SY500鋁電解槽流動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值模擬與測(cè)試研究

陳 端 王 旋 劉 偉

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

0 前言

自建國(guó)以來，鋁工業(yè)在國(guó)家的大力扶持下實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展。但隨著投資的過度，電解鋁產(chǎn)能急劇膨脹，自2001年中國(guó)取代美國(guó)成為世界最大的電解鋁生產(chǎn)國(guó)后，產(chǎn)量一直保持世界第一。隨著產(chǎn)能的快速增加，產(chǎn)能利用率逐年下降，尤其是自2012年以來，電解鋁產(chǎn)能利用率長(zhǎng)期處于70%左右低位徘徊[1]。電解鋁產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，引發(fā)的直接后果就是產(chǎn)需失衡，價(jià)格斷崖式下跌，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)的盈利狀況明顯惡化[2]，給電解鋁企業(yè)帶來巨大的生存壓力。

伴隨著技術(shù)的突破，各種新技術(shù)的開發(fā)給電解鋁企業(yè)帶來了一線生機(jī)，如大容量電解槽技術(shù)、新概念母線設(shè)計(jì)、新式節(jié)能陰極技術(shù)和母線網(wǎng)絡(luò)一體化自平衡技術(shù)等。新技術(shù)的應(yīng)用能夠降低噸鋁投資、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，給電解鋁企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，電解槽容量增大的同時(shí)也帶來一定的問題，物理場(chǎng)對(duì)電解槽的影響作用越來越大，物理場(chǎng)設(shè)計(jì)的不合理甚至導(dǎo)致電解槽無法增大容量或是無法正常穩(wěn)定生產(chǎn)。熔體的流動(dòng)為氧化鋁加入電解質(zhì)中后迅速分散和溶解創(chuàng)造了條件，但流速過大會(huì)增加對(duì)電解槽內(nèi)壁的沖刷，影響電解槽的壽命；鋁液- 電解質(zhì)的界面波動(dòng)過大會(huì)促使鋁的二次反應(yīng)增加，導(dǎo)致電流效率降低。因此良好的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障[3]。本文以國(guó)內(nèi)某鋁廠設(shè)計(jì)的500 kA電解系列電解槽為例，對(duì)其流動(dòng)方向和流速進(jìn)行測(cè)定，并與SY500鋁電解槽流動(dòng)場(chǎng)模擬算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，希望可以驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 電解槽流動(dòng)場(chǎng)分析模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法

1.1 電解槽流動(dòng)場(chǎng)分析

決定鋁液波動(dòng)和流動(dòng)速度的不僅僅是電磁力，還有其他眾多影響因素[4-5]。鋁液波動(dòng)的實(shí)質(zhì)是在一個(gè)變化著的槽膛內(nèi)，受到外力和內(nèi)力作用下，密度不同且互不相混的流體產(chǎn)生的的運(yùn)動(dòng)。外力包括磁力和重力；內(nèi)力包括流動(dòng)過程中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力和流動(dòng)加速度產(chǎn)生的作用力[6]。內(nèi)力和外力共同作用引起電解質(zhì)和鋁液中各處的壓力不等，形成了壓力場(chǎng)；熔體在壓力場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，形成流動(dòng)場(chǎng)，流動(dòng)狀態(tài)一般呈旋渦狀。

電解槽中電流與電壓的分布，是電解槽運(yùn)行的能量基礎(chǔ)，是其它各物理場(chǎng)形成的根源。電解槽中的磁場(chǎng)是由通過導(dǎo)體的電流(電場(chǎng))而產(chǎn)生的，磁場(chǎng)和電流相互作用，在熔體介質(zhì)中產(chǎn)生一種電磁力，稱為拉普拉斯力。拉普拉斯力可引起電解質(zhì)和鋁液的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使兩者間的界面發(fā)生形變(形成流動(dòng)場(chǎng))。磁場(chǎng)對(duì)電解過程的影響是通過對(duì)電解質(zhì)和鋁液流動(dòng)(流場(chǎng))的影響，對(duì)兩者界面的形變和波動(dòng)而起作用的，其影響極距(槽電壓)的穩(wěn)定性，從而影響電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性和電流效率。

綜上分析，磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到電場(chǎng)、磁場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)。電解槽磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與后期生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)系如圖1所示。優(yōu)化的對(duì)象是磁場(chǎng)，優(yōu)化的手段是改變電場(chǎng)，而優(yōu)化的最終的目的是獲得良好的流動(dòng)場(chǎng)，沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院通過不斷的摸索和研發(fā)，開發(fā)設(shè)計(jì)出新概念母線配置，并結(jié)合新式節(jié)能陰極技術(shù)的應(yīng)用，最終獲得了較好的流動(dòng)場(chǎng)形態(tài)及較小的界面變形。

圖1 電解槽穩(wěn)定性設(shè)計(jì)理念

1.2 流動(dòng)場(chǎng)模擬計(jì)算方法

建立流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算模型，設(shè)置邊界條件，施加電磁力，即可模擬計(jì)算出電解槽的流動(dòng)形態(tài)及界面變形[7]，其方法如下：

1)利用ANSYS模擬計(jì)算電解槽的磁場(chǎng)；

2)利用ANSYS模擬計(jì)算鋁液中的水平電流；

3)利用公式(1)合成計(jì)算電磁力。電磁力驅(qū)動(dòng)下熔體運(yùn)動(dòng)服從Navier- Stokes方程和κ-ε湍流模型，而由于相關(guān)磁雷諾數(shù)很小，可不計(jì)感生電流及其對(duì)電磁力的影響[8]。

F=JB

(1)

式中：F——電磁力，N/m3；

J——導(dǎo)電材料的電流密度，A/m2；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

1.3 電解槽流動(dòng)方向及流速的驗(yàn)證方法

鋁液流速的實(shí)測(cè)采用目前較成熟的鐵棒溶蝕法[9]。其原理是，將多根鐵棒同時(shí)插入到電解槽不同部位的鋁液層中，經(jīng)一定時(shí)間后同時(shí)取出。根據(jù)鐵棒腐蝕的形式和程度，可以確定鋁液流動(dòng)的方向與大小。通過此方法對(duì)國(guó)內(nèi)某鋁廠6臺(tái)500 kA電解槽鋁液流動(dòng)方向及流速進(jìn)行測(cè)定，全槽共32個(gè)測(cè)點(diǎn)，A側(cè)為電解槽電流流入方向，如圖2所示。

2 電解槽流動(dòng)場(chǎng)模擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的對(duì)比分析

2.1 電解槽流動(dòng)場(chǎng)的模擬計(jì)算模型

2.1.1 電解槽磁場(chǎng)模擬計(jì)算

某鋁廠的母線配置采用新概念母線技術(shù)，其特點(diǎn)在于電解槽區(qū)域Z方向的磁場(chǎng)分布均勻合理，并且各象限的均值小于5 Gs，陽極投影區(qū)域內(nèi)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度小于20 Gs。電解槽垂直磁場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示，四個(gè)象限磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值的平均值分別為2.925 Gs、2.605 Gs、3.880 Gs、2.902 Gs。

圖2 流動(dòng)場(chǎng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 電解槽區(qū)域Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2.1.2 電解槽鋁液中水平電流模擬計(jì)算

某鋁廠的陰極結(jié)構(gòu)采用新式節(jié)能陰極技術(shù)，其特點(diǎn)在于陰極壓降低，鋁液中的水平電流較傳統(tǒng)陰極更小。水平電流的模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示，水平電流密度最大值為4 307 A/m2。

圖4 電解槽鋁液中水平電流模擬計(jì)算結(jié)果

2.1.3 電解槽流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算模型

提取對(duì)應(yīng)位置的磁場(chǎng)和水平電流，合成電磁力，建立流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算模型，電解槽鋁液界面變形的模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，鋁液上表面標(biāo)高為3.220 m，鋁液區(qū)域最大波動(dòng)范圍為-20～20 mm，模擬計(jì)算的界面變可滿足電解槽在低電壓低極距下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 電解槽鋁液界面變形模擬結(jié)果

2.2 電解槽鋁液流動(dòng)方向?qū)Ρ确治?/h3>

2.2.1 電解槽流動(dòng)場(chǎng)模擬計(jì)算

根據(jù)電解槽流動(dòng)場(chǎng)模型計(jì)算得到的流動(dòng)場(chǎng)鋁液流速分布結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在電解槽區(qū)域有明顯的兩個(gè)大旋渦，煙道端旋渦為逆時(shí)針，出鋁端旋渦為順時(shí)針。兩個(gè)旋渦分布規(guī)律有共同之處，都是在漩渦的中部偏槽端部流速達(dá)到最大值，向兩邊運(yùn)動(dòng)時(shí)流速有所減小。

圖6 設(shè)計(jì)電解槽鋁液流速分布

2.2.2 電解槽流動(dòng)方向測(cè)定結(jié)果

根據(jù)鐵棒被沖刷和熔蝕情況，判斷出測(cè)點(diǎn)處的鋁液流動(dòng)方向。由于6臺(tái)電解槽測(cè)定的鋁液流動(dòng)方向大致相同，這也表明了測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。因此僅列舉一臺(tái)電解槽的鋁液流動(dòng)方向，并根據(jù)6臺(tái)電解槽流速繪制出電解槽鋁液的流動(dòng)方向，對(duì)應(yīng)測(cè)試電解槽的鋁液流動(dòng)方向測(cè)定結(jié)果如圖7所示，圖中箭頭標(biāo)記代表鋁液流動(dòng)的方向。

圖7 測(cè)試電解槽鋁液流動(dòng)方向

由圖7可知，測(cè)試后的鐵棒處理結(jié)果顯示被測(cè)電解槽6次測(cè)試的鋁液流動(dòng)方向呈現(xiàn)較好的規(guī)律性：6次測(cè)試的電解槽流動(dòng)均有兩個(gè)大旋渦，出鋁端旋渦流動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，煙道端旋渦的流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針；所測(cè)電解槽在B側(cè)1測(cè)點(diǎn)和12測(cè)點(diǎn)測(cè)試方向與旋渦整體方向相反，此測(cè)點(diǎn)位于電解槽的出鋁端和煙道端，可能是在此處形成局部小旋渦所致；電解槽中部A6和A7、B6和B7測(cè)點(diǎn)的方向可能出現(xiàn)于旋渦流動(dòng)方向相反的情況，這是因?yàn)槲挥陔娊獠鄣闹行木€兩側(cè)，并且是兩個(gè)大旋渦的交匯處，此處容易受到局部小旋渦的影響。

2.2.3 鋁液流動(dòng)方向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果

綜上所述，通過設(shè)計(jì)電解槽流動(dòng)場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果圖6和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果圖7對(duì)比分析可知，從鋁液的流動(dòng)形態(tài)來看電解槽內(nèi)鋁液流動(dòng)均呈現(xiàn)兩個(gè)大旋渦，出鋁端旋渦的流動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，煙道端旋渦的流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果是相互吻合的。

2.3 電解槽鋁液流動(dòng)速度對(duì)比分析

2.3.1 電解槽流動(dòng)場(chǎng)流速模擬值

電解槽測(cè)點(diǎn)處鋁液流速模擬值如圖8所示。由圖8可知，電解槽A側(cè)流速大于B側(cè)流速，煙道端的流速大于出鋁側(cè)流速；測(cè)點(diǎn)處的流速模擬值分布呈現(xiàn)“M”形變化趨勢(shì)。

圖8 電解槽測(cè)點(diǎn)處鋁液流速模擬值

2.3.2 電解槽流速測(cè)定結(jié)果

結(jié)合鐵棒被沖刷熔蝕的情況，通過半徑的變化情況，根據(jù)修正后的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出電解槽測(cè)點(diǎn)處的鋁液流動(dòng)速度如圖9所示。

圖9 測(cè)試電解槽A、B側(cè)鋁液流速分布

由圖9可知，測(cè)試的6臺(tái)電解槽A側(cè)的平均流速為9.4 cm/s，B側(cè)的平均流速為8.3 cm/s，電解槽A側(cè)流速略大于B側(cè)流速，6臺(tái)電解槽的A、B側(cè)平均流速為8.85 cm/s；A、B兩側(cè)流速分布較為均勻，除A、B側(cè)在3和11測(cè)點(diǎn)流速較大，B側(cè)在6測(cè)點(diǎn)流速較大，其余各測(cè)點(diǎn)流速分布相對(duì)較為均勻。

2.3.3 鋁液流動(dòng)速度對(duì)比分析結(jié)果

中間測(cè)點(diǎn)處模擬流速與實(shí)測(cè)平均流速如圖10所示。

圖10 中間測(cè)點(diǎn)處模擬流速與實(shí)測(cè)平均流速

1)由圖10可知，中間下料點(diǎn)處的實(shí)測(cè)流速較模擬值更大，這表明電解槽下料點(diǎn)處鋁液流速更大，從而也會(huì)帶動(dòng)電解質(zhì)的流動(dòng)速度，從而更利于電解質(zhì)中氧化鋁的溶解。

2)對(duì)比圖8和圖9的電解槽鋁液流速的模擬值和實(shí)測(cè)值可知，測(cè)試電解槽A、B側(cè)流速分布較為均勻，并不像模擬值呈現(xiàn)出來的兩邊流速大、中間流速小的趨勢(shì)。

3)由圖8和圖9可知，測(cè)試電解槽的平均最大流速為13.5 cm/s，模擬計(jì)算值為18.1 cm/s，與模擬計(jì)算值基本吻合；平均流速測(cè)試計(jì)算結(jié)果為8.3 cm/s，模擬計(jì)算值為8.1 cm/s，較為接近。這表明了電解槽鋁液的整體流動(dòng)速度與設(shè)計(jì)值基本吻合。

2.3.4 測(cè)試流速與模擬計(jì)算流速偏離的原因

由于對(duì)鋁電解槽的測(cè)試接觸的是高溫熔鹽體系，而且電解槽的實(shí)際狀況與模擬計(jì)算的理想狀況存在偏差。排除這些原因造成測(cè)試流速與模擬計(jì)算流速偏離的原因還可能有：一是測(cè)試鐵棒插入沉淀與鋁液的混合體中，導(dǎo)致鋁液對(duì)鐵棒的沖蝕沒有規(guī)律或者沒有被熔蝕；二是測(cè)試鐵棒恰好位于存在局部小旋渦，這將導(dǎo)致鋁液流動(dòng)方向和流動(dòng)速度出現(xiàn)偏差。

3 結(jié)論

本文對(duì)SY500電解槽流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)6臺(tái)電解槽，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況和模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1)通過計(jì)算可知，SY500電解槽鋁液的最大流速為13.5 cm/s，平均流速為8.1 cm/s，界面變形為40 mm。

2)從鋁液的流動(dòng)形態(tài)來看，電解槽內(nèi)鋁液流動(dòng)均呈現(xiàn)兩個(gè)大旋渦，出鋁端旋渦的流動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，煙道端旋渦的流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果是相互吻合的。

3)從鋁液流動(dòng)速度來看，單個(gè)測(cè)點(diǎn)處的流速實(shí)測(cè)值與模擬值存在一定的差別，但是整體最大流速為13.5 cm/s，平均流速為8.3 cm/s，與設(shè)計(jì)模擬值基本吻合。

4)綜上所述，可知基于數(shù)值模擬的電解槽流動(dòng)場(chǎng)方法是準(zhǔn)確可靠的，這為今后鋁電解技術(shù)的開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。