預(yù)焙炭陽(yáng)極環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)的仿真研究

李拓夫, 陶文舉, 王兆文, 孔令宇

(東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

節(jié)能是鋁電解研究的重要課題，降低槽電壓是鋁電解節(jié)能的根本途徑之一.現(xiàn)代大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽中，陽(yáng)極電壓降超過(guò)300 mV，約占槽電壓的7.5%[1].因此，優(yōu)化陽(yáng)極設(shè)計(jì)、降低陽(yáng)極壓降是鋁電解研究的熱點(diǎn).

研究表明，工業(yè)陽(yáng)極存在一個(gè)較大的弊端——炭碗底部不導(dǎo)電[2-3].為解決這一問(wèn)題，研究人員提出了在炭碗底部添加金屬導(dǎo)電件的方法.

Tremblay等[4]提出一種扁平的炭碗結(jié)構(gòu)，并在生陽(yáng)極炭碗底部埋入三個(gè)金屬導(dǎo)電薄片.經(jīng)過(guò)炭塊焙燒，使金屬薄片與炭塊緊密結(jié)合在一起.然后采用磷生鐵澆鑄，將鋼爪、金屬導(dǎo)電薄片和預(yù)焙炭塊連接起來(lái)，從而增加陽(yáng)極鐵-炭接觸面積.數(shù)值模擬結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠降低陽(yáng)極電壓降約61 mV.

Dagoberto等[5]提出在炭碗底部中心位置插入金屬鋁棒.陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，鋁熔化與鋼爪底部相接觸，聯(lián)通鋼爪與炭碗底部，從而使炭碗底部導(dǎo)電.數(shù)值模擬結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠降低約40 mV.

Berends等[6]提出在炭碗底部插入金屬釘.金屬釘能穿過(guò)鐵炭間隙，將炭塊和磷生鐵連接起來(lái)，改善接觸電阻.工業(yè)測(cè)試表明，該方法可以降低陽(yáng)極電壓20～40 mV.

然而添加金屬導(dǎo)電件的方法存在一定的不足，難以在工業(yè)上應(yīng)用.首先，在炭碗底部增加導(dǎo)電件會(huì)增加預(yù)焙炭塊制造的難度；其次，金屬導(dǎo)電件不易回收，會(huì)增加成本；最后，炭碗底部增加金屬導(dǎo)電件會(huì)增加殘極高度，這不僅會(huì)增加炭耗，而且會(huì)縮短陽(yáng)極周期，不利于電解槽穩(wěn)定運(yùn)行.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種能夠改善陽(yáng)極炭碗底部導(dǎo)電的新型炭碗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬的方法考察該設(shè)計(jì)對(duì)陽(yáng)極物理場(chǎng)的影響，評(píng)估其節(jié)能降耗效果，分析該設(shè)計(jì)節(jié)能的機(jī)理.

1 問(wèn)題分析及解決方案

工業(yè)陽(yáng)極炭碗的螺紋槽結(jié)構(gòu)是炭碗底部不導(dǎo)電的根本原因.在重力作用下，炭碗底部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1～2 mm的初始間隙[3].陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，磷生鐵和鋼爪的熱膨脹無(wú)法使初始間隙閉合，因此炭碗底部無(wú)法導(dǎo)電.

工業(yè)陽(yáng)極炭碗底部的鐵-炭間隙是磷生鐵和炭碗之間相對(duì)位移的結(jié)果.如圖1所示，鐵-炭間隙形成的過(guò)程可以分為兩階段：1)磷生鐵澆鑄后，液態(tài)磷生鐵與炭碗之間不潤(rùn)濕，陽(yáng)極冷卻至室溫后，磷生鐵與炭碗之間由于冷卻收縮產(chǎn)生間隙[7]；2)換極過(guò)程中，當(dāng)陽(yáng)極被吊起時(shí)，導(dǎo)桿-鋼爪-磷生鐵整體向上移動(dòng)，而磷生鐵與炭碗之間存在接觸間隙，因此首先磷生鐵相對(duì)炭碗向上移動(dòng)，然后炭碗凹槽與磷生鐵建立初始接觸.由于炭碗螺紋凹槽與豎直方向有大約15°的傾斜角度，磷生鐵與炭碗建立接觸的過(guò)程中產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，所以炭碗底部出現(xiàn)較大的接觸間隙.此時(shí)的鐵炭接觸狀態(tài)是陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)磷生鐵與炭碗建立接觸的初始條件，對(duì)于陽(yáng)極進(jìn)入電解槽之后的物理場(chǎng)分布具有重要的影響[8-9].初始鐵-炭間隙較大，陽(yáng)極進(jìn)入電解槽后熱膨脹不足以使間隙閉合，因此磷生鐵/鋼爪無(wú)法與炭碗底部接觸，從而無(wú)法導(dǎo)電.

圖1 工業(yè)陽(yáng)極炭碗底部間隙形成示意圖

根據(jù)上述分析可知，工業(yè)陽(yáng)極螺紋凹槽存在一定的傾斜角度，導(dǎo)致了炭碗底部產(chǎn)生的鐵-炭間隙較大.針對(duì)這一問(wèn)題，本文將炭碗中帶有傾斜角度的螺紋形凹槽改為水平環(huán)形槽，如圖2所示.這樣做的目的是減小磷生鐵和炭塊之間的接觸滑動(dòng)，從而降低炭碗底部的鐵-炭間隙.與在炭碗底部添加金屬導(dǎo)電件的方法相比，此方法不需要增加其他部分，簡(jiǎn)單易行，且不影響殘極高度.

圖2 環(huán)形槽炭碗陽(yáng)極

將左側(cè)兩個(gè)炭碗編號(hào)為炭碗1(外側(cè)炭碗)和炭碗2(內(nèi)側(cè)炭碗).由于陽(yáng)極具有對(duì)稱性，下文中將以炭碗1和炭碗2為例進(jìn)行分析.

2 模型描述

2.1 幾何尺寸和網(wǎng)格劃分

本文將對(duì)比分析工業(yè)陽(yáng)極和采用環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)的陽(yáng)極(簡(jiǎn)稱環(huán)形槽陽(yáng)極)的差異.圖 3給出工業(yè)陽(yáng)極炭碗和環(huán)形槽炭碗的結(jié)構(gòu)和主要尺寸.工業(yè)陽(yáng)極炭碗的螺紋槽和環(huán)形槽的截面尺寸同為15 mm×15 mm.計(jì)算所用工業(yè)陽(yáng)極和環(huán)形槽陽(yáng)極除炭碗結(jié)構(gòu)外，其他部分完全相同.

環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)改變了陽(yáng)極連接結(jié)構(gòu)，但并不增加所用磷生鐵的體積和炭碗表面積.每個(gè)工業(yè)陽(yáng)極的磷生鐵體積為7.22×10-3m3，炭碗表面積為0.548 m2.環(huán)形槽陽(yáng)極每個(gè)炭碗所需磷生鐵體積為7.30×10-3m3，炭碗表面積為0.550 m2.

圖3 炭碗結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)(mm)

基于ANSYS軟件平臺(tái)，對(duì)幾何模型各部分進(jìn)行離散化，采用了高階耦合場(chǎng)單元Solid 226.模型中考慮了鋼爪、磷生鐵和炭塊之間的接觸傳熱、接觸導(dǎo)電和接觸應(yīng)力，為此采用了Contac 174單元和Target 170單元.

2.2 材料屬性

模型中考慮了4種材料，包括炭塊、鋼爪、鋁導(dǎo)桿和磷生鐵.炭塊、鋼爪和鋁導(dǎo)桿的熱導(dǎo)率和電阻率取自文獻(xiàn)[10].磷生鐵的熱導(dǎo)率和電阻率取自文獻(xiàn)[11].各部分的力學(xué)性能取自文獻(xiàn)[12-13].計(jì)算電解質(zhì)浮力需要電解質(zhì)密度，本文中取2 066 kg·m-3[14].

2.3 計(jì)算流程及邊界條件

陽(yáng)極結(jié)構(gòu)變化對(duì)陽(yáng)極的生產(chǎn)及使用過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生影響.本文將依次考慮陽(yáng)極組裝、陽(yáng)極更換和陽(yáng)極運(yùn)行3個(gè)過(guò)程，所以數(shù)值模擬也將分為3個(gè)步驟.

第1步，建立陽(yáng)極組裝的瞬態(tài)熱場(chǎng)有限元模型，模型邊界條件見(jiàn)文獻(xiàn)[11].計(jì)算陽(yáng)極組裝的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，并采用溫度場(chǎng)結(jié)果和幾何參數(shù)，根據(jù)公式(1)計(jì)算陽(yáng)極冷卻至室溫時(shí)的鐵-炭間隙.

rgap=γ+(l-γ)×αiron×(ts-t0).
γ=Rstub×αstub×(tstub-t0).

(1)

式中：rgap表示室溫鐵-炭間隙；l表示室溫下鋼爪和炭碗之間的距離；Rstub表示室溫下鋼爪直徑；αstub,αiron分別為鋼爪和磷生鐵的熱膨脹系數(shù)；tstub是磷生鐵凝固時(shí)的鋼爪溫度；ts和t0分別代表磷生鐵凝固溫度和室溫，本文分別取980 ℃和20 ℃.

第2步，建立陽(yáng)極更換的瞬態(tài)力場(chǎng)有限元計(jì)算模型，以第1步中得出的室溫鐵炭間隙為初始條件，計(jì)算得出陽(yáng)極在重力作用下的初始鐵-炭接觸間隙.這一步中，對(duì)陽(yáng)極施加重力和電解質(zhì)浮力，磷生鐵和炭塊之間的動(dòng)摩擦因數(shù)取0.2[3].

第3步，引入隨接觸應(yīng)力和溫度變化的接觸電阻率(見(jiàn)文獻(xiàn)[2])和隨鐵-炭間隙和溫度的接觸熱導(dǎo)率(見(jiàn)文獻(xiàn)[10])，建立陽(yáng)極運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)熱-電-應(yīng)力場(chǎng)耦合有限元模型，其邊界條件見(jiàn)文獻(xiàn)[15].以第2步得出的初始鐵-炭接觸間隙為初始條件，應(yīng)用此模型，計(jì)算陽(yáng)極穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的物理場(chǎng)分布.

3 結(jié)果與討論

3.1 鐵-炭初始接觸狀態(tài)

經(jīng)過(guò)陽(yáng)極組裝和陽(yáng)極更換后，磷生鐵與炭碗之間的初始接觸間隙如圖4所示.圖4a和4b給出了炭碗側(cè)壁的初始鐵-炭間隙分布.在工業(yè)陽(yáng)極炭碗中，初始鐵-炭間隙自炭碗底部向上逐漸增大，在0.43～0.74 mm之間.環(huán)形槽炭碗中，在磷生鐵凸起的表面位置，初始鐵-炭間隙在0.71 mm左右；在圓柱面位置，初始鐵-炭間隙在0.46 mm左右.

重力導(dǎo)致磷生鐵與炭碗之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，因此炭碗底部與磷生鐵/鋼爪分離，產(chǎn)生初始鐵-炭間隙.如圖4c所示，工業(yè)陽(yáng)極炭碗底部的初始鐵-炭間隙在1.2 mm左右.相比之下，環(huán)形槽陽(yáng)極的底部的初始鐵-炭間隙減小到0.2 mm左右，如圖4d所示.

3.2 陽(yáng)極熱-電-應(yīng)力場(chǎng)分布

以圖4中的鐵-炭間隙分布為初始接觸條件，利用熱-電-應(yīng)力場(chǎng)耦合有限元模型，計(jì)算得出陽(yáng)極穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的物理場(chǎng)分布.

圖5為陽(yáng)極穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布，工業(yè)陽(yáng)極和環(huán)形槽陽(yáng)極溫度場(chǎng)并沒(méi)有顯著差異，這表明采用環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)的陽(yáng)極對(duì)電解槽原有的熱平衡影響也較小.

采用環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)能夠顯著降低陽(yáng)極電壓降.如圖6所示，工業(yè)陽(yáng)極的電壓降約為295 mV，而采用環(huán)形槽炭碗的陽(yáng)極電壓降減小約22 mV，僅為273 mV左右.

環(huán)形槽陽(yáng)極中電流密度減小、電流分布改善是陽(yáng)極壓降降低的根本原因.圖7給出工業(yè)陽(yáng)極和環(huán)形槽陽(yáng)極中炭碗1和2的電流密度分布.由圖7a可知，工業(yè)陽(yáng)極的炭碗底部幾乎是不導(dǎo)電的，電流密度最大值出現(xiàn)在炭碗側(cè)壁的底部，這表明更多的電流從炭碗側(cè)壁底部進(jìn)入炭塊，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[2-3]相符.相比之下，如圖7b所示，環(huán)形槽陽(yáng)極炭碗的電流密度最大值出現(xiàn)在炭碗底

圖4 鐵-炭初始接觸間隙

圖5 溫度場(chǎng)分布云圖

圖6 電勢(shì)分布云圖

部，表明炭碗底部有大量電流通過(guò)，炭碗底部的導(dǎo)電性得到了極大的改善.由于炭碗底部能夠?qū)щ?，環(huán)形槽陽(yáng)極中電流密度分布更加均勻，電流密度值也減小約40%.

環(huán)形槽陽(yáng)極的鐵-炭接觸面積增加是其電流密度減小和電流分布改善的主要原因.圖8給出了工業(yè)陽(yáng)極和環(huán)形槽陽(yáng)極的鐵-炭接觸應(yīng)力分布，提取圖中各部分的實(shí)際接觸面積列于表1.由表1可知，環(huán)形槽陽(yáng)極炭碗側(cè)壁的實(shí)際接觸面積比工業(yè)陽(yáng)極炭碗的側(cè)壁接觸面積增加約28%.如圖8c所示，工業(yè)陽(yáng)極炭碗底部不存在接觸應(yīng)力，這是因?yàn)槌跏艰F-炭間隙較大(見(jiàn)圖4c)，所以工業(yè)陽(yáng)極的炭碗底部無(wú)法導(dǎo)電.而環(huán)形槽炭碗結(jié)構(gòu)減小了炭碗底部的初始鐵-炭間隙(見(jiàn)圖4d)，當(dāng)陽(yáng)極進(jìn)入電解槽之后，鋼爪和磷生鐵產(chǎn)生的熱膨脹能夠使初始鐵-炭間隙閉合，因此如圖8d所示，環(huán)形槽陽(yáng)極的炭碗底部能夠產(chǎn)生足夠的接觸應(yīng)力，從而使得炭碗底部導(dǎo)電.

圖7 電流密度分布圖

圖8 鐵-炭接觸應(yīng)力

表1 實(shí)際接觸面積

4 結(jié) 論

針對(duì)工業(yè)陽(yáng)極炭碗底部不導(dǎo)電的問(wèn)題，本文提出了一種環(huán)形開槽的炭碗設(shè)計(jì).與現(xiàn)有的改善炭碗底部導(dǎo)電的陽(yáng)極設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)具有不影響殘極高度、簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn).采用數(shù)值模擬的方法探索了該設(shè)計(jì)對(duì)陽(yáng)極性能的影響及機(jī)理.通過(guò)與工業(yè)陽(yáng)極相對(duì)比，分析了環(huán)形槽炭碗設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì).

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，由于炭碗凹槽變?yōu)樗?，磷生鐵與炭碗在重力作用下的相對(duì)位移減小，使得炭碗底部的初始鐵-炭間隙由1.2 mm下降到0.2 mm左右.在陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)，由于環(huán)形槽陽(yáng)極的炭碗底部初始鐵-炭間隙減小，炭碗底部能夠產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力，并且炭碗側(cè)壁的實(shí)際接觸面積也提高了約28%.環(huán)形槽陽(yáng)極鐵-炭接觸面積增加降低了陽(yáng)極電流密度，同時(shí)改善了陽(yáng)極電流分布.與工業(yè)陽(yáng)極相比，環(huán)形槽陽(yáng)極的電壓降降低約22 mV.此外，環(huán)形槽陽(yáng)極不影響陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)的溫度分布.