一種7點進電500kA鋁電解槽母線設計及應用

毛 宇，毛繼紅，班允剛，李 揚

（東北大學設計研究院(有限公司)，遼寧 沈陽 110013）

隨著我國經濟近十幾年的高速發展，對原鋁的需求也隨之猛增。我國原鋁產能由2000年初不到300萬噸，到2018年原鋁產能達到3700多萬噸[1]，總產能增長了近12倍。我國鋁產能的大幅增加，離不開核心裝備鋁電解槽的大型化支持。中國電解槽容量大型化速度保持世界領先，自2008年以后投運了400kA、500kA和600kA鋁電解系列生產線。截止2018年400kA以上級別鋁電解槽占總產能的75%以上。由于電解鋁行業屬于投資密集型行業，對當地經濟拉動十分明顯，因此發展十分迅猛，存在盲目擴張的現象。隨著電解槽陽極電流密度的提高，陽極尺寸的增大，過大的陽極尺寸不利于陽極底掌氣體溢出，會引起氣膜壓降的升高和閃爍效應的增加，不利于降低槽壓和提高電流效率，實現電解槽節能降耗的目的。為此，本文筆者提出了一種采用較窄陽極的500kA級鋁電解槽及配套的7點進電母線配置技術，實現對500kA級鋁電解槽的整體優化，達到節能降耗的目的。

1 方案設計結果及分析

1.1 計算原理

大容量鋁電解槽母線裝置技術開發的關鍵技術是磁流體穩定性技術。主要通過數值法求解計算電解槽的磁場和磁流體。其中對于電解槽的磁場部分，是應用Biot-Savart定律的體積分形式進行計算的。

隨著計算技術的發展，目前國內外多采用有限元分析軟件ANSYS進行模擬計算，準確度已非常高。筆者基于ANSYS軟件平臺二次開發了專用的鋁電解槽磁場模擬計算軟件包，對大容量鋁電解槽磁場進行計算。

針對磁流體穩定性的計算，國內外學者的研究上具備了一定的通用性：熔體為是不可壓縮粘性湍流流體、電磁力為驅動熔體流動的主要推動力、采用3D雷諾時均N-S方程和k-ε湍流模型求解熔體流場是較通用的做法。經過大量的計算分析和實際測量后，本文對大容量鋁電解槽母線裝置流場的計算，采用“MHD-Valdis”磁流體計算軟件包，對電解槽磁流體狀態進行動態模擬。

1.2 主要結構參數

由于陽極尺寸過大，尤其是長度方向達到了1850mm，不利于氧化鋁的擴散，電解槽運行狀態不好，易出現陽極效應，且電解槽效率不高，能耗較高，基本算不上成功。

在此之后，于2013年推出了改進行500kA電解槽技術（方案二），對陽極尺寸進行了調整，長度由原來的1850mm減少到1750mm，寬度缺增加到了740mm，母線采用大面6點進電、外補償配置方式。此方案較方案一無論是磁流體穩定性和氧化鋁擴散性都有了一定的提高，電解槽能耗指標有了明顯進步，也是近幾年大范圍推廣的主流500kA鋁電解槽技術。

針對上述現象，筆者提出了一種采用較窄陽極的500kA級鋁電解槽技術（方案三），陽極尺寸降低至660mm，更有利于陽極氣泡的析出和降低氣模壓降。

各種方案的主要結構參數詳見表1。

表1 500kA鋁電解槽不同方案主要結構參數一覽表

8 槽中心距 m 7 6.5 6.6 9 外補償電流 kA 0 250 0 10 總電流 kA 500 750 500

1.3 配置方案及結果

（1）母線配置方案。采用窄陽極、大面7點進電自補償500kA鋁電解槽母線配置方案詳見圖1。

圖1 7點進電自補償500kA鋁電解槽母線配置方案

（2）磁場計算結果

圖2 7點進電自補償500kA鋁電解槽鋁液垂直磁場分布圖

（3）磁流體計算結果。由圖2和表2可看出，電解槽鋁液內垂直分布比較均勻，垂直絕對值的平均值僅為3.12GS，最大值為19.17GS，磁場數值小，分布形態均勻且磁場變化梯度較小。電解槽某一時刻的界面變形情況，最大變形在10mm以內，發生在電解槽出電側左上角位置。從圖4的鋁液水平流速場看，鋁液內基本為2個大的流動環，流速場分布比較均勻，最大流速小于16cm/s。因此，上述這些結果表明，采用7點進電500kA鋁電解槽磁流體穩定高，母線配置合理，為電解槽的高效節能運行打下基礎。

（4）實際生產情況。采用7點進電自補償500kA鋁電解槽系列于2016年在山東投產，運行3年以來生產平穩，指標優異，閃爍效應少的特點。

2 結論

本文筆者通過對7點進電500kA鋁電解槽母線的設計和運行情況得出的主要結論如下：①采用7點進電500kA鋁電解槽垂直磁場平均值僅為3Gs左右，與其他技術控制的垂直磁場平均值在5Gs左右的水平有明顯優化。且磁場分布均勻、變化梯度小，有利于磁流體穩定性；②采用7點進電500kA鋁電解槽母線結構簡單、易于安裝，且單槽母線較其他技術用量減少近4噸，僅母線一項降低投資約5%，經濟效果顯著；綜上，采用7點進電自補償母線配置方式開發的500kA系列較其他500kA技術有了全面的提升，達到了節能減排的開發目標。