350 kA电解系列端头电解槽磁场分布优化的模拟研究

陈 端 周爱平

(沈阳铝镁设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110001)

0 前言

磁场对铝电解过程的影响是通过对电解质和铝液流动(流场)的影响，对两者界面的形变和波动而起作用的[1-2]，具体体现是影响到极距(槽电压)的稳定性，从而影响到铝电解槽运行的稳定性和电流效率[3]。铝电解槽良好的磁场分布能在实际生产中获得良好的磁流体稳定性，对提高电流效率和延长槽寿命非常有益。

某铝业公司正在运行的350 kA电解系列电解槽槽电压波动较大(尤其是端头第1台电解槽)，管理难度很大，难以维持正常稳定生产，并最终被迫停槽。因此，本文对该电解系列端头电解槽磁场分布进行模拟复核，并采用外母线绕行补偿的方式来优化端头电解槽的磁场分布，最终达到可以保证端头电解槽正产稳定生产的需求。

1 电解车间端头母线的优化

1.1 原电解车间端头母线的配置

某铝业公司350 kA电解系列母线系统采用大面六点均匀进电方式，系列电流方向为逆时针方向，在电解槽的烟道端和出铝端分别有一条外补偿母线。优化前的电解系列端头母线、外母线配置如图1所示。根据现场生产反馈情况，以及母线设计经验，350 kA电解系列端头电解槽一般仅靠近端头母线3台电解槽会受到相应的影响。因此在电解系列两栋厂房各选区3台电解槽进行优化前后的磁场对比：在AB跨厂房中，从靠近端头母线起的电解槽依次编号为出电槽1(C1)、出电槽2(C2)、出电槽3(C3)；在CD跨厂房中，从靠近端头母线起的电解槽依次编号为进电槽1(J1)、进电槽2(J2)、进电槽3(J3)。通过分析端头电解槽的母线配置可知：

1)端头电解槽由于无上下游电解槽或者上下游电解槽槽数量较少(这种情况是电解系列无法改变的)，导致其磁场与普通槽相比更差。

2)端头电解槽受到端头母线以及端头外母线磁场的影响，通过这些母线的电流强度为系列电流+外母线电流之和，远超过系列电流强度，并且对端头电解槽的磁场产生的作用单一。

3)端头电解槽磁场分布会导致电解槽电解质铝液界面波动明显，电解槽极距难以保持，槽电压波动较大，无法维持电解槽的正常生产。

图1 优化前350 kA电解系列端头母线配置图

图2 优化后350 kA电解系列端头母线配置图

1.2 电解车间端头母线的优化方法

通过上述分析可知，对端头电解槽磁场分布产生影响的主要是端头母线及端头外母线。优化后的电解系列端头母线、外母线配置图如图2所示，具体的优化方案为：

1)改变烟道端外母线走向，使烟道端外母线绕行贴近端头电解槽，这样可以对端头槽磁场进行补偿，并可以适当地抵消端头母线及端头外母线磁场的影响。

2)将沿AD轴线的烟道端外母线推到远离端头电解槽的位置，使其对端头电解槽的磁场作用尽量小。

3)出铝端外母线走向不变，将沿AD轴线的出铝端外母线同样推到远离端头电解槽的位置，使其对端头电解槽的磁场作用尽量小。

2 磁场模拟计算与结果分析

根据上述制定的母线优化方案，建立电解槽磁场计算模型，计算优化前后电解槽的磁场分布情况。

2.1 建立电解槽坐标系

计算电解车间内电、磁场分布时，首先要建立磁场模型。建立模型前，需要定义出X、Y、Z坐标轴及其方向。一般情况下，X轴方向是指由电解槽烟道端(DE)指向出铝端(TE)(指向电解车间大面)，Y轴方向是系列电流流通方向，由电解槽A侧(立柱侧)指向B侧(无立柱侧)，Z轴方向是由铝液指向阳极炭块[4]。坐标系示意图如图3所示。

2.2 建立电解槽磁场仿真模型

根据某铝业公司提供的相关设计图纸，并结合现场实际情况，建立该350 kA电解槽磁场仿真模型，进行电解槽磁场复核及优化磁场计算，并在仿真模型的基础上补充建立端头母线、系列相邻电流、槽壳、空气包模型，从而得到电解槽电磁场计算模型，如图4所示。由于电解槽母线配置及外母线配置并未有改动，所以电解槽X和Y方向磁场分布变化较小，因此本文重点关注优化前后Z方向磁场，即垂直磁场的变化[5-7]。

图3 电解槽坐标系示意图

按系列电流350 kA、外母线电流95 kA(烟道端69 kA+出铝端26 kA)计算普通槽磁场、优化前后的端头电解槽磁场。

图4 电解槽母线电磁场仿真计算模型

2.3 普通槽磁场的计算

普通槽Z方向4个象限的磁场计算结果见表1。

表1 普通槽磁场的计算结果 单位：Gs

注：本文中列表显示的磁场计算结果都表示象限绝对值平均值。

2.4 优化前后端头进电槽和出电槽磁场的计算

在CD跨厂房中，对应图1和图2的进电槽1(J1)、进电槽2(J2)、进电槽3(J3)优化前后的Z方向磁场模拟计算结果见表2；在AB跨厂房中，对应图1和图2的出电槽1(C1)、出电槽2(C2)、出电槽3(C3)优化前后的磁场模拟计算结果见表3。

从表2和表3可以看出：

1)进电槽1(J1)和出电槽1(C1)优化后，垂直方向的磁场分布得到明显的改善，4个象限的垂直磁场绝对值平均值显著降低，特别是第2、3象限，效果非常明显；对比表1可以看出优化后电解槽的磁场均值分布几乎与电解系列普通槽相当。磁场得到改善的主要原因：首先是将原有烟道端外母线在J1/ C1处绕行，其次是将出铝端外母线远离J1/ C1，双重优化大大减弱了端头外母线对J1/ C1磁场分布的影响。优化后的J1和C1磁场分布完全可以满足电解槽稳定生产的需求。

表2 进电槽J1、J2、J3优化前后的磁场计算结果 单位：Gs

表3 出电槽C1、C2、C3优化前后的磁场计算结果 单位：Gs

2)进电槽2(J2)和出电槽2(C2)优化后，垂直方向的磁场分布有一定的改善，2、3象限的垂直磁场均值较改造前有较明显的改善。在生产过程中，J2/ C2的槽电压的波动情况要比J1/ C1更小，因为J2/ C2槽电压的波动除了原有磁场分布不好的原因，还有部分是由于J1/ C1的电解槽波动对其造成的影响。通过对端头外母线进行优化设计后，J2/ C2的磁场得到改善，并且J1/ C1对其产生的影响作用减弱，所以优化后的J2/ C2磁场可以满足电解槽稳定生产的需求。

3)进电槽3(J3)/出电槽3(C3)的原始磁场分布较J2、J1和C2、C1略好，通过端头外母线优化后,垂直磁场的均值分布与J2/ C2相当。所以优化后的J3和 C3磁场可以满足电解槽稳定生产的需求。

3 结束语

对某铝业公司350 kA电解系列端头外母线进行优化设计后，端头电解槽磁场分布明显好于优化前，尤其是靠近端头母线及端头外母线的第1台电解槽，改善效果显著，几乎达到普通槽的磁场分布水平；端头第2、3台电解槽的磁场也得到一定程度的改善。而且优化后，可以提高电整个电解系列的生产效率，降低工人的劳动强度，为企业增产提效提供基础保障；同时，本次实践也为今后电解系列母线设计指明了方向，除了要关注普通槽磁场以外，也要兼顾考虑端头电解槽和通廊处电解槽的磁场分布。