500kA级铝电解槽内外补偿母线配置磁场及经济性对比

李伟波

(广元中孚高精铝材有限公司,四川 广元 628017)

0 概述

目前国内的500 kA 电解槽技术,母线的配置形式有两种:自补偿和外补偿母线配置。

(1)自补偿母线配置

即通过电解槽槽周围母线系统的合理设计,使得电解槽槽内的磁场达到合理分布,从而保证电解槽的稳定运行。由于磁补偿都通过槽周围母线本体进行平衡,因此业内称这种形式为“自补偿”。

(2)外补偿母线配置

即除了槽周围母线以外,还需要额外的母线来通过电流,使电解槽槽内磁场达到合理分布。这一段额外的母线通过的电流仅用于磁场补偿,不参与产铝,因此业内称这种形式为“外补偿”。

在目前500 kA 电解槽投产越来越多的背景下,对以上两种500 kA 电解槽的母线配置形式进行包括磁场及经济性的对比分析及评价,得出一定的结论,具有较大的研究及实用价值。

1 500 kA 电解槽磁场计算结果及分析

1.1 磁场计算方法

铝电解槽的磁场分为三个主要部分:一是母线的磁场;二是阳极、阴极、铝液、电解质的磁场;三是槽壳等铁磁材料的磁场。

对于母线的磁场,可认为各母线为线单元,应用Biot-Savart 定律的线积分形式计算。

对于阳极、阴极、铝液、电解质的磁场,阳极、阴极、铝液、电解质可认定为体单元,采用Biot.Savart定律的体积分形式计算。

对于槽壳等铁磁材料的磁场一般采用表面磁荷法来计算。

1.2 铝电解槽的磁场计算

1.2.1 恒定电流线导体磁场

Biot-Savart 定律线积分形式为:

式中H—待求场点P(x,y,z)处的磁场强度;I—电流强度;r—P点到电流元dl的距离。

1.2.2 阴极、阳极、铝液和电解质所产生磁场的计算

这三部分产生的磁场主要采用体积分形式进行计算,由于铝电解槽中这部分导体都为长方体,所以有必要推导出矩形导体所产生磁场的计算公式。

Blot-Savart 定律的体积分形式为:

式中H—待求场点P(x,y,z)处的磁场强度;J—导体中通过的电流密度;r—源点到场点P的距离。

1.3 500 kA 电解槽自补偿磁场计算结果

按照图纸建立仿真模型,计算得出的某厂500 kA 电解槽自补偿母线的磁场结果如表1 所示。

表1 某厂500 kA 电解槽自补偿母线磁场计算结果

表2 某厂500 kA 电解槽自补偿母线磁场BZ 四象限分布

从以上图表可以看出,整体分布较为均匀,磁场值BZ 在两个端头稍高,但曲线较为平滑,BY 均值8.633 GS,BZ 均值4.495 GS。

从四象限分布的结果来看,1、2 象限的结果较好,3、4象限的结果相对偏高一点,但是整体结果处于相对较好的区间。

图1 自补偿磁场BZ 分布云图

图2 自补偿磁场BZ 曲线分布

1.4 500 kA 电解槽外补偿磁场计算结果

按照图纸建立仿真模型,计算得出的某厂500 kA 电解槽外补偿母线的磁场结果如表3 所示。

表3 某厂500 kA 电解槽外补偿母线磁场计算结果

表4 某厂500 kA 电解槽外补偿母线磁场四象限分布

从以上图表可以看出,整体分布较为均匀,磁场值BZ 在两个端头稍高,BY 均值6.955 GS,BZ 均值4.771 GS。

从四象限分布的结果来看,1、4 象限的结果较好,2、3 象限的结果相对偏高一点,但是整体结果处于相对较好的区间。

1.5 500 kA 铝电解槽磁场计算结果对比

自补偿及外补偿的磁场计算结果汇总如表5 所示。

从表5 以及各自的BZ 分布云图可以看出,自补偿与外补偿的垂直磁场BZ 相差不大,在0.3 GS左右,且四象限分布也相对较为均匀;而BY 均值,两者相差了约1.7 GS,外补偿相对较好;降低BY,能降低铝液流速,减少界面波动,在此外补偿具备一定优势。

图3 外补偿母线磁场分布云图

图4 外补偿母线磁场BZ 曲线分布

表5 磁场计算结果对比表

2 500 kA 电解槽自补偿及外补偿经济性分析

在工程建设期间,母线配置对工程建设成本的影响主要包括两个方面,一是母线本身用量所直接导致的材料成本;二是母线配置对电解车间的面积大小间接导致的建筑成本,下文分别就母线用量及电解车间所占面积等方面对500 kA 自补偿电解槽和外补偿电解槽进行经济性分析。

2.1 母线用量

自补偿母线配置及外补偿母线配置在500 kA电解槽项目实际的母线用量,选取相同的电解槽槽数,产量50 万t,且母线电流密度基本一致的条件下,进行对比。包含系列母线、过道临时母线、槽周围母线、立柱母线、阴极软带、外补偿母线,不含阳极母线、阳极导杆,其结果如表6 所示。

从表6 可以看出,外补偿母线配置平均单槽比自补偿母线配置多1.848 t。一个产量50 万t 共366 台500 kA 电解槽的建设项目,外补偿母线配置合计会增加母线用量676.368 t。

表6 自补偿和外补偿配置母线用量对比表(平均到单槽,单位:kg)

2.2 电解车间厂房面积

由于外补偿母线配置的特点,可以大幅简化槽周围母线的配置,因此采用外补偿配置,电解槽的槽间距能得到有效缩短,两种母线配置的槽间距对比如表7 所示。

表7 自补偿和外补偿母线配置槽间距对比表

以单期50 万t 电解系列配置366 台电解槽,每栋厂房配置183 台。按照通廊的长度一致计算,外补偿配置每台电解槽槽间距比内补偿少0.2 m,则厂房长度比内补偿配置少183 ×0.2=36.6 m。按照厂房跨度32 m 计算,采用外补偿配置,比自补偿配置厂房面积减少4 684.8 m2。

2.3 投资对比

根据以上厂房占地及母线用量,对自补偿母线配置及外补偿母线配置的项目建设投资差异进行对比(按50 万t 366 台电解槽计算),铝母线单价按近三年的铝价取14 000 元/t。厂房建筑成本按1 500 元/m2计价,征地成本按15 万/亩计价,则各自的投资差异如表8 所示。

表8 自补偿和外补偿母线配置投资对比表

从表8 可以看出,外补偿相对自补偿,由于母线用量的增加,投资会增加约947 万元,土建包含征地减少费用741 万元,整体增加投资206 万元。

3 结论

(1)针对500 kA 电解槽自补偿及外补偿两种母线配置形式进行了磁场仿真模拟计算,得出如下结论:BZ 两种形式相差不大,外补偿的BY 有一定降低,相差了约1.7 GS,降低BY 有助于降低铝液流速,减少界面波动;

(2)母线用量方面,外补偿母线配置平均单槽比自补偿母线配置多1.848 t;一个产量50 万t 共366 台500 kA 电解槽的建设项目,外补偿母线配置合计增加母线用量676.368 t。

(3)电解车间厂房占地方面,由于槽间距的减少,采用外补偿配置,比自补偿配置厂房面积减少4 684.8 m2。

(4)建设一个50 万t 366 台槽的电解项目,外补偿相对自补偿,由于母线用量的增加,投资会增加约947 万元,土建包含征地减少费用741 万元,整体增加投资206 万元。

(5)外补偿母线配置形式和自补偿母线配置形式,从磁场结果来说,具有一定的优势,但不明显;外补偿母线配置形式的母线用量有较大提升,厂房占地有一定减少;投资相对有一定的增加;所以采取哪种母线配置形式需要综合衡量。