大型鋁電解槽多物理場(chǎng)的工業(yè)測(cè)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(duì)鋁的高需求量狀態(tài)。隨著鋁電解生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和發(fā)展，我國(guó)已具備獨(dú)立自主設(shè)計(jì)和建造大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽的技術(shù)和能力，在煙氣凈化和自動(dòng)化控制技術(shù)上也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但能源和原材料的供應(yīng)壓力以及國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)的逐年遞減，使得我國(guó)鋁電解工業(yè)正面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)鋁電解行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)正在向鋁電解槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研發(fā)、工藝技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新、生產(chǎn)管理的精細(xì)控制等方向轉(zhuǎn)移，以達(dá)到生產(chǎn)運(yùn)行高效低耗的目的。<

2、br>　　鋁電解槽的設(shè)計(jì)要求從分析各種結(jié)構(gòu)材料的性能及其與生產(chǎn)工藝關(guān)系的角度出發(fā)，借助于計(jì)算機(jī)仿真軟件模擬計(jì)算各物理場(chǎng)，比較不同設(shè)計(jì)方案的可行性及優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)的優(yōu)化。對(duì)大量工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究與分析不僅是槽況診斷裝置、自動(dòng)化操作控制程序和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的前提，也是物理場(chǎng)計(jì)算中數(shù)學(xué)模型選擇和建立的基礎(chǔ)，更是驗(yàn)證仿真計(jì)算準(zhǔn)確性、可靠性以及電解槽設(shè)計(jì)合理性的依據(jù)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鋁電解領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)多集中在對(duì)物理場(chǎng)及槽況的模擬，由于測(cè)試設(shè)備和能力等條

3、件的制約，對(duì)于鋁電解槽多物理場(chǎng)的大型工業(yè)測(cè)試與分析，只有少數(shù)專(zhuān)業(yè)測(cè)試團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行，其以數(shù)據(jù)為主的測(cè)試報(bào)告內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)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(jiàn)于外界。
　　本文以東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司）設(shè)計(jì)的山東南山集團(tuán)怡力鋁電有限公司、河南豫聯(lián)集團(tuán)林豐鋁電有限公司400kA級(jí)大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽為研究對(duì)象，將底部垂直出電電解槽與側(cè)部水平出電電解槽相對(duì)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(duì)照，通

4、過(guò)對(duì)電壓平衡、陰極和陽(yáng)極電流分布、母線(xiàn)電流分配、能量平衡、鋁液層內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度、鋁液流速場(chǎng)等多項(xiàng)工業(yè)測(cè)試與分析，全面深入了解實(shí)際生產(chǎn)中六種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案下的鋁電解槽各物理場(chǎng)的分布特性，并以新的視角研究反映導(dǎo)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(yáng)極導(dǎo)桿等距壓降波動(dòng)曲線(xiàn)的周期及同周期相鄰導(dǎo)桿波動(dòng)曲線(xiàn)的相位差來(lái)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(cè)陰陽(yáng)極電流分布比例

5、計(jì)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(chǎng)力、由流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以細(xì)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(diǎn)，建立起一套較為完整的工業(yè)測(cè)試與分析模式。
　　(2)研究和分析發(fā)現(xiàn)電、熱、磁、流場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果之間存在相互關(guān)聯(lián)性與相互驗(yàn)證性，包括陰極壓降、電解槽側(cè)壁溫度、槽膛內(nèi)形、槽底沉淀量、磁場(chǎng)力和水平加速度、陰極電流分布、陰極鋼棒和立柱母線(xiàn)的連接配置、斜立柱母線(xiàn)電流分布、由

6、陽(yáng)極導(dǎo)桿等距壓降曲線(xiàn)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(diǎn)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(cè)點(diǎn)位置。
　　(3)在陽(yáng)極導(dǎo)桿等距壓降曲線(xiàn)研究與分析中發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)前兆、氣泡或漂移炭塊的產(chǎn)生以及陽(yáng)極長(zhǎng)包三種特殊的曲線(xiàn)形態(tài)。流場(chǎng)測(cè)試結(jié)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(zhuǎn)、溶蝕坑較多三種溶蝕特征。
　　(4)考察六種設(shè)計(jì)方案下鋁電解槽生產(chǎn)運(yùn)行

7、的穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)的合理性，并有針對(duì)性地在槽內(nèi)襯、槽底結(jié)構(gòu)、母線(xiàn)配置等設(shè)計(jì)方面提出改進(jìn)要求。主要分析結(jié)果為側(cè)部水平出電設(shè)計(jì)電解槽的物理場(chǎng)設(shè)計(jì)較為合理，底部垂直出電設(shè)計(jì)電解槽的問(wèn)題主要集中在熱場(chǎng)。與等高度普通陰極炭塊結(jié)構(gòu)相比，高低組合普通陰極炭塊和帶凸臺(tái)的異型陰極炭塊結(jié)構(gòu)在一定程度上可以改變流體水平方向上的走向，促進(jìn)相鄰漩渦的融合，且正是因?yàn)殇鰷u的融合變大加大了槽內(nèi)鋁液的水平流速，加強(qiáng)了鋁液的波動(dòng)程度和局部小旋流的發(fā)生。同時(shí)，帶凸臺(tái)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(tái)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(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值的減小和極值位置等問(wèn)題上并未體現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。
　　(5)利用電熱及導(dǎo)熱理論完整地推導(dǎo)出陽(yáng)極導(dǎo)桿三維溫度場(chǎng)方程，以及反映導(dǎo)桿溫度值與導(dǎo)桿內(nèi)部電流值、導(dǎo)桿內(nèi)部電流值與不同導(dǎo)桿對(duì)應(yīng)的鋁液層高度值、導(dǎo)桿溫度值與不同導(dǎo)桿對(duì)應(yīng)的鋁液層高度值之間關(guān)系的計(jì)算公

9、式，證明了反映鋁電解槽不同導(dǎo)桿對(duì)應(yīng)的等距壓降和鋁液液面狀態(tài)的可變因素均為導(dǎo)桿表面溫度t導(dǎo)桿、槽內(nèi)導(dǎo)桿周?chē)鸁煔獾臏囟萾煙氣、槽內(nèi)導(dǎo)桿周?chē)鸁煔獾牧魉賤煙氣、導(dǎo)桿和水平罩板交匯處至導(dǎo)桿頂端的距離l導(dǎo)桿、陽(yáng)極大母線(xiàn)下沿至水平罩板上沿的距離l1五項(xiàng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)大量工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合得出一組經(jīng)驗(yàn)公式，建立起通過(guò)對(duì)五項(xiàng)參數(shù)的在線(xiàn)工業(yè)測(cè)試，并根據(jù)所得經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算得出的擬合曲線(xiàn)，來(lái)反映導(dǎo)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)