基于鋁電解槽陽(yáng)極組電-熱場(chǎng)分析的磷生鐵結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

王周鵬,鄧勝祥

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系,上海 201620;2.上海工程技術(shù)大學(xué) 新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 201620)

在國(guó)家“能源雙控”以及“碳達(dá)峰、碳中和”的要求下,國(guó)家下達(dá)的對(duì)鋁電解行業(yè)實(shí)行階梯電價(jià)政策,按電解鋁行業(yè)鋁液綜合交流電耗對(duì)階梯電價(jià)進(jìn)行分檔,2022年分檔標(biāo)準(zhǔn)為每噸13,650千瓦時(shí)。如何在確保安全、環(huán)保的前提下實(shí)現(xiàn)該指標(biāo),已成為鋁電解工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。

鋁電解槽的陽(yáng)極組主要由鋁導(dǎo)桿、陽(yáng)極鋼爪、磷生鐵以及陽(yáng)極炭塊組成,鋁導(dǎo)桿與陽(yáng)極鋼爪焊接后,鋼爪再與陽(yáng)極炭塊通過(guò)澆鑄磷生鐵連接。對(duì)于降低陽(yáng)極壓降的研究,主要集中在陽(yáng)極炭塊[2]、陽(yáng)極鋼爪的形狀和尺寸優(yōu)化上。楊玉榮等[3-4]使用有限元軟件ANSYS建立了陽(yáng)極組電-熱直接耦合仿真的計(jì)算模型,針對(duì)陽(yáng)極鋼爪電壓降偏高,電流分布較不均勻等問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,新型節(jié)能鋼爪壓降降低了20.3 mV,各鋼爪間電流分布更加均勻。鮑亮等[5]基于COMSOL模擬仿真了不同鋼爪數(shù)量對(duì)陽(yáng)極壓降的影響,并進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,單增加陽(yáng)極鋼爪個(gè)數(shù)不能有效降低鋼爪結(jié)構(gòu)電阻,而通過(guò)改變鋼爪進(jìn)電路徑,使得電流分布更均勻,并降低陽(yáng)極壓降。王富強(qiáng)等[6]基于ANSYS平臺(tái)研究了陽(yáng)極炭塊組的電-熱-應(yīng)力場(chǎng)分布,為某鋁廠解決了陽(yáng)極開(kāi)裂的實(shí)際問(wèn)題。在接觸壓降的研究中,Richard等[7]在ANSYS平臺(tái)上建立弱耦合的電-熱-應(yīng)力模型,重點(diǎn)考察了接觸電阻率的獲得以及計(jì)算方法。楊帥等[8]通過(guò)仿真模擬了含鋼爪與炭碗結(jié)構(gòu)的半陽(yáng)極有限元模型,得出接觸壓降約占整個(gè)陽(yáng)極壓降的17%。李拓夫等[9]基于ANSYS有限元軟件,建立三維熱-電-應(yīng)力耦合模型,考察不同的鋼爪直徑和磷生鐵厚度對(duì)陽(yáng)極組的熱-電-應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明,磷生鐵厚度增加,陽(yáng)極壓降降低,陽(yáng)極溫度和應(yīng)力的變化可以忽略。陽(yáng)極組接觸壓降往往與應(yīng)力密切相關(guān)。趙紅軍[10]通過(guò)對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極炭塊的炭碗進(jìn)行開(kāi)槽設(shè)計(jì)。此舉在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中,既降低陽(yáng)極鐵碳?jí)航?又克服了鋼爪彎曲變形造成的一系列問(wèn)題,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

磷生鐵與炭塊之間的潤(rùn)濕性很差,通電運(yùn)行時(shí)存在電接觸從而產(chǎn)生接觸壓降,而接觸壓降與應(yīng)力密切相關(guān),但是從文獻(xiàn)[9-10]進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和仿真模擬的結(jié)果來(lái)看,僅改變磷生鐵結(jié)構(gòu),在降低陽(yáng)極壓降效果更加顯著,同時(shí)鋼爪的變形彎曲被克服,說(shuō)明此時(shí)受應(yīng)力的影響很小。因此,本文以某廠400 kA 鋁電解槽陽(yáng)極組為研究對(duì)象,基于ANSYS平臺(tái)建立單陽(yáng)極組模型,并進(jìn)行電-熱分析,暫時(shí)未考慮應(yīng)力的影響。將仿真值與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上對(duì)炭碗結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)槽,優(yōu)化磷生鐵的尺寸,考察磷生鐵的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)陽(yáng)極組壓降以及溫度場(chǎng)分布的影響。

1 理論基礎(chǔ)及模型

1.1 控制方程

鋁電解槽電場(chǎng)的導(dǎo)電微分拉普拉斯方程為:

(1)

式中:V——標(biāo)量電壓,V;

ρx,ρy,ρz——電阻率,Ω·m。

陽(yáng)極熱場(chǎng)計(jì)算導(dǎo)熱微分方程:

(2)

式中:λx,λy,λz——分別為x,y,z三個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

qvol——單位時(shí)間和體積中內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量,W;

T——節(jié)點(diǎn)溫度,K。

1.2 接觸壓降

磷生鐵與炭塊間的接觸壓降可由下式計(jì)算:

(3)

式中:φc——接觸電壓,V;

I——電流,A;

Rc——接觸電阻率,Ω·m2;

S——接觸面積,m2。

1.3 模型及邊界條件

本研究在ANSYS平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值仿真,以某鋁廠400 kA鋁電解槽為模擬研究對(duì)象,每臺(tái)電解槽安裝48組陽(yáng)極,假設(shè)單組陽(yáng)極平均通過(guò)的電流為400 kA/48≈8.33 kA。采用電-熱耦合單元 Solid69 建模,單陽(yáng)極組模型網(wǎng)格劃分生成單元328,536個(gè),模型節(jié)點(diǎn)532,684個(gè)。電-熱邊界條件的設(shè)置如圖1所示,磷生鐵結(jié)構(gòu)如圖2所示;考慮陽(yáng)極組各種材料電阻率隨溫度的變化;不考慮卡具壓降的影響,并且由于爆炸焊塊的實(shí)際壓降很低,也不作考慮。

圖1 電-熱邊界條件示意圖

圖2 磷生鐵結(jié)構(gòu)示意圖

表1 陽(yáng)極工作組主要參數(shù)

導(dǎo)電和熱邊界條件由圖1所示,通過(guò)在設(shè)置不同標(biāo)簽給出。陽(yáng)極電流從鋁導(dǎo)桿上端部C的位置流入8.33 kA,從陽(yáng)極炭塊底掌A的位置流出,設(shè)陽(yáng)極炭塊下表面為零電位,電壓為0 V。位置D表示的是槽蓋板外面的導(dǎo)桿;位置E為槽蓋板和覆蓋料之間的部分;位置F用于代表覆蓋料的熱保溫條件;標(biāo)簽I代表上部結(jié)殼;標(biāo)簽H代表上部結(jié)殼與電解質(zhì)之間的炭塊;標(biāo)簽G代表與電解質(zhì)接觸的熱邊界條件;標(biāo)簽B由于與周?chē)年?yáng)極對(duì)稱(chēng),設(shè)置0熱流率。

磷生鐵結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,陽(yáng)極組主要參數(shù)表1所示。

1.4 材料屬性

磷生鐵與陽(yáng)極炭塊間的接觸電阻率根據(jù)文獻(xiàn)[11]取2×10-6Ω·m2。鋼爪和磷生鐵之間的接觸電導(dǎo)率[12]取 5 S/mm2。炭塊、鋼爪、磷生鐵和鋁導(dǎo)桿的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率取自文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證及改進(jìn)

通過(guò)將仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的電場(chǎng)及溫度場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比,來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)中忽略了卡具壓降和爆炸焊壓降約30 mV左右,見(jiàn)表2。

表2 電壓測(cè)試值與模擬值對(duì)比

圖3 陽(yáng)極電場(chǎng)、熱場(chǎng)分布云圖

在圖3(a)電場(chǎng)分布云圖中,電流從鋁導(dǎo)桿的頂部流入,在鋁導(dǎo)桿和鋼爪的連接處分流。陽(yáng)極組的電勢(shì)分布整體上保持對(duì)稱(chēng),觀察到中間的鋼爪電勢(shì)明顯高于兩側(cè)鋼爪的電勢(shì),這是鋼爪電流分布不均勻引起的,鋼爪的平均壓降明顯較高。磷生鐵的壓降受其影響,同樣也是兩側(cè)較低,中間較高。當(dāng)電流流至陽(yáng)極炭塊處時(shí),電流從上往下流,炭塊壓降由上至下呈放射狀分布,梯度分布非常明顯。

由圖3(b)可知,槽蓋板外面的鋁導(dǎo)桿溫度在84～120℃左右,鋼爪的溫度在320～703℃左右,陽(yáng)極炭塊的溫度在630～950℃左右。溫度變化基本符合文獻(xiàn)[9]中的溫度范圍。從溫度的變化云圖中,鋁導(dǎo)桿位置越往下溫度梯度的分布越明顯。炭塊外面的鋼爪溫度梯度分布同樣明顯,兩側(cè)的鋼爪由于受到了鋁電解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的高溫氣體影響,所以溫度較高,而中間的鋼爪溫度相對(duì)較低;伸入炭塊當(dāng)中的鋼爪受炭塊的溫度影響,同樣也是呈現(xiàn)出兩側(cè)高、中間低的溫度分布情況。對(duì)于陽(yáng)極炭塊的溫度分布,由于陽(yáng)極底部浸入電解質(zhì),陽(yáng)極底掌的溫度最高,兩側(cè)的炭塊受到電解質(zhì)界面波動(dòng)以及鋁電解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的高溫氣體影響,因此炭塊兩側(cè)的溫度較高,中間的溫度較低,陽(yáng)極組溫度呈現(xiàn)梯度分布。

2.2 陽(yáng)極組的優(yōu)化思路

通過(guò)對(duì)陽(yáng)極組的電場(chǎng)和熱場(chǎng)的分析,陽(yáng)極組電場(chǎng)的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)基本相符。電場(chǎng)作為源項(xiàng),電流分布的均勻性直接決定了陽(yáng)極壓降和電能損耗的大小,同時(shí)對(duì)于整個(gè)電解過(guò)程和電流效率也有影響。溫度場(chǎng)的變化也受到電場(chǎng)的影響,溫度的變化反過(guò)來(lái)又會(huì)影響材料的電阻率,進(jìn)而影響電場(chǎng)分布。在仿真模擬的過(guò)程中,考慮鋼爪與磷生鐵、磷生鐵與陽(yáng)極炭塊之間的接觸壓降,得到的鋁電解槽陽(yáng)極壓降較高。在文獻(xiàn)[10]中報(bào)道的開(kāi)槽技術(shù)可以降低陽(yáng)極鐵碳?jí)航?使得電流的分布更加均勻。

因此對(duì)于陽(yáng)極組的優(yōu)化主要集中在炭碗開(kāi)槽尺寸,也就是改變磷生鐵澆鑄的形狀和尺寸,考察其對(duì)陽(yáng)極壓降和溫度分布的影響。

2.3 開(kāi)槽寬度和高度對(duì)電場(chǎng)和熱場(chǎng)的影響

對(duì)炭碗進(jìn)行開(kāi)槽處理,將四個(gè)磷生鐵環(huán)連接,計(jì)算開(kāi)槽寬度30～70 mm下的陽(yáng)極壓降變化情況,結(jié)果如圖4(a)所示。開(kāi)槽寬度的增大,使得磷生鐵與炭塊間的接觸面積增大,陽(yáng)極壓降降低。寬度為30 mm時(shí),相比未開(kāi)槽的陽(yáng)極組,陽(yáng)極壓降降低了3.1 mV。當(dāng)寬度繼續(xù)增大至70 mm時(shí),陽(yáng)極壓降降幅約1.85 mV,總降幅約為1.19%。

圖4 開(kāi)槽寬度和高度對(duì)陽(yáng)極壓降的影響

選擇在開(kāi)槽寬度為70 mm的基礎(chǔ)上,改變開(kāi)槽的深度,即開(kāi)槽位置處的磷生鐵高度,考察其對(duì)陽(yáng)極壓降的影響。計(jì)算高度分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm以及130 mm的陽(yáng)極壓降,結(jié)果如圖4(b)所示。高度增大同樣可以減小陽(yáng)極壓降。當(dāng)溝槽高度由90 mm增至130 mm時(shí),壓降降低了1.62 mV。高度的增大,使得磷生鐵與炭塊間的接觸面積增大,從而減小接觸壓降。在考慮合適的開(kāi)槽尺寸方面,高度為130 mm時(shí)盡管降低了陽(yáng)極壓降,與120 mm開(kāi)槽高度所降低的陽(yáng)極壓降相差為0.57 mV,占總降幅的35.19%。130 mm的高度下對(duì)陽(yáng)極壓降的影響顯著,并不像之前的幅度變化,鐵炭接觸電阻明顯增大[14],也會(huì)造成殘陽(yáng)極高度的增大,減小換極周期,這對(duì)于殘陽(yáng)極的處理以及降低炭耗方面是不利的。因此選寬度為70 mm,高度為120 mm的開(kāi)槽尺寸,得到溫度分布云圖如圖5所示。

對(duì)于圖5的溫度分布云圖,與圖3(b)相比,溫度的最大和最小值并沒(méi)有明顯的變化,但是陽(yáng)極炭塊與鋼爪頭連接處的溫度分布變化較大。而中間的兩鋼爪和磷生鐵溫度低于700℃的區(qū)域明顯減少,鋼爪伸入炭碗內(nèi)的溫度分布也更均勻,受到熱應(yīng)力的影響會(huì)相對(duì)較小,這對(duì)于鋼爪的保護(hù)以及與炭塊的穩(wěn)定連接是有利的。而陽(yáng)極炭塊的溫度依舊是自上而下的明顯梯度分布。

圖5 寬度70 mm,高度120 mm的溫度云圖

2.4 改進(jìn)磷生鐵結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)和熱場(chǎng)的影響

在開(kāi)槽磷生鐵的高度為120 mm基礎(chǔ)上,設(shè)置鋼爪處磷生鐵外徑等于開(kāi)槽處磷生鐵的寬度,得到改進(jìn)磷生鐵的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)磷生鐵結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)磷生鐵結(jié)構(gòu)圖

圖7 磷生鐵外徑大小對(duì)陽(yáng)極壓降的影響

分別計(jì)算磷生鐵外徑為100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm時(shí)的陽(yáng)極壓降,結(jié)果如圖7所示。改進(jìn)后的磷生鐵結(jié)構(gòu)使得陽(yáng)極壓降明顯降低。當(dāng)磷生鐵外徑由100 mm增至140 mm時(shí),壓降降低了19.72 mV,相比未進(jìn)行開(kāi)槽設(shè)計(jì)的陽(yáng)極壓降,降低了29.03 mV,總降幅約為6.97%。陽(yáng)極炭塊的電阻率要大于磷生鐵的電阻率,增大磷生鐵的澆鑄厚度意味著減小陽(yáng)極炭塊上的壓降,同樣也增加了磷生鐵與炭塊間的接觸面積,陽(yáng)極壓降的降幅較大。而對(duì)于磷生鐵外徑為140 mm時(shí),得到的溫度分布如圖8所示,溫度的分布并沒(méi)有明顯的變化,伸入炭碗內(nèi)的中間兩鋼爪頭的溫度升高,整體分布更均勻。

圖8 改進(jìn)磷生鐵結(jié)構(gòu)外徑為140 mm時(shí)的溫度云圖

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬仿真的方法,基于ANSYS平臺(tái)對(duì)400 kA鋁電解槽單陽(yáng)極組進(jìn)行電-熱場(chǎng)分析,并對(duì)磷生鐵的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,得到的結(jié)論如下:

(1)在相鄰炭碗之間開(kāi)槽可以降低陽(yáng)極壓降,陽(yáng)極壓降隨著開(kāi)槽寬度的增大而降低。70 mm的開(kāi)槽寬度下,相比于未開(kāi)槽的陽(yáng)極組,陽(yáng)極壓降降低了4.95 mV,降幅約為1.19%;開(kāi)槽高度從90增大至130 mm,陽(yáng)極壓降僅降低了1.62 mV。

(2)改進(jìn)了磷生鐵結(jié)構(gòu),當(dāng)開(kāi)槽的寬度與鋼爪處磷生鐵的外徑保持一致時(shí),陽(yáng)極壓降下降明顯。當(dāng)磷生鐵外徑從100 mm增大至140 mm時(shí),陽(yáng)極壓降降低19.72 mV,而相比未開(kāi)槽的陽(yáng)極組壓降,降低了29.03 mV,總體降幅約為6.97%。中間炭碗處的兩鋼爪頭溫度升高,鋼爪頭處的溫度分布更均勻,有利于陽(yáng)極炭塊均勻消耗,鋁電解槽平穩(wěn)運(yùn)行。

(3)為優(yōu)化磷生鐵以及炭碗結(jié)構(gòu)提供思路,對(duì)于降低陽(yáng)極壓降有一定的參考價(jià)值。