基于COMSOL的400 kA铝电解槽磁场数值模拟

王 怡,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 201620;2.上海工程技术大学 新能源与节能新技术研究所,上海 201620)

现如今工业上采取冰晶石-氧化铝熔盐电解法,以直流电作为生产能源的方式冶炼铝。在铝电解槽电解过程,其通过的强大电流会产生强磁场,从而产生电磁力,电解铝槽中熔融态的电磁导体电解质和铝液会受到电磁力的影响运动。一方面,熔体的运动有利于氧化铝的溶解和分布[1];另一方面电磁力的作用加速铝电解槽的熔体循环,铝液层表面容易动荡,引发铝液层的不稳定性,从而导致电流效率下降,增加能耗并影响铝电解槽使用寿命[2-3]。随着我国电解铝行业的不断发展,电解槽的槽体日益增大,电流强度日益增加,其产生的磁场强度也增大[4-5],为探究400 kA铝电解槽铝液层磁场的分布,运用COMSOL三维仿真软件对某厂的400 kA铝电解槽进行了数值模拟。

1 铝电解槽磁场数学模型

1.1 建立坐标系

对某厂400 kA铝电解槽进行坐标系建立,坐标图如图1所示,设进电侧为A侧,出电侧为B侧,坐标系y轴正方向为电流方向,由进电侧指向出电侧(A侧指向B侧)。x轴右侧为出铝端(TE端),左侧为烟道端(DE端),由烟道端指向出铝端。

图1 400kA铝电解槽坐标图

1.2 磁场方程

铝电解槽内的磁场问题满足稳态麦克斯韦方程组:

×H=J

(1)

B=μH

(2)

H——磁场强度,A/m;

J——电流密度,A/m2;

B——磁感应强度,T;

μ——磁导率,H/m。

1.3 磁场边界条件

铝电解槽中包含大量的铁磁材料,如阳极钢爪、钢梁、槽壳,而现实中的槽壳结构复杂,本文用一定厚度的钢壳简化模型[6]。在进行磁场模拟的时候要考虑到立柱母线及槽周母线和槽底母线对于铝电解槽磁场的影响,同时也要考虑空气对电解槽磁场的影响,因此需要在电解槽外加上一个空气域。模拟的电解槽采用大面六点进电的方式。需在COMSOL三维模拟软件中模拟出电解槽的电流分布,再根据电流分布生成磁场。

2 COMSOL建模

COMSOL Multiphysics是一款大型的数值仿真软件,其多物理场耦合应用较为广泛。本文数值模拟主要利用其电流模块和电磁模块。

2.1 铝电解槽物理模型

根据某厂家400 kA铝电解槽参数,参数如表1所示,使用Solidworks三维建模软件进行建模,并将其导入到COMSOL Multiphysics中,400 kA铝电解槽模型如图2所示。

图2 400kA铝电解槽模型图

表1 400kA铝电解槽参数表

2.2 材料选择及网格划分

依据铝电解槽真实情况对模型各部分进行了材料设定,铝液层选定为液态铝,阳极炭块定义为碳元素,同时前人[7-8]使用过的一些数据本文也进行了沿用。网格划分的原则不仅仅要考虑到网格的数量,同时也要考虑到网格密度。网格的数量关系到模拟的准确性,良好的网格密度能够节省掉不必要的计算,因此网格的划分要平衡两种因素。本文数值模拟采用COMSOL Multiphysics中的根据物理场自行划分网格方式进行网格划分,其网格划分如图3所示。并在后续进行了自适应处理和误差处理,使得网格质量更优。

图3 400kA铝电解槽网格划分图

同时为了验证网格无关性,本文在计算资源范围内建立两类疏密程度不同的网格进行无关性验证。采用相同的网格划分工具和划分方式,得到网格单元数量分别为:551,207和745,419。在相同的边界条件下进行磁场模拟,得到该厂家400 kA铝电解的磁场结果。对比同一象限磁场强度均值发现:磁场强度差值之比为7.4%,说明网格疏密程度对计算结果的误差很小。

2.3 模拟结果

选择AC/DC模块进行电场模拟,选择磁场模块进行磁场模拟并进行相应设置。设置好参数后进行计算,计算求解时,选择稳态运算并选择直接求解器MUMPS进行求解,模拟结果如图4所示。

根据图4可知铝液层磁场分布中心分布比较均匀,且数值小于四角处的磁感应强度。而进电侧的磁感应强度要大于出电侧,这是由于进电侧靠近立柱母线,立柱母线通过强直流电后产生的磁场对进电侧的影响较大。烟道端的磁感应强度要小于出铝端。而引起铝液层波动的因素主要是铝液层垂直磁场z轴方向的磁感应强度。当垂直磁场z轴方向磁场过大时容易使槽内熔体循环加速,并受到电磁力的作用铝液容易上下波动,而铝液面上下波动不稳定会影响电流效率,使得电流效率下降,增加能耗,进而导致产量下降。模拟结果不仅给出铝液层整体磁场感应强度,同时也给出铝液层x、y、z三个方向的磁场分布,如图5所示。

图4 铝液层整体磁场分布图

图5 铝液层各方向磁场分布

根据图5a可知400 kA铝电解槽铝液层x方向磁场中心部分分布均匀,主要集中分布在0～40 Gs(1 Gs=0.0001 T)之间,整体分布均匀超过40 Gs的区域很小,对整体的影响不大。根据图5b可知y方向磁场中心部分分布均匀,主要集中分布在20～40 Gs,磁感应强度最大处出现在出铝端,烟道端的磁感应强度要小于出铝端的磁感应强度。根据图5c可知铝液层z方向磁场整体分布均匀,磁感应强度除靠近出铝端的两角处偏大,其余区域均分布在0～20 Gs范围内,可以认为z方向上铝液层磁场分布均匀稳定。

通过COMSOL Multiphysics中的派生值功能可得到400 kA铝电解槽铝液层垂直磁场Bz计算结果,如表2所示。

表2 某厂家400kA铝电解槽磁场数值模拟计算表

3 磁场测试

为验证模拟的准确性,对该厂家400 kA铝电解槽进行了磁场测试。

3.1 测试仪器

3.1.1 三维高斯计

磁场测量仪器采用美国贝尔公司生产的三维高斯计(MODEL9950),其测量量程为:0.01 Gs～300 kGs。该仪器可以用于测量直流电源产生的磁场和交流电源产生的磁场,并且具有自动选择量程的功能,从而保证了测试精度。在测量过程中,为了避免磁场对仪器干扰,对高斯计进行了铁磁屏蔽。

3.1.2 探头保护套管

磁场探头适用于室温环境。为了使探头能在电解槽内高温强侵蚀条件下顺利完成测试工作,特制了一套轻便灵活的高温保护套管,满足现场测试铝电解槽内磁场分布需要。

3.2 测点分布

400 kA铝电解槽磁场测点分布图如图6所示,测量数据以直角坐标系表示,坐标原点取槽平面中心点,z轴垂直向上为正,y轴由进电侧指向出电侧,x轴由烟道端指向出铝端。磁场分量极性定义:Bx、By、Bz均取沿坐标正向为正、反之为负。此外,探头插入深度约在槽底平面(阴极炭块上表面)以上10 cm处,基本位于铝液中部,故z=0的坐标平面即取此位置。测量时探头均垂直插入熔体中,探头方位与坐标方向保持一致,故无需进行角度修正。

图6 测点分布图

3.3 测试结果

某厂家400 kA铝电解槽磁场测试结果如表3所示。

表3 某厂家400kA铝电解槽磁场测试表

通过对比得到有部分数值存在一定误差,造成误差的主要原因有测量位置的不确定性,实际测量点与模拟选择点存在误差;仿真模拟结果为稳态过程,测试时存在电流与电压的波动、铝液的运动等影响等[9]。

通过计算得到某厂家400 kA铝电解槽铝液层垂直磁场Bz结果,如表4所示。根据表2可以得出,测试结果基本与模拟结果相吻合,误差在允许范围以内,证明模拟是有效的。

表4 某厂家400kA铝电解槽磁场测试结果计算表

4 磁场优化

根据电磁感应定律,铝电解槽受到磁场与电磁力相互作用,而磁场的稳定性,尤其时垂直磁场均匀分布有利于降低电解质和铝液层的界面上下波动,并且优化电解效率[10]。现考虑通过强化电流方式增加磁场稳定性,保持原来6根立柱母线等比进电方式不变,将烟道端、槽底、出铝端按照14∶4∶12的比例进行20 kA的电流强化[11],其电流强化后槽铝液层垂直磁场Bz磁场分布图和计算结果如图8和表5所示。

图7 铝液层垂直磁场Bz磁场强度数值对比图

图8 优化后铝液层z方向磁场分布

表5 优化后铝电解槽数值模拟磁场计算表

5 结 论

(1)本文对某厂家400 kA铝电解槽在正常生产条件下的磁场进行了数值模拟,模拟结果显示铝液层的整体磁场分布,位于中心处磁场分布比较均匀,且数值小于四角处的磁感应强度,而进电侧的磁感应强度要大于出电侧。对于铝液层x、y、z三个方向上的磁场分布,尤其是垂直磁场Bz的磁场分布均匀,除靠近出铝端的两角处偏大,其余区域均分布在0～20 Gs范围内。

(2)本文数值模拟结果与某厂家400 kA铝电解槽磁场测试结果吻合较好,证明此次数值模拟结果的准确性及某厂家的400 kA电解槽设计的合理性。

(3)本文通过数值模拟方式验证强化电流20 kA的有效性,将烟道端、槽底、出铝端按照14∶4∶12的比例进行电流强化,可明显降低铝液层磁场强度,并且各象限垂直磁场Bz分布更平均,为铝电解稳定生产提供了科学依据。