某500 kA大型鋁電解槽設(shè)計和測試情況概述

劉 正，呂維寧，何 嵩，楊朝紅

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著大型預(yù)焙槽的技術(shù)成熟與推廣，我國目前正由鋁工業(yè)大國向鋁工業(yè)強國轉(zhuǎn)變，其中最具代表性的500 kA鋁電解槽自2010年開始系列化生產(chǎn)后應(yīng)用更趨廣泛，技術(shù)日趨成熟可靠，500 kA鋁電解槽已成為我國現(xiàn)階段的主流槽型。目前國內(nèi)4400多萬噸電解鋁產(chǎn)能中，400 kA及以上電解槽產(chǎn)能已高達3 000多萬噸。文章就已正常生產(chǎn)的某500 kA電解系列的設(shè)計、測試及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比分析，以供同行從業(yè)人員參考。

1 500 kA電解槽主要設(shè)計參數(shù)

鋁電解槽是鋁電解企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]，因此，在某種意義上說，鋁電解槽設(shè)計技術(shù)代表了電解鋁企業(yè)的技術(shù)水平。大型預(yù)焙鋁電解槽是一個集熱場、力場、磁場、電場、流場等多物理場耦合的復(fù)雜對象，且各物理場互相制約、互相影響，生產(chǎn)過程中需要做到各方面均衡匹配的一個復(fù)雜系統(tǒng)[2]。

電解槽核心設(shè)計參數(shù)如陽極組數(shù)、陽極電流密度等的確定需考慮各方面的因素，如原材料來源、電解質(zhì)成分、鋁電解生產(chǎn)企業(yè)的電價、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、場地情況等。

在考慮上述因素的情況下，某500 kA系列鋁電解槽主要設(shè)計參數(shù)見表1。

1.1 電場設(shè)計

該系列電解槽采用了合理的電磁場模型的模擬，充分考慮了鄰列槽、上下游槽的影響和槽殼的屏蔽作用，在采用大面6點進電，48組陽極配置模式的基礎(chǔ)上，采用了非對稱母線設(shè)計。設(shè)計的電解槽電流分布見圖1-4。

從圖中可以看出，該500 kA大型電解槽的陰極電流分布偏差控制在-3.7 %～2 %之間，立柱母線電流分布偏差-0.8 %～1.1 %之間，陰極和立柱電流分布偏差都非常小，有利于提高電解槽的穩(wěn)定性。

1.2 磁場設(shè)計

鋁電解槽上通過的電流會產(chǎn)生強大的磁場，磁場分布的好壞直接影響到流場及磁流體穩(wěn)定性的好好，這將對電解槽的生產(chǎn)操作、電解槽的壽命、電解能耗和電流效率產(chǎn)生巨大的影響，這使得對電解槽磁場的計算研究愈顯重要[3]。

鋁電解生產(chǎn)過程中有巨大的直流電流經(jīng)鋁母線、陽極、熔體、陰極等部位，因此產(chǎn)生了高達數(shù)百高斯的強大磁場，電解槽內(nèi)的磁場又與熔體中的電流相互作用產(chǎn)生電磁力，進而推動槽內(nèi)熔體流動，其結(jié)果一方面有利于氧化鋁的溶解，另一方面導(dǎo)致鋁液面隆起、偏斜和波動，影響電解槽工作穩(wěn)定性，致使電流效率的下降、能耗增加，嚴重時可能發(fā)生“滾鋁”等事故。因此，設(shè)計上必須尋求理想的母線配置，以使電解槽槽內(nèi)溶體中電磁力能夠控制在合理范圍內(nèi)，從而滿足電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的需要[4]。

圖1 A側(cè)陰極電流分布

圖2 B側(cè)陰極電流分布

圖3 陰極電流分布偏差

圖4 立柱電流分布偏差

目前大型鋁電解槽磁場設(shè)計有自補償、外補償?shù)?種主流設(shè)計模式，結(jié)合該項目特征，母線設(shè)計采用了外補償配置模式，為了補償鄰列廠房電解槽的磁場影響，該500 kA電解系列外補償母線設(shè)計采用了在煙道端和出鋁端進行大電流非對稱配置的補償模式，簡化了槽周母線設(shè)計，有效降低了鋁液流速，提高了電解槽的磁流體穩(wěn)定性。

同時，該500 kA電解系列槽周母線采用了新型抗擾穩(wěn)流母線配置技術(shù)，運用數(shù)字化計算軟件進行建模、輸入邊界條件、仿真計算，磁場的計算結(jié)果見圖5。

圖5 500 kA電解槽磁場設(shè)計計算結(jié)果

從圖5列表可見，全槽鋁液層有近94 %的區(qū)域Z方向的磁感應(yīng)強度都控制在±10 Gs以內(nèi)，垂直磁場的梯度變化很小，符合大型預(yù)焙陽極電解槽的磁場設(shè)計標準，能夠滿足電解槽高效、穩(wěn)定生產(chǎn)的需要。

1.3 熱場設(shè)計

預(yù)焙陽極結(jié)構(gòu)形式見圖6，陽極采用4個鋼爪結(jié)構(gòu)，陽極長1 770 mm、寬770 mm、高650 mm，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)見圖7。

圖6 電解槽陽極圖

1.3.1 溫度分布

溫度分布云圖及等溫線分布分別見圖8、圖9。從圖中可以看出，鋁電解槽底部的溫度梯度主要產(chǎn)生在保溫層中。在陰極炭塊的端部，陰極鋼棒與炭塊接觸面的溫度<900 ℃，這一溫度低于滲透在陰極炭塊中電解質(zhì)的液相線溫度，從而使得滲入陰極的電解質(zhì)在此沉積[5]，避免電解質(zhì)等高溫化合物對內(nèi)襯產(chǎn)生的破壞作用，同時避免隔熱材料被侵蝕。另外800 ℃等溫線在防滲料層的范圍內(nèi)，未進入防滲料下的保溫層，因此該內(nèi)襯設(shè)計，等溫線分布合理安全。

圖8 溫度分布云圖

圖9 等溫線分布圖

1.3.2 爐膛形狀計算

該系列500 kA電解槽爐膛形狀計算見圖10。

圖10 爐幫分布曲線

在爐膛方面，爐幫伸腿較為理想(仿真計算的爐幫厚度為14.5 cm)。合理的爐膛形狀有利于減小電解槽槽內(nèi)水平電流，同時爐幫的厚度適中，能夠防止電解質(zhì)對槽內(nèi)襯側(cè)壁的侵蝕。

綜上所述，該500 kA電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計能確保電解槽維持3.92 V的工作電壓，且可獲得較好的爐膛形狀與溫度分布，進而能為電解槽獲得高效與穩(wěn)定的技術(shù)指標創(chuàng)造良好的條件。

1.4 結(jié)構(gòu)場設(shè)計

該500 kA電解槽槽殼受力計算采用成熟的三維電-熱-力三場耦合計算仿真模型，見圖11。

圖11 槽殼及搖籃X、Y、Z方向的變形云圖

如圖11所示，槽殼X方向最大變形為49.6 mm，Y方向最大變形為20.9 mm，Z方向的最大變形為35.4 mm。該500 kA槽槽殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足變形及應(yīng)力安全條件，可以獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。

2 測試及生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.1 電磁場分析驗證

為了檢驗?zāi)妇€設(shè)計采用的新型抗擾穩(wěn)流母線配置技術(shù)，該文收集了該500 kA系列部分電解槽某臺槽來效應(yīng)時對上下游槽的影響，具體見圖12。

1719#槽(效應(yīng)槽)

可以看出，當(dāng)臺槽發(fā)生陽極效應(yīng)時，對上下游的擾動非常小(基本不受影響)。說明該500 kA電解槽采用了新型抗擾穩(wěn)流母線配置技術(shù)后，電解槽的電場分布良好，有較好的穩(wěn)定性。

2.2 熱場分析驗證

為了跟蹤該500 kA電解槽的熱場及爐膛情況，在每個工區(qū)測試了1臺槽(共8個測點)的爐幫厚度數(shù)據(jù)，測量結(jié)果見表2，8臺槽的爐幫平均厚度為13.1 cm。

表2 該500 kA電解槽爐幫厚度測量結(jié)果(cm)

從表2的測試數(shù)據(jù)看，爐幫厚度實測值和設(shè)計計算值吻合度非常好，說明了電解槽內(nèi)襯設(shè)計的合理性。

該電解系列1101#槽的爐底鋼板溫度見圖13，A側(cè)平均84.9 ℃，B側(cè)平均84.3 ℃。該電解系列1816#槽的爐底鋼板溫度見圖14，A側(cè)平均為87.1 ℃，B側(cè)平均為84.5 ℃。

圖13 1101#槽的爐底鋼板溫度

圖14 1816#槽爐底鋼板溫度

從上述2臺電解槽(投產(chǎn)時間約1年)爐底鋼板溫度情況看，溫度約85 ℃，是比較合理的溫度分布結(jié)果，說明該系列電解槽的能量利用率較高。

該電解系列實際運行過程中，在500 kA的運行電流下，維持3.92 V的工作電壓可以獲得較好的爐膛形狀與溫度分布，合理的溫度分布結(jié)果在一定程度上抑制了電解槽的形變。

2.3 力場分析

通過測試A、B鋼梁頂部與其正上方對應(yīng)搖籃架底面的凈距，用以判斷電解槽爐底鋼板上拱變形量，從而判斷槽殼豎向變形情況。該系列其中某次測量電解槽爐底鋼板最大上拱量測量結(jié)果見表3，爐底鋼板最大上抬量平均為15.8 mm。

表3 電解槽上拱變形及縱向變形表

同時測試了該系列部分電解槽通電前及生產(chǎn)一段時間后槽殼邊緣距離煙道端及出鋁端樓板的間距變化，從而判斷其縱向變形情況。從表3可見，縱向變形均值分邊為31.1 mm和27.5 mm。

實際測量數(shù)值在設(shè)計允許范圍內(nèi)，在采用整體焊接直角槽殼技術(shù)后，明顯改善了應(yīng)力集中，減小了槽殼變形。

3 結(jié) 語

該500 kA系列電解槽通過新型抗擾穩(wěn)流母線配置，大幅度降低了當(dāng)臺槽效應(yīng)帶來的上下游電解槽的波動。合理的內(nèi)襯設(shè)計，使得爐膛形狀和溫度分布都較為合理，配合新型焊接直角槽殼技術(shù)，減小了槽殼各個方向的變形。通過設(shè)計計算與各項生產(chǎn)參數(shù)實測對比，該500 kA系列電解槽處于大型預(yù)焙槽技術(shù)先進水平。