孔 曄,王 旋

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁電解系列設計時,電解槽熔體區(qū)的磁場設計至關重要。如果電解槽磁場設計不合理,鋁液作為液態(tài)導體將會因受到過大的電磁力在電解槽內(nèi)大幅波動,影響到極距(槽電壓)的穩(wěn)定性,從而影響到鋁電解槽運行的穩(wěn)定性和電流效率[1-3],嚴重時導致電解槽無法正常生產(chǎn)。

本文討論的鋁電解系列端頭槽位于整個電解系列遠離整流所的端頭處,其磁場顯著高于位于中間區(qū)域的普通槽。如果這些端頭槽的磁場也能達到或最大限度地接近普通槽的水平,這對電解鋁廠而言將是一個增加其效益的有力舉措。因此,本文的目的即在于尋求一種較為簡單、便捷的對電解系列端頭槽磁場進行優(yōu)化設計的方法。

1 端頭槽磁場惡化的表現(xiàn)及原因分析

母線設計及其磁場模擬計算時,普通槽一般考慮其受三個方面電流的影響:

a)本槽自身電流,包含本槽槽周圍母線電流、陽極母線電流及槽內(nèi)電流等;

b)上、下游各若干臺電解槽的電流;

c)相鄰廠房(必要時含相鄰電解系列)的電流。

圖1給出了電解系列中主要的幾類電解槽的位置。如圖所示,端頭槽不同于普通槽,根據(jù)其所處位置(磁場環(huán)境)的不同可以將整個電解系列的端頭槽分為圖中六類。本文討論的兩類端頭槽位于整個電解系列遠離整流所的端頭處,分別為端頭進電槽和端頭出電槽,普通電解槽同時受上下游電解槽磁場影響,然而端頭進電槽受下游電解槽和端頭匯流母線電流的影響。端頭出電槽受上游電解槽和端頭匯流母線電流的影響。

圖1 端頭槽位置示意圖

可見,端頭槽的磁場環(huán)境與普通槽存在顯著差異,這些差異就構(gòu)成了端頭槽磁場惡化的主要原因[4]。然而,這些差異對端頭槽磁場的影響程度是不同的。本文以標準型500 kA母線配置電解系列為例,分析端頭槽磁場惡化的具體表現(xiàn)及原因。

1.1 上、下游電解槽磁場的影響

標準型500 kA母線配置通過電解系列自身的500 kA電流的合理分布實現(xiàn)電解槽磁場的優(yōu)化配置。因此,計算槽磁場將會受其上、下游槽母線很大的影響。表1給出了通過模擬計算得出的上、下游槽對計算槽磁場影響的具體情況。

表1 上、下游槽母線對計算槽磁場的影響 Gs

由表1可見,上、下游槽母線均對計算槽磁場產(chǎn)生很大影響。電流大小和距離遠近是決定特定母線對特定區(qū)域磁場影響大小的兩個決定性因素,因此上、下游若干臺電解槽母線均會對計算槽磁場產(chǎn)生影響。一方面這些影響隨距離趨遠而減弱;另一方面各臺電解槽對計算槽磁場影響的疊加是耦合過程,不能直接進行數(shù)值加減。一般磁場模擬計算時除了建立電解槽本體母線模型外,還要建立鄰廠房電流模型和上、下游若干臺電解槽母線模型[5]。圖2為含鄰廠房電流的1臺和51臺電解槽計算模型。表2列出了含鄰廠房電流的不同數(shù)量電解槽計算模型的磁場計算絕對值平均值。

表2 含不同數(shù)量電解槽計算模型磁場計算絕對值平均值 Gs

圖2 含鄰廠房電流的1臺和51臺電解槽計算模型

從表2可以看出,隨著考慮的電解槽數(shù)量增加,7臺以上電解槽模型的磁場計算結(jié)果開始趨于一致,但1臺、3臺、5臺和7臺槽模型的計算結(jié)果有顯著地差別,這說明上、下游各3臺電解槽對計算槽的影響較大,第4臺及以上影響較小?？紤]計算機的處理速度,一般磁場計算時選取11臺槽模型,即計算普通槽時考慮計算槽及上、下游各5臺電解槽,保證磁場數(shù)值較小且均勻。但是端頭槽對比普通槽的位置關系可見上、下游槽缺位,因而這是磁場惡化的原因之一。

1.2 端頭匯流母線電流

在考慮端頭匯流母線電流和鄰廠房電流的情況下,建立端頭進、出電端端頭槽計算模型,其中第1臺槽模型如圖3所示。表3列出了普通槽及端頭進、出電第1～3臺槽的磁場計算結(jié)果。

表3 普通槽及端頭進、出電第1～3臺槽磁場計算結(jié)果 Gs

端頭進、出電槽磁場計算結(jié)果明顯高于普通槽,除了上、下游槽的缺位之外,來自于端頭匯流母線的電流正影響也不容小覷,且這種影響因為端頭母線離電解槽距離更近而更加顯著。通過對比表3中平均值可知,端頭母線對端頭進、出電槽磁場產(chǎn)生了極大的正影響。

2 端頭槽磁場優(yōu)化設計方案

根據(jù)上述分析,端頭槽磁場惡化的主要原因,一是上、下游槽母線電流缺位的影響;二是縱向電流(垂直于車間內(nèi)電流方向的電流)的影響。

針對上述兩條端頭槽磁場惡化的原因,可能的解決辦法包括:

1)利用連接母線模仿所缺位的上、下游槽母線電流

該方法最能解決端頭槽尤其端頭第1臺槽由于上、下游槽母線電流缺位所引起的磁場惡化,且不會造成連接母線用量和壓降的大量增加。

2)盡可能將縱向電流遠離端頭槽

該方法對端頭槽磁場的改善比較有效,但卻需要增加電解車間與整流所之間的距離或者電解車間的長度,造成用地成本和廠房造價的增加。

3)通過反向繞行母線抵消縱向電流的影響

該方法能有效地改善端頭槽部分區(qū)域的磁場,但對某些區(qū)域的磁場作用并不明顯甚至產(chǎn)生負面影響。

4)單獨設計端頭槽槽周母線,進行特殊處理

該方法對端頭槽磁場的改善也能取得較好的效果,但端頭槽槽周母線的單獨設計將會大幅增加設計工作量,同時對母線制作、現(xiàn)場安裝等造成一定的麻煩。

5)采取必要的磁屏蔽手段

該方法目前僅存在理論可行性,尚未找到有效的磁屏蔽手段。

可見,上述方法各有利弊,往往不可能通過其中一項就能解決問題,因此需要根據(jù)具體的端頭槽磁場情況進行具體分析。

2.1 端頭進、出電槽連接母線傳統(tǒng)配置

端頭連接母線不做特殊配置時,端頭進、出電槽端頭母線的連接方式為電流分別從出電端槽母線的立柱經(jīng)過端頭通廊橫穿電解廠房連接至另一廠房的進電端槽立柱母線,此方案簡稱直行方案。

傳統(tǒng)方案是在直行方案的基礎上進行了改進,將承載著最靠近煙道側(cè)立柱母線電流的連接母線先沿端頭母線電流反方向行走,以此抵消一部分端頭母線的影響。表4列出了普通槽及端頭進、出電第1～3臺槽采用傳統(tǒng)繞行方案的磁場計算結(jié)果。

表4中所列結(jié)果表明,采用單向繞行方案后,端頭進、出電槽的磁場分布的部分象限有一定改善。需要注意的是,該方案對某些區(qū)域的磁場作用并不明顯甚至產(chǎn)生負面影響。

2.2 端頭進、出電槽連接母線優(yōu)化方案

優(yōu)化方案為對端頭進、出電槽采取通過端頭連接母線繞行出微回路用來模仿缺位的上、下游槽母線電流,以及將電解槽煙道側(cè)和出鋁側(cè)兩端側(cè)母線標高降低的方法來優(yōu)化其磁場,同時將端頭母線布置于盡可能遠處。

表5列出了普通槽及優(yōu)化后端頭進、出電第1～3臺槽的磁場計算結(jié)果。圖4給出了優(yōu)化前后(含傳統(tǒng)方案和單向繞行方案)端頭進、出電第1～3臺槽及普通槽計算結(jié)果對比。

圖4 優(yōu)化前后端頭進、出電第1～3臺槽及普通槽計算結(jié)果對比

綜上可知,無論與直走方案還是傳統(tǒng)繞行方案相比,優(yōu)化后的端頭進、出電第1臺槽磁場分布均明顯優(yōu)化。端頭進、出電第2及第3臺槽磁場分布情況也略有優(yōu)化,這表明端頭進、出電母線所模仿的缺位上、下游槽母線電流由于距離的原因只對端頭第1臺槽起到較好的優(yōu)化效果。經(jīng)過優(yōu)化后的端頭進、出電端電解槽的磁場可以滿足更高的要求,為電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)提供更有力的保證。

2.3 優(yōu)化后的節(jié)能效果

經(jīng)過對端頭電解槽的優(yōu)化,電解槽的磁流體穩(wěn)定性得到有效提升。穩(wěn)定性影響電解質(zhì)和鋁液流動,較少電解質(zhì)鋁液大幅度無規(guī)則波動,減小界面變形。穩(wěn)定性的提高為降低極距提供了有效空間,從而降低電解槽壓降,提高電流效率,最終達到顯著的節(jié)能效果。

表6中表示出了某廠普通槽以及優(yōu)化前后端頭槽的工藝參數(shù)。優(yōu)化后的端頭槽工藝參數(shù)與普通槽數(shù)據(jù)相近,優(yōu)化后槽平均電壓降低,電流效率也得到有效提升,直流電耗節(jié)能94 kWh/t-Al。

3 結(jié) 論

本文通過對端頭槽磁場惡化情況的分析,總結(jié)出端頭槽磁場惡化的主要原因,并提出相應的優(yōu)化設計方案。

優(yōu)化后的端頭槽磁流體穩(wěn)定性得到了極大改善,可以降低電解槽生產(chǎn)壓降,提高電電解系列的生產(chǎn)效率,同時降低工人的勞動強度,為企業(yè)增產(chǎn)提效提供基礎保障。同時本次實踐也為今后電解系列母線設計指明了方向,對提高設計質(zhì)量、改善現(xiàn)場電解槽穩(wěn)定性、節(jié)能降耗具有深遠意義。