鮑 亮,鄧勝祥

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系,上海 200423；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 200423)

電解鋁熔鹽方法[1]發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)100多年,在這期間電解鋁技術(shù)迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)在電解鋁鋁電解槽容量不斷增大,600 kA電解槽[2]已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)階段,電解鋁耗能不斷降低。電解鋁主要能耗是電能。電能作為二次能源屬于不可再生能源,所以怎樣提高電流效率[3],節(jié)約電能一直是電解鋁發(fā)展方向。雖然現(xiàn)在電解鋁技術(shù)比較先進(jìn),但是電能的利用率僅在53%左右。降低槽電壓[4]是降低能耗的有效途徑,降低槽電壓的方法有多種,其中通過改變陽極結(jié)構(gòu)降低壓降,效果較為突出。

鋁電解槽電流為直流電流,電流流過電阻產(chǎn)生壓降,電流從陽極母線流入陽極導(dǎo)桿,通過陽極鋼爪分流[5]進(jìn)入陽極炭塊[6],經(jīng)過陽極炭塊與氧化鋁發(fā)生電解鋁反應(yīng),之后電流流過原鋁進(jìn)入陰極炭塊,由陰極鋼棒流入陰極母線進(jìn)入下一個(gè)電解槽。主要產(chǎn)生陽極壓降[7]、極距壓降、陰極壓降。極距壓降涉及到多種電解質(zhì)氧化鋁還原反應(yīng),所以降低極距壓降較為復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)效果不理想,但是從陽極和陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)降低電解槽電壓較為方便,而且對(duì)降低槽電壓降也有不錯(cuò)的效果。

國內(nèi)陽極復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼爪[8],新型異型陰極[9]等,在降低槽壓降方面都取得不錯(cuò)效果,達(dá)到節(jié)能的目的。目前國內(nèi)陽極壓降的研究主要為改變陽極材料,優(yōu)化陽極炭塊尺寸[10]。

本研究在有限元軟件中建立單陽極幾何模型,然后將幾何模型關(guān)聯(lián)到COMSOL軟件進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?并對(duì)不同陽極鋼爪個(gè)數(shù)單陽極幾何模型進(jìn)行模擬計(jì)算。分別對(duì)四個(gè)不同陽極鋼爪個(gè)數(shù)的單陽極模型在相同條件下進(jìn)行模擬計(jì)算,分析每個(gè)單陽極模型的電壓分布并進(jìn)行對(duì)比,得出相應(yīng)結(jié)論,在此結(jié)論基礎(chǔ)上提出改進(jìn),并再次建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬結(jié)果與原來幾何模型進(jìn)行比較,得出改進(jìn)優(yōu)化結(jié)果。

1 相關(guān)理論及模型參數(shù)

1.1 相關(guān)理論

陽極導(dǎo)電部分導(dǎo)電微分方程拉普拉斯方程:

(1)

式中:V——陽極電壓,V;

σ——電導(dǎo)率,S/m。

ΣV=ΣIR

(2)

式中:V——陽極電壓,V;

I——陽極電流,A;

R——陽極電阻,Ω。

結(jié)構(gòu)電阻計(jì)算公式如圖1。

圖1 一類結(jié)構(gòu)電阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(3)

式中:Ri——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω;

i和j——鋼爪數(shù)量。

(4)

式中:Rmax(j)——最大電流鋼爪電阻,Ω;

Rmax(i)——最大電流鋼爪電阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(5)

式中:Rj——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

圖2 二類結(jié)構(gòu)電阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(6)

式中:Ri——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

Rmax(j)=Rmax(i)

(7)

式中:Rmax(j)——最大電流鋼爪電阻,Ω;

Rmax(i)——最大電流鋼爪電阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(8)

式中:Rj——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

鋁導(dǎo)桿電流將鋼爪分為兩部分,從i=1即R1開始依次計(jì)算Ri,R′為鋼爪間電阻,R′在大電流作用下受溫度影響。

根據(jù)(3)(6)計(jì)算公式和進(jìn)電方式一類結(jié)構(gòu)電阻和二類結(jié)構(gòu)電阻主要區(qū)別為不同鋼爪結(jié)構(gòu),一類電阻鋼爪個(gè)數(shù)為雙數(shù),二類電阻鋼爪數(shù)為單數(shù)。

1.2 建立模型及邊界條件

單陽極模型在COMSOL進(jìn)行仿真模擬,考慮所研究的問題是不同鋼爪數(shù)下陽極壓降分布,所以忽略一些不必要影響因素,這樣使仿真模擬高效,簡便直觀。電解槽總電流400 kA平均分配給48個(gè)陽極,一個(gè)陽極電流400/48約為8.33 kA。選取陽極導(dǎo)桿上截面為電流輸入面,陽極炭塊地面為接地面,設(shè)在電解槽穩(wěn)態(tài)溫度下材料電導(dǎo)率。

表1 陽極導(dǎo)桿、陽極鋼爪、陽極炭塊相應(yīng)參數(shù)

表2 材料屬性 S/m

2 仿真結(jié)果與真實(shí)測量結(jié)果

項(xiàng)目中測得4個(gè)陽極鋼爪陽極整體壓降為460 mV左右。此數(shù)據(jù)與實(shí)際工藝相符合,仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示,因此在有限元軟件中建立的模型是可靠有效的,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他模擬具有指導(dǎo)意義。

首先對(duì)需要測量的每個(gè)陽極炭塊打4個(gè)孔,打孔位置緊貼鋼爪底面,由于測量時(shí)電解鋁槽處于運(yùn)行狀態(tài)溫度相對(duì)較高,對(duì)陽極部分部件進(jìn)行測量時(shí),需要借助鐵鉤、鐵棒和鐵絲。鋁導(dǎo)桿測量壓降:揭開爐蓋,借助鐵棒將萬用表一端連接卡具底端另一端連接爆炸焊上端,依次測A、B兩側(cè)導(dǎo)桿電壓降,測試值記作VA1、VA2…VAi,VB1、VB2…VBi,數(shù)據(jù)處理得V桿。鋼爪測量壓降:借助鐵棒將萬用表一端連接爆炸焊下面,另一端依次連接陽極炭塊打孔處,陽極鋼爪壓降記作VA1爪、VA2爪、VA3爪、VA4爪,VB1爪、VB2爪、VB3爪、VB4爪,數(shù)據(jù)處理得V爪。陽極炭塊測量壓降:借助鐵鉤和鐵棒,萬用表一端鉤在陽極下表面,另一端依次連接打孔處,通過算數(shù)平均數(shù)VAi陽、 VBi陽,之后數(shù)據(jù)處理得V陽。上述測量的部位未包括爆炸焊的壓降,大約185 mV。V陽中包括接觸壓降,根據(jù)公式計(jì)算其中磷生鐵/炭塊接觸電阻約為3.8×10-6Ω,得到接觸壓降約為83 mV。為了使所研究的問題達(dá)到簡潔直觀目的,模型中忽略接觸電阻的影響。因此表3測量數(shù)據(jù)中將炭塊壓降的值減去磷生鐵/炭塊接觸壓降,僅保留非接觸壓降部分,便于和模型結(jié)果對(duì)比。

表3 仿真值與真實(shí)值對(duì)比 V

3 鋼爪研究

陽極鋼爪是鋁電解槽結(jié)構(gòu)中重要的組成部分,其作用夾持陽極炭塊,并向電解槽中通入大量電流,陽極鋼爪的電流約為8.33 kA,陽極鋼爪的性能將直接影響陽極炭塊的電流分布,進(jìn)而影響電效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此,研究陽極鋼爪的結(jié)構(gòu)特征,深入了解陽極鋼爪結(jié)構(gòu)電阻,然后對(duì)陽極鋼爪進(jìn)行一定改進(jìn)。

(1) 3鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖3得陽極整體壓降為0.21 V,鋁導(dǎo)桿壓降為0.02 V左右,陽極鋼爪壓降約為0.06 V,陽極炭塊壓降0.13 V。三個(gè)陽極鋼爪中在鋁導(dǎo)桿正下方的鋼爪壓降0.02 V,而另外兩個(gè)鋼爪壓降0.06 V鋼爪內(nèi)壓降差約為0.04 V,3鋼爪陽極鋼爪壓降分布不均。在相同材料情況下,引起壓降分布的主要原因是結(jié)構(gòu)不均導(dǎo)致電阻不均,即中間鋼爪結(jié)構(gòu)壓降較小,兩邊鋼爪結(jié)構(gòu)壓降較大。

圖3 3鋼爪陽極鋼爪

(2) 4鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖4得陽極整體壓降為0.19 V,鋁導(dǎo)桿壓降為0.02 V左右,陽極鋼爪壓降約為0.04 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V?？拷X導(dǎo)桿中間兩個(gè)鋼爪壓降約為0.02 V,兩邊兩個(gè)鋼爪壓降約為0.04 V,4鋼爪壓降從整體來看分布相對(duì)不均,鋼爪內(nèi)壓降差約為0.02 V。在相同材料下,4鋼爪陽極鋼爪整體結(jié)構(gòu)電阻較三鋼爪結(jié)構(gòu)電阻有所降低。

圖4 4鋼爪陽極鋼爪

(3) 5鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖5得陽極整體壓降為0.188 V左右,鋁導(dǎo)桿壓降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.038 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V。中間鋼爪壓降約為0.015 V,內(nèi)側(cè)兩個(gè)鋼爪壓降約為0.025 V,外側(cè)兩個(gè)鋼爪壓降約為0.038 V,5鋼爪陽極鋼爪壓降從中心向兩邊逐漸增大,呈現(xiàn)階梯分布,鋼爪間壓差約為0.012 V。

圖5 5鋼爪陽極鋼爪

由圖6得陽極整體壓降為0.19 V左右,鋁導(dǎo)桿壓降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.04 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V。中間兩個(gè)鋼爪壓降約為0.02 V,內(nèi)側(cè)兩個(gè)鋼爪壓降約為0.03 V,外側(cè)兩個(gè)鋼爪壓降約為0.04 V,6鋼爪壓降從里向外遞增,結(jié)構(gòu)壓降變化不明顯。

圖6 6個(gè)鋼爪陽極鋼爪

3鋼爪陽極壓降約為0.21 V,4鋼爪陽極壓降約為0.19 V,5鋼爪陽極壓降約為0.188 V,6鋼爪陽極壓降約為0.19 V。4鋼爪與3鋼爪比較陽極壓降變化明顯,壓降降低0.02 V左右,由電流走向進(jìn)行分析,主要原因?yàn)?鋼爪結(jié)構(gòu)電阻相比4鋼爪結(jié)構(gòu)電阻有所增加。4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪陽極壓降變化不明顯,單增加陽極鋼爪個(gè)數(shù)不能有效降低鋼爪結(jié)構(gòu)電阻。

4 改進(jìn)陽極結(jié)構(gòu)

通過上面分析可知當(dāng)陽極鋼爪數(shù)量超過4個(gè),僅僅改變陽極鋼爪數(shù)量無法降低結(jié)構(gòu)電阻,因此改變電流進(jìn)電路徑,將單點(diǎn)進(jìn)電改為多點(diǎn)進(jìn)電,即陽極導(dǎo)桿電流分開進(jìn)入陽極鋼爪,這樣大大縮短了電流路徑,從而降低陽極鋼爪結(jié)構(gòu)電阻。

4鋼爪陽極鋼爪基礎(chǔ)上增加兩個(gè)1/4圓柱,圓柱材料選取和鋁導(dǎo)桿相同材料,圓柱直徑與鋁導(dǎo)桿寬度相同。

由圖7得陽極壓降約為0.18 V,導(dǎo)桿壓和附加導(dǎo)柱降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.03 V,陽極炭塊壓降為0.13 V。改進(jìn)前后陽極電壓降低0.01 V,鋼爪無明顯壓降梯度,電壓分布較均勻。改變了鋼爪進(jìn)電方式,使得鋼爪結(jié)構(gòu)電阻降低。

圖7 改進(jìn)4鋼爪陽極鋼爪

5 結(jié) 論

利用有限元軟件,建立3鋼爪、4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪以及改進(jìn)4鋼爪模型并進(jìn)行模擬仿真,通過數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)比分析得出以下結(jié)論:

(1)相同電流和材料屬性下,3鋼爪陽極壓降比4鋼爪陽極壓降高出0.02 V,而且3鋼爪壓降梯度較大,4鋼爪壓降梯度相對(duì)3鋼爪有所減小,即3鋼爪比4鋼爪結(jié)構(gòu)電阻大。

(2)4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪陽極壓降變化微小基本可以不計(jì),由此可知單陽極鋼爪個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為4個(gè)較為經(jīng)濟(jì)合理。

(3)改變陽極鋼爪進(jìn)電方式,即鋼爪中心1點(diǎn)進(jìn)電改為鋼爪對(duì)稱3點(diǎn)進(jìn)電,通過改變電流路徑進(jìn)而調(diào)整陽極鋼爪結(jié)構(gòu)電阻。改進(jìn)4鋼爪壓降較4鋼爪壓降降低0.011 V左右,并且改進(jìn)后鋼爪電壓分布沒有明顯變化,對(duì)陽極炭塊電流密度更加均勻起到一定促進(jìn)作用。

(4)對(duì)于相關(guān)企業(yè)改變陽極結(jié)構(gòu)來降低陽極壓降有一定的參考價(jià)值。