鋁電解槽磁場(chǎng)對(duì)車(chē)間周?chē)h(huán)境的影響

顏非亞

鋁電解槽磁場(chǎng)對(duì)車(chē)間周?chē)h(huán)境的影響

顏非亞

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

通過(guò)對(duì)鋁電解系列生產(chǎn)中大電流在電解車(chē)間周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，了解磁場(chǎng)變化的趨勢(shì)，為電解行業(yè)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供更加嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)的依據(jù)。

電解磁場(chǎng);車(chē)間環(huán)境;鋁電解槽

0 引言

隨著鋁工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鋁電解槽的容量在不斷增大。1970年，世界新建預(yù)焙陽(yáng)極電解系列的平均電流強(qiáng)度僅為150～160 kA，1983年增至180～200 kA。上世紀(jì)90年代以來(lái)，以法鋁、美鋁為代表率先開(kāi)發(fā)出280 kA級(jí)超大容量電解槽，而發(fā)展至今，隨著電解過(guò)程中的物理場(chǎng)的深入研究和有關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立，使電解槽的設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方向發(fā)展，電流強(qiáng)度為400 kA以上的電解槽已成為目前的主流槽型。隨著國(guó)外500 kA超大容量電解槽的試驗(yàn)成功，國(guó)內(nèi)500 kA級(jí)的電解槽也進(jìn)入系列化建設(shè)。由于大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽在投資和運(yùn)行費(fèi)用、高效能、環(huán)保及自動(dòng)化水平等方面的優(yōu)勢(shì)，使之成為鋁工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

隨著鋁電解槽電流強(qiáng)度的不斷增加，其電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也越來(lái)越大。對(duì)于電解槽內(nèi)部磁場(chǎng)，可以通過(guò)改變陰極母線的配置以及某些補(bǔ)償方法來(lái)將磁場(chǎng)調(diào)整到合理的數(shù)值。依托先進(jìn)的物理場(chǎng)仿真，配置合理的陰極母線已經(jīng)可以使電解槽熔體的垂直磁場(chǎng)降到20 Gs以下，獲得了更加平坦的鋁液表面形狀，使得槽內(nèi)電流分布更加均勻，電流效率明顯提高，電耗降低。但在設(shè)計(jì)中往往會(huì)忽略大電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)車(chē)間周?chē)h(huán)境的影響。而實(shí)際上常會(huì)遇到諸如設(shè)計(jì)中考慮兩棟廠房相距多遠(yuǎn)合適、電解車(chē)間的某些設(shè)備如天車(chē)、化驗(yàn)設(shè)備、計(jì)算機(jī)等受磁環(huán)境的影響程度之類(lèi)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外鮮有此方面的報(bào)道。單純從理論計(jì)算來(lái)考慮這些問(wèn)題，往往會(huì)由于磁環(huán)境的不確定因素而失去其準(zhǔn)確性。為此專(zhuān)門(mén)針對(duì)320 kA大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽進(jìn)行環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)試，獲得現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并據(jù)此開(kāi)展更加嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)的行業(yè)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型工作。

1 測(cè)試方案的確定

1.1 測(cè)點(diǎn)的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的磁環(huán)境參數(shù)，該次測(cè)試選擇的測(cè)點(diǎn)分為兩類(lèi):A類(lèi)——位于兩棟電解廠房之間，B類(lèi)——位于電解廠房外側(cè)。見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，A類(lèi)測(cè)點(diǎn)在兩棟電解廠房之間，由于兩廠房相隔較近(20 m)，故每隔5 m布一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在垂直方向上由0.000平面每隔0.5 m進(jìn)行一次測(cè)量。直至與電解車(chē)間操作面2.500平面平齊。B類(lèi)測(cè)點(diǎn)位于廠房外側(cè)，由距廠房軸線6 m至70 m分設(shè)10個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.2 測(cè)試儀器

測(cè)試采用的儀器為三維高斯計(jì)，美國(guó)Lakeshore公司制造，數(shù)字式顯示，可同時(shí)生成4個(gè)磁場(chǎng)數(shù)值(即Bx，By，Bz及三個(gè)方向的矢量和)。并且在傳輸信號(hào)的電纜部分采用了磁補(bǔ)償技術(shù)，使其測(cè)量精度可達(dá)0.001 Gs。

在每次測(cè)量前以及測(cè)量時(shí)間超過(guò)10 min時(shí)，均將含有霍爾元件的探頭放入零高斯盒內(nèi)進(jìn)行磁場(chǎng)校準(zhǔn)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

由于測(cè)量選擇在常溫下進(jìn)行，并且在電解車(chē)間廠房外，因此可以精確地標(biāo)定出測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)，且省去了高溫測(cè)量所需要的探頭保護(hù)裝置，從而更好地保證高斯計(jì)探頭的位置和方向與測(cè)量點(diǎn)的位置和方向相一致。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 兩棟廠房之間的環(huán)境磁場(chǎng)

圖1中A1～A5為兩棟廠房之間的環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)此共進(jìn)行了3次測(cè)量，取其平均值的磁場(chǎng)實(shí)際數(shù)值，見(jiàn)表1。

表1 兩棟廠房間A類(lèi)磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Testing Results of Type A Magnetic Field Between Two Potrooms

其磁場(chǎng)隨距離變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

由圖2、圖3、圖4看出，兩棟廠房間最主要的影響依賴(lài)于垂直磁場(chǎng)，其在320 kA電流作用下垂直磁場(chǎng)最小值也達(dá)到了60 Gs以上。這是由電解車(chē)間電流路徑的特性決定的。在圖4中，兩棟廠房間的垂直磁場(chǎng)分布大致是關(guān)于兩廠房的中心線對(duì)稱(chēng)。其數(shù)值與計(jì)算模擬的趨勢(shì)相吻合。在兩側(cè)距電解廠房較近處(即A1、A5兩點(diǎn))受電解槽的影響，其在不同標(biāo)高處的垂直磁場(chǎng)有較大變化，最大點(diǎn)出現(xiàn)在1.5 m高度大致與槽周?chē)妇€等高的位置。而在離開(kāi)廠房5 m左右時(shí)(即A2、A3、A4點(diǎn))，垂直磁場(chǎng)受標(biāo)高的影響而發(fā)生的變化就基本可以忽略。在0.000～2.500標(biāo)高范圍內(nèi)，垂直磁場(chǎng)Bz的數(shù)值呈同樣的變化趨勢(shì)。

圖2 兩棟廠房間Bx水平磁場(chǎng)變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend Chart of Type Bx Transverse Magnetic Field Change Field Between Two Potrooms

圖3 兩棟廠房間By水平磁場(chǎng)變化趨勢(shì)圖Fig.3 Trend Chart of Type By Transverse Magnetic Field Change Between Two Potrooms

圖4 兩棟廠房間Bz垂直磁場(chǎng)變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend Chart of Type Bz Vertical Magnetic Field Change Between Two Potrooms

2.2 廠房外側(cè)的環(huán)境磁場(chǎng)

廠房外側(cè)的環(huán)境磁場(chǎng)是指圖1中的B1～B10測(cè)點(diǎn)隨著與廠房距離的變化其磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

由于實(shí)際地形的原因，設(shè)定的測(cè)量點(diǎn)不可能完全與電解槽鋁液面高度(2.500 m)吻合，根據(jù)A類(lèi)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)離電解槽的距離較遠(yuǎn)時(shí)，垂直磁場(chǎng)在±1.000 m的范圍內(nèi)變化微小，完全可以忽略。故我們選擇的測(cè)量高度為3.000 m，B1～B10的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 廠房外B類(lèi)磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing Results of Type B Magnetic Field outside Two Potroom

從表2中可以看出，Bx、By、Bz三者影響權(quán)重較大的依然是Bz(垂直磁場(chǎng))，垂直磁場(chǎng)的絕對(duì)值隨距離變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出垂直磁場(chǎng)的絕對(duì)值在距離廠房0～30 m區(qū)域內(nèi)(B1～B4)隨距離的增加而急劇降低，而過(guò)了30 m后的變化就較為平緩，而在距離大于50 m后(B8)其垂直磁場(chǎng)的絕對(duì)值小于2.9 Gs，其影響已相當(dāng)微弱。

3 單列電解槽產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)境

以上測(cè)量的都是兩列電解槽共同作用下的磁場(chǎng)分布，這對(duì)已建好的電解車(chē)間附近諸如計(jì)算機(jī)車(chē)間、化驗(yàn)設(shè)備等的設(shè)置、選型是有指導(dǎo)意義的。但在設(shè)計(jì)時(shí)往往還需要確定兩棟電解廠房的距離，這就需要了解兩列電解槽的相互影響有多大。為此，必須了解與探討在僅有一列電解槽時(shí)的磁場(chǎng)分布情況。

圖5 兩棟廠房作用下的垂直磁場(chǎng)|Bz|分布Fig.5 Verticle Magnetic Field Type|Bz| Distribution under the Action of Two Potrooms

把任一系列的電解槽在空間任一點(diǎn)形成的磁場(chǎng)視為一等效電流元在該點(diǎn)形成的磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第定律，其大小可以表示為:

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)，I為等效電流(A)，R為空間場(chǎng)點(diǎn)至等效電流的距離(m)。

在圖1中設(shè)計(jì)的兩列電解槽系列電流大小相等，方向相反，兩列電解槽的中心間距為43.1 m，則對(duì)于圖1中B1以外的空間任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)可表示為:

根據(jù)上式和所測(cè)得的數(shù)據(jù)推算出單列槽所產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量值，即

根據(jù)(3)式，在只有1棟電解廠房時(shí)，其對(duì)周?chē)h(huán)境的影響見(jiàn)圖6。

由于單列電解槽對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，決定了工廠總體布置時(shí)的兩棟廠房的間距。

由下圖可以看出，若按照?qǐng)D1所示的兩廠房間距20 m考慮的話，則槽中心受鄰列槽的影響將達(dá)到15 Gs左右，要補(bǔ)償這樣的影響將需要考慮設(shè)計(jì)大量的電流非對(duì)稱(chēng)，這在電解槽的母線設(shè)計(jì)上不僅增加設(shè)計(jì)難度而且會(huì)帶來(lái)投資的增加。若希望將該影響降至5 Gs以下，則在廠房間距上需要考慮50～60 m以上。

圖6 只有1棟電解廠房時(shí)垂直磁場(chǎng)|Bz|分布圖Fig.6 Verticle Magnetic Field Type|Bz| Distribution of One Potroom

4 結(jié)語(yǔ)

(1)無(wú)論在兩棟電解車(chē)間之間還是車(chē)間外側(cè)，其磁場(chǎng)的影響主要依賴(lài)于垂直磁場(chǎng)。而隨著電解系列的電流、廠房間距的變化其磁場(chǎng)的影響程度也不同。

(2)布置在兩棟電解車(chē)間之間的設(shè)備，為了盡量減少磁場(chǎng)對(duì)其的影響，應(yīng)盡可能地布置在兩棟廠房正中。

(3)布置在廠房外側(cè)的設(shè)備，為了盡量減少磁場(chǎng)對(duì)其的影響，應(yīng)該根據(jù)所選設(shè)備能夠承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)合理選擇距離。

(4)在設(shè)計(jì)上隨著所選擇鋁電解槽的電流強(qiáng)度增加，為減少投資和降低設(shè)計(jì)難度，其相鄰兩廠房的間距也要增加。

［1］邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁［M］.3版.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］馮乃祥.鋁電解［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Influence of Magnetic Field of Electrolysis Cell on Ambiente Surrounding Potroom

YAN Fei－ya
(Guiyang Aluminium Magnesium Design＆Research Institute Co.Ltd，Guiyang 550081，China)

Through testing on the magnetic field generated by high amperage surrounding potroom during potline production process，the change trend of magnetic field was gotten hold of so that can provide the scientific and more rigorous design basis for electrolytic industry and equipment selection.

electrolysis cell magnetic field;potroom ambiente;aluminium electrolysis cell

TF821

A

1004－2660(2012)03－0027－04

2012－04－19.

顏非亞(1971－)，男，湖南人，高級(jí)工程師.主要研究方向:電解鋁工藝.E－mail:yanfeiya@163.com