stationary stream pattern): 1—Aluminum rod; 2—Steel draw; 3—Anode carbon block; 4—Side ledge; 5—Electrolyte; 6—Aluminum melt; 7—Cathode carbon block; 8—Cathode steel bar; 9—Side carbon block; 10—Surrounding past draw; 11—Refractory brick; 12—Insulating brick; 13—Steel shell

1.3 靜流式電解槽的總體設(shè)計(jì)

鋁電解槽要實(shí)現(xiàn)的總體目標(biāo)是通過槽內(nèi)導(dǎo)體及槽周圍母線的配置，來實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)磁場的平衡和磁場強(qiáng)度的最小化，實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)熔體高磁流體穩(wěn)定性(即靜流)，以提高電流效率和降低電耗，優(yōu)化工藝[2,13]。

靜流式鋁電解槽陰極采用底部出電模式鋁電解槽的陰極鋼棒由水平鋼棒和垂直鋼棒組合而成，電流經(jīng)陽極、電解質(zhì)、鋁液、陰極，最后由鋼棒從槽底導(dǎo)出，并經(jīng)過母線進(jìn)入到下一臺(tái)槽，對(duì)陰極結(jié)構(gòu)和母線結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并提出了淺凹式陰極/槽底出電、對(duì)稱補(bǔ)償?shù)母叽帕黧w穩(wěn)定性母線配置等先進(jìn)技術(shù)。電解槽主體的初步設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 靜流式鋁電解槽底部母線設(shè)計(jì)方案Fig.4 Bottom busbar design of stationary stream pattern pot

2 靜流式電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與母線配置

內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和母線配置的好壞與電解槽的穩(wěn)定高效運(yùn)行密切相關(guān)，也是新槽型設(shè)計(jì)過程中最重要的考慮因素。本文作者針對(duì)靜流式電解槽，分別從內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和母線配置兩個(gè)方面，重點(diǎn)介紹其設(shè)計(jì)思路和工業(yè)實(shí)施方案。

2.1 靜流式電解槽新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

圖5 陰極炭塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of cathode structure: (a) Collector bar; (b) Collector bar and carbon block

圖6 陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure of cathode linings

由于鋼棒從底部穿出電解槽，其內(nèi)襯需做相應(yīng)的改變，如圖6所示，主要由底部開孔的槽殼、槽底保溫層、穿過保溫層的垂直鋼棒(見圖5)及鉗入垂直鋼棒(水平部分)的陰極炭塊組成。陰極鋼棒與炭塊通過鋼棒糊搗固后形成一個(gè)整體，并要求陰極鋼棒與炭塊表面有較高的垂直度和精確的相對(duì)位置，以保證安放炭塊時(shí)的對(duì)位。

該結(jié)構(gòu)電解槽采用底部出電的結(jié)構(gòu)，這樣就使得槽底散熱增加[14]。因此，在槽底整體加強(qiáng)保溫的基礎(chǔ)上，再在垂直鋼棒周圍區(qū)域進(jìn)一步加強(qiáng)保溫，以避免等溫線的上移，保證電解槽在合理的熱平衡狀態(tài)下生產(chǎn)[15]。

該新型陰極組與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)不但可以從工程的角度方便開展現(xiàn)場施工，而且還能有效避免由于底部開孔造成內(nèi)襯早期破損的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 靜流式電解槽陰極母線配置

電解槽最優(yōu)的母線配置是其垂直磁場的最大值與平均值盡可能小，為了保證磁流體的穩(wěn)定性，使電解槽中鋁液層的垂直磁場值能夠達(dá)到最低[9,16]，根據(jù)靜流式電解槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多種母線配置方案進(jìn)行仿真優(yōu)化，得出最優(yōu)的母線配置。母線配置簡圖如圖7所示，其現(xiàn)場施工如圖8所示。

圖7 靜流式電解槽的母線配置簡圖Fig.7 Busbar scheme of stationary stream pattern pot

圖8 靜流式電解槽母線現(xiàn)場施工圖Fig.8 Construction site of stationary stream pattern pot

3 靜流式鋁電解槽物理場仿真 計(jì)算

采用電磁模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，磁場和母線用量等參數(shù)列于表1，計(jì)算得到靜流式鋁電解槽磁場具體分布計(jì)算結(jié)果如圖9(a)～(c)所示。

從以上可以看出, 磁場計(jì)算結(jié)果比較理想。鋁液垂直磁場絕對(duì)值的平均值為0.360 2 mT，垂直磁場最大值為0.896 3 mT。磁場平均值與傳統(tǒng)母線配置方案比較接近，磁場的最大值遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)母線配置方案的[16]，表明這種出電方式可以保證較小的垂直磁場梯度和水平電流分量，體現(xiàn)了靜流式鋁電解槽的技術(shù)特點(diǎn)。

圖9 鋁液內(nèi)磁場分布Fig.9 Distribution of magnetic field in aluminum melt: (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

表1 磁場計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of magnetic field

由于磁流體的超穩(wěn)定，在最優(yōu)化條件下，該電解槽的設(shè)計(jì)電壓降保持在3.7～3.9 V之間，電流效率94%以上，因此，盡管母線用量略有增加，但直流電耗可保證在生產(chǎn)每噸鋁為12 MW·h，因此，從經(jīng)濟(jì)上來說，該設(shè)計(jì)仍然具有較大的節(jié)能前景。

4 結(jié)論

1) 提出了一種靜流式鋁電解槽，不但能夠使槽內(nèi)熔體中垂直磁場分布得到削弱和均勻化，還能夠有效減少熔體中的水平電流分量，從根本上大幅削弱槽內(nèi)熔體流動(dòng)和波動(dòng)的兩個(gè)主要因素的影響

2) 設(shè)計(jì)和開發(fā)了靜流式鋁電解槽配套的陰極、母線和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，并構(gòu)造了相應(yīng)的試驗(yàn)槽。

3) 通過電磁場模擬結(jié)果表明，采用底部出電的電解槽通過優(yōu)化母線配置，可大幅度降低槽內(nèi)垂直磁場強(qiáng)度，且磁場的分布與均勻性體現(xiàn)了靜流式電解槽高具備了極高的磁流體穩(wěn)定性，為大幅度降低極距，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能創(chuàng)造條件。

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Magnetic field simulation and design of stationary stream pattern aluminum reduction cell

LIANG Xue-min1,2, LI Jie1, ZHANG Hong-liang1, WANG You-shan2,Lü Xiao-jun1, ZHANG He-hui1, LIU Ye-xiang1
(1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Henan Zhongfu Industry Co., Ltd., Gongyi 451200, China)

The concept of stationary stream pattern aluminum reduction cell was presented after analyzing the magnetic field and current flows of aluminum reduction cells. With this kind of innovative design, the electricity flows out of the cell in a vertical path instead of current horizontal path, so the current flow intensity in aluminum melt can be reduced sharply, and the effect of electromagnetic force on the melt is weakened. Furthermore, the flow and fluctuation of the aluminum melt becomes lower, and the effect of electromagnetic force decreases to the minimum level. Under the above principle, a novel kind of high efficient aluminum reduction test cell was designed. With optimal busbar designing method, the simulation results show that the maximum vertical magnetic field strength is only 0.896 3 mT, and the mean value is 0.360 2 mT, which are far below the values of ordinary cells with the same scale. Thus, the cell can perform steady with much lower polar distance, and the goal of substantially energy-saving target would be achieved.

stationary stream pattern; cathode shallow grooves; vertical electricity path; magnetic fluid

TF821

A

1004-0609(2011)09-2251-07

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAE85B00)

2010-11-24；

2011-02-20

李劼，教授，博士；電話：0731-88830474；E-mail：csulightmetals@126.com

(編輯 李艷紅)