铝电解槽母线电平衡实测值与设计值偏差原因分析

董 慧,戚喜全

(东北大学设计研究院(有限公司),辽宁 沈阳 110166)

高精度的铝电解槽母线电平衡计算,对于控制槽内水平电流分量、准确计算槽内磁场、实现电解槽磁流体稳定,是第一重要的基础工作。不少新开发的电解槽,在投产后都会出于不同的目的, 进行电解槽的物理场测试,这其中就包括母线电平衡测试,但这方面的文献并不多。无论从发表的文献[1-3],还是从更多的测试报告看,能够得到比较理想的阴极软带电流均匀性的情况并不多,电流偏差系数一般都会在20%以上,甚至更高。可以想象,作为用于指导设计的电平衡计算结果肯定会远远优于测试结果,那样才能会用于指导母线设计。文献[4]曾提出过电流偏差系数5%的设计指标标准。关于引发电流偏差的原因,固然有电解槽炉膛状态、炉底材料变性,甚至沉淀等因素的影响。但大多数的测试,也都是在状态良好、运行时间较短的电解槽上进行的,并非在异常槽上进行。因此,本文认为,除了电解槽本身因素对电平衡带来的偏差外,槽体外母线应该是引发偏差的另一重要因素,而这一原因则主要与设计有关。尽管在从上台槽铝液面到下台槽阳极大母线的全路径上,上台槽的炉底电阻占据了两等位面之间总电阻的很大一部分,但槽外铝母线各段、各种偏差的累加,应该是导致电平衡偏差的外部原因。本文将通过对单根母线的电阻计算,以及简单电路的电平衡计算,来分析设计方面可能带来的电平衡偏差,以供借鉴。

1 研究方法描述

铝电解槽电平衡设计的基本目标之一就是使阴极软带的电流均匀性控制在一个目标范围内,不同的设计者采取的手段也许不同。但无论何种方法,都必须将铝母线当做简单的电阻或电热导体。也许正是由于将铝母线当做简单电阻和电热导体,这两种处理方法的不同,带来了结果的差异。为了解这两种处理方法可能带来的差异,本文对相同母线按不同工作环境、平放、立放不同安装方式等,产生的不同结果进行计算比较,借以帮助分析实际电解槽母线电平衡的偏差可能原因。

为简便起见,本文首先计算了一根300 mm×50 mm×1000 mm的铝母线的电热场,从中提取出该母线在不同工况下的总电势差以计算导体电阻,以及最高温度等数据,用作比较分析。

在母线尺寸及电流的选定过程中,充分考虑了实际的母线尺寸、电流密度等因素。假定母线的工作温度为45℃(接近实际母线的工作温度),以计算该母线段的理论电阻,经计算,此母线段的理论电阻为2.18 μΩ (电阻率公式取自文献[5])。下面,将铝母线按电热导体处理,分几种情况来研究母线的电阻变化情况。

(1) 热边界条件:由于目前的电解车间都采取了先进的通风技术,母线表面选取强制对流换热,母线立面风速选取2 m/s,上下平面选取1.5 m/s(这种条件,对槽周母线基本合理)。

(2) 电边界条件:在母线一个端面添加电流载荷,在另一端面添加零电位约束。

(3) 等效环境温度(以下简称环境温度)的设置:由于每个母线段所处的工作环境不尽相同(甚至同一段母线,不同位置、不同面的工作环境都可能不同),例如各自的周围空气温度、相互热辐射情况、通风条件、母线密集度等,都可能不同。因此,给每一根母线确定一个准确的环境温度是困难的。实际计算中,只能根据每根母线上述条件的差异,给定一个等效的温度,来反映每根母线所处的环境。为了简化计算过程,本文中的计算,假定此母线段各位置、各侧面所处的等效环境温度相同。

2 计算结果及讨论

下面,对此母线段分几种情况进行电热场计算。其中每种情况下的母线电阻,采用每次计算后母线段两端头的电位差值,除以母线的总电流来计算。

2.1 情况1:将母线按电热导体处理

母线段原始加载电流为9000 A,母线段的理论电流密度0.60 A/mm2,接近实际工况。表1列出了所有情况下的具体描述、计算参数及结果。母线温度及电位分布如图1、2所示。

由图1、2及表1中“情况1”的数据看,将母线段的环境温度设为与母线电阻理论计算时相同,均为45℃,再将母线段按电热导体处理,则母线的最高温度升到60℃左右,其电阻升到2.3 μΩ,较理论情况升高5.5%,与理论数值产生了一定偏差。

图1 母线段温度分布图(℃)

表1 计算情况及结果表

图2 母线段电位分布图(V)

2.2 情况2:将母线改为平放,其它条件不变

受空间限制,扁母线平放的情况也很常见。为此,又对同一母线平放的情况进行了计算。温度分布如图3所示。

由图3 及表1中数据看出,同一母线段由立放改为平放,母线温度又有升高。这是由于母线平放后,对流散热效果变差的原因,母线电阻也有所提高。由此也进一步说明,欲使母线散热效果增强,母线最好以矩形断面,且长边面设为立面。

图3 母线段温度分布图(℃)

2.3 情况3:情况2+环境温度提高8℃

在实际工作中,槽周母线在不同季节、地域,甚至同一槽上尺寸完全相同的两根母线段,会工作在不同环境温度下。为此,本文又对环境温度变化的影响进行了计算,且8℃的温升也基本符合实际情况。由表1中的数据看出,母线最高温度和总电阻有了较明显的提高。

2.4 情况4:情况3+电流升高10%

实际生产过程中,电流强化是经常采取的增产或热平衡措施。为此,本文也对电流的影响进行了研究。由表1中数据看出,电流强化后,母线的温度及电阻又有明显升高。而事实上,电流强化,一般都会带来工作环境温度的升高,但本计算仍按原工况处理,否则,电阻升高值会更大。为更直观,将表1的电阻值和电阻升高百分数汇于图4中。

由图4看出,随母线工况的变差,母线电阻逐步升高。在电流强化10%后,母线电阻比理论计算值升高了约10%。尽管槽外母线的电阻只占槽电流路径上的一部分,但从计算结果看,由于母线的实际电阻已明显高于理论电阻,如果在母线电阻计算中,不能合理考虑这些差异,电解槽在实际生产中就很可能出现较大的电流不平衡。这也许就是很多实测软带电流分布均匀性较差的主要原因之一。因此,在母线电平衡设计时,应考虑到铝母线作为电热导体与等值电阻的差异。为更贴近母线的实际运行情况,本文设计了一个简单电路,以了解理论上平衡的两支路内是否会发生电流偏差的情况。

图4 母线电阻数据与工况的关系

2.5 工况对支路电平衡影响的验证

验证电路参数如表2所示,电路图如图5所示。

图5 电路图及温度结果(℃)

表2 电路中母线结构计算参数及结果

由表2结果可见,理论上电流平衡的左右两个支路,在工况发生变化后,两支路的电流出现了一定偏差,究其原因,应该是左边支路母线均为扁平结构且都为立放、散热条件较右边支路更好的缘故。计算表明,如果3～4#母线支路处于自然对流环境,则左右两支路的电流比为8530 A/7970 A,电流偏差增加到3.4%,这进一步说明了工况对支路电流平衡有较大影响。

另从图5也可看出,3#母线段的温度并不均匀,越靠向2#、4#母线,温度越低,这是因为大断面母线(假定其电流密度低)充当了小断面母线(假定其电流密度高)的“散热器”。可见,对于相互连接的电热导体,相互间既有电流传递,也有热量(温度)的传递,母线温度既与其本身的电流密度等因素有关,也与其上下游的母线有关;母线间热的传递只与温度梯度方向一致,既可能是顺流的,也可能是逆流的,与电流的传递方向可能不一致。这种情况在槽周大母线上可能会表现的比较明显。

为验证这一点,对某300 kA级电解槽母线温度进行了测量,测量母线为自进电侧绕行到出电侧的大母线,图6示出了母线温度与理论电流密度的对应关系(测点1为靠近槽中心端,测点8、9为出铝端头端)。该大母线连接有6根软带(测点1～6分别与软带1～6相对应)。从图6可看出,随软带数量增加,大母线电流密度逐渐增大,但母线温度基本平稳,维持在100℃左右(暂不考虑测试误差)。这说明热量向低电流密度方向进行了传递,母线温度趋于均匀;再者,母线出现此种高的温度,应该既有母线电流密度高、槽间温度高、通风条件差的原因(测试时,槽底通风窗处于关闭状态),也有阴极软带向母线传热的缘故。在母线接近槽端头时,温度开始降低;进入端头,温度达到最低值。这是由于端头通风条件好、环境温度低的缘故。文献[6]对槽周母线的电热模拟结果,在温度趋势上与本测试结果相吻合。因此,本测试结果验证了上文的基本结论。

图6 某300 kA电解槽大母线实测温度与理论电流密度的关系

由此可推理,对于上下游母线间断面尺寸相差较大、温度相差较大、或母线较短的情况时,热的传递更为复杂,使母线进一步偏离电流密度与温度、温度与电阻之间的关系。表2中“电热计算后最高/平均温度”一栏的数据直接说明了这一点,因为温度和电流密度已失去了明显的关联关系。而对于实际的槽周母线,母线工况、母线结构等要远复杂于本电路,各段母线电阻偏差的积累,就有可能导致整个支路的电流发生大的改变。又由于系列总电流是恒定的,因此,一个支路电流的改变又会导致其它支路的连锁变化,结果就是各支路都偏离理论结果,以及铝液内水平电流的产生。图7和图8分别示出了某槽理论计算电平衡和按实际电平衡结果下,计算的槽内铝液中x向电流密度结果。

图7 理论电平衡下进电侧1/4槽宽处铝液内电流密度

图8 按实际电平衡计算的进电侧1/4槽宽处铝液内电流密度

由图7看出,理论电平衡状态下,铝液中x向电流分量很小,也表明阴极软带电流很均匀,电平衡效果很好。但如图8所示,实际的电平衡条件下,铝液中x向电流分量很大,表明,阴极软带的电流分布均匀度差,这对电解槽的稳定是不利的。

3 结 语

本文通过对单根母线及并联电路电热状态的模拟计算,研究了工况对电平衡可能带来的影响。具体结论如下:

(1) 把母线段按简单等值电阻进行电平衡计算,会带来偏差;环境温度变化、系列电流强化等,都会进一步增大偏差。

(2) 对电解槽母线进行完全电热模拟,理论上是最准确的方法,但工作量大,因为在母线系统结构确定前,需不断改变母线尺寸、位置等,母线的热边界条件也不易准确。因此,应该将等值电阻和电热计算二者结合起来。具体实施中,对每段母线都应依据其电流密度赋予其工作温度;依据其工作环境,赋予其等效环境温度,并依据其断面形状、安装角度、上下游关系等,赋予某修正系数,使每段母线最大限度接近其实际工作温度。

(3) 电解槽电流不平衡的结果是槽内外电流、磁场等一系列的变化,对电解槽的稳定运行不利。