鐵磁材料對(duì)鋁電解槽內(nèi)磁場(chǎng)影響規(guī)律研究

柴婉秋，鄧 翔

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)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(qiáng)大的電流，這強(qiáng)大的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。因而槽殼、搖籃架等鐵磁材料會(huì)暴露在這磁場(chǎng)內(nèi)。它們?cè)诖艌?chǎng)中被磁化后將產(chǎn)生二次磁場(chǎng)源，該二次磁場(chǎng)源對(duì)電解槽內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布有較大影響。電解槽槽體鋼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在仿真計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)對(duì)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(dāng)，對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)造成較大的偏差。為確保簡化的合理性，有必要對(duì)鐵磁材料影響槽內(nèi)磁場(chǎng)的規(guī)律進(jìn)行研究。該文旨在通過簡單的仿真計(jì)算來認(rèn)識(shí)鐵磁材料影響槽內(nèi)磁場(chǎng)的規(guī)律，為以后全槽磁場(chǎng)計(jì)算簡化模型提供依據(jù)。

1 電解槽鐵磁物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化規(guī)律的曲線。它反映了某物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。BH曲線主要與材料的化學(xué)成分與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.2 槽殼

槽殼的存在與否對(duì)槽內(nèi)磁場(chǎng)有影響這是是顯而易見的。槽殼對(duì)磁場(chǎng)的影響包括槽殼與磁點(diǎn)的距離以及槽本本身的尺寸。本文主要從這兩個(gè)方面來研究槽殼對(duì)槽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響規(guī)律。

1.3 搖籃架

搖籃架是槽體不可或缺的一部分，它雖然對(duì)槽內(nèi)磁流體不構(gòu)成封閉，但它對(duì)槽內(nèi)磁場(chǎng)的影響也不容忽視。搖籃架對(duì)磁場(chǎng)的影響也與它到場(chǎng)點(diǎn)的距離及它的尺寸有關(guān)。

2 磁場(chǎng)仿真計(jì)算模型

該計(jì)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(cè)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(yuǎn)場(chǎng)單元。模型見圖1、圖2模型中長軸方向?yàn)閄方向，短軸為Y方向。

圖1 磁場(chǎng)仿真計(jì)算模型

圖2 帶搖籃架的槽殼簡化模型

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 槽殼厚度影響規(guī)律

在上述模型中改變槽殼的厚度，現(xiàn)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(jì)算，通過比較3個(gè)模型相同位置處的磁場(chǎng)大小來尋求其變化規(guī)律。圖3-5為槽內(nèi)短軸上不同位置處的X、Y、Z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)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(diǎn)到槽殼的水平距離的增大，磁場(chǎng)大小的這種變化幅度會(huì)逐漸縮小，此規(guī)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(shí)各向磁感應(yīng)強(qiáng)度增幅

3.2 搖籃架影響規(guī)律

因搖籃架與母線垂直，故在此不對(duì)搖籃架的厚度變化計(jì)算，只對(duì)其寬度的變化計(jì)算。現(xiàn)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(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算。取Y軸上各點(diǎn)為參考點(diǎn)來比較各寬度下槽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，結(jié)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(shí)，其值比有搖籃架時(shí)小，而Bz值在沒有搖籃架時(shí)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(shí)，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小；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(xiàng)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(shí)各項(xiàng)B值的增幅。

表2 不同尺寸搖籃架較無搖籃架時(shí)各向磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)Bz的影響最大。遠(yuǎn)距離時(shí)，對(duì)Bz的影響最小。

4 結(jié) 語

槽殼厚度的變化主要會(huì)影響到槽殼附近區(qū)域的磁場(chǎng)大小，并且隨著厚度的增大，Bx、By都增大，而Bz減小；隨著場(chǎng)點(diǎn)到槽殼距離的增大，B的變化幅度減小，Bz的這種變化規(guī)律最為明顯。

1) 搖籃架的存在會(huì)影響槽內(nèi)的磁場(chǎng)總體大小，而不會(huì)影響其分布規(guī)律。有搖籃架時(shí)，Bx和By比沒有搖籃架時(shí)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(duì)磁場(chǎng)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(duì)槽內(nèi)磁場(chǎng)的影響隨其寬度的不同而不同。其寬度增大時(shí)，槽內(nèi)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(jìn)一步增大而變小。

3) 在鋁電解槽磁場(chǎng)仿真建模時(shí)，為簡化模型可以去掉搖籃架，但它對(duì)槽內(nèi)磁場(chǎng)的作用需要通過加大槽殼的厚度來彌補(bǔ)。槽殼厚度的取值需做進(jìn)一步計(jì)算。