500 kA 鋁電解槽磁場(chǎng)數(shù)值模擬及測(cè)試分析

李尚瑋，鄧勝祥，匡江紅

（上海工程技術(shù)大學(xué) a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 201620）

冰晶石?氧化鋁熔鹽電解法[1]是目前工業(yè)上冶煉鋁的唯一方法，冰晶石?氧化鋁熔鹽電解法是以直流電[2]作為生產(chǎn)能源，而鋁電解槽又有許多鐵磁性材料，因此在生產(chǎn)過(guò)程中鋁電解槽內(nèi)部及周邊會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的靜磁場(chǎng).隨著我國(guó)電解鋁行業(yè)的不斷發(fā)展，電解槽的槽體變得越來(lái)越大，電流強(qiáng)度不斷增加，鋁電解槽內(nèi)部及周圍的靜磁場(chǎng)變得越來(lái)越大[3?4].磁場(chǎng)會(huì)與熔體中的電流相互作用產(chǎn)生電磁力[5]，使槽內(nèi)熔體循環(huán)加速，鋁液面容易產(chǎn)生隆起、偏斜和波動(dòng)的現(xiàn)象，鋁液層的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致電流效率下降、電解槽能耗增加，影響電解槽工作穩(wěn)定性同時(shí)減少電解槽的使用壽命[6?8].不合理的磁場(chǎng)不利于電解鋁的生產(chǎn)，因此鋁作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)原材料之一[9?10]，生產(chǎn)過(guò)程中的槽況至關(guān)重要，探究鋁電解槽磁場(chǎng)分布不僅能為鋁電解生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)，還能幫助廠家節(jié)約成本，達(dá)到節(jié)能降耗的目的.為探究500 kA 鋁電解槽鋁液層磁場(chǎng)分布，對(duì)某廠500 kA鋁電解槽進(jìn)行磁場(chǎng)模擬及測(cè)試.

1 建立坐標(biāo)系

模擬前對(duì)目標(biāo)鋁電解槽建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)圖如圖1 所示.設(shè)進(jìn)電側(cè)為A 側(cè)，出電側(cè)為B 側(cè)，坐標(biāo)系Y軸正方向?yàn)殡娏鞣较?，由進(jìn)電側(cè)指向出電側(cè)（A 側(cè)指向B 側(cè)）.X軸右側(cè)為出鋁端（TE 端），左側(cè)為煙道端（DE 端），由煙道端指向出鋁端.

圖1 500 kA 鋁電解槽坐標(biāo)圖Fig.1 Coordinate diagram of 500 kA aluminum electrolyzer

2 鋁電解槽磁場(chǎng)模擬

鋁電解槽磁場(chǎng)模擬可將其磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，方便觀察、發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)分布存在的問(wèn)題，是試驗(yàn)鋁電解槽磁場(chǎng)優(yōu)化方案的重要手段.本研究根據(jù)某廠家鋁電解槽數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行1∶1 建模.

2.1 磁場(chǎng)模型

根據(jù)某廠500 kA 鋁電解槽數(shù)據(jù)，運(yùn)用Solid Works 三維建模軟件建模，建模完成后將其導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真模擬軟件進(jìn)行模擬，模型圖如圖2 所示.500 kA 鋁電解槽參數(shù)見表1.

表1 500 kA 鋁電解槽參數(shù)表Table 1 Parameters of 500 kA aluminum electrolyzer

圖2 鋁電解槽模型圖Fig.2 Model diagram of aluminum electrolyzer

2.2 數(shù)學(xué)控制模型

鋁電解槽中包含大量鐵磁材料和非鐵磁材料，鐵磁材料有陽(yáng)極鋼爪、鋼梁、槽殼、立柱母線、槽周母線、鋁導(dǎo)桿、陰極鋼棒，這些都會(huì)對(duì)鋁液層的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響.由于鋁導(dǎo)桿產(chǎn)生的磁場(chǎng)小且距離鋁液層遠(yuǎn)，影響可以忽略不計(jì).實(shí)際槽殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本研究用一定厚度的鋼殼替代復(fù)雜的槽殼結(jié)構(gòu)，達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的[11].磁場(chǎng)模擬時(shí)需要考慮立柱母線及槽周母線和槽底母線對(duì)于鋁電解槽鋁液層磁場(chǎng)的影響，同時(shí)也要考慮空氣對(duì)鋁液層磁場(chǎng)的影響，因此在電解槽外加上一定的空氣域，在計(jì)算時(shí)這部分磁場(chǎng)不能忽略.對(duì)于非鐵磁材料且不流通電流的部分，因?yàn)閷?duì)鋁液層的磁場(chǎng)沒有影響，為避免不必要的計(jì)算，在建立模型時(shí)將其省略.模擬的電解槽采用大面六點(diǎn)進(jìn)電的方式，模擬需先在COMSOL 三維模擬軟件中模擬出電解槽的電流分布，再根據(jù)電流分布生成磁場(chǎng).鋁電解槽內(nèi)的磁場(chǎng)問(wèn)題滿足穩(wěn)態(tài)麥克斯韋方程組為

式中：?為哈密頓算符；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；J為電流密度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為磁導(dǎo)率.

2.3 模擬結(jié)果

將模型導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真軟件中，設(shè)置好電流條件，在COMSOL 中將電流條件以及各部分材料參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬的鋁液層（圖2 中的6）3 個(gè)坐標(biāo)軸方向的磁場(chǎng)分布結(jié)果如圖3 所示.

由圖3(a)和3(b)可知，鋁液層X軸方向上的磁場(chǎng)大小大部分在10～15 Gs，只有極小部分區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度在40 Gs 以上.而Y軸方向磁場(chǎng)大小分布均勻，基本為20～40 Gs，只有出鋁端極小部分磁場(chǎng)大小達(dá)到120 Gs，對(duì)于整體影響不大.由圖3(c)可知，鋁液層Z軸方向大小進(jìn)電側(cè)明顯大于出電側(cè)，而進(jìn)電側(cè)中間磁場(chǎng)大小高于兩端的磁場(chǎng)大小.由于立柱母線和槽周母線距離鋁電解槽太近，導(dǎo)致立柱母線和槽周母線的磁場(chǎng)對(duì)于鋁液層的磁場(chǎng)影響較大.可在后續(xù)優(yōu)化中適當(dāng)增加立柱母線和槽周母線到鋁電解槽的距離，減少立柱母線和槽周母線對(duì)于鋁液層磁場(chǎng)的影響.

圖3 坐標(biāo)軸方向磁場(chǎng)分布圖Fig.3 Magnetic field distributions in axis directions

3 磁場(chǎng)測(cè)試

磁場(chǎng)測(cè)試是鋁電解槽3 場(chǎng)測(cè)試中重要的一環(huán)，不僅能驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，還能幫助廠家把握槽況，對(duì)指導(dǎo)電解鋁生產(chǎn)有著重要意義.本研究選取國(guó)內(nèi)某廠家500 kA 鋁電解槽進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試.磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器采用美國(guó)貝爾公司生產(chǎn)的三維高斯計(jì)（MODEL9950），其測(cè)量量程為0.01～3×105Gs.這款三維高斯計(jì)既可以測(cè)量直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)也可以測(cè)量交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且具有自動(dòng)選擇量程的功能，可保證測(cè)試精度.在測(cè)量過(guò)程中，為避免磁場(chǎng)對(duì)儀器干擾，對(duì)高斯計(jì)進(jìn)行鐵磁屏蔽.鋁電解槽測(cè)試點(diǎn)位如圖4 所示.測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果記錄見表2.

表2 磁場(chǎng)測(cè)試與模擬結(jié)果Table 2 Magnetic field test and simulation results Gs

圖4 500 kA 鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.4 Distribution of magnetic field measuring points of 500 kA aluminum electrolyzer

將測(cè)試值與模擬值匯總，繪成曲線圖，如圖5所示.由圖5 可知，模擬值與測(cè)試值吻合情況較好，只有個(gè)別點(diǎn)的測(cè)試值與模擬值存在差異.誤差產(chǎn)生的主要原因有測(cè)量點(diǎn)的定位并不十分精確、測(cè)試期間電流與電壓有波動(dòng)、槽膛內(nèi)形的不規(guī)整、鋁液運(yùn)動(dòng)的影響等[12].在測(cè)試過(guò)程中存在測(cè)點(diǎn)定位不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，因此有幾個(gè)實(shí)際測(cè)點(diǎn)的位置與計(jì)劃測(cè)點(diǎn)的位置存在偏差，造成測(cè)試值與模擬值之間的誤差.但總的來(lái)說(shuō),測(cè)試值與模擬值的誤差比較小，誤差在允許范圍內(nèi).測(cè)試值和模擬值顯示，500 kA 鋁電解槽鋁液層Z軸方向上的磁場(chǎng)過(guò)大，容易使槽內(nèi)熔體循環(huán)加速，鋁液面會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)與鋁液的電流相互作用產(chǎn)生的電磁力上下波動(dòng)，進(jìn)而影響電流效率，使電流效率下降，增加能耗，導(dǎo)致產(chǎn)量下降.

圖5 鋁液層磁場(chǎng)測(cè)試值與模擬值對(duì)比Fig.5 Comparison of magnetic field test value and simulation value of molten aluminum layer

4 磁場(chǎng)優(yōu)化

針對(duì)立柱母線和槽周母線距離電解槽過(guò)近導(dǎo)致500 kA 鋁電解槽鋁液層垂直方向磁場(chǎng)過(guò)大的問(wèn)題，嘗試將立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離分別增加20、30 和40 cm，模擬結(jié)果如圖6 所示.由圖可知，當(dāng)增加立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離，Z軸方向的磁場(chǎng)大小有明顯的降低，大部分區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為20～40 Gs，只有小部分區(qū)域的磁場(chǎng)大小偏高.隨著立柱母線和槽周母線到電解槽距離的增大，Z軸方向磁場(chǎng)越來(lái)越小，鋁液層Z軸方向的磁場(chǎng)趨于均勻穩(wěn)定.但考慮廠房大小，增加30 cm 的距離不僅符合生產(chǎn)條件的需求還滿足生產(chǎn)成本的要求.

圖6 增大母線距電解槽距離后Z 方向磁場(chǎng)分布圖Fig.6 Magnetic field distribution in Z direction after increasing distance between bus bar and electrolyzer

5 結(jié)語(yǔ)

1）模擬500 kA 鋁電解槽在正常生產(chǎn)條件下的磁場(chǎng)，并對(duì)某廠家500 kA 鋁電解槽進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果顯示兩者吻合情況較好.

2）模擬和測(cè)試結(jié)果顯示500 kA 鋁電解槽鋁液層磁場(chǎng)在X軸和Y軸方向上分布均勻，大小在合理范圍內(nèi).在Z軸方向上，進(jìn)電側(cè)磁場(chǎng)明顯大于出電側(cè)，且進(jìn)電側(cè)中間磁場(chǎng)大小高于兩端大小.

3）為解決因Z軸方向上磁場(chǎng)過(guò)大而引起電解槽鋁液層不穩(wěn)定的問(wèn)題，分別增加立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離20、30、40 cm 來(lái)降低Z軸方向磁場(chǎng)大小，增加距離后鋁電解槽Z軸方向磁場(chǎng)分布趨于均勻穩(wěn)定，同時(shí)數(shù)值也有大幅度下降，且隨著距離的增大鋁液層Z軸方向大小逐漸降低，但考慮到生產(chǎn)成本，增加30 cm 為最優(yōu).