董 慧,戚喜全

(東北大學設計研究院(有限公司),遼寧 沈陽 110166)

高精度的鋁電解槽母線電平衡計算,對于控制槽內水平電流分量、準確計算槽內磁場、實現(xiàn)電解槽磁流體穩(wěn)定,是第一重要的基礎工作。不少新開發(fā)的電解槽,在投產后都會出于不同的目的, 進行電解槽的物理場測試,這其中就包括母線電平衡測試,但這方面的文獻并不多。無論從發(fā)表的文獻[1-3],還是從更多的測試報告看,能夠得到比較理想的陰極軟帶電流均勻性的情況并不多,電流偏差系數(shù)一般都會在20%以上,甚至更高?？梢韵胂?作為用于指導設計的電平衡計算結果肯定會遠遠優(yōu)于測試結果,那樣才能會用于指導母線設計。文獻[4]曾提出過電流偏差系數(shù)5%的設計指標標準。關于引發(fā)電流偏差的原因,固然有電解槽爐膛狀態(tài)、爐底材料變性,甚至沉淀等因素的影響。但大多數(shù)的測試,也都是在狀態(tài)良好、運行時間較短的電解槽上進行的,并非在異常槽上進行。因此,本文認為,除了電解槽本身因素對電平衡帶來的偏差外,槽體外母線應該是引發(fā)偏差的另一重要因素,而這一原因則主要與設計有關。盡管在從上臺槽鋁液面到下臺槽陽極大母線的全路徑上,上臺槽的爐底電阻占據(jù)了兩等位面之間總電阻的很大一部分,但槽外鋁母線各段、各種偏差的累加,應該是導致電平衡偏差的外部原因。本文將通過對單根母線的電阻計算,以及簡單電路的電平衡計算,來分析設計方面可能帶來的電平衡偏差,以供借鑒。

1 研究方法描述

鋁電解槽電平衡設計的基本目標之一就是使陰極軟帶的電流均勻性控制在一個目標范圍內,不同的設計者采取的手段也許不同。但無論何種方法,都必須將鋁母線當做簡單的電阻或電熱導體。也許正是由于將鋁母線當做簡單電阻和電熱導體,這兩種處理方法的不同,帶來了結果的差異。為了解這兩種處理方法可能帶來的差異,本文對相同母線按不同工作環(huán)境、平放、立放不同安裝方式等,產生的不同結果進行計算比較,借以幫助分析實際電解槽母線電平衡的偏差可能原因。

為簡便起見,本文首先計算了一根300 mm×50 mm×1000 mm的鋁母線的電熱場,從中提取出該母線在不同工況下的總電勢差以計算導體電阻,以及最高溫度等數(shù)據(jù),用作比較分析。

在母線尺寸及電流的選定過程中,充分考慮了實際的母線尺寸、電流密度等因素。假定母線的工作溫度為45℃(接近實際母線的工作溫度),以計算該母線段的理論電阻,經計算,此母線段的理論電阻為2.18 μΩ (電阻率公式取自文獻[5])。下面,將鋁母線按電熱導體處理,分幾種情況來研究母線的電阻變化情況。

(1) 熱邊界條件:由于目前的電解車間都采取了先進的通風技術,母線表面選取強制對流換熱,母線立面風速選取2 m/s,上下平面選取1.5 m/s(這種條件,對槽周母線基本合理)。

(2) 電邊界條件:在母線一個端面添加電流載荷,在另一端面添加零電位約束。

(3) 等效環(huán)境溫度(以下簡稱環(huán)境溫度)的設置:由于每個母線段所處的工作環(huán)境不盡相同(甚至同一段母線,不同位置、不同面的工作環(huán)境都可能不同),例如各自的周圍空氣溫度、相互熱輻射情況、通風條件、母線密集度等,都可能不同。因此,給每一根母線確定一個準確的環(huán)境溫度是困難的。實際計算中,只能根據(jù)每根母線上述條件的差異,給定一個等效的溫度,來反映每根母線所處的環(huán)境。為了簡化計算過程,本文中的計算,假定此母線段各位置、各側面所處的等效環(huán)境溫度相同。

2 計算結果及討論

下面,對此母線段分幾種情況進行電熱場計算。其中每種情況下的母線電阻,采用每次計算后母線段兩端頭的電位差值,除以母線的總電流來計算。

2.1 情況1:將母線按電熱導體處理

母線段原始加載電流為9000 A,母線段的理論電流密度0.60 A/mm2,接近實際工況。表1列出了所有情況下的具體描述、計算參數(shù)及結果。母線溫度及電位分布如圖1、2所示。

由圖1、2及表1中“情況1”的數(shù)據(jù)看,將母線段的環(huán)境溫度設為與母線電阻理論計算時相同,均為45℃,再將母線段按電熱導體處理,則母線的最高溫度升到60℃左右,其電阻升到2.3 μΩ,較理論情況升高5.5%,與理論數(shù)值產生了一定偏差。

圖1 母線段溫度分布圖(℃)

表1 計算情況及結果表

圖2 母線段電位分布圖(V)

2.2 情況2:將母線改為平放,其它條件不變

受空間限制,扁母線平放的情況也很常見。為此,又對同一母線平放的情況進行了計算。溫度分布如圖3所示。

由圖3 及表1中數(shù)據(jù)看出,同一母線段由立放改為平放,母線溫度又有升高。這是由于母線平放后,對流散熱效果變差的原因,母線電阻也有所提高。由此也進一步說明,欲使母線散熱效果增強,母線最好以矩形斷面,且長邊面設為立面。

圖3 母線段溫度分布圖(℃)

2.3 情況3:情況2+環(huán)境溫度提高8℃

在實際工作中,槽周母線在不同季節(jié)、地域,甚至同一槽上尺寸完全相同的兩根母線段,會工作在不同環(huán)境溫度下。為此,本文又對環(huán)境溫度變化的影響進行了計算,且8℃的溫升也基本符合實際情況。由表1中的數(shù)據(jù)看出,母線最高溫度和總電阻有了較明顯的提高。

2.4 情況4:情況3+電流升高10%

實際生產過程中,電流強化是經常采取的增產或熱平衡措施。為此,本文也對電流的影響進行了研究。由表1中數(shù)據(jù)看出,電流強化后,母線的溫度及電阻又有明顯升高。而事實上,電流強化,一般都會帶來工作環(huán)境溫度的升高,但本計算仍按原工況處理,否則,電阻升高值會更大。為更直觀,將表1的電阻值和電阻升高百分數(shù)匯于圖4中。

由圖4看出,隨母線工況的變差,母線電阻逐步升高。在電流強化10%后,母線電阻比理論計算值升高了約10%。盡管槽外母線的電阻只占槽電流路徑上的一部分,但從計算結果看,由于母線的實際電阻已明顯高于理論電阻,如果在母線電阻計算中,不能合理考慮這些差異,電解槽在實際生產中就很可能出現(xiàn)較大的電流不平衡。這也許就是很多實測軟帶電流分布均勻性較差的主要原因之一。因此,在母線電平衡設計時,應考慮到鋁母線作為電熱導體與等值電阻的差異。為更貼近母線的實際運行情況,本文設計了一個簡單電路,以了解理論上平衡的兩支路內是否會發(fā)生電流偏差的情況。

圖4 母線電阻數(shù)據(jù)與工況的關系

2.5 工況對支路電平衡影響的驗證

驗證電路參數(shù)如表2所示,電路圖如圖5所示。

圖5 電路圖及溫度結果(℃)

表2 電路中母線結構計算參數(shù)及結果

由表2結果可見,理論上電流平衡的左右兩個支路,在工況發(fā)生變化后,兩支路的電流出現(xiàn)了一定偏差,究其原因,應該是左邊支路母線均為扁平結構且都為立放、散熱條件較右邊支路更好的緣故。計算表明,如果3～4#母線支路處于自然對流環(huán)境,則左右兩支路的電流比為8530 A/7970 A,電流偏差增加到3.4%,這進一步說明了工況對支路電流平衡有較大影響。

另從圖5也可看出,3#母線段的溫度并不均勻,越靠向2#、4#母線,溫度越低,這是因為大斷面母線(假定其電流密度低)充當了小斷面母線(假定其電流密度高)的“散熱器”?？梢?對于相互連接的電熱導體,相互間既有電流傳遞,也有熱量(溫度)的傳遞,母線溫度既與其本身的電流密度等因素有關,也與其上下游的母線有關;母線間熱的傳遞只與溫度梯度方向一致,既可能是順流的,也可能是逆流的,與電流的傳遞方向可能不一致。這種情況在槽周大母線上可能會表現(xiàn)的比較明顯。

為驗證這一點,對某300 kA級電解槽母線溫度進行了測量,測量母線為自進電側繞行到出電側的大母線,圖6示出了母線溫度與理論電流密度的對應關系(測點1為靠近槽中心端,測點8、9為出鋁端頭端)。該大母線連接有6根軟帶(測點1～6分別與軟帶1～6相對應)。從圖6可看出,隨軟帶數(shù)量增加,大母線電流密度逐漸增大,但母線溫度基本平穩(wěn),維持在100℃左右(暫不考慮測試誤差)。這說明熱量向低電流密度方向進行了傳遞,母線溫度趨于均勻;再者,母線出現(xiàn)此種高的溫度,應該既有母線電流密度高、槽間溫度高、通風條件差的原因(測試時,槽底通風窗處于關閉狀態(tài)),也有陰極軟帶向母線傳熱的緣故。在母線接近槽端頭時,溫度開始降低;進入端頭,溫度達到最低值。這是由于端頭通風條件好、環(huán)境溫度低的緣故。文獻[6]對槽周母線的電熱模擬結果,在溫度趨勢上與本測試結果相吻合。因此,本測試結果驗證了上文的基本結論。

圖6 某300 kA電解槽大母線實測溫度與理論電流密度的關系

由此可推理,對于上下游母線間斷面尺寸相差較大、溫度相差較大、或母線較短的情況時,熱的傳遞更為復雜,使母線進一步偏離電流密度與溫度、溫度與電阻之間的關系。表2中“電熱計算后最高/平均溫度”一欄的數(shù)據(jù)直接說明了這一點,因為溫度和電流密度已失去了明顯的關聯(lián)關系。而對于實際的槽周母線,母線工況、母線結構等要遠復雜于本電路,各段母線電阻偏差的積累,就有可能導致整個支路的電流發(fā)生大的改變。又由于系列總電流是恒定的,因此,一個支路電流的改變又會導致其它支路的連鎖變化,結果就是各支路都偏離理論結果,以及鋁液內水平電流的產生。圖7和圖8分別示出了某槽理論計算電平衡和按實際電平衡結果下,計算的槽內鋁液中x向電流密度結果。

圖7 理論電平衡下進電側1/4槽寬處鋁液內電流密度

圖8 按實際電平衡計算的進電側1/4槽寬處鋁液內電流密度

由圖7看出,理論電平衡狀態(tài)下,鋁液中x向電流分量很小,也表明陰極軟帶電流很均勻,電平衡效果很好。但如圖8所示,實際的電平衡條件下,鋁液中x向電流分量很大,表明,陰極軟帶的電流分布均勻度差,這對電解槽的穩(wěn)定是不利的。

3 結 語

本文通過對單根母線及并聯(lián)電路電熱狀態(tài)的模擬計算,研究了工況對電平衡可能帶來的影響。具體結論如下:

(1) 把母線段按簡單等值電阻進行電平衡計算,會帶來偏差;環(huán)境溫度變化、系列電流強化等,都會進一步增大偏差。

(2) 對電解槽母線進行完全電熱模擬,理論上是最準確的方法,但工作量大,因為在母線系統(tǒng)結構確定前,需不斷改變母線尺寸、位置等,母線的熱邊界條件也不易準確。因此,應該將等值電阻和電熱計算二者結合起來。具體實施中,對每段母線都應依據(jù)其電流密度賦予其工作溫度;依據(jù)其工作環(huán)境,賦予其等效環(huán)境溫度,并依據(jù)其斷面形狀、安裝角度、上下游關系等,賦予某修正系數(shù),使每段母線最大限度接近其實際工作溫度。

(3) 電解槽電流不平衡的結果是槽內外電流、磁場等一系列的變化,對電解槽的穩(wěn)定運行不利。