陳 橋 韓 沖 張 玉

（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽110819）

目前，鋁電解工業(yè)上應(yīng)用的鋁電解槽打殼氣缸，在打殼過程中行程固定，易造成打殼錘頭“長包”或者被鋁水腐蝕等問題。針對(duì)這一系列問題，一種可控行程鋁電解槽打殼系統(tǒng)被應(yīng)用于鋁電解生產(chǎn)［1］。在該可控行程打殼氣缸的外缸筒上安裝磁性控制開關(guān)作為行程控制開關(guān)，行程控制開關(guān)用來檢測打殼氣缸行程的位置，控制打殼氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其感應(yīng)強(qiáng)度最低為10Gs。在進(jìn)行鋁電解生產(chǎn)時(shí)，電解槽內(nèi)的直流電流會(huì)產(chǎn)生磁場，使得鋁電解槽上方的打殼氣缸周圍存在大量復(fù)雜的直流磁場?？煽匦谐檀驓は到y(tǒng)的正常運(yùn)行會(huì)受到直流磁場影響。因此，測試電解槽上方打殼氣缸周圍的磁場分布情況，并根據(jù)磁場分布情況選取合適的磁場屏蔽方案，是該可控行程打殼系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行需要解決的問題。

1 目前關(guān)于鋁電解槽磁場分布的研究

鋁電解過程中有巨大的直流電流經(jīng)過鋁母線、陽極、熔體、陰極等部位，因此，產(chǎn)生了高達(dá)數(shù)百高斯的強(qiáng)磁場。隨著電解槽向大型化發(fā)展，電解槽容量逐漸增大，磁場穩(wěn)定性成為大型電解槽的核心問題之一，這使得對(duì)鋁電解槽磁場的計(jì)算和研究愈顯重要。國內(nèi)外鋁冶金工作者對(duì)鋁電解槽磁場的研究做了大量的工作，但是現(xiàn)有的電解槽磁場計(jì)算方法仍不夠完善，還存在一些不足，這使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果有較大的差距。因此，多年來人們一直在不斷地努力完善電解槽的計(jì)算方法，以便在設(shè)計(jì)電解槽時(shí)，盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算出鋁電解槽的磁場分布，并通過優(yōu)化母線配置，使磁場的不良影響降到最低。

劉杰，李劼等人［2］使用有限元法建立了鋁電解槽三維靜電磁場耦合計(jì)算模型。該模型考慮了槽內(nèi)導(dǎo)體、母線系統(tǒng)、鐵磁材料及空氣漏磁等因素對(duì)磁場解析的影響；采用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；先求解得到電場結(jié)果，再在該結(jié)果基礎(chǔ)上采用常規(guī)標(biāo)量法（GSP）分三步對(duì)磁場進(jìn)行求解。以350kA預(yù)焙陽極鋁電解槽為例，分別計(jì)算了同廠房中不同相鄰槽數(shù)和不同的相鄰廠房對(duì)磁場的影響情況，發(fā)現(xiàn)上下游各選用3臺(tái)相鄰槽和兩側(cè)都有相鄰廠房的設(shè)計(jì)較為合理，并用在此條件下建立的模型計(jì)算并優(yōu)化了該電解槽系列的電磁場分布情況，得出垂直磁場范圍在-2.87×10-3T-2.15×10-3T之間，并與工廠實(shí)際測量得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值接近，證明了模型和結(jié)果的合理性。

胡紅武，孫康?。?］通過理論研究，建立400kA預(yù)焙陽極鋁電解槽穩(wěn)態(tài)電場和磁場模型，使用有限元法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，然后依據(jù)電解槽磁流體穩(wěn)定性條件，得到400kA電解槽磁場分布計(jì)算結(jié)果,并且通過現(xiàn)場測試，對(duì)400kA電解槽磁場分布進(jìn)行驗(yàn)證，表明模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

阮紹勇［4］對(duì)磁場的計(jì)算方法、采用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算步驟進(jìn)行了論述。使用有限元法建立了鋁電解槽三維靜電磁場計(jì)算模型,該模型充分考慮了鐵磁物質(zhì)等因素對(duì)磁場解析的影響。以某廠320kA為例，論證了選取上下游5臺(tái)槽進(jìn)行計(jì)算較為合理，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，數(shù)值接近，驗(yàn)證了模型和結(jié)果的合理性。

目前，很多學(xué)者對(duì)鋁電解槽內(nèi)的磁場做了大量研究，但是電解槽上方打殼氣缸周圍的磁場分布情況還極少被涉及。為解決可控行程電解槽打殼氣缸的問題，我們對(duì)電解槽上方打殼氣缸周圍磁場進(jìn)行了測試分析。

2 電解槽上方打殼氣缸周圍磁場測試與分析

2.1 電解槽上方打殼氣缸測試點(diǎn)的選取

以某鋁廠350kA系列鋁電解槽為例，使用美國F.W.BELL公司生產(chǎn)的SYPRIS7030精密高斯計(jì)測試該系列鋁電解槽上方打殼氣缸周圍的磁場分布情況。SYPRIS7030精密高斯計(jì)基于霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行磁場測量，采用霍爾傳感器作為磁感應(yīng)元件測量物體空間上一個(gè)點(diǎn)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)（交流）磁感應(yīng)強(qiáng)度，物體磁力線穿過霍爾傳感器產(chǎn)生電流電壓，主設(shè)備上面顯示測試點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和分量方向。每一個(gè)測試點(diǎn)的磁場方向可分為三個(gè)分量矢量，因此，需要對(duì)x軸，y軸以及z軸方向進(jìn)行定義。測量數(shù)據(jù)以直角坐標(biāo)系表示，坐標(biāo)原點(diǎn)取在電解槽出鋁端上表面中心點(diǎn)，z軸垂直向上為正，y軸由進(jìn)電側(cè)A面指向出電側(cè)B面，按右手定則確定x軸方向。這樣，如果背向整流所而面向電解槽車間且右手為系列電流正極，則x軸正方向指向出鋁端；反之，如果右手為系列電流負(fù)極，則x軸正方向指向煙道端。對(duì)于本次測試鋁廠的350kA系列，屬于第二種情況。因此，本次測試x軸正方向指向煙道端，如圖1所示。在該電解槽上方從出鋁端至煙道端共5個(gè)打殼氣缸，依次取1#、2#、3#、4#、5#，每個(gè)打殼氣缸垂直方向按氣缸總高均分為等高的h1、h2和h3三個(gè)測試平面，每個(gè)測試平面取8個(gè)等距測試點(diǎn)，使用精密高斯計(jì)對(duì)各點(diǎn)磁場進(jìn)行檢測。

2.2 同一氣缸不同測試點(diǎn)的磁場方向

表1為1#氣缸不同測試點(diǎn)的磁場方向，由表1中可以看出，在不同測試平面的同一測試點(diǎn)上磁場方向基本一致，而不同測試點(diǎn)的方向皆不相同。這是因?yàn)樵阡X電解過程中，電解電流會(huì)產(chǎn)生低頻直流磁場，而在直流磁場中，同一點(diǎn)的磁力線方向是不變的。所以在同一氣缸上同一點(diǎn)的磁場方向是一致的，而在不同點(diǎn)上的磁場方向是不同的。2#至5#氣缸不同測試點(diǎn)的磁場方向規(guī)律與1#氣缸是一致的。

2.3 不同氣缸同一測試點(diǎn)處的磁場方向

圖1 某鋁廠350kA系列鋁電解槽打殼氣缸磁場測試點(diǎn)分布示意圖

表2為5個(gè)不同氣缸，測試點(diǎn)1的磁場方向，由表2可以看出不同氣缸同一測試點(diǎn)上的方向基本一致。電解車間磁場主要由直流電流產(chǎn)生疊加而成，根據(jù)安培定則，周圍的磁場方向是繞母線逆時(shí)針方向，所以母線的配置方式直接影響磁場的分布。通過合理配置母線,使產(chǎn)生的磁場相互補(bǔ)償,就可以使整體磁場減小并均勻分布。電解槽陰極母線基本對(duì)稱的分布于槽體兩側(cè),并且電流基本相同,它們產(chǎn)生的磁場會(huì)相互抵消而減弱。這樣分布的電流能有效地補(bǔ)償槽內(nèi)磁場分布,起到平衡的作用。所以各個(gè)氣缸同一測試點(diǎn)的磁場方向基本相同，保持整體一致性。

2.4 打殼氣缸周圍的磁場強(qiáng)度

表3中所列為1-5#打殼氣缸各測試點(diǎn)的磁場強(qiáng)度?？梢钥闯鲭娊獠鄢鲣X端和煙道端的氣缸周圍磁場強(qiáng)度相對(duì)較大，其中最大值出現(xiàn)在1#氣缸h1平面測試點(diǎn)5處，為388高斯。這是因?yàn)槟妇€越靠近出鋁端匯聚的電流越多,因而疊加的磁場越強(qiáng)。當(dāng)所有電流全部匯聚時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。對(duì)比所有氣缸三個(gè)平面上1-8測試點(diǎn)磁場強(qiáng)度，分別取三個(gè)平面上8個(gè)測試點(diǎn)的磁場強(qiáng)度最大值，如表4所示。通過表4發(fā)現(xiàn)3測試點(diǎn)處的磁場強(qiáng)度最大值小于其他測試點(diǎn)。因此，分析認(rèn)為氣缸的測試點(diǎn)3處可作為理想的屏蔽設(shè)備安放點(diǎn)。

3 磁場屏蔽方案的設(shè)計(jì)

3.1 磁場屏蔽原理

電解鋁車間的磁場是由超大直流電流產(chǎn)生的。在鋁電解過程中，電解槽通過數(shù)十萬安培的電流，直流電流會(huì)在周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，產(chǎn)生的磁場會(huì)使控制系統(tǒng)中的磁敏感器件失靈甚至無法使用。

直流電流產(chǎn)生的磁場屏蔽措施主要依賴于高磁導(dǎo)率材料所起到的磁分路作用，利用鐵、硅鋼片、坡莫合金等高磁導(dǎo)率特性對(duì)干擾磁場進(jìn)行磁場分路。如圖2所示，屏蔽體C由高磁導(dǎo)材料構(gòu)成，屏蔽了磁場A對(duì)磁敏感器件B的干擾。

3.2 磁場屏蔽方案的設(shè)計(jì)

3.2.1 磁場屏蔽材料的選取

可控行程打殼氣缸的行程控制開關(guān)響應(yīng)磁場強(qiáng)度為10Gs，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得知，打殼氣缸周圍磁場除幾個(gè)測試點(diǎn)磁場強(qiáng)度小于10Gs外，其余各測試點(diǎn)磁場強(qiáng)度均大于10Gs，而這樣會(huì)干擾和影響可控行程打殼氣缸的正常運(yùn)行，所以需要設(shè)計(jì)行程控制開關(guān)屏蔽裝置將開關(guān)周圍的磁場屏蔽，以達(dá)到可控行程氣缸正常運(yùn)行的要求。

表2 5個(gè)氣缸不同測試平面測試點(diǎn)1磁場方向數(shù)據(jù)（單位：°）

表3 1-5#氣缸各測試點(diǎn)磁場強(qiáng)度（單位：Gs）

表4 三個(gè)平面各測試點(diǎn)磁場強(qiáng)度最大值（單位：Gs）

圖2 磁場屏蔽示意圖

表5 常用屏蔽材料的磁導(dǎo)率飽和值

對(duì)于屏蔽體來說，所選擇的材料的類型對(duì)其性能和成本影響極大。屏蔽材料要根據(jù)磁導(dǎo)率和磁飽和強(qiáng)度的綜合性能進(jìn)行選擇。表5給出了最常用的屏蔽材料的磁導(dǎo)率和飽和強(qiáng)度。

從表5中可以看出鐵鎳合金（48%鎳）的磁導(dǎo)率和飽和強(qiáng)度綜合性能最高，所以選擇鐵鎳合金（48%鎳）作為屏蔽材料。

3.2.2 磁場屏蔽裝置的設(shè)計(jì)

將屏蔽前某點(diǎn)的場強(qiáng)與屏蔽后該點(diǎn)的場強(qiáng)之比定義為磁屏蔽效能，磁屏蔽效能通用公式如式（1）［5］。

式中:S0為某點(diǎn)的磁屏蔽效能；H0為屏蔽前某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度（Gs）；HT為屏蔽后該點(diǎn)的磁場強(qiáng)度（Gs）。

為了能達(dá)到對(duì)氣缸周圍磁場完全屏蔽的要求，選擇氣缸周圍磁場強(qiáng)度最高值388Gs作為H0，而可控行程打殼氣缸的行程控制開關(guān)響應(yīng)磁場強(qiáng)度為10Gs作為HT，將數(shù)據(jù)帶入式（1）可求得使行程控制開關(guān)正常工作的理論屏蔽效能S0為32。

從表1、表2給出的磁場方向角度數(shù)據(jù)可以看出，打殼氣筒周圍磁場以X、Y分量矢量方向?yàn)橹?，表明打殼氣缸周圍磁場方向基本為近似垂直于氣缸缸體，且同一測試點(diǎn)上的方向基本相同。而可控行程打殼氣缸的行程控制開關(guān)，需要垂直于氣缸缸體放置，因此氣缸周圍磁場方向與行程控制開關(guān)近似平行，并且行程控制開關(guān)為長方體形，所以對(duì)可控行程打殼氣缸行程控制開關(guān)的屏蔽體設(shè)計(jì)應(yīng)該以磁場與屏蔽體軸線平行的模型作為基礎(chǔ)條件，文獻(xiàn)［6］中對(duì)磁場與屏蔽體軸線平行的模型中屏蔽體為長方體形的屏蔽效能公式進(jìn)行了推導(dǎo)，得到了該模型下屏蔽效能公式，如式（2）。通過得到的磁場方向角度數(shù)據(jù)分析證明該公式適用于行程控制開關(guān)的屏蔽設(shè)計(jì)。

μ0為空氣的磁導(dǎo)率；μs為磁屏蔽材料的磁導(dǎo)率；

a為磁屏蔽體的厚度（mm）；b為空氣間隙厚度（mm）；c為屏蔽體橫截面邊長（mm）。

從式（2）可以看出，磁屏蔽效能除與屏蔽材料的磁導(dǎo)率有關(guān)外，還與屏蔽體的厚度、大小有關(guān)。減小屏蔽體截面長度c，即縮小屏蔽體體積，可以提高屏蔽體的屏蔽效能；增大屏蔽體厚度a、空氣間隙b可提高屏蔽體屏蔽效能，但從縮小屏蔽體體積方面考慮，僅要求被屏蔽物不要緊靠屏蔽壁，留有一適當(dāng)間隙，通常?。?/p>

圖3為磁屏蔽效能S與變量a，b，c之間的關(guān)系曲線圖。由圖3可看出：屏蔽體截面邊長c與屏蔽效能S關(guān)系曲線相較空氣間隙b與S的關(guān)系曲線更陡，說明c的大小起主要影響作用，則該屏蔽裝置的空氣間隙厚度b取小值即：

圖3 磁屏蔽效能S與變量a,b,c的關(guān)系曲線簡圖

本實(shí)驗(yàn)采用的行程控制開關(guān)尺寸為12mm×12mm×30mm，則屏蔽體橫截面長度c、屏蔽體長l可表示為：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，壁厚a計(jì)算公式如下：

式中，A為磁場強(qiáng)度衰減率；μs為磁屏蔽材料的起始磁導(dǎo)率。

由表4可得知，鐵鎳合金（48%鎳）的起始磁導(dǎo)率μ為12，000；根據(jù)現(xiàn)場測試，外界最大干擾磁場強(qiáng)度為388Gs，磁性開關(guān)正常工作時(shí)外界磁場要小于10Gs，即衰減率達(dá)到40時(shí)可滿足要求?？紤]到誤差等因素，為安全操作衰減率A取100。

式（4）（5）（7）聯(lián)立可解得：

a=0.13mm

為確保安全使用，同時(shí)考慮到加工方便，a取0.5mm。將a值分別代入式（3-17）可解得：

c=16.25mm

為了加工方便取c=16.00mm，將a、c值代入式（3-5）可得：

b=1.5mm

將a、b值代入式（3-6）可解得：

l=32mm

已知空氣相對(duì)磁導(dǎo)率μ0=1，將各已知數(shù)據(jù)帶入公式（3-2）可得到屏蔽體的屏蔽效能S0=98。顯然屏蔽體實(shí)際屏蔽效能遠(yuǎn)大于行程控制開關(guān)正常工作時(shí)的理論屏蔽效能，而且選取屏蔽的磁場強(qiáng)度為打殼氣缸周圍磁場強(qiáng)度最大的數(shù)值，所以打殼氣缸上任意測試點(diǎn)上的理論屏蔽效能均低于實(shí)際設(shè)計(jì)值，表明該磁場屏蔽方案理論可行。

通過對(duì)打殼氣缸周圍磁場強(qiáng)度的分析，我們選擇了各個(gè)氣缸中磁場強(qiáng)度最小的3測試點(diǎn)，即與電流方向一致靠近進(jìn)電端的測試點(diǎn)作為安裝點(diǎn)，在不同測試平面h1、h2和h3分別安裝行程控制開關(guān)及屏蔽設(shè)置，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。安裝示意圖如圖4所示。

經(jīng)過現(xiàn)場24小時(shí)不間斷運(yùn)行，各個(gè)位置上被屏蔽的行程控制開關(guān)均能正常作用，達(dá)到行程控制的目的。表明經(jīng)過理論計(jì)算設(shè)計(jì)出的屏蔽設(shè)備能有效地將行程控制開關(guān)外的磁場進(jìn)行屏蔽，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本研究中使用SYPRIS7030精密高斯計(jì)測試了某350kA系列鋁電解槽打殼氣缸周圍磁場的分布情況，測試結(jié)果表明了電解槽上方不同放置點(diǎn)的打殼氣缸的基本磁場方向和磁場強(qiáng)度，得出了靠近出鋁端打殼氣缸磁場強(qiáng)度最大，最大值為388Gs的結(jié)論，并選出了打殼氣缸上磁場強(qiáng)度最小的點(diǎn)作為行程控制開關(guān)的安裝位置。利用磁場測試結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套以鐵鎳合金（48%鎳）作為材質(zhì)的磁場屏蔽裝置。經(jīng)過現(xiàn)場測試，將行程控制開關(guān)放入屏蔽裝置內(nèi)，并安裝在氣缸指定位置上，可以有效地屏蔽打殼氣缸周圍的磁場干擾，達(dá)到了可控行程氣缸正常運(yùn)行的要求。

圖4 h2平面行程控制開關(guān)及屏蔽體安裝示意圖

［1］王兆文，侯劍峰，高炳亮，石忠寧，胡憲偉.一種用于鋁電解槽的打殼裝置，中國CN203049050U，2013-07-10.

［2］劉杰，李劼，賴延清，等.350kA預(yù)焙陽極鋁電解槽磁場分布研究［J］.礦冶工程，2008，28（3）：71-75.

［3］胡紅武，孫康健.400kA預(yù)焙鋁電解槽磁場分布應(yīng)用研究［J］.輕金屬，2011（增刊）.

［4］阮紹勇.20kA預(yù)焙陽極鋁電解槽磁場分布研究［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2010，37（2）：18-20.

［5］趙啟博，姚臘紅，王向欣.磁導(dǎo)率與厚度因素對(duì)磁屏蔽效能的影響［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，20（2）：13-21.

［6］王曉蔚.直流大電流傳感器屏蔽問題的分析與研究［D］，武漢：華中科技大學(xué)，2007.