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    铝电解槽异型阴极钢棒的对比仿真研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-12-09 10:18:13    浏览次数:150    评论:0
    导读

    摘要:减小铝液中水平电流是实现铝电解槽节能降耗的重要手段之一。本文针对当前出现的五种有代表性的异型阴极钢棒,在有限元商业软件ANSYS平台上分别建立其相应的三维电热场耦合切片计算模型,在兼顾槽底压降变化等因素的情况下,分析和对比了这些钢棒在减小铝液中水平电流方面的效果。结果表明:相比于传统阴极钢棒,五种异

    摘要:减小铝液中水平电流是实现铝电解槽节能降耗的重要手段之一。本文针对当前出现的五种有代表性的异型阴极钢棒,在有限元商业软件ANSYS平台上分别建立其相应的三维电热场耦合切片计算模型,在兼顾槽底压降变化等因素的情况下,分析和对比了这些钢棒在减小铝液中水平电流方面的效果。结果表明:相比于传统阴极钢棒,五种异型阴极钢棒都能不同程度地减小铝液中的水平电流,但除方案二的阴极钢棒外,都在一定程度上增大了阴极压降;同时阴极炭块和钢棒的电流密度也都有所改变。

    关键词:铝电解槽;异型阴极钢棒;水平电流;电热场;数值模拟

    传统霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)一直是工业炼铝的唯一方法。近几十年来,国内外研究者不断改进铝电解设计技术,在不断扩大槽容量的同时,还不断对电解槽结构进行优化研究,以期获得更好的技术经济指标。

    在传统铝电解槽中,电流从铝导杆流入槽内,经过阳极、电解质、铝液及阴极炭块与钢棒,最后从槽侧部流出。电流的方向在槽内发生了90度偏转,由于铝液的电阻率远远小于电解质以及阴极炭块,因此电流的转向很大一部分发生在铝液层中,形成了铝液中的水平电流,水平电流不仅会显著增大垂直磁场,而且引起铝液剧烈的波动及电解质-铝液界面的严重变形,影响槽内磁流体的稳定性,使得电解过程必须要在较高的极距条件下进行,由此引起大量的无用能耗。

    为了提高电解槽的稳定性,国内外研究者们把重点放在了电解槽母线配置的优化设计。近几十年来,母线优化设计在降低垂直磁场方面取得了很大的成就,但对于当前槽型来说,再进一步改变母线结构配置及用料有较大的难度,将导致阴极配置复杂,母线用量大,投资成本增加。为寻找其他提高电解槽稳定性的途径,近些年来国内外一些研究者把目光投向了如何通过改变阴极钢棒的配置或结构来减小铝液中的水平电流,例如美国专利US4795540(1987年申请)所提出的开槽钢棒-,美国专利US20100258434(2007年申请)及其申请的中国专利200880117573.5所提出的复合钢棒[2],以及若干中国专利提出的各类异型阴极钢棒[3~7]

    本文选取400kA级当前主流大型铝电解槽,针对国内五个专利所提出的异型阴极钢棒结构[3~7],利用ANSYS商业软件建立了三维电热耦合切片模型,在兼顾槽底压降变化等因素的情况下,分析和对比了这些阴极钢棒结构在减小铝电解槽水平电流方面的效果。

    1 铝电解槽电热场模型

    1.1 物理模型

    铝电解槽的几何形状复杂,考虑到电解槽的对称性,对其进行适当的简化,建立包含单块阳极、单块阴极、单块阴极中的钢棒及相关部分在内的400kA级铝电解槽电热耦合切片模型,分别针对包含传统阴极钢棒在内的多个钢棒结构的切片模型开展计算分析。并作出如下假设:

    ①铝电解槽解析域属于稳态场;

    ②槽长轴和槽短轴对称面两侧的电、热分布与熔体流动情况轴对称;

    ③此单个阳极部分整槽切片与电解槽剩余部分无电、热传递现象;

    ④各阳极导杆的电流分布均匀,阴极钢棒出电端电位相同。

    1.2 数学模型

    在铝电解槽的电热场计算过程中,主要考虑热传导、热对流以及电流产生的焦耳热。其控制方程为三维导电拉普拉斯方程[8](1)和三维导热泊松方程[9~10](2)的联立方程组:

    式中:ρx,ρy,ρz——材料三维方向的电阻率,随温度

    和方向而变,Ω·m;

    V——电位,V。

    式中:kx,ky,kz——材料三维方向的导热系数,随温度而变,W·m-1·K-1;

    q——单位体积的生热率,W·m-3;

    T——温度,K。

    式(2)中的q即为单位体积内由于电流通过产生的焦耳热,因此与(1)中的电位有关,故需要将两式进行耦合求解。

    1.3 有限元模型的建立

    在ANSYS前处理器中,通过点、线、面和体建立各种钢棒结构下的实体模型,同时定义单元类型和材料属性。图1为采用了传统阴极钢棒的三维实体切片电热场模型。五种异型阴极钢棒[3~7]如图2所示,它们的结构特点分别是:

    我刚要张嘴,李小树的电话又挂断了。我对着“笃、笃、笃”的话筒不好气地嘀咕了一句:“深更半夜的,发什么神经?”

    方案二:使用连续或部分突起型阴极钢棒,突起部分的最高点远离出电端,使得导电性更好的阴极钢棒突起部分代替相应的阴极炭块凹陷部分,从而对铝液中水平电流分布及大小重新调整。

    方案三:阴极钢棒以阴极炭块中心轴对称,对称部分每个阴极钢棒槽内安装有两个阴极钢棒,即外导电钢棒和内导电钢棒。外导电钢棒安装在外侧通道槽外与阴极母线相连,内导电钢棒安装在内侧,电流在通道槽外与阴极母线相连。外导电钢棒和内导电钢棒之间用耐高温绝缘固体材料浇注。

    方案四:在阴极钢棒与阴极炭块接触的上表面的靠近出电端的位置,用绝缘材料代替部分钢棒炭糊,使该部分的钢棒上表面与阴极炭块绝缘。

    方案五:在靠近出电端阴极钢棒与阴极炭块接触的位置,铺设图中所示的绝缘材料,代替部分钢棒炭糊,使该部分的钢棒表面与阴极炭块绝缘。

    分别针对传统阴极钢棒和五种异型阴极钢棒定义网格大小,对实体模型进行网格化分,通过ANSYS的内建程序自动产生网格,即自动生成有限元模型的节点和单元。对于铝导杆、钢爪、阳极炭块、熔体、阴极炭块和阴极钢棒,采用具有电压和温度两个自由度的SOLID69单元,其余部分采用只具有温度这一个自由度的SOLID70单元。

    本切片模型的最大特色之处在于所考虑的电、热接触较为全面:在钢棒与阴极炭块之间、电解质与阳极炭块之间、铝液与阴极炭块之间及电解质与铝液之间添加相应的电接触;在钢棒与底部防渗料之间、钢棒与侧部结构之间、电解质与槽帮之间、铝液与槽帮之间、电解质与上部结壳之间、电解质与阳极炭块之间、铝液与阴极炭块之间及电解质与铝液之间添加相应的热接触。

    然后在ANSYS求解器中,施加前文所述的边界条件,并进行求解。最后进入ANSYS的后处理器对计算的结果进行查看和分析。

    图1 传统阴极钢棒下的电热切片模型

    图2 五种异型阴极钢棒结构图

    2 计算结果与分析

    2.1 水平电流和槽底压降

    传统阴极钢棒结构下,铝液中的电流矢量图如图3所示。可以看出,铝液中短轴方向的水平电流绝大部分指向钢棒的出电端,且从电解槽内侧到出电端逐渐增大,到接近槽帮的位置又逐渐减小直至反向,反向水平电流发生的范围很小。

    图3 传统阴极钢棒下,铝液中的电流矢量图

    五种异型阴极钢棒设计思路共同之处在于:将在铝液中水平流向出电端再进入钢棒的电流更多地引导至从远离出电端的部分垂直流入钢棒;而其不同之处在于各自所采用的方法:或是通过在靠近出电端的钢棒部分增加绝缘体的方法,或是通过在远离出电端的钢棒部分提高导电率的途径。

    通过对包括传统阴极钢棒在内的六种钢棒结构的模型进行计算,得到了如表1所示的平均水平电流密度值和槽底压降值。其中,L1、L2、h1和h2所代表的内容依照图4分别表示上钢棒在阴极炭块中的长度、下钢棒大截面段在阴极炭块中的长度、上钢棒的高度以及下钢棒小截面段的高度。从表1中可以看出,传统阴极钢棒下的电解槽,铝液中短轴方向的平均水平电流密度较大,而长轴方向的平均水平电流密度相对很小。和传统阴极钢棒结构电解槽比起来,对于五种异型阴极钢棒结构下的电解槽,铝液中短轴方向的平均水平电流密度都得到了不同程度地减小(在所研究的尺寸中方案一至方案五分别减小了:8.72% ~27.92%、7.27% ~12.26%、39.77%~64.96%、10.04% ~24.23%和36.81% ~80.22%),而长轴方向的平均水平电流密度几乎不变。对于含有绝缘体的钢棒来说,在所研究的尺寸中,除了方案五外,都是绝缘部分的面积越大,平均水平电流密度越小,而方案五的钢棒上表面绝缘部分长度在从900mm至500mm时,水平电流先变小后变大,这是因为此种结构的绝缘部分面积较大,并结合图5可以看出,当钢棒上表面绝缘部分长度为900mm时,铝液中短轴方向上原本流向出电侧的水平电流大部分发生了反向,当绝缘部分长度为500mm时,方向则基本和传统阴极钢棒的一致,当然,水平电流明显比图3中传统钢棒时的要小。对于方案二的用导电率更好的钢棒突起代替部分阴极炭块的钢棒,其突起部分高度越高,减小水平电流的效果越好。

    此外,除方案二的阴极钢棒结构外,其余异型钢棒结构都在一定程度上增大了阴极压降(在所研究的尺寸中,方案一、三、四和五分别增大了:4.9% ~13.68%、22.24% ~28.9%、3.4% ~7.9%和12.08%~56.85%)。而根据电解槽电能消耗的计算公式,在电流效率一定时,槽电压每增加100mV,电能消耗每吨铝相应增加340kWh左右,因此,这些异型钢棒通过降低水平电流所带来的能耗降低值能否超过由于该部分电压升高值所带来能耗增加值,还需要实践来检验。需要指出的是,尽管方案二既能减小水平电流又能减小槽电压,但同时对阴极炭块进行了改动,加大了阴极炭块的加工难度,也改变了阴极炭块的受力情况,可能对炭块的寿命等方面带来影响。

    表1 各结构的平均水平电流和槽底压降

    注:结合图2,特殊部位尺寸分别如下,I-绝缘部分长度;Ⅱ-突起部分相对与钢棒上表面未突起部分的高度;Ⅲ-结合图4,第一列数值为L1:L2,第二列数值为h1:h2;Ⅳ-绝缘部分长度;Ⅴ-阴极钢棒上表面绝缘部分长度。

    2.2 阳极炭块、阴极炭块及钢棒中的电流密度分布

    图4 方案三阴极部分结构比例示意图

    图5 方案五铝液中电流的矢量图

    阳极炭块、阴极炭块以及钢棒中的电流分布对于电解槽的设计亦十分重要。电流过于集中的区域会导致温度过高,影响到整个电解槽的热应力分布。在2.1小节的基础上,本文选取了以上钢棒如下尺寸的计算结果进行分析:传统阴极钢棒;方案一(绝缘部分长度500mm);方案二(突起部分高度120mm);方案三(L1∶L2=1∶1.4,h1∶h2=1∶1.7);方案四(绝缘部分长度400mm);方案五(阴极钢棒上表面绝缘部分长度500mm)。

    2.2.1 阳极炭块的电流密度分布

    从图6可以看出,五种异型钢棒下,阳极炭块的电流密度分布情况和传统钢棒时相比变化不大,其电流密度分布较为均匀,并未出现额外的电流过于集中的区域,使得阳极炭块各部分的消耗平缓,不会因为某一部位过渡消耗而使阳极炭块可用寿命变短,从而造成原料的浪费。

    图6 阳极炭块电流密度分布云图

    2.2.2 阴极炭块的电流密度分布

    从图7可以看出,和传统钢棒相比,各种异型钢棒的阴极炭块电流密度都或多或少地改变了。其中,方案三、四和五电流密度的改变相对较大,方案三主要是电流密度值较小的区域和传统钢棒的差别较大,方案四主要是整个阴极炭块的电流密度值都相应地增大了,最大值33229A/m 比传统钢棒时的24055 A/m2大了不少,方案五主要是整体电流密度分布和传统钢棒的差别较大,尤其是电流密度高度集中的区域。

    图7 阴极炭块电流密度分布云图

    2.2.3 阴极钢棒的电流密度分布

    从图8(左端为出电端)可以看出,方案二、四和五的电流密度分布和传统钢棒的差别较小,只是方案四的最小值相比增大较多,方案五的最大值区域相比较大。方案一和三的电流密度分布以及电流密度值和传统钢棒的差别较大。其中,方案一整个钢棒的电流密度值都有所增大,并且在绝缘缝的上部有一个电流高度集中的小区域,此处电流密度值达到了317635A/m2,相比传统钢棒电流密度最大值228500A/m2大了不少。而方案三的上部钢棒出电端的电流密度大于下部钢棒出电端的电流密度,为322249A/m2,同样比传统钢棒的电流密度最大值大不少。

    图8 阴极钢棒电流密度分布(左端为出电端)

    3 结论

    本文采用数值仿真的方法,在ANSYS平台上建立了几种异型阴极钢棒电解槽的电热耦合切片模型。在兼顾槽底压降、阳极炭块电流密度分布、阴极炭块电流密度分布以及阴极钢棒电流密度分布的情况下,分析和比较了各个钢棒结构下铝液中水平电流的变化,主要结论如下:

    (1)五种异型钢棒结构都能不同程度地减小铝液中短轴方向的水平电流(在所研究的尺寸中方案一至方案五分别减小了:8.72% ~27.92%、7.27%~12.26%、39.77% ~64.96%、10.04% ~24.23%和36.81% ~80.22%),而长轴方向的水平电流密度和传统钢棒结构相比差别不大;

    (2)除了方案二的钢棒外,其余方案都不同程度地增大了槽底压降(在所研究的尺寸中,方案一、三、四和五分别增大了:4.9% ~13.68%、22.24% ~28.9%、3.4% ~7.9%和12.08% ~56.85%),但方案二对阴极炭块的改变较大,可能会造成其加工难度、受力情况以及寿命等的变化;

    (3)五种异型钢棒结构下的阳极炭块电流密度和传统钢棒时相比差别不大;阴极炭块电流密度和传统钢棒时相比,均有些不同,其中方案三、四、五的差别较大;阴极钢棒电流密度和传统钢棒时相比,方案一和方案三的差别较大。这些结构中电流密度的改变将带来热应力分布的改变,可能使电解槽某些部分受力超出设计的范围,从而出现破损甚至断裂。


     
    (文/小编)
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