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)曲線的周期及同周期相鄰導(dǎo)桿波動(dòng)曲線的相位差來(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的連接配置、斜立柱母線電流分布、由

6、陽(yáng)極導(dǎo)桿等距壓降曲線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)桿周圍煙氣的溫度t煙氣、槽內(nèi)導(dǎo)桿周圍煙氣的流速v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，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)