350 kA電解系列端頭電解槽磁場分布優(yōu)化的模擬研究

陳 端 周愛平

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

0 前言

磁場對鋁電解過程的影響是通過對電解質(zhì)和鋁液流動(流場)的影響，對兩者界面的形變和波動而起作用的[1-2]，具體體現(xiàn)是影響到極距(槽電壓)的穩(wěn)定性，從而影響到鋁電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性和電流效率[3]。鋁電解槽良好的磁場分布能在實(shí)際生產(chǎn)中獲得良好的磁流體穩(wěn)定性，對提高電流效率和延長槽壽命非常有益。

某鋁業(yè)公司正在運(yùn)行的350 kA電解系列電解槽槽電壓波動較大(尤其是端頭第1臺電解槽)，管理難度很大，難以維持正常穩(wěn)定生產(chǎn)，并最終被迫停槽。因此，本文對該電解系列端頭電解槽磁場分布進(jìn)行模擬復(fù)核，并采用外母線繞行補(bǔ)償?shù)姆绞絹韮?yōu)化端頭電解槽的磁場分布，最終達(dá)到可以保證端頭電解槽正產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

1 電解車間端頭母線的優(yōu)化

1.1 原電解車間端頭母線的配置

某鋁業(yè)公司350 kA電解系列母線系統(tǒng)采用大面六點(diǎn)均勻進(jìn)電方式，系列電流方向?yàn)槟鏁r針方向，在電解槽的煙道端和出鋁端分別有一條外補(bǔ)償母線。優(yōu)化前的電解系列端頭母線、外母線配置如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)反饋情況，以及母線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，350 kA電解系列端頭電解槽一般僅靠近端頭母線3臺電解槽會受到相應(yīng)的影響。因此在電解系列兩棟廠房各選區(qū)3臺電解槽進(jìn)行優(yōu)化前后的磁場對比：在AB跨廠房中，從靠近端頭母線起的電解槽依次編號為出電槽1(C1)、出電槽2(C2)、出電槽3(C3)；在CD跨廠房中，從靠近端頭母線起的電解槽依次編號為進(jìn)電槽1(J1)、進(jìn)電槽2(J2)、進(jìn)電槽3(J3)。通過分析端頭電解槽的母線配置可知：

1)端頭電解槽由于無上下游電解槽或者上下游電解槽槽數(shù)量較少(這種情況是電解系列無法改變的)，導(dǎo)致其磁場與普通槽相比更差。

2)端頭電解槽受到端頭母線以及端頭外母線磁場的影響，通過這些母線的電流強(qiáng)度為系列電流+外母線電流之和，遠(yuǎn)超過系列電流強(qiáng)度，并且對端頭電解槽的磁場產(chǎn)生的作用單一。

3)端頭電解槽磁場分布會導(dǎo)致電解槽電解質(zhì)鋁液界面波動明顯，電解槽極距難以保持，槽電壓波動較大，無法維持電解槽的正常生產(chǎn)。

圖1 優(yōu)化前350 kA電解系列端頭母線配置圖

圖2 優(yōu)化后350 kA電解系列端頭母線配置圖

1.2 電解車間端頭母線的優(yōu)化方法

通過上述分析可知，對端頭電解槽磁場分布產(chǎn)生影響的主要是端頭母線及端頭外母線。優(yōu)化后的電解系列端頭母線、外母線配置圖如圖2所示，具體的優(yōu)化方案為：

1)改變煙道端外母線走向，使煙道端外母線繞行貼近端頭電解槽，這樣可以對端頭槽磁場進(jìn)行補(bǔ)償，并可以適當(dāng)?shù)氐窒祟^母線及端頭外母線磁場的影響。

2)將沿AD軸線的煙道端外母線推到遠(yuǎn)離端頭電解槽的位置，使其對端頭電解槽的磁場作用盡量小。

3)出鋁端外母線走向不變，將沿AD軸線的出鋁端外母線同樣推到遠(yuǎn)離端頭電解槽的位置，使其對端頭電解槽的磁場作用盡量小。

2 磁場模擬計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù)上述制定的母線優(yōu)化方案，建立電解槽磁場計(jì)算模型，計(jì)算優(yōu)化前后電解槽的磁場分布情況。

2.1 建立電解槽坐標(biāo)系

計(jì)算電解車間內(nèi)電、磁場分布時，首先要建立磁場模型。建立模型前，需要定義出X、Y、Z坐標(biāo)軸及其方向。一般情況下，X軸方向是指由電解槽煙道端(DE)指向出鋁端(TE)(指向電解車間大面)，Y軸方向是系列電流流通方向，由電解槽A側(cè)(立柱側(cè))指向B側(cè)(無立柱側(cè))，Z軸方向是由鋁液指向陽極炭塊[4]。坐標(biāo)系示意圖如圖3所示。

2.2 建立電解槽磁場仿真模型

根據(jù)某鋁業(yè)公司提供的相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建立該350 kA電解槽磁場仿真模型，進(jìn)行電解槽磁場復(fù)核及優(yōu)化磁場計(jì)算，并在仿真模型的基礎(chǔ)上補(bǔ)充建立端頭母線、系列相鄰電流、槽殼、空氣包模型，從而得到電解槽電磁場計(jì)算模型，如圖4所示。由于電解槽母線配置及外母線配置并未有改動，所以電解槽X和Y方向磁場分布變化較小，因此本文重點(diǎn)關(guān)注優(yōu)化前后Z方向磁場，即垂直磁場的變化[5-7]。

圖3 電解槽坐標(biāo)系示意圖

按系列電流350 kA、外母線電流95 kA(煙道端69 kA+出鋁端26 kA)計(jì)算普通槽磁場、優(yōu)化前后的端頭電解槽磁場。

圖4 電解槽母線電磁場仿真計(jì)算模型

2.3 普通槽磁場的計(jì)算

普通槽Z方向4個象限的磁場計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 普通槽磁場的計(jì)算結(jié)果 單位：Gs

注：本文中列表顯示的磁場計(jì)算結(jié)果都表示象限絕對值平均值。

2.4 優(yōu)化前后端頭進(jìn)電槽和出電槽磁場的計(jì)算

在CD跨廠房中，對應(yīng)圖1和圖2的進(jìn)電槽1(J1)、進(jìn)電槽2(J2)、進(jìn)電槽3(J3)優(yōu)化前后的Z方向磁場模擬計(jì)算結(jié)果見表2；在AB跨廠房中，對應(yīng)圖1和圖2的出電槽1(C1)、出電槽2(C2)、出電槽3(C3)優(yōu)化前后的磁場模擬計(jì)算結(jié)果見表3。

從表2和表3可以看出：

1)進(jìn)電槽1(J1)和出電槽1(C1)優(yōu)化后，垂直方向的磁場分布得到明顯的改善，4個象限的垂直磁場絕對值平均值顯著降低，特別是第2、3象限，效果非常明顯；對比表1可以看出優(yōu)化后電解槽的磁場均值分布幾乎與電解系列普通槽相當(dāng)。磁場得到改善的主要原因：首先是將原有煙道端外母線在J1/ C1處繞行，其次是將出鋁端外母線遠(yuǎn)離J1/ C1，雙重優(yōu)化大大減弱了端頭外母線對J1/ C1磁場分布的影響。優(yōu)化后的J1和C1磁場分布完全可以滿足電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

表2 進(jìn)電槽J1、J2、J3優(yōu)化前后的磁場計(jì)算結(jié)果 單位：Gs

表3 出電槽C1、C2、C3優(yōu)化前后的磁場計(jì)算結(jié)果 單位：Gs

2)進(jìn)電槽2(J2)和出電槽2(C2)優(yōu)化后，垂直方向的磁場分布有一定的改善，2、3象限的垂直磁場均值較改造前有較明顯的改善。在生產(chǎn)過程中，J2/ C2的槽電壓的波動情況要比J1/ C1更小，因?yàn)镴2/ C2槽電壓的波動除了原有磁場分布不好的原因，還有部分是由于J1/ C1的電解槽波動對其造成的影響。通過對端頭外母線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，J2/ C2的磁場得到改善，并且J1/ C1對其產(chǎn)生的影響作用減弱，所以優(yōu)化后的J2/ C2磁場可以滿足電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

3)進(jìn)電槽3(J3)/出電槽3(C3)的原始磁場分布較J2、J1和C2、C1略好，通過端頭外母線優(yōu)化后,垂直磁場的均值分布與J2/ C2相當(dāng)。所以優(yōu)化后的J3和 C3磁場可以滿足電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

3 結(jié)束語

對某鋁業(yè)公司350 kA電解系列端頭外母線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，端頭電解槽磁場分布明顯好于優(yōu)化前，尤其是靠近端頭母線及端頭外母線的第1臺電解槽，改善效果顯著，幾乎達(dá)到普通槽的磁場分布水平；端頭第2、3臺電解槽的磁場也得到一定程度的改善。而且優(yōu)化后，可以提高電整個電解系列的生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強(qiáng)度，為企業(yè)增產(chǎn)提效提供基礎(chǔ)保障；同時，本次實(shí)踐也為今后電解系列母線設(shè)計(jì)指明了方向，除了要關(guān)注普通槽磁場以外，也要兼顧考慮端頭電解槽和通廊處電解槽的磁場分布。