鐵磁材料對鋁電解槽內磁場影響規律研究

柴婉秋，鄧 翔

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 前 言

鋁電解槽在通電后，母線載有強大的電流，這強大的電流會產生磁場。因而槽殼、搖籃架等鐵磁材料會暴露在這磁場內。它們在磁場中被磁化后將產生二次磁場源，該二次磁場源對電解槽內的磁感應強度分布有較大影響。電解槽槽體鋼結構比較復雜，在仿真計算磁場時對該部分建模存在一定困難，故建模往往要做簡化處理。但若簡化不當，對計算結果會造成較大的偏差。為確保簡化的合理性，有必要對鐵磁材料影響槽內磁場的規律進行研究。該文旨在通過簡單的仿真計算來認識鐵磁材料影響槽內磁場的規律，為以后全槽磁場計算簡化模型提供依據。

1 電解槽鐵磁物質對磁場的影響因素

1.1 鐵磁材料BH曲線

BH曲線是反映鐵磁材料磁感應強度B隨磁場強度H變化規律的曲線。它反映了某物質的導磁能力。BH曲線主要與材料的化學成分與材料的組織結構有關。

1.2 槽殼

槽殼的存在與否對槽內磁場有影響這是是顯而易見的。槽殼對磁場的影響包括槽殼與磁點的距離以及槽本本身的尺寸。本文主要從這兩個方面來研究槽殼對槽內磁感應強度影響規律。

1.3 搖籃架

搖籃架是槽體不可或缺的一部分，它雖然對槽內磁流體不構成封閉，但它對槽內磁場的影響也不容忽視。搖籃架對磁場的影響也與它到場點的距離及它的尺寸有關。

2 磁場仿真計算模型

該計算模型為簡化的模型，模型中槽殼的尺寸為2 m×1 m×0.8 m，厚度為16 mm，除朝上的一面外，其它五面封閉。槽殼左側有一條載有10 000 A的母線，與槽殼平行，長度與槽殼等長。槽殼模型被2.5 m×1.8 m×1 m的空氣膜包住，周圍施有遠場單元。模型見圖1、圖2模型中長軸方向為X方向，短軸為Y方向。

圖1 磁場仿真計算模型

圖2 帶搖籃架的槽殼簡化模型

3 計算結果

3.1 槽殼厚度影響規律

在上述模型中改變槽殼的厚度，現分別取厚度為th=8 mm，16 mm和32 mm，在邊界條件一致下做同樣計算，通過比較3個模型相同位置處的磁場大小來尋求其變化規律。圖3-5為槽內短軸上不同位置處的X、Y、Z方向磁感應強度計算結果比較。

圖3 不同槽殼厚度下Bx值

圖4 不同槽殼厚度下By值

圖5 不同槽殼厚度下Bz值

從圖3-5可看到，隨著槽殼厚度的增大，Bx、By都增大，而Bz減小。并且隨著磁點到槽殼的水平距離的增大，磁場大小的這種變化幅度會逐漸縮小，此規律Bz尤為明顯。表1給出了槽殼厚度增大1倍，不同位置處Bx、By、Bz增大的幅度。

表1 槽殼厚度增大1倍時各向磁感應強度增幅

3.2 搖籃架影響規律

因搖籃架與母線垂直，故在此不對搖籃架的厚度變化計算，只對其寬度的變化計算?，F分別取搖籃架寬度wide=0，10 cm，20 cm和30 cm。在其它條件相同情況下進行磁場計算。取Y軸上各點為參考點來比較各寬度下槽內磁感應強度的大小，結果見圖6-8。

圖6 不同搖籃架寬度下Bx值

圖7 不同搖籃架寬度下By值

圖8 不同搖籃架寬度下Bz值

從圖6-8可知，Bx和By在沒有搖籃架(wide=0)時，其值比有搖籃架時小，而Bz值在沒有搖籃架時要大。隨著搖籃架加寬，Bx和By都增大，而Bz減小。在距離搖籃架不同位置處，改變搖籃架寬度時，各向B的變化幅度不同，即隨著到搖籃架距離的增大，Bx變化幅度先增大后減??；By、Bz的變化幅度則一直減小。在距搖籃架0.8 m位置處，搖籃架每增大10 cm，各項B值變化幅度都<2%。表2給出了不同寬度搖籃架較沒有搖籃架時各項B值的增幅。

表2 不同尺寸搖籃架較無搖籃架時各向磁感應強度增量

由表2可見，在與搖籃架近距離處，搖籃架的尺寸變化對Bz的影響最大。遠距離時，對Bz的影響最小。

4 結 語

槽殼厚度的變化主要會影響到槽殼附近區域的磁場大小，并且隨著厚度的增大，Bx、By都增大，而Bz減??；隨著場點到槽殼距離的增大，B的變化幅度減小，Bz的這種變化規律最為明顯。

1) 搖籃架的存在會影響槽內的磁場總體大小，而不會影響其分布規律。有搖籃架時，Bx和By比沒有搖籃架時增大，而Bz減小。并且隨著離搖籃架的水平距離越大，搖籃架對磁場的影響越小，在距搖籃架0.8 m處，各向B值變化幅度<2%。

2) 搖籃架對槽內磁場的影響隨其寬度的不同而不同。其寬度增大時，槽內Bx和By都增大，而Bz減小，但其增大或減小的幅度隨搖籃架寬度的進一步增大而變小。

3) 在鋁電解槽磁場仿真建模時，為簡化模型可以去掉搖籃架，但它對槽內磁場的作用需要通過加大槽殼的厚度來彌補。槽殼厚度的取值需做進一步計算。