靜流式鋁電解槽磁場仿真及設計

梁學民, 李 劼 張紅亮 王有山, 呂曉軍 張翮輝 劉業翔

(1.中南大學 冶金科學與工程學院，長沙 410083；2. 河南中孚實業股份有限公司，鞏義 451200)

靜流式鋁電解槽磁場仿真及設計

梁學民1,2, 李 劼1, 張紅亮1, 王有山2, 呂曉軍1, 張翮輝1, 劉業翔1

(1.中南大學 冶金科學與工程學院，長沙 410083；2. 河南中孚實業股份有限公司，鞏義 451200)

通過對槽內磁場、電流場的分析和研究，提出一種靜流式鋁電解槽的概念，采用陰極垂直出電的方式代替目前的水平出電方式，從而大幅度降低鋁液層中的水平電流，大幅度削弱電磁力對槽內熔體的影響，進而減小鋁液的流動和波動，將電磁影響削弱到最低程度以實現熔體界面高穩定性，并依此原理設計開發新型高效節能型鋁電解試驗槽。同時對母線配置進行設計，在最優化母線配置下，磁場數值仿真計算結果表明，該電解槽垂直磁場最大值為0.896 3 mT，平均值為0.360 2 mT，遠低于同規格普通電解槽的垂直磁場，從而可獲得電解槽超穩定運行條件，為大幅度降低極距，實現大幅度節能創造條件。

靜流式；淺凹型陰極；垂直出電；磁流體

鋁電解槽的電、熱、磁以及磁流體力學穩定性等物理場的研究為電解槽的設計改進和工藝優化提供了重要的理論指導。如 DUPUIS[1]提出一種電熱場模擬方法，可有效指導電解槽的槽殼設計，避免電解過程槽殼的過大變形。LI等[2]通過電解質?陽極氣泡?鋁液三相流場的計算，解析出電解質?鋁液界面電流效率的分布情況，為優化工藝條件提高電流效率起到一定的參考價值。自20世紀80年代至90年代末，在各種物理場研究開發的基礎上，我國相繼成功開發了 180 kA、 280 kA和320 kA級大型鋁電解槽，在世界鋁工業的地位不斷提高[3]。近兩年來，400 kA級的超大型鋁電解槽亦實現了工業化推廣，標志著我國鋁電解槽技術達到了國際領先水平[4]。與此同時，由于計算機軟件的進步，一批先進的仿真軟件應用于實際設計中，如ANSYS、MHD-VALDIS等，使磁場、熱場及流場的計算更為簡便和有效。一批采用多立柱、槽底補償、非對稱補償的大型槽母線設計，取得了較好的磁場平衡，其垂直磁場絕對值可達0.5 mT左右, 各象限垂直磁場絕對值的平均值可達0.4 mT左右，滿足了垂直磁場均勻化的要求[5?6]。槽結構的設計和仿真計算也取得了較大進展，大跨度管桁架上部結構、多點同步提升技術成功應用。以上技術的集成應用，使我國超大型鋁電解槽技術逐步成熟，為新型電解槽的開發奠定了良好基礎。

為了進一步降低電解槽工作電壓達到節能的目的，近幾年有研究者提出了不同的思路減緩熔體的流動。WANG等[7]開發了在陰極表面構筑凸臺，以阻擋鋁液的流動和液面的波動，從而降低極距實現低電壓運行，被稱為阻流式電解槽；劉風琴等[8]在陰極碳塊表面有規律的開細長溝槽，將鋁液導入槽端部得出鋁池，在較低鋁水平的操作條件下，液面的波動得到有效抑制，這種結構被稱為導流式電解槽，這一方案使理想的導流型電解槽設想成為可能。以上這些方法均取得了不同程度的效果，但由于陰極結構的完整性受到破壞，在陰極材料沒有突破的情況下，難以實現長期的低電壓穩定運行，還會使槽壽命受到影響。同時由于未能從改變磁場和電流、磁流體穩定性這一源頭上取得突破，也會使實際運行效果大打折扣。

由于前述的兩種技術路線在現實生產條件下都不能擺脫電磁力對生產過程產生的影響，單純的阻流或導流都無法取得長期低電壓穩定運行的效果，解決磁流體穩定性仍然是低電壓節能技術的核心問題，為此，本文作者提出了一種靜流式電解槽的概念，通過大幅降低鋁液層中的水平電流和垂直磁場分布，使熔體界面達到靜流效果，從而實現大幅度降低電壓，減小鋁電解直流電耗。目前，所設計的12臺靜流式鋁電解槽已陸續投入工業運行試驗。

1 靜流式鋁電解槽及其總體設計

在鋁電解電化學過程中，實際起陰極作用的是鋁液表面而不是陰極炭塊表面。在鋁電解槽熔池內，電解質熔體和鋁液在無電磁力存在時，液體界面波動在重力和粘性阻力的作用下逐漸恢復穩定，鋁液表面是平的。在運行的電解槽上由于電磁力的存在，驅使熔體在熔池內流動并造成電解質/鋁液交界面(即鋁液表面)的變形與波動，從而引起鋁電解電極極距變化或短路，影響電流效率和電能消耗，同時進一步引起電流、磁場和電磁力的擾動，而變化的電磁力又反過來作用于熔體流動和波動，造成鋁電解生產過程是否穩定運行的問題。這是電磁場和流場耦合的動力體系，稱之為磁流體動力學(Magneto-hydrodynamics，MHD)[6]。實際鋁電解槽是四周封閉的流動區域，邊界反射形成的駐波代表了真實的流動現象。MHD穩定性問題與技術經濟指標如電能消耗和電流效率直接相關[2]，一直是鋁電解槽研究設計的難點問題和技術關鍵。

1.1 槽內導體對磁場和電流分布的影響

槽內廣泛分布的導體對磁流體穩定性的影響由電解槽固有的結構決定，進行磁流體模擬計算時，常常把它作為一個基本量[9?10]。槽內導體電流和槽外周圍母線電流兩種情況下的垂直磁場分布，如圖1所示。圖1中TE和DE分別代表槽子的出鋁端(Tap end)和煙道端(Duct end)。槽內導體電流產生的磁場可視為合磁場分布的基本形式，在考慮爐幫的條件下磁場垂直分量Bz呈對角互為極值的分布形式，如圖1(a)所示。槽外周圍母線電流產生的磁場比槽內導體電流產生的磁場弱，其在進電端兩個角部與前者同向疊加增強磁場，在出電端兩個角部與前者反向疊加消弱磁場，如圖1(b)所示?？梢?，槽內導體產生的磁場是不可忽視的[10]。

槽內導體造成的垂直磁場最大達到2 mT，是由槽內水平電流產生的，且主要是陰極鋼棒中的電流。槽內導體中，電解質的電阻比鋁液電阻大得多[11]，電流從陽極穿過電解質到達鋁液界面，在電解質層電流的分布是垂直而均勻的；在鋁液層，由于其良好的導電性與上層電解質和下層碳塊的導電性不可比性(相差100倍以上)，因而傳統槽在鋁液層都會產生一定水平電流分量[12]，如圖2所示。

1.2 靜流式鋁電解槽

圖1 不同電流源對鋁液中間垂直磁場的作用Fig.1 Comparison of vertical magnetic field caused by different current sources: (a) Conductor inside pot; (b) Busbar around pot

圖2 預焙陽極鋁電解槽結構示意圖(傳統式)Fig.2 Structure diagram of prebaked anode pot (ordinary pattern): 1—Aluminum rod; 2—Steel draw; 3—Anode carbon block; 4—Side ledge; 5—Electrolyte; 6—Aluminum melt;7—Cathode carbon block; 8—Cathode collect bar; 9—Side carbon block; 10—Surrounding paste draw; 11—Refractory brick; 12—Insulating brick; 13—Steel shell

針對槽內導體對磁場和電流分布影響的特點，減小或消除鋁液層水平電流分量和陰極匯流棒電流，能夠有效削弱電磁場對熔體流動和波動的影響[13]，使槽內造成熔體波動的原始推動力大大削弱或消除，熔體界面波動在重力和粘性阻力的作用下逐漸達到平靜，即靜流的狀態。達到這一目標需要有一種全新的槽內導體結構配置，為此，本文作者提出一種靜流式鋁電解槽結構，其原理如圖3所示，對于垂直鋼棒的數量，可根據實際需求選擇。

圖3 預焙陽極鋁電解槽結構示意圖(靜流式)Fig.3 Structure diagram of pre baked anode pot (stationary stream pattern): 1—Aluminum rod; 2—Steel draw; 3—Anode carbon block; 4—Side ledge; 5—Electrolyte; 6—Aluminum melt; 7—Cathode carbon block; 8—Cathode steel bar; 9—Side carbon block; 10—Surrounding past draw; 11—Refractory brick; 12—Insulating brick; 13—Steel shell

1.3 靜流式電解槽的總體設計

鋁電解槽要實現的總體目標是通過槽內導體及槽周圍母線的配置，來實現槽內磁場的平衡和磁場強度的最小化，實現槽內熔體高磁流體穩定性(即靜流)，以提高電流效率和降低電耗，優化工藝[2,13]。

靜流式鋁電解槽陰極采用底部出電模式鋁電解槽的陰極鋼棒由水平鋼棒和垂直鋼棒組合而成，電流經陽極、電解質、鋁液、陰極，最后由鋼棒從槽底導出，并經過母線進入到下一臺槽，對陰極結構和母線結構等進行全新的設計和優化，并提出了淺凹式陰極/槽底出電、對稱補償的高磁流體穩定性母線配置等先進技術。電解槽主體的初步設計如圖4所示。

圖4 靜流式鋁電解槽底部母線設計方案Fig.4 Bottom busbar design of stationary stream pattern pot

2 靜流式電解槽的內襯結構與母線配置

內襯結構設計和母線配置的好壞與電解槽的穩定高效運行密切相關，也是新槽型設計過程中最重要的考慮因素。本文作者針對靜流式電解槽，分別從內襯結構和母線配置兩個方面，重點介紹其設計思路和工業實施方案。

2.1 靜流式電解槽新型內襯結構

圖5 陰極炭塊結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of cathode structure: (a) Collector bar; (b) Collector bar and carbon block

圖6 陰極內襯結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure of cathode linings

由于鋼棒從底部穿出電解槽，其內襯需做相應的改變，如圖6所示，主要由底部開孔的槽殼、槽底保溫層、穿過保溫層的垂直鋼棒(見圖5)及鉗入垂直鋼棒(水平部分)的陰極炭塊組成。陰極鋼棒與炭塊通過鋼棒糊搗固后形成一個整體，并要求陰極鋼棒與炭塊表面有較高的垂直度和精確的相對位置，以保證安放炭塊時的對位。

該結構電解槽采用底部出電的結構，這樣就使得槽底散熱增加[14]。因此，在槽底整體加強保溫的基礎上，再在垂直鋼棒周圍區域進一步加強保溫，以避免等溫線的上移，保證電解槽在合理的熱平衡狀態下生產[15]。

該新型陰極組與內襯結構不但可以從工程的角度方便開展現場施工，而且還能有效避免由于底部開孔造成內襯早期破損的風險。

2.2 靜流式電解槽陰極母線配置

電解槽最優的母線配置是其垂直磁場的最大值與平均值盡可能小，為了保證磁流體的穩定性，使電解槽中鋁液層的垂直磁場值能夠達到最低[9,16]，根據靜流式電解槽的結構特點，設計多種母線配置方案進行仿真優化，得出最優的母線配置。母線配置簡圖如圖7所示，其現場施工如圖8所示。

圖7 靜流式電解槽的母線配置簡圖Fig.7 Busbar scheme of stationary stream pattern pot

圖8 靜流式電解槽母線現場施工圖Fig.8 Construction site of stationary stream pattern pot

3 靜流式鋁電解槽物理場仿真 計算

采用電磁模擬軟件進行模擬計算，磁場和母線用量等參數列于表1，計算得到靜流式鋁電解槽磁場具體分布計算結果如圖9(a)～(c)所示。

從以上可以看出, 磁場計算結果比較理想。鋁液垂直磁場絕對值的平均值為0.360 2 mT，垂直磁場最大值為0.896 3 mT。磁場平均值與傳統母線配置方案比較接近，磁場的最大值遠低于傳統母線配置方案的[16]，表明這種出電方式可以保證較小的垂直磁場梯度和水平電流分量，體現了靜流式鋁電解槽的技術特點。

圖9 鋁液內磁場分布Fig.9 Distribution of magnetic field in aluminum melt: (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

表1 磁場計算結果Table 1 Calculation results of magnetic field

由于磁流體的超穩定，在最優化條件下，該電解槽的設計電壓降保持在3.7～3.9 V之間，電流效率94%以上，因此，盡管母線用量略有增加，但直流電耗可保證在生產每噸鋁為12 MW·h，因此，從經濟上來說，該設計仍然具有較大的節能前景。

4 結論

1) 提出了一種靜流式鋁電解槽，不但能夠使槽內熔體中垂直磁場分布得到削弱和均勻化，還能夠有效減少熔體中的水平電流分量，從根本上大幅削弱槽內熔體流動和波動的兩個主要因素的影響

2) 設計和開發了靜流式鋁電解槽配套的陰極、母線和內襯結構，并構造了相應的試驗槽。

3) 通過電磁場模擬結果表明，采用底部出電的電解槽通過優化母線配置，可大幅度降低槽內垂直磁場強度，且磁場的分布與均勻性體現了靜流式電解槽高具備了極高的磁流體穩定性，為大幅度降低極距，實現大幅度節能創造條件。

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Magnetic field simulation and design of stationary stream pattern aluminum reduction cell

LIANG Xue-min1,2, LI Jie1, ZHANG Hong-liang1, WANG You-shan2,Lü Xiao-jun1, ZHANG He-hui1, LIU Ye-xiang1
(1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Henan Zhongfu Industry Co., Ltd., Gongyi 451200, China)

The concept of stationary stream pattern aluminum reduction cell was presented after analyzing the magnetic field and current flows of aluminum reduction cells. With this kind of innovative design, the electricity flows out of the cell in a vertical path instead of current horizontal path, so the current flow intensity in aluminum melt can be reduced sharply, and the effect of electromagnetic force on the melt is weakened. Furthermore, the flow and fluctuation of the aluminum melt becomes lower, and the effect of electromagnetic force decreases to the minimum level. Under the above principle, a novel kind of high efficient aluminum reduction test cell was designed. With optimal busbar designing method, the simulation results show that the maximum vertical magnetic field strength is only 0.896 3 mT, and the mean value is 0.360 2 mT, which are far below the values of ordinary cells with the same scale. Thus, the cell can perform steady with much lower polar distance, and the goal of substantially energy-saving target would be achieved.

stationary stream pattern; cathode shallow grooves; vertical electricity path; magnetic fluid

TF821

A

1004-0609(2011)09-2251-07

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAE85B00)

2010-11-24；

2011-02-20

李劼，教授，博士；電話：0731-88830474；E-mail：csulightmetals@126.com

(編輯 李艷紅)