周愛平,胡紅武,杜立波,王旋,孫康建

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

本世紀(jì)以來,我國電子工業(yè)發(fā)展較為迅速,行業(yè)需用的電子鋁箔產(chǎn)量逐年增加。電子鋁箔需要用純度高達(dá)99.99%(4N)甚至99.999%(5N)的高純鋁(也稱精鋁)來生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計,2022年國內(nèi)高純鋁總生產(chǎn)能力約為15萬噸。目前工業(yè)生產(chǎn)上生產(chǎn)高純鋁有兩種方法,分別為電解精煉法和偏析熔煉法。電解精煉法主要包括定期補(bǔ)充粗鋁錠、添加熔融態(tài)電解質(zhì)、抽出精鋁、更換陰極、撈渣等過程。為避免陰極純鋁與陽極粗鋁混合,需保障必要的極距。因此電解精煉法的電能消耗較高,使得高純鋁的生產(chǎn)成本也較高。偏析熔煉法是物理提純方法,其原理是熔體在凝固過程中,利用雜質(zhì)元素在液固兩相間的分配比不同,對原鋁進(jìn)行凈化,使得雜質(zhì)富集于液相之中,鋁以較純的晶體結(jié)晶析出,重復(fù)該過程可以得到高純鋁[1-2]。

高純鋁電解精煉中,高純鋁電解槽內(nèi)熔體區(qū)域的熔體靠自身比重分為上、中、下三層,分別為精鋁液層、電解質(zhì)層和陽極合金層(一般為銅鋁合金層),槽內(nèi)物質(zhì)均為熔融態(tài)[2-3]。電解精煉過程中,電流通過槽周圍母線從最下層陽極合金層導(dǎo)入,電流穿過中間電解質(zhì)層,從最上層通過精鋁陰極從精鋁液層導(dǎo)出。普鋁電解槽(常被稱為鋁電解槽)內(nèi)物質(zhì)分布從上往下依次為固態(tài)電解質(zhì),熔融態(tài)電解質(zhì)層和鋁液層。電解過程中,電流通過陽極炭塊導(dǎo)入到電解質(zhì)層中并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鋁,再通過鋁液層從陰極炭塊鋼棒處導(dǎo)出。

當(dāng)普鋁電解槽通入直流電后,在陰陽極間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),在陽極上產(chǎn)生二氧化碳,陰極上產(chǎn)出液態(tài)鋁,生產(chǎn)作業(yè)一般在940～960℃下進(jìn)行[4-6]。精鋁生產(chǎn)過程同樣屬于電化學(xué)過程,陽極合金中的鋁失去電子進(jìn)行電化學(xué)溶解,變成Al3+進(jìn)入電解質(zhì),然后在外加電壓的推動下,在陰極上得到電子進(jìn)行電化學(xué)還原,成為純度更高的金屬鋁,生產(chǎn)作業(yè)一般在720～800℃下進(jìn)行[1]。由以上可知,高純鋁電解槽和鋁電解槽內(nèi)電流方向相反,但均為在穩(wěn)定直流電作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。復(fù)雜直流電系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)磁場的原理相同,因此二者的磁場計算方法也相同。

與普鋁槽母線系統(tǒng)的設(shè)計過程相同,高純鋁電解槽的母線設(shè)計首先需要模擬計算槽周母線的電流分布,而后在電平衡計算的基礎(chǔ)上模擬所有電流通路產(chǎn)生的磁場。磁場對精鋁生產(chǎn)的影響是通過影響槽內(nèi)熔體的波動而產(chǎn)生作用的。高純鋁電解槽電解過程中存在最上層精鋁液和最下層合金層導(dǎo)通的危險。一旦導(dǎo)通,槽內(nèi)精鋁液會被污染,因此高純鋁電解槽的磁場設(shè)計至關(guān)重要。與鋁電解槽設(shè)計相同,z向(垂直)磁場是母線設(shè)計的著重關(guān)注點。精鋁電解中,合金層到電解質(zhì)層到精鋁液層的密度逐漸降低,分別約為3.2～3.5、2.7～2.8及2.3 g/cm3[1],密度越小,越有可能發(fā)生波動。高純鋁電解槽中,精鋁液層熔體密度最低。因此在母線設(shè)計中,需要著重關(guān)注精鋁層的z向(垂直)磁場。

本文研究了高純鋁電解槽母線配置對槽熔體區(qū)域內(nèi)磁場的影響。通過對某廠高純鋁電解槽磁場現(xiàn)場測試,并同模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,對現(xiàn)有磁場計算方法進(jìn)行了驗證。并為新建槽設(shè)計了新的母線配置。

1 電、磁場模型的建立

根據(jù)某廠現(xiàn)有母線配置,建立電、磁場模型。建立仿真模型時,首先需要定義出x、y、z坐標(biāo)軸及其方向:y軸方向表示系列電流方向,z軸方向是由合金層指向精鋁層,x軸方向是為右手直角坐標(biāo)系確定的方向。高純鋁電解槽電流由槽底部陽極鋼棒導(dǎo)入,依次經(jīng)過槽底部炭塊、陽極合金層、電解質(zhì)層、陰極(精鋁層及陰極電極組),由上部大母線導(dǎo)出,進(jìn)入下游槽。一般的,高純鋁電解槽上部為陰極部分,下部為陽極部分。

1.1 電場模型的建立

為了簡化模型,首先作出如下假設(shè):① 整個高純鋁電解槽熔體區(qū)域的電、磁場都為穩(wěn)態(tài)場,即其大小方向均不改變;② 槽內(nèi)陽極合金層、電解質(zhì)層、精鋁液層高度處處都一致,且呈水平面分布。

電場模型的建立需要考慮所有電流流過的物質(zhì)[7-8],包括:陽極母線、槽周母線、精鋁液層、電解質(zhì)層、陽極合金層、陽極炭塊組、陽極鋼棒、陰極組等。

1.2 磁場模型的建立

首先建立起電場計算模型,而后補(bǔ)充建立相鄰高純鋁電解槽電流、槽殼、空氣環(huán)境模型,從而得到磁場的計算模型[9-10]。現(xiàn)有槽磁場模型如圖1所示:

圖1 現(xiàn)有槽磁場有限元模型圖

2 現(xiàn)有槽磁場計算結(jié)果

高純鋁電解槽磁場分布計算時,一方面考慮本槽電流產(chǎn)生的磁場,也需考慮相鄰槽和相鄰廠房電流對其的影響,并需要同時耦合電場計算結(jié)果。通過對現(xiàn)有槽精鋁層磁場的計算可以得出:z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度在-56至83 Gs之間,分布如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有槽Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

分析計算結(jié)果數(shù)據(jù)可知,本高純鋁電解槽精鋁層第一、二、三、四象限垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對值的平均值分別為:45.602、16.637、12.442和21.674 Gs。從本高純鋁電解槽垂直Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖可以看出:z方向磁場數(shù)值差異較大且離散,變化梯度大,磁場極值出現(xiàn)在高純鋁電解槽的四個角部,極大值在第一象限角部,為83.454 Gs,極小值在第四象限角部,數(shù)值為-56.521 Gs,四個象限的絕對值均值有兩個象限超過20 Gs。結(jié)合現(xiàn)場存在極距較高、能耗較高的情況,高純鋁電解槽內(nèi)熔體區(qū)磁場分布較差,電解槽極距較大,有較大的優(yōu)化提升空間。

3 現(xiàn)有槽模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的對比分析

某廠的現(xiàn)有高純鋁電解槽正在生產(chǎn)中,用高斯計對該廠的3臺高純鋁電解槽進(jìn)行磁場測試。因為測試過程不能破壞高純鋁電解槽的生產(chǎn)狀態(tài),也為了防止測試過程中造成污染和保證測試人員的人身安全,測試值的取點高度放在高于槽沿板300 mm處。將現(xiàn)有槽測試值與計算值進(jìn)行對比分析,以驗證分析電解槽磁場仿真模擬手段的可靠性,從而進(jìn)一步指導(dǎo)新建槽母線設(shè)計。

3.1 現(xiàn)場測試方案

根據(jù)現(xiàn)有高純鋁電解槽的設(shè)計特點,以及現(xiàn)場測試時需要考慮的操作空間等實際情況,對每臺高純鋁電解槽選取18個測點,分別測試垂直方向的磁場分布(后續(xù)分析僅針對垂直磁場)。其測試布點如圖3所示,A1～ A8,B1～ B8分別為高純鋁電解槽中心線的兩側(cè),兩兩間距相等。測試點C1位于A1、B1中間,C2位于陽極A8、B8中間。

圖3 現(xiàn)有高純鋁電解槽磁場測試布點圖

3.2 z向磁場的測試值分析

以下圖4列出了現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽z向磁場現(xiàn)場測試值與模擬計算值。

圖4 現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽z向磁場現(xiàn)場測試值與模擬計算值比較圖

圖5為現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽z向磁場現(xiàn)場測試平均值與模擬計算值比較圖。

圖5 現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽z向磁場現(xiàn)場測試平均值與模擬計算值比較圖

分析以上兩圖可看出67#、72#、77#三臺槽的垂直磁場變化呈現(xiàn)出較好的測試重現(xiàn)性,測試結(jié)果較為接近,且變化趨勢完全相同。

現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽的測試結(jié)果同模擬計算值變化趨勢完全相同,在某些測試點上測試數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)吻合度較高。但總體來看,仍有較明顯的偏離,造成偏離的原因有:① 建模需用的現(xiàn)有高純鋁電解槽的圖紙因年代久遠(yuǎn),殘缺不全,部分建模數(shù)據(jù)依靠現(xiàn)場測量,用此模型計算出來的結(jié)果會有一定偏離;② 本次測試的取點高度放在高于槽沿板300 mm處,其處為空間磁場,空間磁場的計算應(yīng)該考慮上部結(jié)構(gòu)的屏蔽作用。但在實際計算中,為求模型簡化,簡化考慮了復(fù)雜槽殼架構(gòu)和槽上部鋼結(jié)構(gòu)造成的屏蔽作用;③ 現(xiàn)場測試時采用手持式高斯計,人工操作時難以避免的會出現(xiàn)探頭安放角度及安放位置的誤差,這也會造成一定偏離。

綜合以上分析,由于現(xiàn)場資料及測試手段的局限,現(xiàn)有3臺高純鋁電解槽的測試結(jié)果同模擬計算值有一定偏離,但3臺高純鋁電解槽的測試結(jié)果同模擬計算值變化趨勢完全相同,且在某些測試點上測試數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)吻合度較高,說明本高純鋁電解槽磁場仿真模擬手段較為可靠,現(xiàn)高純鋁電解槽的磁場設(shè)計存在提升空間。

4 新建槽的母線配置

理論上,為了盡可能的降低精鋁電解能耗,需要降低精鋁電解中電解質(zhì)層的厚度(即極距)。高純鋁電解中,電解質(zhì)層可以有效將合金層和精鋁層分離開來,避免合金層中雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到精鋁層。高純鋁電解槽中,合金層到電解質(zhì)層到精鋁層的密度逐漸降低,密度越小,越有可能發(fā)生波動。只有良好的磁場分布才能保證槽內(nèi)熔體在生產(chǎn)中波動較小,保證較低的電解質(zhì)厚度。因此才能降低能耗,為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)以上現(xiàn)有槽測試值與計算值的對比分析,利用現(xiàn)有磁場仿真模擬平臺可以為配置新的母線系統(tǒng)提供工具支撐。

利用現(xiàn)有磁場仿真模擬平臺,經(jīng)過模擬計算,為某廠精鋁系列配置新的母線系統(tǒng),該廠新建高純鋁電解系列運行電流為105 kA,單槽設(shè)置3組立柱母線。其有限元模型圖如圖6所示,新建槽精鋁層磁場分布如圖7所示。

圖6 新建槽磁場有限元模型圖

圖7 新建槽Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

分析計算結(jié)果數(shù)據(jù)可知,新建高純鋁電解槽精鋁層第一、二、三、四象限垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對值的平均值分別為:8.284、8.382、8.737和6.411 Gs。從高純鋁電解槽垂直Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖可以看出:z方向磁場數(shù)值差異較小,分布較均勻,變化梯度小,磁場極值出現(xiàn)在高純鋁電解槽第一象限的角部,極小值僅為-26.326 Gs,極大值在第二象限,數(shù)值為25.099 Gs。熔體區(qū)高度上,四個象限的磁場絕對值均值都小于10 Gs。現(xiàn)有槽與新建槽磁場分布對比如圖8所示。

圖8 現(xiàn)有槽與新建槽Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度對比

現(xiàn)有槽和新建槽的精鋁層磁場結(jié)果明顯優(yōu)于銅鋁合金層的磁場結(jié)果,這是因為高純鋁電解槽中精鋁液處于熔體區(qū)的最上層,而槽周圍母線因為工程實際及廠房土建需要均放置在靠近銅鋁合金層的高度上,造成母線對銅鋁合金層的電磁作用比作用于精鋁層更加明顯。經(jīng)過最新設(shè)計的新建槽的精鋁層及銅鋁合金層磁場結(jié)果大大優(yōu)于現(xiàn)有槽。

與現(xiàn)有槽相比,以精鋁層的磁場結(jié)果為例,現(xiàn)有槽四個象限的最大磁場絕對值為83.454 Gs,新建槽的最大磁場絕對值均值減小了57.13 Gs,降幅比例達(dá)68%。現(xiàn)有槽第一象限的磁場絕對值均值最大,為45.602 Gs。新建槽的四個象限的磁場絕對值均值均在10 Gs以下,第二象限的值最大,為8.382 Gs。相比于現(xiàn)有槽,新建槽四個象限的磁場絕對值均大幅降低,降幅比例均超過50%。新建槽的磁場分布更加均勻,遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有槽,更加有利于精鋁生產(chǎn)的降低極距及節(jié)能降耗。

5 結(jié) 論

本文對某廠現(xiàn)運行高純鋁電解槽磁場分布進(jìn)行了模擬計算,并將三臺槽的現(xiàn)場測試值與模擬計算值進(jìn)行了對比分析。驗證了高純鋁電解車間內(nèi)母線產(chǎn)生磁場的計算方法的可靠性,并經(jīng)過計算模擬,為某廠精鋁系列配置新的母線系統(tǒng)。結(jié)論如下:

(1)通過對比分析,該廠現(xiàn)運行高純鋁電解槽現(xiàn)場測試值與模擬計算值變化趨勢完全相同,測試重現(xiàn)性較好,在某些測試點上吻合度較高。

(2)現(xiàn)有槽精鋁層四個象限磁場均值分別為:45.602、16.637、12.442及21.674 Gs。新建槽精鋁層第一、二、三、四象限垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對值的平均值分別為:8.284、8.382、8.737及6.411 Gs。相比之下,新建槽四個象限的磁場分布更加均勻,數(shù)值更小,遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有槽,更加有利于精鋁生產(chǎn)工藝中的降低極距及節(jié)能降耗。

(3)現(xiàn)有高純鋁電解槽磁場計算手段有一定可靠性,但也有提升空間。國內(nèi)精鋁項目較少,因此及時跟蹤了解國外先進(jìn)生產(chǎn)及設(shè)計技術(shù)很有必要性。新建精鋁槽投產(chǎn)后,可以再次進(jìn)行現(xiàn)場測試,以進(jìn)一步驗證和改進(jìn)磁場計算模型。