阳极钢爪数量对阳极电压的影响

2021-11-06邓胜祥

轻金属 2021年9期

鲍亮,邓胜祥

(1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院能源与动力工程系,上海 200423；2.上海工程技术大学新能源与节能新技术研究所,上海 200423)

电解铝熔盐方法[1]发明到现在已经100多年,在这期间电解铝技术迅速发展,主要体现在电解铝铝电解槽容量不断增大,600 kA电解槽[2]已经在实验阶段,电解铝耗能不断降低。电解铝主要能耗是电能。电能作为二次能源属于不可再生能源,所以怎样提高电流效率[3],节约电能一直是电解铝发展方向。虽然现在电解铝技术比较先进,但是电能的利用率仅在53%左右。降低槽电压[4]是降低能耗的有效途径,降低槽电压的方法有多种,其中通过改变阳极结构降低压降,效果较为突出。

铝电解槽电流为直流电流,电流流过电阻产生压降,电流从阳极母线流入阳极导杆,通过阳极钢爪分流[5]进入阳极炭块[6],经过阳极炭块与氧化铝发生电解铝反应,之后电流流过原铝进入阴极炭块,由阴极钢棒流入阴极母线进入下一个电解槽。主要产生阳极压降[7]、极距压降、阴极压降。极距压降涉及到多种电解质氧化铝还原反应,所以降低极距压降较为复杂,实现效果不理想,但是从阳极和阴极结构的设计实现降低电解槽电压较为方便,而且对降低槽电压降也有不错的效果。

国内阳极复合结构钢爪[8],新型异型阴极[9]等,在降低槽压降方面都取得不错效果,达到节能的目的。目前国内阳极压降的研究主要为改变阳极材料,优化阳极炭块尺寸[10]。

本研究在有限元软件中建立单阳极几何模型,然后将几何模型关联到COMSOL软件进行有限元划分,并对不同阳极钢爪个数单阳极几何模型进行模拟计算。分别对四个不同阳极钢爪个数的单阳极模型在相同条件下进行模拟计算,分析每个单阳极模型的电压分布并进行对比,得出相应结论,在此结论基础上提出改进,并再次建立模型进行模拟计算,模拟结果与原来几何模型进行比较,得出改进优化结果。

1 相关理论及模型参数

1.1 相关理论

阳极导电部分导电微分方程拉普拉斯方程:

(1)

式中:V——阳极电压,V;

σ——电导率,S/m。

ΣV=ΣIR

(2)

式中:V——阳极电压,V;

I——阳极电流,A;

R——阳极电阻,Ω。

结构电阻计算公式如图1。

图1 一类结构电阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(3)

式中:Ri——钢爪电阻,Ω;

R′——钢爪间电阻,Ω;

i和j——钢爪数量。

(4)

式中:Rmax(j)——最大电流钢爪电阻,Ω;

Rmax(i)——最大电流钢爪电阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(5)

式中:Rj——钢爪电阻,Ω;

R′——钢爪间电阻,Ω。

图2 二类结构电阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(6)

式中:Ri——钢爪电阻,Ω;

R′——钢爪间电阻,Ω。

Rmax(j)=Rmax(i)

(7)

式中:Rmax(j)——最大电流钢爪电阻,Ω;

Rmax(i)——最大电流钢爪电阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(8)

式中:Rj——钢爪电阻,Ω;

R′——钢爪间电阻,Ω。

铝导杆电流将钢爪分为两部分,从i=1即R1开始依次计算Ri,R′为钢爪间电阻,R′在大电流作用下受温度影响。

根据(3)(6)计算公式和进电方式一类结构电阻和二类结构电阻主要区别为不同钢爪结构,一类电阻钢爪个数为双数,二类电阻钢爪数为单数。

1.2 建立模型及边界条件

单阳极模型在COMSOL进行仿真模拟,考虑所研究的问题是不同钢爪数下阳极压降分布,所以忽略一些不必要影响因素,这样使仿真模拟高效,简便直观。电解槽总电流400 kA平均分配给48个阳极,一个阳极电流400/48约为8.33 kA。选取阳极导杆上截面为电流输入面,阳极炭块地面为接地面,设在电解槽稳态温度下材料电导率。

表1 阳极导杆、阳极钢爪、阳极炭块相应参数

表2 材料属性 S/m

2 仿真结果与真实测量结果

项目中测得4个阳极钢爪阳极整体压降为460 mV左右。此数据与实际工艺相符合,仿真结果与实际数据对比如图3所示,因此在有限元软件中建立的模型是可靠有效的,在此基础上进行其他模拟具有指导意义。

首先对需要测量的每个阳极炭块打4个孔,打孔位置紧贴钢爪底面,由于测量时电解铝槽处于运行状态温度相对较高,对阳极部分部件进行测量时,需要借助铁钩、铁棒和铁丝。铝导杆测量压降:揭开炉盖,借助铁棒将万用表一端连接卡具底端另一端连接爆炸焊上端,依次测A、B两侧导杆电压降,测试值记作VA1、VA2…VAi,VB1、VB2…VBi,数据处理得V杆。钢爪测量压降:借助铁棒将万用表一端连接爆炸焊下面,另一端依次连接阳极炭块打孔处,阳极钢爪压降记作VA1爪、VA2爪、VA3爪、VA4爪,VB1爪、VB2爪、VB3爪、VB4爪,数据处理得V爪。阳极炭块测量压降:借助铁钩和铁棒,万用表一端钩在阳极下表面,另一端依次连接打孔处,通过算数平均数VAi阳、 VBi阳,之后数据处理得V阳。上述测量的部位未包括爆炸焊的压降,大约185 mV。V阳中包括接触压降,根据公式计算其中磷生铁/炭块接触电阻约为3.8×10-6Ω,得到接触压降约为83 mV。为了使所研究的问题达到简洁直观目的,模型中忽略接触电阻的影响。因此表3测量数据中将炭块压降的值减去磷生铁/炭块接触压降,仅保留非接触压降部分,便于和模型结果对比。

表3 仿真值与真实值对比 V

3 钢爪研究

阳极钢爪是铝电解槽结构中重要的组成部分,其作用夹持阳极炭块,并向电解槽中通入大量电流,阳极钢爪的电流约为8.33 kA,阳极钢爪的性能将直接影响阳极炭块的电流分布,进而影响电效率和经济效益。因此,研究阳极钢爪的结构特征,深入了解阳极钢爪结构电阻,然后对阳极钢爪进行一定改进。

(1) 3钢爪阳极钢爪电压分布

由图3得阳极整体压降为0.21 V,铝导杆压降为0.02 V左右,阳极钢爪压降约为0.06 V,阳极炭块压降0.13 V。三个阳极钢爪中在铝导杆正下方的钢爪压降0.02 V,而另外两个钢爪压降0.06 V钢爪内压降差约为0.04 V,3钢爪阳极钢爪压降分布不均。在相同材料情况下,引起压降分布的主要原因是结构不均导致电阻不均,即中间钢爪结构压降较小,两边钢爪结构压降较大。

图3 3钢爪阳极钢爪

(2) 4钢爪阳极钢爪电压分布

由图4得阳极整体压降为0.19 V,铝导杆压降为0.02 V左右,阳极钢爪压降约为0.04 V,阳极炭块压降约为0.13 V。靠近铝导杆中间两个钢爪压降约为0.02 V,两边两个钢爪压降约为0.04 V,4钢爪压降从整体来看分布相对不均,钢爪内压降差约为0.02 V。在相同材料下,4钢爪阳极钢爪整体结构电阻较三钢爪结构电阻有所降低。

图4 4钢爪阳极钢爪

(3) 5钢爪阳极钢爪电压分布

由图5得阳极整体压降为0.188 V左右,铝导杆压降约为0.02 V,阳极钢爪压降约为0.038 V,阳极炭块压降约为0.13 V。中间钢爪压降约为0.015 V,内侧两个钢爪压降约为0.025 V,外侧两个钢爪压降约为0.038 V,5钢爪阳极钢爪压降从中心向两边逐渐增大,呈现阶梯分布,钢爪间压差约为0.012 V。

图5 5钢爪阳极钢爪

由图6得阳极整体压降为0.19 V左右,铝导杆压降约为0.02 V,阳极钢爪压降约为0.04 V,阳极炭块压降约为0.13 V。中间两个钢爪压降约为0.02 V,内侧两个钢爪压降约为0.03 V,外侧两个钢爪压降约为0.04 V,6钢爪压降从里向外递增,结构压降变化不明显。

图6 6个钢爪阳极钢爪

3钢爪阳极压降约为0.21 V,4钢爪阳极压降约为0.19 V,5钢爪阳极压降约为0.188 V,6钢爪阳极压降约为0.19 V。4钢爪与3钢爪比较阳极压降变化明显,压降降低0.02 V左右,由电流走向进行分析,主要原因为3钢爪结构电阻相比4钢爪结构电阻有所增加。4钢爪、5钢爪、6钢爪阳极压降变化不明显,单增加阳极钢爪个数不能有效降低钢爪结构电阻。