420 kA铝电解槽电热场仿真及实测分析

周小淞，柴婉秋

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

铝是地球含量最多的金属，是国民经济建设的重要基础原材料。我国电解铝产量多年稳居世界第一。铝电解槽是铝冶炼的关键设备，其结构型式代表着电解铝行业的发展水平，铝电解槽保温内衬材料、上部氧化铝覆盖料及槽膛内形等因素综合调节作用下在槽内形成一定的温度分布，俗称热场。合理的热场是电解槽稳定运行和槽寿命延长的基础[1]。

铝电解槽的电-热分布状况对槽寿命、能耗、电流效率等有较大影响，因此，对于铝电解槽的电-热场进行深入研究十分必要。前人对铝电解槽的电-热场进行了大量研究[2-4]，并取得了积极进展，电-热场研究从最初的二维数值计算模型逐步发展为三维模型的研究。该文以有限元分析软件ANSYS为平台，对某厂420 kA电解槽的电-热场进行了仿真，选取了合适的边界条件，建立了三维电-热场模型，进行模拟分析，并与实测工艺参数进行比对，进一步验证仿真结果，为电解槽内衬保温结构设计和优化电解工艺参数提供参考。

1 某厂420 kA铝电解槽仿真分析

1.1 内衬方案简介

自21世纪以来，铝电解槽大型化研究取得了巨大成果，由135 kA电解槽发展到现在的600 kA电解槽并已成功应用于工业生产。但国内铝电解槽平均寿命为1 957 d[5]，同发达国家预焙槽平均寿命2 435 d[5]相比，还有提升的空间。众所周知，影响铝电解槽寿命的因素有设计、内衬材料、筑炉质量、焙烧启动方式等，其中主要因素就是内衬结构的影响，内衬结构的配置是否合理将在很大程度上影响电解槽寿命。某厂420 kA内衬方案见图1。

图1 内衬方案图

由图1-1可见，该设计的特点在于侧部采用sic、炭块结合扎糊；钢棒头加强保温；底部船型摇篮架斜坡处，由陶瓷纤维板结合硅酸钙板结构，以控制伸腿。内衬设计特点总结：大面散热，底部保温。

1.2 控制方程

铝电解槽稳态电-热场导电控制为三维导电拉普拉斯方程(1)，导电控制方程为三维导热泊松方程(2)：

(1)

(2)

式(1)(2)中：ρx、ρy、ρy为各导电材料在3个维度方向上的电阻率，还与导体的方向和温度相关；kx、ky、kz为各材料在三维方向上的导热系数，也随温度而变化，V为电位，T为温度；q为单位容积的焦耳热，对不导电部分为0。

1.3 边界条件

仿真边界条件工艺参数由现场提供如见表1。

表1 电解槽核心工艺技术参数

使用APDL语言，应用Ansys软件建模，根据内衬方案尺寸建模，建立初设状态炉帮，模型见图2。

图2 内衬方案模型图

(1)在电解槽内部与高温熔体接触的阴极上表面、炉帮及伸腿接触面、阳极炭块以及上部结壳表面，加载对流换热边界条件；

(2)设定熔体、电解槽周边环境温度；

(3)槽壳外表面与空气接触面为电解槽侧部主要散热区域，在此区域施加由对流换热系数与辐射换热系数折算获得的综合换热系数。

在Ansys平台上进行电热模拟计算，获得温度场分布。

1.4 仿真结果

提取Ansys仿真计算结果，结合matlab进行数据计算分析，温度分布表见表2。

表2 温度分布表

仿真过程，经过炉帮迭代计算，最终模型炉帮处温度与初晶温度等温线温差<0.5 ℃，仿真迭代计算终止。并进入后处理得到炉帮图及等温线分布图，炉帮结果见图3、图4。

图3 炉帮仿真结果图

图4 大面等温线图

由图3可见，炉帮9.6 cm，伸腿长度17 cm。由图4可见，在干式防渗料和保温砖界面上的温度为792 ℃左右，保温砖长期稳定使用温度需<800 ℃，由仿真结果可见800 ℃等温线高于保温砖设计位置，可以保温砖长期有效使用。红色线为891 ℃等温线，处于干式防渗料内。

阴极炭块与高强浇注料接触的角部位置的最低温度>800 ℃，由图可见处于791.68 ℃等温线左侧，超过为了控制大面伸腿长度最适合的温度要求，抑制伸腿生成。由于侧下部增强保温，所以从等温线图可以看出，阴极炭块靠近端头最下端的部位等温线外移。

2 实测与仿真结果对比

仿真边界条件：槽电压3.97 V，电解温度941 ℃，极距4.2 cm，分子比2.42，铝水平26 cm，电解质水平18 cm。边界条件根据实测数据确定，与实测高度统一，才能进一步提高仿真的可靠性。现将仿真计算结果与实测对比，对比仿真结果中主要数据见表3。

表3 热场仿真及实测关键数据对比表

侧部钢板温度、底部钢板温度在生产中均为考察电解槽热平衡状态的关键参数，通过对电解槽侧部及底部温度的监控，可以掌控电解槽是否存在漏炉风险，侧部温度过高，说明电解槽炉帮生长欠佳，如果缺乏侧部炉帮的保护，电解槽极易出现漏炉风险；侧部温度过低，说明电解槽偏冷，炉帮过厚，容易造成电解槽电流效率降低、无法坐极等问题。热场仿真软件模拟稳态炉帮厚度及伸腿长度，可以为如何调整内衬方案的设计，以达到优化生产工艺的目标，提供参考依据。

由表1-3可知，实测与仿真中侧部钢板温度及炉帮厚度存在差异，实测温度较高同时炉帮较薄。底部钢板温度差距较小。伸腿长度实测10.3 cm，而仿真结果为17 cm。

仿真与实测对比分析：

(1)仿真与实测侧部炉帮厚度与钢板温度存在差异，但2个数据的差异趋势，符合散热规律，即炉帮薄，侧部散热量大，侧部钢板温度高；

(2)底部钢板温度差距较小；

(3)伸腿长度仿真结果比实测长，原因可能是，实际电解槽生产过程中，铝液流动对伸腿有冲刷作用，而仿真属于静态分析，所以存在一定的偏差。

由于大型电解槽投资巨大，无法通过试验得出合适的电解槽结构设计参数，该文通过电热仿真技术，为电解槽内衬保温结构设计提供参考依据，同时结合实测，一方面可以为电解槽进行实时体检，考察生产运行状况，另一方面可以完善综合对流换热系数等仿真边界条件的参数设定，使仿真结果与生产实际更加接近。

下一步工作是通过大量的仿真与实测数据对比，结合现场实际情况，如槽壳变形对侧部保温层接触的影响等，增强模型与现场的一致性；通过实测现场环境，进一步校对流换热系数、辐射换热系数等重要边界条件，使设定边界条件更加接近实际。

3 结 语

对420 kA铝电解槽进行的电-热场仿真，结果显示：在3.97 V电压下运行，炉帮9.6 cm，伸腿长度17 cm。等温线分布满足800 ℃等温线在保温砖以上，可以使保温砖长期稳定使用。900 ℃等温线处于干式防渗料内，由于侧下部增强保温，从等温线图可以看出，侧下部等温线外移现象。仿真评价电解槽等温线分布合理，满足内衬设计基本要求，能够维持电解槽长期稳定生产。选取4台电解槽进行测试，分别对分子比、极距、温度分布、炉膛形状进行测试。针对侧部钢板温度、底部钢板温度、侧部炉帮厚度、伸腿长度4个重要参数，对仿真与实测进行对比分析。分析结果显示实测与仿真结果中侧部钢板温度、侧部炉帮厚度存在差异，但差异趋势复合散热规律；底部钢板温度差别较小；伸腿长度存在差异，原因由于静态的电热仿真没有考虑铝液冲刷对伸腿造成的影响。