蔣可+丁輝

摘要：把鋁液水平電流內(nèi)的新型陰極鋼棒的電解槽，通過新型仿真的數(shù)值方法進行三維計算?？梢杂行У姆治龀鲣X液內(nèi)的水平電流，會在新型陰極鋼棒在產(chǎn)生的實際作用。本文主要就是針對新型陰極鋼棒對鋁電解槽電熱場的影響。

關(guān)鍵詞：新型鋁陰極鋼棒；鋁電解槽；電熱場；水平電流；

前言：

在工業(yè)的電解槽內(nèi)，氧化鋁和熔融電解質(zhì)都是經(jīng)過一定的化學(xué)性反應(yīng)才能夠生成液態(tài)原鋁。而鋁液與電解質(zhì)，這兩種不同高溫的熔體在經(jīng)過重力與電磁力的作用下，會不斷的在槽膛內(nèi)進行運動。而熔體不斷的運動就會導(dǎo)致鋁液的電解質(zhì)發(fā)生變形，從而改變了熔體內(nèi)部的磁場與電場分布。為了能夠更加合理的形成磁場與電場的分布，進一步讓鋁電節(jié)槽中的磁流能夠更加的穩(wěn)定。通過仿真的方法實現(xiàn)鋁電解槽的鋼棒新型的陰極，進一步的優(yōu)化鋁液內(nèi)水平電流。在當(dāng)前的工業(yè)中，使用最為廣泛的就是新型的陰極鋼棒。通過這種新型的陰極鋼棒，來實現(xiàn)對鋁液水平電流與槽內(nèi)電壓的改善。

1、綜合概述新型的陰極鋼棒

如圖1所示，新型的陰極鋼棒其主要的運行模式是，先沿著傳統(tǒng)的陰極鋼棒長度方向把兩端較為靠近的電段，進行一段開一道的分割，形成分割縫。再把每一段鋼棒分為上下段，采用電絕緣糊來進行分割縫的填充。在鋼棒的表面上，要利用石墨把陰極陰極炭塊銜接。而并沒有被分割的鋼棒，則要在它的一側(cè)利用碳糊來實現(xiàn)陰極炭塊的銜接。對于已經(jīng)被分割為一段的鋼棒，可以在它的側(cè)面利用碳糊進行陰極炭塊的鏈接。對于剩余的下半段可以利用電絕緣類的材料進行陰極炭塊的有效鏈接。因為電絕緣類材料的應(yīng)用，讓鋼棒的與陰極碳塊的鏈接作用產(chǎn)生較大的變化。所以，鋁電解槽會在新型的陰極鋼棒的影響下，整體的陰極電場在分布上會出現(xiàn)更多的變化。不但會將鋁液內(nèi)的電流產(chǎn)生走向變化，還會對鋁液的水平電流產(chǎn)生優(yōu)化的作用。

2、深度分析新型陰極鋼棒對鋁電解槽電熱場的主要影響

新型的陰極鋼棒與傳統(tǒng)的陰極鋼棒的電解槽鋁液，在X方向的水平電流分布上，無論是水平電流的密度，還是最大值都有著較大的不同。新型的陰極鋼棒在X方向，其鋁液的水平電流流向都是X軸的負(fù)方向，也就是以電解槽的全槽軸線為準(zhǔn)，從中軸線向鋼棒出電端延伸。同時，從電解槽的中軸線一直到桿棒的出電端，在實際的延伸水平電流密度都是由大到小的走向。當(dāng)接近于槽幫位置時，受槽幫的阻隔限制，會產(chǎn)生反向或者減小至0的現(xiàn)象。由于其產(chǎn)生的水平電流，在反向在范圍上較小。因此，不會對磁流體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。如圖2所示，最大水平電流最大的密度，都指向了X負(fù)方向的水平電流密度中最大的數(shù)值。鋁液的大部分都在水平電流的密度上，并且都處于最小的數(shù)值。而底部的距離槽幫較近的位置上的兩個區(qū)域都是較大的數(shù)值。由此可以分析出，槽幫的底部會對電流起到阻擋的作用，導(dǎo)致電流會發(fā)生流向與匯集的變化。在水平電流的密度上，無論是Z方向還是X方向，都會產(chǎn)生增大的變化。而由于鋼棒讓電流的匯集與流向產(chǎn)生變化，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的電流會從鋁液的底部流出。并且，逐漸的流入到陰極碳塊，而陰極碳塊再流入到鋼棒的匯集處，形成Z方向的水平偏轉(zhuǎn)變化。但是，這一變化并不能夠?qū)Υ帕黧w產(chǎn)生較大的穩(wěn)定性影響。因此，新型的陰極鋼棒電解槽鋁液與傳統(tǒng)的電解槽鋁液相比較，新型的陰極鋼棒電解槽鋁液能夠有效的將電流的密度平均值縮小。

對鋁電解的能耗能夠產(chǎn)生重要影響的，就是槽電壓。我國的電解行業(yè)，一直都是在進行著電解的低電壓研究分析。從而能夠極大的降低能力的消耗。加入了絕緣材料的新型陰極鋼棒，在一定程度上會對槽電壓產(chǎn)生重要的影響。通過對電解槽電的熱切片模型的計算分析，從而得出了槽體的導(dǎo)電區(qū)域歐姆的壓降結(jié)果。新型陰極鋼棒，與傳統(tǒng)的陰極鋼棒電解槽相比，在槽體的歐姆壓降的數(shù)值增至到了33mV。而增加區(qū)域的陰極壓降，是因為電絕緣類材料的加入，才可導(dǎo)致電路的電阻迅速的增大，而隨著電阻的增大，電壓也隨之增大。

除此之外，槽體的歐姆壓降產(chǎn)生的變化，導(dǎo)致了氣泡的壓降也發(fā)生了變化。通過計算分析得出新型陰極鋼棒與傳統(tǒng)的陰極鋼棒，在整體電解槽體系統(tǒng)中的總壓降都發(fā)生了不同的變化，而新型的陰極鋼棒是3.83V，比傳統(tǒng)的陰極鋼棒大0.03V。而如果采用母線系統(tǒng)進行0.2V的降壓計算，則他們的槽電壓都會在4.00V以上。但是，由于二者在陰極的電阻上存在著一定的差異。因此，他們的整體電阻發(fā)生的變化差異較小，并且都處在正常的范圍內(nèi)。但如果利用開槽陽極來進行計算分析，同時在根據(jù)磁流體與磁場的穩(wěn)定性進行合理的設(shè)計研究，新型的陰極鋼棒在極距上還會有所降低，而電壓也會隨之降低，從而讓槽電壓的水平變得更低。

3、結(jié)語

綜上所述，在對鋁電節(jié)操電熱場的影響上，與傳統(tǒng)的陰極鋼棒相比，新型陰極鋼棒占有更大的優(yōu)勢。它可可以極大的降低電解槽鋁液內(nèi)的水平電流數(shù)值。從而進一步讓電解槽中的磁流體能夠變得更加的穩(wěn)定。同時，有效的讓槽內(nèi)電壓數(shù)值增加。因此，新型的陰極鋼棒，不僅能夠?qū)︿X電節(jié)操電熱場產(chǎn)生較大的優(yōu)化作用，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保的作用。

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