某500 kA大型鋁電解槽設計和測試情況概述

劉 正，呂維寧，何 嵩，楊朝紅

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著大型預焙槽的技術成熟與推廣，我國目前正由鋁工業大國向鋁工業強國轉變，其中最具代表性的500 kA鋁電解槽自2010年開始系列化生產后應用更趨廣泛，技術日趨成熟可靠，500 kA鋁電解槽已成為我國現階段的主流槽型。目前國內4400多萬噸電解鋁產能中，400 kA及以上電解槽產能已高達3 000多萬噸。文章就已正常生產的某500 kA電解系列的設計、測試及生產數據進行對比分析，以供同行從業人員參考。

1 500 kA電解槽主要設計參數

鋁電解槽是鋁電解企業生產中的關鍵設備[1]，因此，在某種意義上說，鋁電解槽設計技術代表了電解鋁企業的技術水平。大型預焙鋁電解槽是一個集熱場、力場、磁場、電場、流場等多物理場耦合的復雜對象，且各物理場互相制約、互相影響，生產過程中需要做到各方面均衡匹配的一個復雜系統[2]。

電解槽核心設計參數如陽極組數、陽極電流密度等的確定需考慮各方面的因素，如原材料來源、電解質成分、鋁電解生產企業的電價、當地的氣候條件、場地情況等。

在考慮上述因素的情況下，某500 kA系列鋁電解槽主要設計參數見表1。

1.1 電場設計

該系列電解槽采用了合理的電磁場模型的模擬，充分考慮了鄰列槽、上下游槽的影響和槽殼的屏蔽作用，在采用大面6點進電，48組陽極配置模式的基礎上，采用了非對稱母線設計。設計的電解槽電流分布見圖1-4。

從圖中可以看出，該500 kA大型電解槽的陰極電流分布偏差控制在-3.7 %～2 %之間，立柱母線電流分布偏差-0.8 %～1.1 %之間，陰極和立柱電流分布偏差都非常小，有利于提高電解槽的穩定性。

1.2 磁場設計

鋁電解槽上通過的電流會產生強大的磁場，磁場分布的好壞直接影響到流場及磁流體穩定性的好好，這將對電解槽的生產操作、電解槽的壽命、電解能耗和電流效率產生巨大的影響，這使得對電解槽磁場的計算研究愈顯重要[3]。

鋁電解生產過程中有巨大的直流電流經鋁母線、陽極、熔體、陰極等部位，因此產生了高達數百高斯的強大磁場，電解槽內的磁場又與熔體中的電流相互作用產生電磁力，進而推動槽內熔體流動，其結果一方面有利于氧化鋁的溶解，另一方面導致鋁液面隆起、偏斜和波動，影響電解槽工作穩定性，致使電流效率的下降、能耗增加，嚴重時可能發生“滾鋁”等事故。因此，設計上必須尋求理想的母線配置，以使電解槽槽內溶體中電磁力能夠控制在合理范圍內，從而滿足電解槽穩定生產的需要[4]。

圖1 A側陰極電流分布

圖2 B側陰極電流分布

圖3 陰極電流分布偏差

圖4 立柱電流分布偏差

目前大型鋁電解槽磁場設計有自補償、外補償等2種主流設計模式，結合該項目特征，母線設計采用了外補償配置模式，為了補償鄰列廠房電解槽的磁場影響，該500 kA電解系列外補償母線設計采用了在煙道端和出鋁端進行大電流非對稱配置的補償模式，簡化了槽周母線設計，有效降低了鋁液流速，提高了電解槽的磁流體穩定性。

同時，該500 kA電解系列槽周母線采用了新型抗擾穩流母線配置技術，運用數字化計算軟件進行建模、輸入邊界條件、仿真計算，磁場的計算結果見圖5。

圖5 500 kA電解槽磁場設計計算結果

從圖5列表可見，全槽鋁液層有近94 %的區域Z方向的磁感應強度都控制在±10 Gs以內，垂直磁場的梯度變化很小，符合大型預焙陽極電解槽的磁場設計標準，能夠滿足電解槽高效、穩定生產的需要。

1.3 熱場設計

預焙陽極結構形式見圖6，陽極采用4個鋼爪結構，陽極長1 770 mm、寬770 mm、高650 mm，內襯結構見圖7。

圖6 電解槽陽極圖

1.3.1 溫度分布

溫度分布云圖及等溫線分布分別見圖8、圖9。從圖中可以看出，鋁電解槽底部的溫度梯度主要產生在保溫層中。在陰極炭塊的端部，陰極鋼棒與炭塊接觸面的溫度<900 ℃，這一溫度低于滲透在陰極炭塊中電解質的液相線溫度，從而使得滲入陰極的電解質在此沉積[5]，避免電解質等高溫化合物對內襯產生的破壞作用，同時避免隔熱材料被侵蝕。另外800 ℃等溫線在防滲料層的范圍內，未進入防滲料下的保溫層，因此該內襯設計，等溫線分布合理安全。

圖8 溫度分布云圖

圖9 等溫線分布圖

1.3.2 爐膛形狀計算

該系列500 kA電解槽爐膛形狀計算見圖10。

圖10 爐幫分布曲線

在爐膛方面，爐幫伸腿較為理想(仿真計算的爐幫厚度為14.5 cm)。合理的爐膛形狀有利于減小電解槽槽內水平電流，同時爐幫的厚度適中，能夠防止電解質對槽內襯側壁的侵蝕。

綜上所述，該500 kA電解槽的內襯結構設計能確保電解槽維持3.92 V的工作電壓，且可獲得較好的爐膛形狀與溫度分布，進而能為電解槽獲得高效與穩定的技術指標創造良好的條件。

1.4 結構場設計

該500 kA電解槽槽殼受力計算采用成熟的三維電-熱-力三場耦合計算仿真模型，見圖11。

圖11 槽殼及搖籃X、Y、Z方向的變形云圖

如圖11所示，槽殼X方向最大變形為49.6 mm，Y方向最大變形為20.9 mm，Z方向的最大變形為35.4 mm。該500 kA槽槽殼的結構設計滿足變形及應力安全條件，可以獲得優良的力學性能。

2 測試及生產數據分析

2.1 電磁場分析驗證

為了檢驗母線設計采用的新型抗擾穩流母線配置技術，該文收集了該500 kA系列部分電解槽某臺槽來效應時對上下游槽的影響，具體見圖12。

1719#槽(效應槽)

可以看出，當臺槽發生陽極效應時，對上下游的擾動非常小(基本不受影響)。說明該500 kA電解槽采用了新型抗擾穩流母線配置技術后，電解槽的電場分布良好，有較好的穩定性。

2.2 熱場分析驗證

為了跟蹤該500 kA電解槽的熱場及爐膛情況，在每個工區測試了1臺槽(共8個測點)的爐幫厚度數據，測量結果見表2，8臺槽的爐幫平均厚度為13.1 cm。

表2 該500 kA電解槽爐幫厚度測量結果(cm)

從表2的測試數據看，爐幫厚度實測值和設計計算值吻合度非常好，說明了電解槽內襯設計的合理性。

該電解系列1101#槽的爐底鋼板溫度見圖13，A側平均84.9 ℃，B側平均84.3 ℃。該電解系列1816#槽的爐底鋼板溫度見圖14，A側平均為87.1 ℃，B側平均為84.5 ℃。

圖13 1101#槽的爐底鋼板溫度

圖14 1816#槽爐底鋼板溫度

從上述2臺電解槽(投產時間約1年)爐底鋼板溫度情況看，溫度約85 ℃，是比較合理的溫度分布結果，說明該系列電解槽的能量利用率較高。

該電解系列實際運行過程中，在500 kA的運行電流下，維持3.92 V的工作電壓可以獲得較好的爐膛形狀與溫度分布，合理的溫度分布結果在一定程度上抑制了電解槽的形變。

2.3 力場分析

通過測試A、B鋼梁頂部與其正上方對應搖籃架底面的凈距，用以判斷電解槽爐底鋼板上拱變形量，從而判斷槽殼豎向變形情況。該系列其中某次測量電解槽爐底鋼板最大上拱量測量結果見表3，爐底鋼板最大上抬量平均為15.8 mm。

表3 電解槽上拱變形及縱向變形表

同時測試了該系列部分電解槽通電前及生產一段時間后槽殼邊緣距離煙道端及出鋁端樓板的間距變化，從而判斷其縱向變形情況。從表3可見，縱向變形均值分邊為31.1 mm和27.5 mm。

實際測量數值在設計允許范圍內，在采用整體焊接直角槽殼技術后，明顯改善了應力集中，減小了槽殼變形。

3 結 語

該500 kA系列電解槽通過新型抗擾穩流母線配置，大幅度降低了當臺槽效應帶來的上下游電解槽的波動。合理的內襯設計，使得爐膛形狀和溫度分布都較為合理，配合新型焊接直角槽殼技術，減小了槽殼各個方向的變形。通過設計計算與各項生產參數實測對比，該500 kA系列電解槽處于大型預焙槽技術先進水平。