電解鋁車間巡檢機器人內部防磁罩設計

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0120-04

Abstract：Themainstreamprocessintheelectrolyticaluminumindustryistousecryolite-aluminamoltensaltelectrolysisto producealuminum.Thisprocessuseshigh-intensityDCelectricity，resultinginastrongmagneticfieldattheelectrolytic aluminumproductionsite.Withthecontinuousadvancementofelectrolysistechnologythecurentintensityoftheelectrolyticcell series has been upgraded from 300kA and 400kA to 600kA ，which further enhances the on-site magnetic field. In the harsh environmentofhightemperatureandhighdustintheelectrolyticaluminumworkshop，theintroductionofautomatedequipment suchasinspectionrobotshasbecomeatrendHowever，theseequipmentisdiffculttoworkstablyinhigh-intensitymagetic fields，soresearchonmagneticfieldprotectionisparticularlyimportantCurentresearchmainlyfocusesonthemagneticfield distributionofelectrolyticcell，wilethereislitleresearchonmagneticfeldprotectioninelectrolyticaluminumworkshops， resultinginalackofbasisforanti-magneticdesignofautomatedequipment.Thisstudyconducteddesignresearchonthe antimagneticstructureforthespecificenvironmentofthelectrolyticaluminumworkshop，includingtheevaluationofthemagnetic shieldingperformanceofantimagneticcoverswithdiferentmaterialswallthickneses，crosssectionsizeandnstingschees，in orderto provide effective guidance for antimagnetic automation equipment.

Keywords： electrolytic aluminum; inspection robot; magnetic field; anti-magnetic cover; automation equipment

當前，在電解鋁行業中，主流的工業制鋁方式是通過冰晶石-氧化鋁熔鹽電解制鋁。這一工藝過程的能源為直流電，其特點在于能夠穩定且高效地驅動電解反應。同時，高強度直流電的應用使得電解鋁生產現場產生強大的磁場。隨著電解鋁工藝技術的持續進步，為了提高生產效率并降低成本，電流強度被不斷提高。近年來，電解鋁工廠所使用的電解槽系列電流強度已經逐漸從 300kA、400kA 升級至 600kA 。電流強度的進一步提高也使得生產現場磁場進一步增強。

基于電解鋁車間的高溫高粉塵的惡劣工況，當下，越來越多的自動化設備被引入代替人工，如自動巡檢機器人。而自動化設備在高強度磁場中往往難以穩定工作，因而對磁場的具體防護措施的研究就變得尤為重要。

當前關于電解槽磁場的研究主要集中在對其磁場分布的研究。如張含博等研究了 500kA 鋁電解車間空間磁場分布，并基于特定區域磁場強度提出了該區域磁場防護的要求。周愛平等對SY500鋁電解槽的磁場分布進行了數值模擬，并通過現場測試驗證了數值模擬的可行性與準確性。關于磁場防護，也有部分學者進行了相應的研究。如李立明等對紅外測溫儀的鏡頭窗口進行了相關的防磁設計研究；田慶等[4對地鐵車輛的防磁板進行了相關的設計研究。而對于在電解鋁車間磁場防護的研究較少，使得相應的自動化機構防磁設計缺少依據。因此，需要針對該特定環境進行防磁結構的設計研究。

1電解鋁車間的磁場介紹

電解鋁生產過程中應用的電流為恒定直流電，該電流下產生的磁場為穩定靜態磁場。在該情況下，磁場滿足如下公式

式（1）和式2）中： ??μ_m 為磁導率， H/m 。 H 為磁場強度，A/m;B 為磁感應強度， T;J 為導電材料電流密度， A/m² 磁場強度 H 計算公式如下

式中： J 為導電材料電流密度， A/m²;r 為導體和所求磁場位置之間的距離向量， m;volC 為導體的體積， m³

在多條電流母線產生磁場的相互作用下，整個電解鋁車間磁場分布呈現如圖1所示煙道端到出鋁端的NS磁場分布狀態。其中，將由煙道方向指向出鋁方向規定為 x 方向；將陰極炭塊指向陽極炭塊方向規定為 z 向。

圖1電解槽磁場NS分布狀態示意圖

在該磁場下，電解槽煙道端的磁場強度強于出鋁端；同時越靠近電解槽母線，磁場越強；隨著 z 向高度的增加，磁場強度逐漸降低[。電解鋁車間巡檢機器人巡檢路徑為出鋁端通道，如圖2所示。其中，將電解槽有母線一側指向無母線一側規定為 y 向。

對于巡檢小車的日常巡檢，路徑距離母線最近位置為 x 方向距離出鋁端爐門口 0.5m 巡檢小車 z 向范圍為距電解鋁車間二層地面 0.1～1.8m 。依據電解鋁車間磁場分布規律，巡檢小車日常工作途經最大的磁場強度范圍為距離出鋁端爐門口 0.5m 、距離電解鋁車間二層地面 0.1m 區域。現使用高斯計對整個電解鋁車間一個工作區內所有電解槽該區域進行磁場強度測量，如圖3所示。

圖2巡檢機器人巡檢路線示意圖

圖3高斯計現場磁場測量圖

經過測量，巡檢小車日常工作區域內磁場峰值為234.7Gs ，因此電解鋁車間巡檢小車關鍵部件的防磁設計應不小于 235Gs 。

2磁場屏蔽方案的設計及驗證

在電解鋁車間中，母線直流電產生強大磁場，防磁罩的作用為減少磁感線進入其內部，從而保護內部元器件。當磁場從一個磁導率較低的介質傳播到磁導率較高的介質時，磁力線的行進方向會發生改變，這種改變與光線從一種介質進入另一種折射率不同的介質時發生的折射現象相似。因而選用不同材料、不同壁厚、不同尺寸均會影響防磁罩的防磁效果。現對以上影響因素進行實驗驗證評估，來確定防磁罩設計的相關關鍵參數。在防磁罩加工過程中，如涉及焊接，均保證邊縫滿焊。

在巡檢機器人中設計使用的防磁罩無全封閉的使用情況，一般會開放一部分進行走線和作為視窗。本文中將防磁罩驗證件均做了單面開放處理，具體結構如圖4所示。

圖4防磁罩結構圖

2.1不同材料的防磁罩磁屏蔽性能評估

選取鋁合金、Q235、硅鋼、泡沫鋁和坡莫合金材質進行防磁罩的制作，制作完成后進行屏蔽磁場測試，將高斯計探測段放置于防磁罩中心位置，測試結果見表1。

表1不同材料的防磁罩磁屏蔽效果

從表1可以看出，在電解鋁車間這一大直流電產生的強磁場中，Q235、硅鋼及坡莫合金均具有較好的防磁性能。在工程應用中，Q235因其良好的加工性能和高性價比，相對于其他2種材料有更高的應用價值。

2.2不同壁厚的防磁罩磁屏蔽性能評估

將Q235作為防磁罩材質，防磁罩截面邊長為50mm 正方形，側壁壁厚依次選取1、2、3、4和 5mm 制作防磁罩，如圖5所示。

依次將制作完成的不同壁厚防磁罩進行屏蔽磁場測試，將高斯計探測段放置于防磁罩中心位置，測試結果見表2。

從表2可以看出，在材料相同的條件下，壁厚尺寸越大，磁場屏蔽效果越好。在 600kA 電解鋁車間巡檢小車使用Q235材料作為防磁罩材質時，壁厚大于等于4mm 即可實現磁場的完全防護。

圖5不同壁厚防磁罩

表2不同壁厚的防磁罩磁屏蔽效果

2.3不同截面尺寸的防磁罩磁屏蔽性能評估

防磁罩材質選取Q235，壁厚選取 1mm ，長度不變，將防磁罩的正方形截面尺寸進行梯度變化。截面邊長尺寸分別為3、4、5、6和 7mm ，如圖6所示。

圖6不同截面尺寸防磁罩

依次對不同正方形截面尺寸防磁罩進行防磁屏蔽性能測試，將高斯計探測端放置于防磁罩中心位置，磁場測試結果見表3。

表3不同截面尺寸的防磁罩磁屏蔽效果

從測試結果可知，不同截面尺寸防磁罩屏蔽效果不同。防磁罩截面尺寸越大，其內部磁場強度越大。后續設計過程中應盡量貼近被防護物，在減少空間浪費的同時也可增強磁防護效果。

2.4嵌套方案的防磁罩磁屏蔽性能評估

將Q235作為防磁罩材質，壁厚選取 1mm 制作防

磁罩。將不同正方形橫截面的防磁罩進行組合嵌套，結果見表4。如圖7所示。 表

圖7嵌套方案結構圖

依次對不同嵌套方案的防磁罩進行磁屏蔽性能測試，將高斯計探測端放置于防磁罩中心位置，測試

表4嵌套方案的防磁罩磁屏蔽效果

注： 為邊長 70mm 與邊長 xmm 防磁罩進行嵌套。

由測試結果可知，嵌套方案下的磁屏蔽效果均較原單層有一定的提升。在防護罩無法增加壁厚等特定情況下，可以采取嵌套方式進行磁場屏蔽的增強。

2.5 防磁罩設計及驗證

依據本文以上驗證結果，對 600kA 電解鋁車間巡檢機器人的防磁罩進行優化設計。材質選取碳鋼，與被防護元器件盡量貼合，最終防磁罩結構如圖8所示。

圖83D模型圖

將特制的防磁罩在實際工作環境中進行部署并實施應用后，經過嚴格的監測與評估，確認該設備能夠在強磁場現場條件下持續、穩定地運行長達3個月的時間。

3結論

1）Q235、硅鋼以及坡莫合金均具備出色的防磁特性。在工程實踐的運用中，基于Q235的優異的加工成形能力和相對經濟的價格優勢，其具有更高的實用價值和應用潛力。

2）使用Q235作為防磁罩材質，其壁厚越大，提供的磁場屏蔽效能也就越強。針對 600kA 電解鋁車間的巡檢小車，截面正方形尺寸邊長為 50mm 時，其防磁罩壁厚超過 4mm ，就能提供極佳的磁場屏蔽。

3）防磁罩的截面尺寸會影響其磁屏蔽效果。在設計防磁罩過程中，應盡量使其與被防護組件貼合，既能夠減小空間占用，又可以提升磁屏蔽效果。

4）在采用嵌套設計方案的情況下，磁屏蔽的效果相較于原本的單層結構會有一定程度的提升。

5）基于以上原則對電解鋁車間巡檢小車進行關鍵組件的磁防護設計，實現了設備3個月的無故障運行。這證明了以上原則的實用性。

參考文獻：

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[5]石英超 .500kA 鋁電解車間空間防磁設計研究[J].世界有色金屬，2019（23）：19，21.