鋁電解系列端頭槽磁場優(yōu)化設(shè)計

孔 曄,王 旋

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁電解系列設(shè)計時,電解槽熔體區(qū)的磁場設(shè)計至關(guān)重要。如果電解槽磁場設(shè)計不合理,鋁液作為液態(tài)導(dǎo)體將會因受到過大的電磁力在電解槽內(nèi)大幅波動,影響到極距(槽電壓)的穩(wěn)定性,從而影響到鋁電解槽運行的穩(wěn)定性和電流效率[1-3],嚴(yán)重時導(dǎo)致電解槽無法正常生產(chǎn)。

本文討論的鋁電解系列端頭槽位于整個電解系列遠(yuǎn)離整流所的端頭處,其磁場顯著高于位于中間區(qū)域的普通槽。如果這些端頭槽的磁場也能達(dá)到或最大限度地接近普通槽的水平,這對電解鋁廠而言將是一個增加其效益的有力舉措。因此,本文的目的即在于尋求一種較為簡單、便捷的對電解系列端頭槽磁場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方法。

1 端頭槽磁場惡化的表現(xiàn)及原因分析

母線設(shè)計及其磁場模擬計算時,普通槽一般考慮其受三個方面電流的影響:

a)本槽自身電流,包含本槽槽周圍母線電流、陽極母線電流及槽內(nèi)電流等;

b)上、下游各若干臺電解槽的電流;

c)相鄰廠房(必要時含相鄰電解系列)的電流。

圖1給出了電解系列中主要的幾類電解槽的位置。如圖所示,端頭槽不同于普通槽,根據(jù)其所處位置(磁場環(huán)境)的不同可以將整個電解系列的端頭槽分為圖中六類。本文討論的兩類端頭槽位于整個電解系列遠(yuǎn)離整流所的端頭處,分別為端頭進(jìn)電槽和端頭出電槽,普通電解槽同時受上下游電解槽磁場影響,然而端頭進(jìn)電槽受下游電解槽和端頭匯流母線電流的影響。端頭出電槽受上游電解槽和端頭匯流母線電流的影響。

圖1 端頭槽位置示意圖

可見,端頭槽的磁場環(huán)境與普通槽存在顯著差異,這些差異就構(gòu)成了端頭槽磁場惡化的主要原因[4]。然而,這些差異對端頭槽磁場的影響程度是不同的。本文以標(biāo)準(zhǔn)型500 kA母線配置電解系列為例,分析端頭槽磁場惡化的具體表現(xiàn)及原因。

1.1 上、下游電解槽磁場的影響

標(biāo)準(zhǔn)型500 kA母線配置通過電解系列自身的500 kA電流的合理分布實現(xiàn)電解槽磁場的優(yōu)化配置。因此,計算槽磁場將會受其上、下游槽母線很大的影響。表1給出了通過模擬計算得出的上、下游槽對計算槽磁場影響的具體情況。

表1 上、下游槽母線對計算槽磁場的影響 Gs

由表1可見,上、下游槽母線均對計算槽磁場產(chǎn)生很大影響。電流大小和距離遠(yuǎn)近是決定特定母線對特定區(qū)域磁場影響大小的兩個決定性因素,因此上、下游若干臺電解槽母線均會對計算槽磁場產(chǎn)生影響。一方面這些影響隨距離趨遠(yuǎn)而減弱;另一方面各臺電解槽對計算槽磁場影響的疊加是耦合過程,不能直接進(jìn)行數(shù)值加減。一般磁場模擬計算時除了建立電解槽本體母線模型外,還要建立鄰廠房電流模型和上、下游若干臺電解槽母線模型[5]。圖2為含鄰廠房電流的1臺和51臺電解槽計算模型。表2列出了含鄰廠房電流的不同數(shù)量電解槽計算模型的磁場計算絕對值平均值。

表2 含不同數(shù)量電解槽計算模型磁場計算絕對值平均值 Gs

圖2 含鄰廠房電流的1臺和51臺電解槽計算模型

從表2可以看出,隨著考慮的電解槽數(shù)量增加,7臺以上電解槽模型的磁場計算結(jié)果開始趨于一致,但1臺、3臺、5臺和7臺槽模型的計算結(jié)果有顯著地差別,這說明上、下游各3臺電解槽對計算槽的影響較大,第4臺及以上影響較小?？紤]計算機(jī)的處理速度,一般磁場計算時選取11臺槽模型,即計算普通槽時考慮計算槽及上、下游各5臺電解槽,保證磁場數(shù)值較小且均勻。但是端頭槽對比普通槽的位置關(guān)系可見上、下游槽缺位,因而這是磁場惡化的原因之一。

1.2 端頭匯流母線電流

在考慮端頭匯流母線電流和鄰廠房電流的情況下,建立端頭進(jìn)、出電端端頭槽計算模型,其中第1臺槽模型如圖3所示。表3列出了普通槽及端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽的磁場計算結(jié)果。

表3 普通槽及端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽磁場計算結(jié)果 Gs

端頭進(jìn)、出電槽磁場計算結(jié)果明顯高于普通槽,除了上、下游槽的缺位之外,來自于端頭匯流母線的電流正影響也不容小覷,且這種影響因為端頭母線離電解槽距離更近而更加顯著。通過對比表3中平均值可知,端頭母線對端頭進(jìn)、出電槽磁場產(chǎn)生了極大的正影響。

2 端頭槽磁場優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)上述分析,端頭槽磁場惡化的主要原因,一是上、下游槽母線電流缺位的影響;二是縱向電流(垂直于車間內(nèi)電流方向的電流)的影響。

針對上述兩條端頭槽磁場惡化的原因,可能的解決辦法包括:

1)利用連接母線模仿所缺位的上、下游槽母線電流

該方法最能解決端頭槽尤其端頭第1臺槽由于上、下游槽母線電流缺位所引起的磁場惡化,且不會造成連接母線用量和壓降的大量增加。

2)盡可能將縱向電流遠(yuǎn)離端頭槽

該方法對端頭槽磁場的改善比較有效,但卻需要增加電解車間與整流所之間的距離或者電解車間的長度,造成用地成本和廠房造價的增加。

3)通過反向繞行母線抵消縱向電流的影響

該方法能有效地改善端頭槽部分區(qū)域的磁場,但對某些區(qū)域的磁場作用并不明顯甚至產(chǎn)生負(fù)面影響。

4)單獨設(shè)計端頭槽槽周母線,進(jìn)行特殊處理

該方法對端頭槽磁場的改善也能取得較好的效果,但端頭槽槽周母線的單獨設(shè)計將會大幅增加設(shè)計工作量,同時對母線制作、現(xiàn)場安裝等造成一定的麻煩。

5)采取必要的磁屏蔽手段

該方法目前僅存在理論可行性,尚未找到有效的磁屏蔽手段。

可見,上述方法各有利弊,往往不可能通過其中一項就能解決問題,因此需要根據(jù)具體的端頭槽磁場情況進(jìn)行具體分析。

2.1 端頭進(jìn)、出電槽連接母線傳統(tǒng)配置

端頭連接母線不做特殊配置時,端頭進(jìn)、出電槽端頭母線的連接方式為電流分別從出電端槽母線的立柱經(jīng)過端頭通廊橫穿電解廠房連接至另一廠房的進(jìn)電端槽立柱母線,此方案簡稱直行方案。

傳統(tǒng)方案是在直行方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),將承載著最靠近煙道側(cè)立柱母線電流的連接母線先沿端頭母線電流反方向行走,以此抵消一部分端頭母線的影響。表4列出了普通槽及端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽采用傳統(tǒng)繞行方案的磁場計算結(jié)果。

表4中所列結(jié)果表明,采用單向繞行方案后,端頭進(jìn)、出電槽的磁場分布的部分象限有一定改善。需要注意的是,該方案對某些區(qū)域的磁場作用并不明顯甚至產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2 端頭進(jìn)、出電槽連接母線優(yōu)化方案

優(yōu)化方案為對端頭進(jìn)、出電槽采取通過端頭連接母線繞行出微回路用來模仿缺位的上、下游槽母線電流,以及將電解槽煙道側(cè)和出鋁側(cè)兩端側(cè)母線標(biāo)高降低的方法來優(yōu)化其磁場,同時將端頭母線布置于盡可能遠(yuǎn)處。

表5列出了普通槽及優(yōu)化后端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽的磁場計算結(jié)果。圖4給出了優(yōu)化前后(含傳統(tǒng)方案和單向繞行方案)端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽及普通槽計算結(jié)果對比。

圖4 優(yōu)化前后端頭進(jìn)、出電第1～3臺槽及普通槽計算結(jié)果對比

綜上可知,無論與直走方案還是傳統(tǒng)繞行方案相比,優(yōu)化后的端頭進(jìn)、出電第1臺槽磁場分布均明顯優(yōu)化。端頭進(jìn)、出電第2及第3臺槽磁場分布情況也略有優(yōu)化,這表明端頭進(jìn)、出電母線所模仿的缺位上、下游槽母線電流由于距離的原因只對端頭第1臺槽起到較好的優(yōu)化效果。經(jīng)過優(yōu)化后的端頭進(jìn)、出電端電解槽的磁場可以滿足更高的要求,為電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)提供更有力的保證。

2.3 優(yōu)化后的節(jié)能效果

經(jīng)過對端頭電解槽的優(yōu)化,電解槽的磁流體穩(wěn)定性得到有效提升。穩(wěn)定性影響電解質(zhì)和鋁液流動,較少電解質(zhì)鋁液大幅度無規(guī)則波動,減小界面變形。穩(wěn)定性的提高為降低極距提供了有效空間,從而降低電解槽壓降,提高電流效率,最終達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

表6中表示出了某廠普通槽以及優(yōu)化前后端頭槽的工藝參數(shù)。優(yōu)化后的端頭槽工藝參數(shù)與普通槽數(shù)據(jù)相近,優(yōu)化后槽平均電壓降低,電流效率也得到有效提升,直流電耗節(jié)能94 kWh/t-Al。

3 結(jié) 論

本文通過對端頭槽磁場惡化情況的分析,總結(jié)出端頭槽磁場惡化的主要原因,并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案。

優(yōu)化后的端頭槽磁流體穩(wěn)定性得到了極大改善,可以降低電解槽生產(chǎn)壓降,提高電電解系列的生產(chǎn)效率,同時降低工人的勞動強度,為企業(yè)增產(chǎn)提效提供基礎(chǔ)保障。同時本次實踐也為今后電解系列母線設(shè)計指明了方向,對提高設(shè)計質(zhì)量、改善現(xiàn)場電解槽穩(wěn)定性、節(jié)能降耗具有深遠(yuǎn)意義。