420 kA鋁電解槽電熱場(chǎng)仿真及實(shí)測(cè)分析

周小淞，柴婉秋

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

鋁是地球含量最多的金屬，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)原材料。我國(guó)電解鋁產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界第一。鋁電解槽是鋁冶煉的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)型式代表著電解鋁行業(yè)的發(fā)展水平，鋁電解槽保溫內(nèi)襯材料、上部氧化鋁覆蓋料及槽膛內(nèi)形等因素綜合調(diào)節(jié)作用下在槽內(nèi)形成一定的溫度分布，俗稱熱場(chǎng)。合理的熱場(chǎng)是電解槽穩(wěn)定運(yùn)行和槽壽命延長(zhǎng)的基礎(chǔ)[1]。

鋁電解槽的電-熱分布狀況對(duì)槽壽命、能耗、電流效率等有較大影響，因此，對(duì)于鋁電解槽的電-熱場(chǎng)進(jìn)行深入研究十分必要。前人對(duì)鋁電解槽的電-熱場(chǎng)進(jìn)行了大量研究[2-4]，并取得了積極進(jìn)展，電-熱場(chǎng)研究從最初的二維數(shù)值計(jì)算模型逐步發(fā)展為三維模型的研究。該文以有限元分析軟件ANSYS為平臺(tái)，對(duì)某廠420 kA電解槽的電-熱場(chǎng)進(jìn)行了仿真，選取了合適的邊界條件，建立了三維電-熱場(chǎng)模型，進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)測(cè)工藝參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，為電解槽內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電解工藝參數(shù)提供參考。

1 某廠420 kA鋁電解槽仿真分析

1.1 內(nèi)襯方案簡(jiǎn)介

自21世紀(jì)以來(lái)，鋁電解槽大型化研究取得了巨大成果，由135 kA電解槽發(fā)展到現(xiàn)在的600 kA電解槽并已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)鋁電解槽平均壽命為1 957 d[5]，同發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)焙槽平均壽命2 435 d[5]相比，還有提升的空間。眾所周知，影響鋁電解槽壽命的因素有設(shè)計(jì)、內(nèi)襯材料、筑爐質(zhì)量、焙燒啟動(dòng)方式等，其中主要因素就是內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的配置是否合理將在很大程度上影響電解槽壽命。某廠420 kA內(nèi)襯方案見(jiàn)圖1。

圖1 內(nèi)襯方案圖

由圖1-1可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于側(cè)部采用sic、炭塊結(jié)合扎糊；鋼棒頭加強(qiáng)保溫；底部船型搖籃架斜坡處，由陶瓷纖維板結(jié)合硅酸鈣板結(jié)構(gòu)，以控制伸腿。內(nèi)襯設(shè)計(jì)特點(diǎn)總結(jié)：大面散熱，底部保溫。

1.2 控制方程

鋁電解槽穩(wěn)態(tài)電-熱場(chǎng)導(dǎo)電控制為三維導(dǎo)電拉普拉斯方程(1)，導(dǎo)電控制方程為三維導(dǎo)熱泊松方程(2)：

(1)

(2)

式(1)(2)中：ρx、ρy、ρy為各導(dǎo)電材料在3個(gè)維度方向上的電阻率，還與導(dǎo)體的方向和溫度相關(guān)；kx、ky、kz為各材料在三維方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，也隨溫度而變化，V為電位，T為溫度；q為單位容積的焦耳熱，對(duì)不導(dǎo)電部分為0。

1.3 邊界條件

仿真邊界條件工藝參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)提供如見(jiàn)表1。

表1 電解槽核心工藝技術(shù)參數(shù)

使用APDL語(yǔ)言，應(yīng)用Ansys軟件建模，根據(jù)內(nèi)襯方案尺寸建模，建立初設(shè)狀態(tài)爐幫，模型見(jiàn)圖2。

圖2 內(nèi)襯方案模型圖

(1)在電解槽內(nèi)部與高溫熔體接觸的陰極上表面、爐幫及伸腿接觸面、陽(yáng)極炭塊以及上部結(jié)殼表面，加載對(duì)流換熱邊界條件；

(2)設(shè)定熔體、電解槽周邊環(huán)境溫度；

(3)槽殼外表面與空氣接觸面為電解槽側(cè)部主要散熱區(qū)域，在此區(qū)域施加由對(duì)流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)折算獲得的綜合換熱系數(shù)。

在Ansys平臺(tái)上進(jìn)行電熱模擬計(jì)算，獲得溫度場(chǎng)分布。

1.4 仿真結(jié)果

提取Ansys仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，溫度分布表見(jiàn)表2。

表2 溫度分布表

仿真過(guò)程，經(jīng)過(guò)爐幫迭代計(jì)算，最終模型爐幫處溫度與初晶溫度等溫線溫差<0.5 ℃，仿真迭代計(jì)算終止。并進(jìn)入后處理得到爐幫圖及等溫線分布圖，爐幫結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 爐幫仿真結(jié)果圖

圖4 大面等溫線圖

由圖3可見(jiàn)，爐幫9.6 cm，伸腿長(zhǎng)度17 cm。由圖4可見(jiàn)，在干式防滲料和保溫磚界面上的溫度為792 ℃左右，保溫磚長(zhǎng)期穩(wěn)定使用溫度需<800 ℃，由仿真結(jié)果可見(jiàn)800 ℃等溫線高于保溫磚設(shè)計(jì)位置，可以保溫磚長(zhǎng)期有效使用。紅色線為891 ℃等溫線，處于干式防滲料內(nèi)。

陰極炭塊與高強(qiáng)澆注料接觸的角部位置的最低溫度>800 ℃，由圖可見(jiàn)處于791.68 ℃等溫線左側(cè)，超過(guò)為了控制大面伸腿長(zhǎng)度最適合的溫度要求，抑制伸腿生成。由于側(cè)下部增強(qiáng)保溫，所以從等溫線圖可以看出，陰極炭塊靠近端頭最下端的部位等溫線外移。

2 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

仿真邊界條件：槽電壓3.97 V，電解溫度941 ℃，極距4.2 cm，分子比2.42，鋁水平26 cm，電解質(zhì)水平18 cm。邊界條件根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，與實(shí)測(cè)高度統(tǒng)一，才能進(jìn)一步提高仿真的可靠性?，F(xiàn)將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比，對(duì)比仿真結(jié)果中主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 熱場(chǎng)仿真及實(shí)測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比表

側(cè)部鋼板溫度、底部鋼板溫度在生產(chǎn)中均為考察電解槽熱平衡狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)對(duì)電解槽側(cè)部及底部溫度的監(jiān)控，可以掌控電解槽是否存在漏爐風(fēng)險(xiǎn)，側(cè)部溫度過(guò)高，說(shuō)明電解槽爐幫生長(zhǎng)欠佳，如果缺乏側(cè)部爐幫的保護(hù)，電解槽極易出現(xiàn)漏爐風(fēng)險(xiǎn)；側(cè)部溫度過(guò)低，說(shuō)明電解槽偏冷，爐幫過(guò)厚，容易造成電解槽電流效率降低、無(wú)法坐極等問(wèn)題。熱場(chǎng)仿真軟件模擬穩(wěn)態(tài)爐幫厚度及伸腿長(zhǎng)度，可以為如何調(diào)整內(nèi)襯方案的設(shè)計(jì)，以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)工藝的目標(biāo)，提供參考依據(jù)。

由表1-3可知，實(shí)測(cè)與仿真中側(cè)部鋼板溫度及爐幫厚度存在差異，實(shí)測(cè)溫度較高同時(shí)爐幫較薄。底部鋼板溫度差距較小。伸腿長(zhǎng)度實(shí)測(cè)10.3 cm，而仿真結(jié)果為17 cm。

仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比分析：

(1)仿真與實(shí)測(cè)側(cè)部爐幫厚度與鋼板溫度存在差異，但2個(gè)數(shù)據(jù)的差異趨勢(shì)，符合散熱規(guī)律，即爐幫薄，側(cè)部散熱量大，側(cè)部鋼板溫度高；

(2)底部鋼板溫度差距較小；

(3)伸腿長(zhǎng)度仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)長(zhǎng)，原因可能是，實(shí)際電解槽生產(chǎn)過(guò)程中，鋁液流動(dòng)對(duì)伸腿有沖刷作用，而仿真屬于靜態(tài)分析，所以存在一定的偏差。

由于大型電解槽投資巨大，無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)得出合適的電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，該文通過(guò)電熱仿真技術(shù)，為電解槽內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)，一方面可以為電解槽進(jìn)行實(shí)時(shí)體檢，考察生產(chǎn)運(yùn)行狀況，另一方面可以完善綜合對(duì)流換熱系數(shù)等仿真邊界條件的參數(shù)設(shè)定，使仿真結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際更加接近。

下一步工作是通過(guò)大量的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，如槽殼變形對(duì)側(cè)部保溫層接觸的影響等，增強(qiáng)模型與現(xiàn)場(chǎng)的一致性；通過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)一步校對(duì)流換熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)等重要邊界條件，使設(shè)定邊界條件更加接近實(shí)際。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)420 kA鋁電解槽進(jìn)行的電-熱場(chǎng)仿真，結(jié)果顯示：在3.97 V電壓下運(yùn)行，爐幫9.6 cm，伸腿長(zhǎng)度17 cm。等溫線分布滿足800 ℃等溫線在保溫磚以上，可以使保溫磚長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。900 ℃等溫線處于干式防滲料內(nèi)，由于側(cè)下部增強(qiáng)保溫，從等溫線圖可以看出，側(cè)下部等溫線外移現(xiàn)象。仿真評(píng)價(jià)電解槽等溫線分布合理，滿足內(nèi)襯設(shè)計(jì)基本要求，能夠維持電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。選取4臺(tái)電解槽進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)分子比、極距、溫度分布、爐膛形狀進(jìn)行測(cè)試。針對(duì)側(cè)部鋼板溫度、底部鋼板溫度、側(cè)部爐幫厚度、伸腿長(zhǎng)度4個(gè)重要參數(shù)，對(duì)仿真與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果顯示實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果中側(cè)部鋼板溫度、側(cè)部爐幫厚度存在差異，但差異趨勢(shì)復(fù)合散熱規(guī)律；底部鋼板溫度差別較?。簧焱乳L(zhǎng)度存在差異，原因由于靜態(tài)的電熱仿真沒(méi)有考慮鋁液沖刷對(duì)伸腿造成的影響。