大型鋁電解槽多物理場的工業(yè)測試分析及反映鋁液液面狀態(tài)新方法的研究.pdf

1、工業(yè)化的發(fā)展使得各行業(yè)一直保持著對鋁的高需求量狀態(tài)。隨著鋁電解生產(chǎn)規(guī)模的擴大和發(fā)展，我國已具備獨立自主設計和建造大型預焙陽極鋁電解槽的技術和能力，在煙氣凈化和自動化控制技術上也取得了長足的進步。但能源和原材料的供應壓力以及國內(nèi)勞動力優(yōu)勢的逐年遞減，使得我國鋁電解工業(yè)正面臨著巨大的風險和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，我國鋁電解行業(yè)發(fā)展的重點正在向鋁電解槽的優(yōu)化設計與研發(fā)、工藝技術的改進與創(chuàng)新、生產(chǎn)管理的精細控制等方向轉移，以達到生產(chǎn)運行高效低耗的目的。<

2、br>　　鋁電解槽的設計要求從分析各種結構材料的性能及其與生產(chǎn)工藝關系的角度出發(fā)，借助于計算機仿真軟件模擬計算各物理場，比較不同設計方案的可行性及優(yōu)勢，進而達到設計的優(yōu)化。對大量工業(yè)實測數(shù)據(jù)的研究與分析不僅是槽況診斷裝置、自動化操作控制程序和系統(tǒng)開發(fā)的前提，也是物理場計算中數(shù)學模型選擇和建立的基礎，更是驗證仿真計算準確性、可靠性以及電解槽設計合理性的依據(jù)。現(xiàn)階段國內(nèi)鋁電解領域的研究焦點多集中在對物理場及槽況的模擬，由于測試設備和能力等條

3、件的制約，對于鋁電解槽多物理場的大型工業(yè)測試與分析，只有少數(shù)專業(yè)測試團隊能夠進行，其以數(shù)據(jù)為主的測試報告內(nèi)容相對簡單，測試數(shù)據(jù)與分析也僅限于與企業(yè)內(nèi)部的交流，很少見于外界。
　　本文以東北大學設計研究院（有限公司）設計的山東南山集團怡力鋁電有限公司、河南豫聯(lián)集團林豐鋁電有限公司400kA級大型預焙陽極鋁電解槽為研究對象，將底部垂直出電電解槽與側部水平出電電解槽相對照，高低組合普通陰極炭塊、異型陰極炭塊與等高度普通陰極炭塊相對照，通

4、過對電壓平衡、陰極和陽極電流分布、母線電流分配、能量平衡、鋁液層內(nèi)磁感應強度、鋁液流速場等多項工業(yè)測試與分析，全面深入了解實際生產(chǎn)中六種不同結構設計方案下的鋁電解槽各物理場的分布特性，并以新的視角研究反映導桿等距壓降狀態(tài)和鋁液液面狀態(tài)的新方法。其主要研究成果如下：
　　(1)提出由陽極導桿等距壓降波動曲線的周期及同周期相鄰導桿波動曲線的相位差來推斷鋁液在水平方向上沿槽大面形成的主要漩渦形態(tài)、由電解槽大面A、B兩側陰陽極電流分布比例

5、計算得出的水平電流流向僅限于總體平均流向、由左手定則全面分析水平方向磁場力、由流場測試結果可以細化水平方向鋁液形成的漩渦形態(tài)并可推斷鋁液在垂直方向上形成的局部小旋流等觀點，建立起一套較為完整的工業(yè)測試與分析模式。
　　(2)研究和分析發(fā)現(xiàn)電、熱、磁、流場的測試結果之間存在相互關聯(lián)性與相互驗證性，包括陰極壓降、電解槽側壁溫度、槽膛內(nèi)形、槽底沉淀量、磁場力和水平加速度、陰極電流分布、陰極鋼棒和立柱母線的連接配置、斜立柱母線電流分布、由

6、陽極導桿等距壓降曲線及鋁液水平流速推斷鋁液在水平方向上形成的主體漩渦形態(tài)、水平最大流速起伏高點或水平流速值較大的位置、鋁液在垂直方向上可能形成的局部小旋流位置、沉淀量較高的測點位置。
　　(3)在陽極導桿等距壓降曲線研究與分析中發(fā)現(xiàn)陽極效應前兆、氣泡或漂移炭塊的產(chǎn)生以及陽極長包三種特殊的曲線形態(tài)。流場測試結果中發(fā)現(xiàn)溶蝕后的鐵棒表面存在正常溶蝕、溶蝕面扭轉、溶蝕坑較多三種溶蝕特征。
　　(4)考察六種設計方案下鋁電解槽生產(chǎn)運行

7、的穩(wěn)定性及設計的合理性，并有針對性地在槽內(nèi)襯、槽底結構、母線配置等設計方面提出改進要求。主要分析結果為側部水平出電設計電解槽的物理場設計較為合理，底部垂直出電設計電解槽的問題主要集中在熱場。與等高度普通陰極炭塊結構相比，高低組合普通陰極炭塊和帶凸臺的異型陰極炭塊結構在一定程度上可以改變流體水平方向上的走向，促進相鄰漩渦的融合，且正是因為漩渦的融合變大加大了槽內(nèi)鋁液的水平流速，加強了鋁液的波動程度和局部小旋流的發(fā)生。同時，帶凸臺的異型陰極

8、表面的“溝槽”，尤其是普通陰極炭塊高低組合更易于沉淀物沉積在槽底部。此外，與等高度普通陰極炭塊相比，普通陰極炭塊高低組合和帶凸臺的異型陰極炭塊的使用在電解槽鋁液水平電流的減少、磁感應強度絕對值的減小和極值位置等問題上并未體現(xiàn)設計優(yōu)勢。
　　(5)利用電熱及導熱理論完整地推導出陽極導桿三維溫度場方程，以及反映導桿溫度值與導桿內(nèi)部電流值、導桿內(nèi)部電流值與不同導桿對應的鋁液層高度值、導桿溫度值與不同導桿對應的鋁液層高度值之間關系的計算公

9、式，證明了反映鋁電解槽不同導桿對應的等距壓降和鋁液液面狀態(tài)的可變因素均為導桿表面溫度t導桿、槽內(nèi)導桿周圍煙氣的溫度t煙氣、槽內(nèi)導桿周圍煙氣的流速v煙氣、導桿和水平罩板交匯處至導桿頂端的距離l導桿、陽極大母線下沿至水平罩板上沿的距離l1五項參數(shù)。通過對大量工業(yè)實測數(shù)據(jù)進行分析，擬合得出一組經(jīng)驗公式，建立起通過對五項參數(shù)的在線工業(yè)測試，并根據(jù)所得經(jīng)驗公式進行計算得出的擬合曲線，來反映導桿等距壓降狀態(tài)和鋁液液面狀態(tài)的新方法。大量數(shù)據(jù)表明，根據(jù)