一種7點(diǎn)進(jìn)電500kA鋁電解槽母線設(shè)計(jì)及應(yīng)用

毛 宇，毛繼紅，班允剛，李 揚(yáng)

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司)，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近十幾年的高速發(fā)展，對(duì)原鋁的需求也隨之猛增。我國(guó)原鋁產(chǎn)能由2000年初不到300萬(wàn)噸，到2018年原鋁產(chǎn)能達(dá)到3700多萬(wàn)噸[1]，總產(chǎn)能增長(zhǎng)了近12倍。我國(guó)鋁產(chǎn)能的大幅增加，離不開(kāi)核心裝備鋁電解槽的大型化支持。中國(guó)電解槽容量大型化速度保持世界領(lǐng)先，自2008年以后投運(yùn)了400kA、500kA和600kA鋁電解系列生產(chǎn)線。截止2018年400kA以上級(jí)別鋁電解槽占總產(chǎn)能的75%以上。由于電解鋁行業(yè)屬于投資密集型行業(yè)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)拉動(dòng)十分明顯，因此發(fā)展十分迅猛，存在盲目擴(kuò)張的現(xiàn)象。隨著電解槽陽(yáng)極電流密度的提高，陽(yáng)極尺寸的增大，過(guò)大的陽(yáng)極尺寸不利于陽(yáng)極底掌氣體溢出，會(huì)引起氣膜壓降的升高和閃爍效應(yīng)的增加，不利于降低槽壓和提高電流效率，實(shí)現(xiàn)電解槽節(jié)能降耗的目的。為此，本文筆者提出了一種采用較窄陽(yáng)極的500kA級(jí)鋁電解槽及配套的7點(diǎn)進(jìn)電母線配置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)500kA級(jí)鋁電解槽的整體優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 方案設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

1.1 計(jì)算原理

大容量鋁電解槽母線裝置技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是磁流體穩(wěn)定性技術(shù)。主要通過(guò)數(shù)值法求解計(jì)算電解槽的磁場(chǎng)和磁流體。其中對(duì)于電解槽的磁場(chǎng)部分，是應(yīng)用Biot-Savart定律的體積分形式進(jìn)行計(jì)算的。

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外多采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，準(zhǔn)確度已非常高。筆者基于ANSYS軟件平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)了專用的鋁電解槽磁場(chǎng)模擬計(jì)算軟件包，對(duì)大容量鋁電解槽磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

針對(duì)磁流體穩(wěn)定性的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(qū)動(dòng)熔體流動(dòng)的主要推動(dòng)力、采用3D雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型求解熔體流場(chǎng)是較通用的做法。經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算分析和實(shí)際測(cè)量后，本文對(duì)大容量鋁電解槽母線裝置流場(chǎng)的計(jì)算，采用“MHD-Valdis”磁流體計(jì)算軟件包，對(duì)電解槽磁流體狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

1.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于陽(yáng)極尺寸過(guò)大，尤其是長(zhǎng)度方向達(dá)到了1850mm，不利于氧化鋁的擴(kuò)散，電解槽運(yùn)行狀態(tài)不好，易出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)，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(jìn)行500kA電解槽技術(shù)（方案二），對(duì)陽(yáng)極尺寸進(jìn)行了調(diào)整，長(zhǎng)度由原來(lái)的1850mm減少到1750mm，寬度缺增加到了740mm，母線采用大面6點(diǎn)進(jìn)電、外補(bǔ)償配置方式。此方案較方案一無(wú)論是磁流體穩(wěn)定性和氧化鋁擴(kuò)散性都有了一定的提高，電解槽能耗指標(biāo)有了明顯進(jìn)步，也是近幾年大范圍推廣的主流500kA鋁電解槽技術(shù)。

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

各種方案的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 500kA鋁電解槽不同方案主要結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽表

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

1.3 配置方案及結(jié)果

（1）母線配置方案。采用窄陽(yáng)極、大面7點(diǎn)進(jìn)電自補(bǔ)償500kA鋁電解槽母線配置方案詳見(jiàn)圖1。

圖1 7點(diǎn)進(jìn)電自補(bǔ)償500kA鋁電解槽母線配置方案

（2）磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖2 7點(diǎn)進(jìn)電自補(bǔ)償500kA鋁電解槽鋁液垂直磁場(chǎng)分布圖

（3）磁流體計(jì)算結(jié)果。由圖2和表2可看出，電解槽鋁液內(nèi)垂直分布比較均勻，垂直絕對(duì)值的平均值僅為3.12GS，最大值為19.17GS，磁場(chǎng)數(shù)值小，分布形態(tài)均勻且磁場(chǎng)變化梯度較小。電解槽某一時(shí)刻的界面變形情況，最大變形在10mm以內(nèi)，發(fā)生在電解槽出電側(cè)左上角位置。從圖4的鋁液水平流速場(chǎng)看，鋁液內(nèi)基本為2個(gè)大的流動(dòng)環(huán)，流速場(chǎng)分布比較均勻，最大流速小于16cm/s。因此，上述這些結(jié)果表明，采用7點(diǎn)進(jìn)電500kA鋁電解槽磁流體穩(wěn)定高，母線配置合理，為電解槽的高效節(jié)能運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

（4）實(shí)際生產(chǎn)情況。采用7點(diǎn)進(jìn)電自補(bǔ)償500kA鋁電解槽系列于2016年在山東投產(chǎn)，運(yùn)行3年以來(lái)生產(chǎn)平穩(wěn)，指標(biāo)優(yōu)異，閃爍效應(yīng)少的特點(diǎn)。

2 結(jié)論

本文筆者通過(guò)對(duì)7點(diǎn)進(jìn)電500kA鋁電解槽母線的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況得出的主要結(jié)論如下：①采用7點(diǎn)進(jìn)電500kA鋁電解槽垂直磁場(chǎng)平均值僅為3Gs左右，與其他技術(shù)控制的垂直磁場(chǎng)平均值在5Gs左右的水平有明顯優(yōu)化。且磁場(chǎng)分布均勻、變化梯度小，有利于磁流體穩(wěn)定性；②采用7點(diǎn)進(jìn)電500kA鋁電解槽母線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝，且單槽母線較其他技術(shù)用量減少近4噸，僅母線一項(xiàng)降低投資約5%，經(jīng)濟(jì)效果顯著；綜上，采用7點(diǎn)進(jìn)電自補(bǔ)償母線配置方式開(kāi)發(fā)的500kA系列較其他500kA技術(shù)有了全面的提升，達(dá)到了節(jié)能減排的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。