一种7点进电500kA铝电解槽母线设计及应用

毛 宇，毛继红，班允刚，李 扬

（东北大学设计研究院(有限公司)，辽宁 沈阳 110013）

随着我国经济近十几年的高速发展，对原铝的需求也随之猛增。我国原铝产能由2000年初不到300万吨，到2018年原铝产能达到3700多万吨[1]，总产能增长了近12倍。我国铝产能的大幅增加，离不开核心装备铝电解槽的大型化支持。中国电解槽容量大型化速度保持世界领先，自2008年以后投运了400kA、500kA和600kA铝电解系列生产线。截止2018年400kA以上级别铝电解槽占总产能的75%以上。由于电解铝行业属于投资密集型行业，对当地经济拉动十分明显，因此发展十分迅猛，存在盲目扩张的现象。随着电解槽阳极电流密度的提高，阳极尺寸的增大，过大的阳极尺寸不利于阳极底掌气体溢出，会引起气膜压降的升高和闪烁效应的增加，不利于降低槽压和提高电流效率，实现电解槽节能降耗的目的。为此，本文笔者提出了一种采用较窄阳极的500kA级铝电解槽及配套的7点进电母线配置技术，实现对500kA级铝电解槽的整体优化，达到节能降耗的目的。

1 方案设计结果及分析

1.1 计算原理

大容量铝电解槽母线装置技术开发的关键技术是磁流体稳定性技术。主要通过数值法求解计算电解槽的磁场和磁流体。其中对于电解槽的磁场部分，是应用Biot-Savart定律的体积分形式进行计算的。

随着计算技术的发展，目前国内外多采用有限元分析软件ANSYS进行模拟计算，准确度已非常高。笔者基于ANSYS软件平台二次开发了专用的铝电解槽磁场模拟计算软件包，对大容量铝电解槽磁场进行计算。

针对磁流体稳定性的计算，国内外学者的研究上具备了一定的通用性：熔体为是不可压缩粘性湍流流体、电磁力为驱动熔体流动的主要推动力、采用3D雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型求解熔体流场是较通用的做法。经过大量的计算分析和实际测量后，本文对大容量铝电解槽母线装置流场的计算，采用“MHD-Valdis”磁流体计算软件包，对电解槽磁流体状态进行动态模拟。

1.2 主要结构参数

由于阳极尺寸过大，尤其是长度方向达到了1850mm，不利于氧化铝的扩散，电解槽运行状态不好，易出现阳极效应，且电解槽效率不高，能耗较高，基本算不上成功。

在此之后，于2013年推出了改进行500kA电解槽技术（方案二），对阳极尺寸进行了调整，长度由原来的1850mm减少到1750mm，宽度缺增加到了740mm，母线采用大面6点进电、外补偿配置方式。此方案较方案一无论是磁流体稳定性和氧化铝扩散性都有了一定的提高，电解槽能耗指标有了明显进步，也是近几年大范围推广的主流500kA铝电解槽技术。

针对上述现象，笔者提出了一种采用较窄阳极的500kA级铝电解槽技术（方案三），阳极尺寸降低至660mm，更有利于阳极气泡的析出和降低气模压降。

各种方案的主要结构参数详见表1。

表1 500kA铝电解槽不同方案主要结构参数一览表

8 槽中心距 m 7 6.5 6.6 9 外补偿电流 kA 0 250 0 10 总电流 kA 500 750 500

1.3 配置方案及结果

（1）母线配置方案。采用窄阳极、大面7点进电自补偿500kA铝电解槽母线配置方案详见图1。

图1 7点进电自补偿500kA铝电解槽母线配置方案

（2）磁场计算结果

图2 7点进电自补偿500kA铝电解槽铝液垂直磁场分布图

（3）磁流体计算结果。由图2和表2可看出，电解槽铝液内垂直分布比较均匀，垂直绝对值的平均值仅为3.12GS，最大值为19.17GS，磁场数值小，分布形态均匀且磁场变化梯度较小。电解槽某一时刻的界面变形情况，最大变形在10mm以内，发生在电解槽出电侧左上角位置。从图4的铝液水平流速场看，铝液内基本为2个大的流动环，流速场分布比较均匀，最大流速小于16cm/s。因此，上述这些结果表明，采用7点进电500kA铝电解槽磁流体稳定高，母线配置合理，为电解槽的高效节能运行打下基础。

（4）实际生产情况。采用7点进电自补偿500kA铝电解槽系列于2016年在山东投产，运行3年以来生产平稳，指标优异，闪烁效应少的特点。

2 结论

本文笔者通过对7点进电500kA铝电解槽母线的设计和运行情况得出的主要结论如下：①采用7点进电500kA铝电解槽垂直磁场平均值仅为3Gs左右，与其他技术控制的垂直磁场平均值在5Gs左右的水平有明显优化。且磁场分布均匀、变化梯度小，有利于磁流体稳定性；②采用7点进电500kA铝电解槽母线结构简单、易于安装，且单槽母线较其他技术用量减少近4吨，仅母线一项降低投资约5%，经济效果显著；综上，采用7点进电自补偿母线配置方式开发的500kA系列较其他500kA技术有了全面的提升，达到了节能减排的开发目标。