电解槽磁流体状态分析及优化措施

费建培，赵　鹏，戚喜全，张洪伟

（1兖矿科澳铝业有限公司，山东　邹城273515；2东北大学设计研究院，辽宁　沈阳110013；3兖矿集团有限公司，山东　邹城273515）



经验交流

电解槽磁流体状态分析及优化措施

费建培1，赵鹏1，戚喜全2，张洪伟3

（1兖矿科澳铝业有限公司，山东邹城273515；2东北大学设计研究院，辽宁沈阳110013；3兖矿集团有限公司，山东邹城273515）

摘要：通过计算电解槽阴极小母线电流分布，采取并接母线的方法，重新优化电解槽阴极母线上的电流大小，改善内部磁流体状态，解决目前垂直磁场过大的问题，将垂直磁场强度由目前的平均2.5 mT降至1.5 mT以下，减缓了铝液流速和减小了波动幅度，进而提高了电解槽性能。

关键词：焦电解槽；磁流体；母线；磁场

1　前　言

理想情况下，良好的电解槽磁流体状态应通过合理的设计确定。目前，国内绝大多数大型电解槽可以实现较低电压（4.0 V以下）运行，兖矿科澳铝业300 kA电解槽鉴于当时的计算软件和和计算技术的限制，难以达到该目标。分析原因有多种，磁流体状态是限制电解槽低电压运行的主要原因，为此，决定利用槽大修机会提高电解槽物理场性能，以达到从根本上提高电解槽性能和指标的目的。

2　电解槽物理场分析

目前，对于已经投产的电解槽进行磁场升级优化的措施可分为3种情况［1-6］：1）为原系列增加外补偿回路。2）利用电解槽大修机会对其阴极结构进行改变，通过改变内部电流场来改变磁场状态。3）在系列停电、降负荷或小级别电解槽实施屏蔽情况下，通过改变电解槽单槽阴极母线来改变磁场。目前，在大级别电解槽系列不停电情况下，依靠改变单槽阴极母线来优化磁场，尚未见过报道。兖矿科澳铝业经过反复论证，提出在系列正常运行的情况下，通过计算电解槽阴极小母线电流分布，借助大修机会，采取并接母线的方法对单槽进行改造。重新优化电解槽阴极母线上的电流大小，改善内部磁流体状态，将垂直磁场强度由目前的平均2.5 mT降至1.5 mT以下，以提高电解槽性能。本方法一次性投资小、风险低，技术及过程可控。

为了解本300 kA级电解槽物理场原始状态，为改进工作提供依据，首先对该电解槽的电磁场状态进行分析计算。计算内容包括该电解槽电平衡情况和电磁场情况。电平衡计算采用专用的计算软件，电磁场计算采用国际通用的ANSYS软件。

综合电解槽内部热场因素、母线结构及环境因素的母线电平衡计算技术，较为准确地对母线电平衡进行计算、分析，进而为母线结构优化、内部结构改进、外加母线结构确定奠定坚实基础，最终为磁场优化创造条件。综合电解槽内部电流场因素、外部母线电流场因素、相邻槽状态（停槽或正常生产槽）等因素的电磁场计算技术，将会较准确地对电磁场进行计算分析，为电流场的设计奠定基础。

图1示出了在实际状态下该电解槽A、B两侧软带内的电流分布。图2则示出了在理论状态下和实际状态下该电解槽立柱中电流分布。由两图看出，由于种种原因，软带两侧的电流分布及实际的电解槽磁流体状态与理论值都存在一定的差异。

图1　A、B两侧软带内电流分布

图2　立柱内电流分布

电解槽铝液内垂直磁场分布呈“大斜坡”状，烟道端高，出铝端低。这种磁场分布形态与其所表现出的稳定性及其阴极母线的基本结构是相吻合的，因此，如果要从磁场的角度来提高本电解槽的稳定性，就应该通过调整电解槽阴极母线电流走向改善电解槽磁场的状态。

3　优化措施及结果

3.1母线优化

要改变现行电解槽中垂直磁场的分布形态，必须改变电解槽母线电流的分布、走向。电解槽必须将部分电流分流至两端头，来补偿其原始磁场。但是，由于改造是在生产系列大修电解槽上进行，同时大修电解槽的部分阴极母线又用作短路母线，因此，对电解槽母线的拆除和重新焊接比较困难，可操作性较差，预计新增母线必须采用压接的方式接入到原母线系统中，而原基本母线结构不变动。基于这样的情况和施工方式，母线的优化过程充分考虑原母线的结构、空间、施工要求，更重要的是要保证母线基本的电平衡。经过现场调研和分析，结合电磁场计算结果，最后确定了母线优化方案。通过外加部分母线对原母线部分电流进行分流，以达到优化磁场的目的。新增母线与原阴极母线之间以压接形式连接，且尽量采用上下压接，以螺栓紧固。从出电侧向进电侧、出铝端和烟道端对称进行安装。所有压接面按要求进行处理，以确保压接效果。

3.2内衬优化

由于槽内电流同样影响着电解槽内总磁场，特别是铝液和阴极组内的水平电流。因此，本次磁场改造也将内部电流场的优化考虑在内。考虑实际情况，本次只是对阴极棒与阴极的连接结构做适当改变，因为在不改变材料的情况下，阴极结构的改变会影响阴极压降和阴极热场。另外，对阴极内衬的保温、散热结构相应进行了调整。经综合计算，最终确定了优化的阴极结构。通过规范底部保温、斜坡部位保温、槽大面保温、槽壳角部保温、侧块保温，增加钢棒绝缘涂层，规范涂刷处理方式，进行了阴极结构优化。

优化后槽内铝液中磁场结果有明显改善，铝液流速极值降低，电解槽内垂直磁场的“大斜坡”状态有明显改观，电解槽稳定性提高。

4　应用效果

本母线优化方案先后在我公司试验槽上实施，首台试验槽237#电解槽于2015年4月26日开始焙烧启动。焙烧采用焦粒焙烧方法，湿法启动，整个过程平稳顺利，无异常现象。启动后，电解槽按常规管理方法，电压逐渐降低并进入正常状态。

为客观反映试验槽运行指标状况，与目前整体电解槽的平均值进行对比。通过对磁流体试验槽母线压接面的分析，压接值均＜10 mV，完全能够满足生产需要。完成母线安装后，槽控机显示停槽压降下降值逐渐增大，呈向好趋势。由于增加了导电母线的横截面积，电阻减小，使得炉底压降下降，试验槽平均电压较普通电解槽降低70 mV。由于电解槽磁场得到优化，启动后电压控制比普通电解槽低，为降低电耗提供了较大的空间。进入正常管理期后电耗较电解槽整体直流电耗降低约270（kW· h）/t，效益十分显著。

参考文献：

［1］刘杰，李贺松，解利方.铝电解槽磁场优化方案研究［J］.轻金属，2013（10）：32-37.

［2］岳玉龙.350 kA电解槽优化技术改造实践［J］.轻金属，2014 （4）：36-39.

［3］缪韩，李贺，王刚.高导电阴极钢棒铝电解槽焙烧启动实践［J］.轻金属,2015（2）：25-28.

［4］冯文革.大型铝电解槽节能技术分析［J］.轻金属，2013（3）：31-33.

［5］毛文军.新式阴极钢棒结构电解槽的应用实践［J］.轻金属，2015（4）：34-36.

［6］王有来，邓文，杨求思.大型铝电解槽不停电改造母线技术与实践［J］.轻金属，2012（10）：31-33.

中图分类号：TF821

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2016）02-0069-02

收稿日期：2015-07-29

作者简介：费建培，女，1983年生，2006年毕业于湖南大学材料科学与工程专业。现为兖矿科澳铝业有限公司工程师，从事工艺技术管理工作。