420kA鋁電解槽失電后熱場(chǎng)分析及運(yùn)用

孔凡成，徐建新

(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300)

從電解槽設(shè)計(jì)上來看，停電時(shí)間不能超過30 min以上.如果停電時(shí)間超過30 min以上，對(duì)鋁解的正常生產(chǎn)和電解槽的結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，極端的停電情況最終會(huì)導(dǎo)致電解槽瀕臨死亡[1-2].

有限元方法在鋁電解槽電熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的研究中應(yīng)用非常廣泛.早在1971年，Haupin W E首先提出了一個(gè)計(jì)算電解槽槽膛內(nèi)形的一維純導(dǎo)熱模型，通過應(yīng)用該模型進(jìn)行分析，得到了電解槽內(nèi)各部的大概散熱情況，同時(shí)估計(jì)了槽幫的厚度[3].Peacy、A.EK、Dupuis等也相繼開展了電解槽的大量仿真研究，取得了許多突破性的成果[4-9].

國(guó)內(nèi)梅熾、游旺、羅海巖、鄧星球、張欽松、伍玉云、姜艷麗、徐于杰、王恒等在1992年到2016年間，針對(duì)鋁電解槽的各個(gè)部件以及三維整槽模型進(jìn)行仿真，通過仿真對(duì)電解槽各方面的改良提供了指導(dǎo)[10-18].

過去在電解槽熱場(chǎng)的仿真模擬中，都是對(duì)運(yùn)行槽進(jìn)行仿真計(jì)算，沒有針對(duì)失電后的電解槽進(jìn)行仿真計(jì)算的案例，通過對(duì)失電后的熱場(chǎng)進(jìn)行仿真，獲得失電后電解槽內(nèi)介質(zhì)的溫度變化情況，以此給電解槽失電后的應(yīng)急處置及平時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考.基于此本文通過建立420 kA鋁電解槽熱傳遞模型，對(duì)其失電后的熱量散失過程進(jìn)行分析計(jì)算，分析其隨停電時(shí)間的增加，整個(gè)電解槽內(nèi)溫度變化情況.

1 模型及方法

實(shí)際運(yùn)用中的420 kA中間點(diǎn)式下料曲面陰極預(yù)焙槽橫切面、縱切面圖，如圖1、圖2所示.

1.2 模型建立

熱場(chǎng)計(jì)算模型主要包括：陽(yáng)極部分、陰極部分、電解質(zhì)熔體、鋁液、方鋼、槽殼、保溫材料等.本文將某實(shí)際應(yīng)用中的400 kA鋁電解槽作為分析對(duì)象.該420 kA槽長(zhǎng)度為17.78 m、寬度為4.32 m，含48塊陽(yáng)極、48塊陰極，陽(yáng)極中縫寬度為180 mm，間縫寬度為30 mm.實(shí)際生產(chǎn)過程中鋁水平均為33 cm，電解質(zhì)水平平均為15 cm.全槽模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示.

1.3 數(shù)學(xué)模型及定解條件

電解生產(chǎn)過程中，電解槽的熱量來源主要是外部輸入的直流電流在槽內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱，電解質(zhì)的溫度是控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，所以電解槽內(nèi)的熱場(chǎng)符合含有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程：

(1)

公式中：t為溫度；λX，λу，λz分別為三維各個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)，與溫度相關(guān)，W/(m·K)；Φ為由電流通過單位體積電解槽內(nèi)的物料產(chǎn)生的焦耳熱，對(duì)于不導(dǎo)電的材料Φ為0.

停電后電解槽失去了能量來源，此時(shí)電解槽符合沒有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程：

(2)

公式中：τ為時(shí)間，s；ρ為材料密度，kg/m3；c為比熱容，W/(kg·K).

本次電解槽停電后散熱過程的模擬，需要經(jīng)歷兩個(gè)步驟：(1)建立穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析模型；(2)利用穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)模擬，其所涉及的定解條件如下：

初始條件：

(3)

第一類邊界條件：

(4)

第三類邊界條件：

(5)

公式中：T為節(jié)點(diǎn)溫度，℃；T0為初始時(shí)刻溫度，℃；Tf為給定溫度值，℃；λ為導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)；n為換熱表面的外法線.

第一類邊界條件是指物體邊界上的溫度函數(shù)為已知；

第三類邊界條件是指與物體相接觸流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)為已知.

1.4 熱場(chǎng)邊界條件

(1)電解槽周圍溫度按照車間實(shí)測(cè)平均溫度施加為45 ℃，覆蓋料表面平均溫度施加為槽內(nèi)煙氣溫度125 ℃，其余位置根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果給出.

(2) 覆蓋料與槽罩內(nèi)空氣的綜合傳熱系數(shù).

對(duì)流散熱系數(shù)計(jì)算方法如下：

對(duì)流散熱量Φ的計(jì)算公式為

Φ=Ak(Tf1-Tf2)，

(6)

公式中：k為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2℃)；k為環(huán)境溫度，℃；Tf1為槽表面溫度，℃；Tf2為環(huán)境溫度，℃；A為散熱面積，m2.

對(duì)流換熱系數(shù)k使用有限空間自然對(duì)流傳熱的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算式如下：

(7)

公式中：Gr為格拉曉夫數(shù)；g為重力加速度，9.8 m/s2；αv為體脹系數(shù)，等于1/T；Th為壁面高溫，℃；Tc為壁面低溫，℃；δ為冷熱兩表面間的距離，m；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s.

根據(jù)Gr的計(jì)算結(jié)果，確定努塞爾數(shù)Nu關(guān)聯(lián)式如下：

Nu=0.061(GrδPr)1/3.

輻射散熱系數(shù)計(jì)算方法如下：

覆蓋料與槽罩內(nèi)的輻射傳熱符合兩個(gè)漫灰表面組成的封閉腔的輻射傳熱，其換熱公式如下：

(8)

(9)

覆蓋料與槽罩內(nèi)的綜合傳熱系數(shù)

K=K1+K2，

(10)

(3) 電解槽側(cè)部槽殼外表面、方鋼側(cè)面及方鋼頭與周圍環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù).

側(cè)部槽殼、方鋼側(cè)面及方鋼頭對(duì)流散熱符合大空間自然對(duì)流傳熱，其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為

Nu=C(GrPr)n，

(11)

公式中：常數(shù)C和系數(shù)n由Gr值確定.

(12)

根據(jù)公式(7)～公式(12)計(jì)算如表1所示.

表1 各個(gè)位置的對(duì)流系數(shù)

2 仿真結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

(1)穩(wěn)態(tài)溫度云圖與實(shí)際情況對(duì)比

穩(wěn)態(tài)溫度云圖與實(shí)際情況對(duì)比，如圖5、圖6所示.

圖5 穩(wěn)態(tài)溫度云圖

圖6 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比

從圖6可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，但總的溫度分布趨勢(shì)是相互對(duì)應(yīng)的，誤差也在可接受的范圍內(nèi)，說明仿真結(jié)果具備可參考性.

從圖7～圖10可以看出槽殼、陰極、陽(yáng)極的縱向溫度分布以及方鋼的橫向溫度分布均形成較大的溫度梯度，其中溫差最大的是方鋼，溫差達(dá)到848 ℃，溫差最小的是陰極溫差達(dá)到148 ℃.

(2)網(wǎng)格無關(guān)驗(yàn)證

50 mm網(wǎng)格劃分陰極溫度云圖如圖9所示，與圖13對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)其溫度差別非常微小，說明網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果影響較小.

圖13 10 mm網(wǎng)格劃分陰極溫度云圖

(3)30 min瞬態(tài)溫度對(duì)比分析

從對(duì)比柱狀圖14中可以看出，停電30 min后，對(duì)比的5個(gè)溫度點(diǎn)變化較小，最大溫差存在于槽殼溫度比對(duì)點(diǎn)D上，溫差達(dá)到1.9 ℃，最大溫度點(diǎn)下降6 ℃，有一定的溫度降幅.

圖14 失電30 min與穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)比圖

(4)2 h瞬態(tài)溫度對(duì)比分析

從對(duì)比柱狀圖15中可以看出，停電2 h后，對(duì)比的5個(gè)溫度點(diǎn)有明顯的溫度變化，最大溫差存在于槽殼溫度比對(duì)點(diǎn)C上，溫差達(dá)到11.72 ℃，電解質(zhì)F點(diǎn)的溫度也下降了5.7 ℃，最大溫度點(diǎn)下降9.62 ℃，降溫明顯，但B點(diǎn)溫度依然無明顯變化，說明槽底部保溫效果較好.

圖15 停電2 h與穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)比圖

(5)4 h瞬態(tài)溫度分部圖

圖16 失電4 h后的溫度云圖

從對(duì)比柱狀圖17中可以看出，停電4 h后，對(duì)比的5個(gè)溫度點(diǎn)溫度變化較大，最大溫差存在于槽殼溫度比對(duì)點(diǎn)C上，溫差達(dá)到16.39 ℃，電解質(zhì)F點(diǎn)的溫度下降了14.21 ℃，最大溫度點(diǎn)下降19.08 ℃，電解質(zhì)的溫度已經(jīng)落入了初晶溫度范圍內(nèi)，B點(diǎn)溫度下降依然較小，除B點(diǎn)外其余4個(gè)溫度對(duì)比點(diǎn)的溫度降幅均超過13 ℃.

圖17 停電4 h與穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)比圖

(6)瞬態(tài)溫度曲線變化分析

從圖18可以看出，電解質(zhì)和鋁液的溫度呈線性下降，陰極的溫度并不是線性下降，溫度下降的速度為u電解質(zhì)>u鋁液>u陰極，這是由槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，電解槽底部保溫比電解槽上部保溫要好，所以陰極的溫度下降要緩慢的多.從圖19可以看出陽(yáng)極溫度下降緩慢，槽殼溫度下降速度明顯大于陽(yáng)極.

2.2 熱通量分析

從圖20～圖22可以看出，電解槽槽殼兩個(gè)側(cè)面熱通量最大，底部最小，槽殼側(cè)面方鋼以上的部分熱通量比槽殼方鋼以下的部分熱通量要大一倍，槽殼總的熱通量比陽(yáng)極熱通量要大27 509 W/m2，因此電解槽加強(qiáng)槽殼側(cè)面保溫，尤其是方鋼以上側(cè)面部分的保溫，能夠大幅降低電解槽的能量損失.

圖20 整體熱通量分布云圖

2.3 失電后槽況分析

(1) 通過仿真結(jié)果可以看出，電解槽在停電30 min內(nèi)，槽內(nèi)介質(zhì)溫度變化較小，在3 ℃～5 ℃范圍內(nèi)，對(duì)電解槽在啟動(dòng)生產(chǎn)幾乎沒有影響；

(2) 電解槽停電2 h，槽內(nèi)電解質(zhì)溫度下降約15 ℃左右，此時(shí)電解質(zhì)溫度已經(jīng)達(dá)到初晶溫度，電解質(zhì)最大溫度降低到929 ℃左右，對(duì)電解槽在啟動(dòng)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，系列電流短時(shí)間不能達(dá)到正常生產(chǎn)的直流電流強(qiáng)度，需要通過2 h～3 h左右的能量平衡，才能夠恢復(fù)到正常的直流電流強(qiáng)度，在恢復(fù)過程中電解槽效應(yīng)頻繁，導(dǎo)致功耗增加和能源浪費(fèi).

(3) 電解槽停電4 h，槽內(nèi)電解質(zhì)溫度下降約20 ℃左右，電解質(zhì)最大溫度下降到915 ℃左右，鋁液最大溫度降低到918 ℃，最小溫度下降到894 ℃左右，此時(shí)電解質(zhì)收縮嚴(yán)重，鋁液和電解質(zhì)沒有明顯的邊界層，此時(shí)啟動(dòng)電解槽難度較大，一方面電解質(zhì)電阻較大，系列電流難以在短時(shí)間恢復(fù)到正常水平，另一方面在啟動(dòng)過程中可能發(fā)生由于電流分布不均勻?qū)е玛?yáng)極脫落的情況發(fā)生.

(4)電解槽停電8 h，槽內(nèi)電解質(zhì)溫度下降到890 ℃，鋁水溫度下降到893 ℃左右，此時(shí)電解質(zhì)完全下沉，鋁液上翻，再次啟動(dòng)電解槽比較困難.

2.4 失電后經(jīng)濟(jì)損失分析

電解槽失電后通常會(huì)造成產(chǎn)量損失、電費(fèi)損失、原料損失、人工損失、病槽死槽損失等.

(1)產(chǎn)量損失

失電后的產(chǎn)量損失通?？梢园凑障率接?jì)算：

(13)

公式中：W為損失的鋁產(chǎn)量，t；I為電流強(qiáng)度，kA；L為電化當(dāng)量，t.AL/KA通常取0.335 5；p為電流效率，通常取0.93；n為生產(chǎn)槽臺(tái)數(shù)，視具體生產(chǎn)線而定；d為生產(chǎn)天數(shù).

根據(jù)公式(13)，假設(shè)生產(chǎn)槽臺(tái)數(shù)為200臺(tái)，則停電30 min，損失鋁產(chǎn)量為12噸，停電2 h損失鋁產(chǎn)量為52噸鋁，停電4 h損失鋁產(chǎn)量108噸.若鋁價(jià)格按14 000元/噸計(jì)算，則停電30 min損失168 000元，2 h損失728 000元，4 h損失15 12 000元.

(2)電費(fèi)損失

恢復(fù)送電后，因失電時(shí)間長(zhǎng)造成電解質(zhì)電阻增大，運(yùn)行電壓較高，效應(yīng)頻發(fā)，造成大量電能浪費(fèi).

(3)材料損失

失電后的電解槽，當(dāng)時(shí)間超過2 h電解質(zhì)會(huì)有明顯的收縮，恢復(fù)送電后為了恢復(fù)正常的生產(chǎn)工藝，需要投入比正常生產(chǎn)時(shí)更多的冰晶石、氟化鹽等物料.

(4)病槽死槽損失

失電后在恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，電解槽極易形成病槽死槽，失電時(shí)間越長(zhǎng)，形成病槽死槽的概率越大，重新修理一臺(tái)420 kA的電解槽需要花費(fèi)100萬以上的費(fèi)用.

3 結(jié) 論

本文通過建立420 kA鋁電解槽全槽模型，應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，得出的主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)果有：

(1)建立了電解槽全槽穩(wěn)態(tài)熱場(chǎng)計(jì)算模型，重點(diǎn)計(jì)算了槽殼及覆蓋料表面的對(duì)流散熱系數(shù).經(jīng)過仿真分析，得到了電解槽失電前的溫度分布、 散熱量分布，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)仿真得到的溫度分布與實(shí)測(cè)溫度分布具有較好的一致性，證明了本文仿真模型及參數(shù)設(shè)置的合理性.同時(shí)通過對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)熱通量分析發(fā)現(xiàn)電解槽整個(gè)槽殼側(cè)面方鋼以上的部分熱量散失較為嚴(yán)重，加強(qiáng)槽殼側(cè)面方鋼以上部分的保溫效果可以大幅度降低能量損耗.

(2)建立了電解槽瞬態(tài)熱場(chǎng)計(jì)算模型，首次模擬了失電后隨停電時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)間電解槽內(nèi)各部件、各介質(zhì)的溫度變化情況.

基于仿真分析結(jié)果，在電解槽的風(fēng)險(xiǎn)管理中，30 min以內(nèi)的停電事故屬性一般性停電事故，2 h以上的停電事故屬于較大事故，4 h以上停電事故屬于重大停電事故.平時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)管理中要做好風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控，避免發(fā)生30 min以內(nèi)停電事故，杜絕發(fā)生2 h以上的停電事故.