電解槽磁流體狀態(tài)分析及優(yōu)化措施

費建培，趙　鵬，戚喜全，張洪偉

（1兗礦科澳鋁業(yè)有限公司，山東　鄒城273515；2東北大學設(shè)計研究院，遼寧　沈陽110013；3兗礦集團有限公司，山東　鄒城273515）

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經(jīng)驗交流

電解槽磁流體狀態(tài)分析及優(yōu)化措施

費建培1，趙鵬1，戚喜全2，張洪偉3

（1兗礦科澳鋁業(yè)有限公司，山東鄒城273515；2東北大學設(shè)計研究院，遼寧沈陽110013；3兗礦集團有限公司，山東鄒城273515）

摘要：通過計算電解槽陰極小母線電流分布，采取并接母線的方法，重新優(yōu)化電解槽陰極母線上的電流大小，改善內(nèi)部磁流體狀態(tài)，解決目前垂直磁場過大的問題，將垂直磁場強度由目前的平均2.5 mT降至1.5 mT以下，減緩了鋁液流速和減小了波動幅度，進而提高了電解槽性能。

關(guān)鍵詞：焦電解槽；磁流體；母線；磁場

1　前　言

理想情況下，良好的電解槽磁流體狀態(tài)應(yīng)通過合理的設(shè)計確定。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)大型電解槽可以實現(xiàn)較低電壓（4.0 V以下）運行，兗礦科澳鋁業(yè)300 kA電解槽鑒于當時的計算軟件和和計算技術(shù)的限制，難以達到該目標。分析原因有多種，磁流體狀態(tài)是限制電解槽低電壓運行的主要原因，為此，決定利用槽大修機會提高電解槽物理場性能，以達到從根本上提高電解槽性能和指標的目的。

2　電解槽物理場分析

目前，對于已經(jīng)投產(chǎn)的電解槽進行磁場升級優(yōu)化的措施可分為3種情況［1-6］：1）為原系列增加外補償回路。2）利用電解槽大修機會對其陰極結(jié)構(gòu)進行改變，通過改變內(nèi)部電流場來改變磁場狀態(tài)。3）在系列停電、降負荷或小級別電解槽實施屏蔽情況下，通過改變電解槽單槽陰極母線來改變磁場。目前，在大級別電解槽系列不停電情況下，依靠改變單槽陰極母線來優(yōu)化磁場，尚未見過報道。兗礦科澳鋁業(yè)經(jīng)過反復論證，提出在系列正常運行的情況下，通過計算電解槽陰極小母線電流分布，借助大修機會，采取并接母線的方法對單槽進行改造。重新優(yōu)化電解槽陰極母線上的電流大小，改善內(nèi)部磁流體狀態(tài)，將垂直磁場強度由目前的平均2.5 mT降至1.5 mT以下，以提高電解槽性能。本方法一次性投資小、風險低，技術(shù)及過程可控。

為了解本300 kA級電解槽物理場原始狀態(tài)，為改進工作提供依據(jù)，首先對該電解槽的電磁場狀態(tài)進行分析計算。計算內(nèi)容包括該電解槽電平衡情況和電磁場情況。電平衡計算采用專用的計算軟件，電磁場計算采用國際通用的ANSYS軟件。

綜合電解槽內(nèi)部熱場因素、母線結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素的母線電平衡計算技術(shù)，較為準確地對母線電平衡進行計算、分析，進而為母線結(jié)構(gòu)優(yōu)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進、外加母線結(jié)構(gòu)確定奠定堅實基礎(chǔ)，最終為磁場優(yōu)化創(chuàng)造條件。綜合電解槽內(nèi)部電流場因素、外部母線電流場因素、相鄰槽狀態(tài)（停槽或正常生產(chǎn)槽）等因素的電磁場計算技術(shù)，將會較準確地對電磁場進行計算分析，為電流場的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

圖1示出了在實際狀態(tài)下該電解槽A、B兩側(cè)軟帶內(nèi)的電流分布。圖2則示出了在理論狀態(tài)下和實際狀態(tài)下該電解槽立柱中電流分布。由兩圖看出，由于種種原因，軟帶兩側(cè)的電流分布及實際的電解槽磁流體狀態(tài)與理論值都存在一定的差異。

圖1　A、B兩側(cè)軟帶內(nèi)電流分布

圖2　立柱內(nèi)電流分布

電解槽鋁液內(nèi)垂直磁場分布呈“大斜坡”狀，煙道端高，出鋁端低。這種磁場分布形態(tài)與其所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性及其陰極母線的基本結(jié)構(gòu)是相吻合的，因此，如果要從磁場的角度來提高本電解槽的穩(wěn)定性，就應(yīng)該通過調(diào)整電解槽陰極母線電流走向改善電解槽磁場的狀態(tài)。

3　優(yōu)化措施及結(jié)果

3.1母線優(yōu)化

要改變現(xiàn)行電解槽中垂直磁場的分布形態(tài)，必須改變電解槽母線電流的分布、走向。電解槽必須將部分電流分流至兩端頭，來補償其原始磁場。但是，由于改造是在生產(chǎn)系列大修電解槽上進行，同時大修電解槽的部分陰極母線又用作短路母線，因此，對電解槽母線的拆除和重新焊接比較困難，可操作性較差，預計新增母線必須采用壓接的方式接入到原母線系統(tǒng)中，而原基本母線結(jié)構(gòu)不變動?；谶@樣的情況和施工方式，母線的優(yōu)化過程充分考慮原母線的結(jié)構(gòu)、空間、施工要求，更重要的是要保證母線基本的電平衡。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和分析，結(jié)合電磁場計算結(jié)果，最后確定了母線優(yōu)化方案。通過外加部分母線對原母線部分電流進行分流，以達到優(yōu)化磁場的目的。新增母線與原陰極母線之間以壓接形式連接，且盡量采用上下壓接，以螺栓緊固。從出電側(cè)向進電側(cè)、出鋁端和煙道端對稱進行安裝。所有壓接面按要求進行處理，以確保壓接效果。

3.2內(nèi)襯優(yōu)化

由于槽內(nèi)電流同樣影響著電解槽內(nèi)總磁場，特別是鋁液和陰極組內(nèi)的水平電流。因此，本次磁場改造也將內(nèi)部電流場的優(yōu)化考慮在內(nèi)?？紤]實際情況，本次只是對陰極棒與陰極的連接結(jié)構(gòu)做適當改變，因為在不改變材料的情況下，陰極結(jié)構(gòu)的改變會影響陰極壓降和陰極熱場。另外，對陰極內(nèi)襯的保溫、散熱結(jié)構(gòu)相應(yīng)進行了調(diào)整。經(jīng)綜合計算，最終確定了優(yōu)化的陰極結(jié)構(gòu)。通過規(guī)范底部保溫、斜坡部位保溫、槽大面保溫、槽殼角部保溫、側(cè)塊保溫，增加鋼棒絕緣涂層，規(guī)范涂刷處理方式，進行了陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

優(yōu)化后槽內(nèi)鋁液中磁場結(jié)果有明顯改善，鋁液流速極值降低，電解槽內(nèi)垂直磁場的“大斜坡”狀態(tài)有明顯改觀，電解槽穩(wěn)定性提高。

4　應(yīng)用效果

本母線優(yōu)化方案先后在我公司試驗槽上實施，首臺試驗槽237#電解槽于2015年4月26日開始焙燒啟動。焙燒采用焦粒焙燒方法，濕法啟動，整個過程平穩(wěn)順利，無異?，F(xiàn)象。啟動后，電解槽按常規(guī)管理方法，電壓逐漸降低并進入正常狀態(tài)。

為客觀反映試驗槽運行指標狀況，與目前整體電解槽的平均值進行對比。通過對磁流體試驗槽母線壓接面的分析，壓接值均＜10 mV，完全能夠滿足生產(chǎn)需要。完成母線安裝后，槽控機顯示停槽壓降下降值逐漸增大，呈向好趨勢。由于增加了導電母線的橫截面積，電阻減小，使得爐底壓降下降，試驗槽平均電壓較普通電解槽降低70 mV。由于電解槽磁場得到優(yōu)化，啟動后電壓控制比普通電解槽低，為降低電耗提供了較大的空間。進入正常管理期后電耗較電解槽整體直流電耗降低約270（kW· h）/t，效益十分顯著。

參考文獻：

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中圖分類號：TF821

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4620（2016）02-0069-02

收稿日期：2015-07-29

作者簡介：費建培，女，1983年生，2006年畢業(yè)于湖南大學材料科學與工程專業(yè)?，F(xiàn)為兗礦科澳鋁業(yè)有限公司工程師，從事工藝技術(shù)管理工作。