新型陰極鋼棒對(duì)鋁電解槽電熱場(chǎng)的影響分析

蔣可+丁輝

摘要：把鋁液水平電流內(nèi)的新型陰極鋼棒的電解槽，通過(guò)新型仿真的數(shù)值方法進(jìn)行三維計(jì)算。可以有效的分析出鋁液內(nèi)的水平電流，會(huì)在新型陰極鋼棒在產(chǎn)生的實(shí)際作用。本文主要就是針對(duì)新型陰極鋼棒對(duì)鋁電解槽電熱場(chǎng)的影響。

關(guān)鍵詞：新型鋁陰極鋼棒；鋁電解槽；電熱場(chǎng)；水平電流；

前言：

在工業(yè)的電解槽內(nèi)，氧化鋁和熔融電解質(zhì)都是經(jīng)過(guò)一定的化學(xué)性反應(yīng)才能夠生成液態(tài)原鋁。而鋁液與電解質(zhì)，這兩種不同高溫的熔體在經(jīng)過(guò)重力與電磁力的作用下，會(huì)不斷的在槽膛內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。而熔體不斷的運(yùn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致鋁液的電解質(zhì)發(fā)生變形，從而改變了熔體內(nèi)部的磁場(chǎng)與電場(chǎng)分布。為了能夠更加合理的形成磁場(chǎng)與電場(chǎng)的分布，進(jìn)一步讓鋁電節(jié)槽中的磁流能夠更加的穩(wěn)定。通過(guò)仿真的方法實(shí)現(xiàn)鋁電解槽的鋼棒新型的陰極，進(jìn)一步的優(yōu)化鋁液內(nèi)水平電流。在當(dāng)前的工業(yè)中，使用最為廣泛的就是新型的陰極鋼棒。通過(guò)這種新型的陰極鋼棒，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁液水平電流與槽內(nèi)電壓的改善。

1、綜合概述新型的陰極鋼棒

如圖1所示，新型的陰極鋼棒其主要的運(yùn)行模式是，先沿著傳統(tǒng)的陰極鋼棒長(zhǎng)度方向把兩端較為靠近的電段，進(jìn)行一段開(kāi)一道的分割，形成分割縫。再把每一段鋼棒分為上下段，采用電絕緣糊來(lái)進(jìn)行分割縫的填充。在鋼棒的表面上，要利用石墨把陰極陰極炭塊銜接。而并沒(méi)有被分割的鋼棒，則要在它的一側(cè)利用碳糊來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極炭塊的銜接。對(duì)于已經(jīng)被分割為一段的鋼棒，可以在它的側(cè)面利用碳糊進(jìn)行陰極炭塊的鏈接。對(duì)于剩余的下半段可以利用電絕緣類的材料進(jìn)行陰極炭塊的有效鏈接。因?yàn)殡娊^緣類材料的應(yīng)用，讓鋼棒的與陰極碳?jí)K的鏈接作用產(chǎn)生較大的變化。所以，鋁電解槽會(huì)在新型的陰極鋼棒的影響下，整體的陰極電場(chǎng)在分布上會(huì)出現(xiàn)更多的變化。不但會(huì)將鋁液內(nèi)的電流產(chǎn)生走向變化，還會(huì)對(duì)鋁液的水平電流產(chǎn)生優(yōu)化的作用。

2、深度分析新型陰極鋼棒對(duì)鋁電解槽電熱場(chǎng)的主要影響

新型的陰極鋼棒與傳統(tǒng)的陰極鋼棒的電解槽鋁液，在X方向的水平電流分布上，無(wú)論是水平電流的密度，還是最大值都有著較大的不同。新型的陰極鋼棒在X方向，其鋁液的水平電流流向都是X軸的負(fù)方向，也就是以電解槽的全槽軸線為準(zhǔn)，從中軸線向鋼棒出電端延伸。同時(shí)，從電解槽的中軸線一直到桿棒的出電端，在實(shí)際的延伸水平電流密度都是由大到小的走向。當(dāng)接近于槽幫位置時(shí)，受槽幫的阻隔限制，會(huì)產(chǎn)生反向或者減小至0的現(xiàn)象。由于其產(chǎn)生的水平電流，在反向在范圍上較小。因此，不會(huì)對(duì)磁流體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。如圖2所示，最大水平電流最大的密度，都指向了X負(fù)方向的水平電流密度中最大的數(shù)值。鋁液的大部分都在水平電流的密度上，并且都處于最小的數(shù)值。而底部的距離槽幫較近的位置上的兩個(gè)區(qū)域都是較大的數(shù)值。由此可以分析出，槽幫的底部會(huì)對(duì)電流起到阻擋的作用，導(dǎo)致電流會(huì)發(fā)生流向與匯集的變化。在水平電流的密度上，無(wú)論是Z方向還是X方向，都會(huì)產(chǎn)生增大的變化。而由于鋼棒讓電流的匯集與流向產(chǎn)生變化，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的電流會(huì)從鋁液的底部流出。并且，逐漸的流入到陰極碳?jí)K，而陰極碳?jí)K再流入到鋼棒的匯集處，形成Z方向的水平偏轉(zhuǎn)變化。但是，這一變化并不能夠?qū)Υ帕黧w產(chǎn)生較大的穩(wěn)定性影響。因此，新型的陰極鋼棒電解槽鋁液與傳統(tǒng)的電解槽鋁液相比較，新型的陰極鋼棒電解槽鋁液能夠有效的將電流的密度平均值縮小。

對(duì)鋁電解的能耗能夠產(chǎn)生重要影響的，就是槽電壓。我國(guó)的電解行業(yè)，一直都是在進(jìn)行著電解的低電壓研究分析。從而能夠極大的降低能力的消耗。加入了絕緣材料的新型陰極鋼棒，在一定程度上會(huì)對(duì)槽電壓產(chǎn)生重要的影響。通過(guò)對(duì)電解槽電的熱切片模型的計(jì)算分析，從而得出了槽體的導(dǎo)電區(qū)域歐姆的壓降結(jié)果。新型陰極鋼棒，與傳統(tǒng)的陰極鋼棒電解槽相比，在槽體的歐姆壓降的數(shù)值增至到了33mV。而增加區(qū)域的陰極壓降，是因?yàn)殡娊^緣類材料的加入，才可導(dǎo)致電路的電阻迅速的增大，而隨著電阻的增大，電壓也隨之增大。

除此之外，槽體的歐姆壓降產(chǎn)生的變化，導(dǎo)致了氣泡的壓降也發(fā)生了變化。通過(guò)計(jì)算分析得出新型陰極鋼棒與傳統(tǒng)的陰極鋼棒，在整體電解槽體系統(tǒng)中的總壓降都發(fā)生了不同的變化，而新型的陰極鋼棒是3.83V，比傳統(tǒng)的陰極鋼棒大0.03V。而如果采用母線系統(tǒng)進(jìn)行0.2V的降壓計(jì)算，則他們的槽電壓都會(huì)在4.00V以上。但是，由于二者在陰極的電阻上存在著一定的差異。因此，他們的整體電阻發(fā)生的變化差異較小，并且都處在正常的范圍內(nèi)。但如果利用開(kāi)槽陽(yáng)極來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)在根據(jù)磁流體與磁場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)研究，新型的陰極鋼棒在極距上還會(huì)有所降低，而電壓也會(huì)隨之降低，從而讓槽電壓的水平變得更低。

3、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)鋁電節(jié)操電熱場(chǎng)的影響上，與傳統(tǒng)的陰極鋼棒相比，新型陰極鋼棒占有更大的優(yōu)勢(shì)。它可可以極大的降低電解槽鋁液內(nèi)的水平電流數(shù)值。從而進(jìn)一步讓電解槽中的磁流體能夠變得更加的穩(wěn)定。同時(shí)，有效的讓槽內(nèi)電壓數(shù)值增加。因此，新型的陰極鋼棒，不僅能夠?qū)︿X電節(jié)操電熱場(chǎng)產(chǎn)生較大的優(yōu)化作用，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保的作用。

參考文獻(xiàn)：

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