铝电解槽磁场对车间周围环境的影响

颜非亚

铝电解槽磁场对车间周围环境的影响

颜非亚

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

通过对铝电解系列生产中大电流在电解车间周围所产生的磁场进行测试，了解磁场变化的趋势，为电解行业设计及设备选型提供更加严谨和科学的依据。

电解磁场;车间环境;铝电解槽

0 引言

随着铝工业技术的发展，铝电解槽的容量在不断增大。1970年，世界新建预焙阳极电解系列的平均电流强度仅为150～160 kA，1983年增至180～200 kA。上世纪90年代以来，以法铝、美铝为代表率先开发出280 kA级超大容量电解槽，而发展至今，随着电解过程中的物理场的深入研究和有关数学模型的建立，使电解槽的设计从经验向科学的计算机辅助设计方向发展，电流强度为400 kA以上的电解槽已成为目前的主流槽型。随着国外500 kA超大容量电解槽的试验成功，国内500 kA级的电解槽也进入系列化建设。由于大型预焙阳极电解槽在投资和运行费用、高效能、环保及自动化水平等方面的优势，使之成为铝工业发展的趋势。

随着铝电解槽电流强度的不断增加，其电流产生的磁场也越来越大。对于电解槽内部磁场，可以通过改变阴极母线的配置以及某些补偿方法来将磁场调整到合理的数值。依托先进的物理场仿真，配置合理的阴极母线已经可以使电解槽熔体的垂直磁场降到20 Gs以下，获得了更加平坦的铝液表面形状，使得槽内电流分布更加均匀，电流效率明显提高，电耗降低。但在设计中往往会忽略大电流所产生的磁场对车间周围环境的影响。而实际上常会遇到诸如设计中考虑两栋厂房相距多远合适、电解车间的某些设备如天车、化验设备、计算机等受磁环境的影响程度之类的问题，国内外鲜有此方面的报道。单纯从理论计算来考虑这些问题，往往会由于磁环境的不确定因素而失去其准确性。为此专门针对320 kA大型预焙阳极电解槽进行环境磁场测试，获得现场磁场数据，并据此开展更加严谨和科学的行业设计和设备选型工作。

1 测试方案的确定

1.1 测点的选择

根据设计中经常遇到的磁环境参数，该次测试选择的测点分为两类:A类——位于两栋电解厂房之间，B类——位于电解厂房外侧。见图1。

由图1可以看出，A类测点在两栋电解厂房之间，由于两厂房相隔较近(20 m)，故每隔5 m布一个测量点。每个测量点在垂直方向上由0.000平面每隔0.5 m进行一次测量。直至与电解车间操作面2.500平面平齐。B类测点位于厂房外侧，由距厂房轴线6 m至70 m分设10个测点。

1.2 测试仪器

测试采用的仪器为三维高斯计，美国Lakeshore公司制造，数字式显示，可同时生成4个磁场数值(即Bx，By，Bz及三个方向的矢量和)。并且在传输信号的电缆部分采用了磁补偿技术，使其测量精度可达0.001 Gs。

在每次测量前以及测量时间超过10 min时，均将含有霍尔元件的探头放入零高斯盒内进行磁场校准，以保证测量的准确性。

由于测量选择在常温下进行，并且在电解车间厂房外，因此可以精确地标定出测量点的位置坐标，且省去了高温测量所需要的探头保护装置，从而更好地保证高斯计探头的位置和方向与测量点的位置和方向相一致。

2 测试结果分析

2.1 两栋厂房之间的环境磁场

图1中A1～A5为两栋厂房之间的环境磁场测量点，对此共进行了3次测量，取其平均值的磁场实际数值，见表1。

表1 两栋厂房间A类磁场测试结果Tab.1 Testing Results of Type A Magnetic Field Between Two Potrooms

其磁场随距离变化的趋势见图2、图3、图4。

由图2、图3、图4看出，两栋厂房间最主要的影响依赖于垂直磁场，其在320 kA电流作用下垂直磁场最小值也达到了60 Gs以上。这是由电解车间电流路径的特性决定的。在图4中，两栋厂房间的垂直磁场分布大致是关于两厂房的中心线对称。其数值与计算模拟的趋势相吻合。在两侧距电解厂房较近处(即A1、A5两点)受电解槽的影响，其在不同标高处的垂直磁场有较大变化，最大点出现在1.5 m高度大致与槽周围母线等高的位置。而在离开厂房5 m左右时(即A2、A3、A4点)，垂直磁场受标高的影响而发生的变化就基本可以忽略。在0.000～2.500标高范围内，垂直磁场Bz的数值呈同样的变化趋势。

图2 两栋厂房间Bx水平磁场变化趋势图Fig.2 Trend Chart of Type Bx Transverse Magnetic Field Change Field Between Two Potrooms

图3 两栋厂房间By水平磁场变化趋势图Fig.3 Trend Chart of Type By Transverse Magnetic Field Change Between Two Potrooms

图4 两栋厂房间Bz垂直磁场变化趋势图Fig.4 Trend Chart of Type Bz Vertical Magnetic Field Change Between Two Potrooms

2.2 厂房外侧的环境磁场

厂房外侧的环境磁场是指图1中的B1～B10测点随着与厂房距离的变化其磁场的变化趋势。

由于实际地形的原因，设定的测量点不可能完全与电解槽铝液面高度(2.500 m)吻合，根据A类测点测量的数据可以看出，当测点离电解槽的距离较远时，垂直磁场在±1.000 m的范围内变化微小，完全可以忽略。故我们选择的测量高度为3.000 m，B1～B10的实际测试数据见表2。

表2 厂房外B类磁场测试结果Tab.2 Testing Results of Type B Magnetic Field outside Two Potroom

从表2中可以看出，Bx、By、Bz三者影响权重较大的依然是Bz(垂直磁场)，垂直磁场的绝对值随距离变化的趋势见图5。

由图5可以看出垂直磁场的绝对值在距离厂房0～30 m区域内(B1～B4)随距离的增加而急剧降低，而过了30 m后的变化就较为平缓，而在距离大于50 m后(B8)其垂直磁场的绝对值小于2.9 Gs，其影响已相当微弱。

3 单列电解槽产生的磁场环境

以上测量的都是两列电解槽共同作用下的磁场分布，这对已建好的电解车间附近诸如计算机车间、化验设备等的设置、选型是有指导意义的。但在设计时往往还需要确定两栋电解厂房的距离，这就需要了解两列电解槽的相互影响有多大。为此，必须了解与探讨在仅有一列电解槽时的磁场分布情况。

图5 两栋厂房作用下的垂直磁场|Bz|分布Fig.5 Verticle Magnetic Field Type|Bz| Distribution under the Action of Two Potrooms

把任一系列的电解槽在空间任一点形成的磁场视为一等效电流元在该点形成的磁场。根据法拉第定律，其大小可以表示为:

式中:B为磁感应强度(T)，I为等效电流(A)，R为空间场点至等效电流的距离(m)。

在图1中设计的两列电解槽系列电流大小相等，方向相反，两列电解槽的中心间距为43.1 m，则对于图1中B1以外的空间任意一点的磁场可表示为:

根据上式和所测得的数据推算出单列槽所产生的磁场测量值，即

根据(3)式，在只有1栋电解厂房时，其对周围环境的影响见图6。

由于单列电解槽对周围环境的影响，决定了工厂总体布置时的两栋厂房的间距。

由下图可以看出，若按照图1所示的两厂房间距20 m考虑的话，则槽中心受邻列槽的影响将达到15 Gs左右，要补偿这样的影响将需要考虑设计大量的电流非对称，这在电解槽的母线设计上不仅增加设计难度而且会带来投资的增加。若希望将该影响降至5 Gs以下，则在厂房间距上需要考虑50～60 m以上。

图6 只有1栋电解厂房时垂直磁场|Bz|分布图Fig.6 Verticle Magnetic Field Type|Bz| Distribution of One Potroom

4 结语

(1)无论在两栋电解车间之间还是车间外侧，其磁场的影响主要依赖于垂直磁场。而随着电解系列的电流、厂房间距的变化其磁场的影响程度也不同。

(2)布置在两栋电解车间之间的设备，为了尽量减少磁场对其的影响，应尽可能地布置在两栋厂房正中。

(3)布置在厂房外侧的设备，为了尽量减少磁场对其的影响，应该根据所选设备能够承受的磁场强度来合理选择距离。

(4)在设计上随着所选择铝电解槽的电流强度增加，为减少投资和降低设计难度，其相邻两厂房的间距也要增加。

［1］邱竹贤.预焙槽炼铝［M］.3版.北京:冶金工业出版社，2005.

［2］冯乃祥.铝电解［M］.北京:化学工业出版社，2006.

Influence of Magnetic Field of Electrolysis Cell on Ambiente Surrounding Potroom

YAN Fei－ya
(Guiyang Aluminium Magnesium Design＆Research Institute Co.Ltd，Guiyang 550081，China)

Through testing on the magnetic field generated by high amperage surrounding potroom during potline production process，the change trend of magnetic field was gotten hold of so that can provide the scientific and more rigorous design basis for electrolytic industry and equipment selection.

electrolysis cell magnetic field;potroom ambiente;aluminium electrolysis cell

TF821

A

1004－2660(2012)03－0027－04

2012－04－19.

颜非亚(1971－)，男，湖南人，高级工程师.主要研究方向:电解铝工艺.E－mail:yanfeiya@163.com