趙志彬,魏迎輝,劉 偉

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001；2.山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045209)

當(dāng)今鋁電解工業(yè)的槽容量不斷增加,國內(nèi)外大型鋁電解槽容量已經(jīng)達(dá)到600 kA[1-2]。電解槽大型化是現(xiàn)代鋁電解工業(yè)的發(fā)展趨勢之一,據(jù)文獻(xiàn)報道已經(jīng)有機構(gòu)開始進(jìn)行更大容量電解槽的探索[4]。陽極作為鋁電解槽的核心構(gòu)件,其尺寸也呈不斷大型化的趨勢。

在鋁電解過程中,陽極隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不斷消耗,需要定期更換,稱之為換極。新?lián)Q上槽后對電解槽的影響主要集中在兩方面:① 陽極質(zhì)量大溫度低,會對電解槽的熱平衡造成巨大沖擊,新?lián)Q陽極需要16～28小時加熱才能逐漸恢復(fù)到電解溫度;② 新?lián)Q陽極浸入電解質(zhì)后會在陽極表面包裹一層絕緣凝固電解質(zhì),在鋁液中形成巨大的水平電流[5],造成電解槽磁流體穩(wěn)定性的瞬間破壞,陽極電流往往需要經(jīng)過24小時才能恢復(fù)到正常值。由此可見,換極對電解槽的穩(wěn)態(tài)運行的沖擊大、維持時間長,造成電流效率的損失。

目前工業(yè)界對鋁電解換極這一復(fù)雜行為的認(rèn)知還非常有限,很多換極工藝參數(shù)依靠傳統(tǒng)或經(jīng)驗確定:例如對換角部和中間極采取相同的附加電壓策略,這種操作往往造成角部極電流恢復(fù)速度慢于中間極這一現(xiàn)象。筆者的前期研究[6]通過數(shù)值模擬對這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)換角部極的沖擊大于中間極,溫度和電流的恢復(fù)情況也明顯弱于中間極。筆者將造成這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)于角部和中間極所處位置的散熱情況不同與極下電解質(zhì)流動情況的差異,并提出針對不同區(qū)域陽極采用不同的換極附加電壓策略的建議。

本文即在前期數(shù)值模擬工作的基礎(chǔ)上,首先對某電解企業(yè)換角部和中間極換極電流恢復(fù)的差異化情況進(jìn)行分析,然后結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗采用前期研究中提出的試驗建議進(jìn)行了角部極附加電壓策略調(diào)整的工業(yè)試驗。

1 換角部極與中間極差異性分析

圖1為在某500 kA電解企業(yè)發(fā)現(xiàn)的典型角部陽極電流恢復(fù)慢的情況,可看出換角部極B23和B24后48小時電流的恢復(fù)仍不足50%。為了進(jìn)一步確認(rèn)角部極電流恢復(fù)較慢是該企業(yè)電解槽的普遍現(xiàn)象,圖2對比了筆者在該電解鋁企業(yè)統(tǒng)計的多組換角部和中間極后各自的電流恢復(fù)情況,并對其進(jìn)行線性擬合。從線性擬合直線的斜率可明顯看出換角部極的電流恢復(fù)速率小于換中間極(約5%)。

圖1 換角部極(B23B24)后48小時陽極電流分布情況

圖2 傳統(tǒng)附加電壓策略下?lián)Q角部極和中間極電流恢復(fù)情況對比

角部極電流恢復(fù)較慢這一現(xiàn)象會導(dǎo)致其他陽極導(dǎo)電增多、鋁液中水平電流變大、電解質(zhì)/鋁液界面變形加劇、局部極距的降低甚至出現(xiàn)短路等現(xiàn)象,這對電解槽整體極距的均化非常不利,會進(jìn)一步影響到電流效率的提升和企業(yè)壓電壓效果。此外大部分企業(yè)對這種局部導(dǎo)電不足狀況的處理方式都是人工提極,這增加了工人的勞動強度和企業(yè)的用人成本。

2 換極熱-電-流場仿真模型修正與分析

本文的前期工作[6]耦合Fluent中隱藏的凝固&融化模塊模型,充分考慮換極過程中由于溫度變化所引起的電解質(zhì)相變及其帶來的對電解質(zhì)流動、導(dǎo)電、傳熱等方面的影響,開發(fā)了可模擬換極過程熱-電-流多物理場演變的瞬態(tài)仿真模型,并采用此模型對上述問題進(jìn)行分析,提出了換極策略優(yōu)化建議。

但在前文的研究中電解質(zhì)流動模式中的渦旋位置(如圖3a所示)與以前未考慮凝固&融化過程的數(shù)值模擬結(jié)果[7]略有差異:漩渦所覆蓋面積相對較小,位置偏向于兩端頭。這種差異有可能對研究結(jié)果造成影響。

本文將鋁液流動速度以邊界條件PROFILE的形式施加到模型中的鋁液/電解質(zhì)交界面上,計算結(jié)果如圖3b所示。兩個漩渦覆蓋面積較未考慮鋁液流動時大,呈現(xiàn)煙道端大,出鋁端小的特性。該漩渦的分布模式與速度大小與前文數(shù)值模擬結(jié)果[7]和工業(yè)測量結(jié)果[8]相吻合,可以認(rèn)為該模型在流場計算方面較前文模型具備相對準(zhǔn)確的特性。

圖3 電解槽爐幫分布與電解質(zhì)的流動模式

本文采用修正后的模型重新計算了換角部極和中間極后電解的溫度恢復(fù)情況,結(jié)果與前期研究差異較小(如圖4所示),故本文的工業(yè)試驗依然采用數(shù)值模擬分析所提出的增加電解槽換極期的熱收入的方法來提高角部極的溫度和電流恢復(fù)速率。

圖4 模型修訂前后換A1A2后電解質(zhì)溫度的恢復(fù)情況對比

3 換極附加電壓調(diào)整的工業(yè)試驗

根據(jù)與電解企業(yè)技術(shù)人員的討論結(jié)果,本文的工業(yè)試驗對數(shù)值模擬中所提出的換極附加電壓策略[6]進(jìn)行了必要調(diào)整,但其核心概念未變。原始換極附加電壓為第一階段抬高電壓+80 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+60 mV保持60分鐘,第三階段降低到+40 mV保持60分鐘,第四階段再降低到+20 mV保持60分鐘。附加電壓策略1增加了原始附加電壓的幅值:第一階段抬高電壓+100 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+75 mV保持60分鐘,第三階段降低到+50 mV保持60分鐘,第四階段再降低到+25 mV保持60分鐘,試驗槽為1237#,1238#,對比槽為1239#,1240#,1241#;附加電壓策略2延長了原始附加電壓的時間,第一階段抬高電壓+80 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+60 mV保持80分鐘,第三階段降低到+40 mV保持100分鐘,第四階段再降低到+20 mV保持120分鐘,試驗槽為1235#,1236#,對比槽為1232#,1233#,1234#。

圖5和圖6顯示了在附加電壓策略1和2條件下角部極和中間極電流恢復(fù)速率的對比情況。由于晚上24:00換班后,有人工調(diào)極作業(yè),故本研究僅選取換極后16小時內(nèi)未有人工干預(yù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可以明顯看出采用兩種換極附加電壓策略的試驗槽陽極電流恢復(fù)速率均大于對比電解槽。根據(jù)擬合直線可得出試驗槽1的陽極電流恢復(fù)速率比對比槽高8%,試驗槽2的陽極電流恢復(fù)速率比對比槽高11%。附加電壓策略2對陽極電流恢復(fù)的提升效果優(yōu)于附加電壓策略1。

圖5 附加電壓策略1下角部極電流的恢復(fù)速度(某鋁廠測量統(tǒng)計數(shù)據(jù))

圖6 附加電壓策略2下角部極電流的恢復(fù)速度(某鋁廠測量統(tǒng)計數(shù)據(jù))

結(jié)合圖2中換中間極電流的恢復(fù)速率分析,施加兩種附加電壓后換角部極的陽極電流恢復(fù)速率均高于換中間極,可以達(dá)到調(diào)整附加電壓的目的。

考慮到電解槽的附加電壓是施加在全槽層面上,換極期貿(mào)然的熱收入增多可能造成電解槽的熱平衡問題。表1計算了換極附加電壓策略1和2在24小時內(nèi)的能量輸入量分別提高了萬分之五和萬分之七,其效果理論上可以忽略不計。但換極期內(nèi)短時間的能量輸入量分別增長了0.3%和49%,所以非常有必要跟蹤電解槽的溫度變化情況,這一點對于換極附加電壓調(diào)整策略2尤其重要。

圖7和圖8顯示了電解槽出鋁口的電解質(zhì)溫度在換極后24小時內(nèi)的變化情況。從圖7顯示附加電壓策略1中在換極9小時后試驗槽和對比槽的電解質(zhì)溫度均有升高,這很可能是該車間在15:30～17:40停凈化風(fēng)2小時造成的,隨后電解槽內(nèi)的溫度逐漸恢復(fù)正常,并在24小時后回到換極前的狀態(tài)。通過試驗槽1和對比槽內(nèi)電解質(zhì)的溫度對比,可得出結(jié)論施加換極附加電壓策略1后電解槽內(nèi)的溫度沒有明顯異常,電解槽熱平衡也沒有出現(xiàn)問題。

圖7 附加電壓策略1下出鋁口電解質(zhì)溫度(某鋁廠測量統(tǒng)計數(shù)據(jù))

圖8 附加電壓策略2下出鋁口電解質(zhì)溫度(某鋁廠測量統(tǒng)計數(shù)據(jù))

試驗附加電壓策略2時,電解槽內(nèi)溫度無明顯異常,24小時后電解質(zhì)溫度恢復(fù)到換極前水平。試驗槽和對比槽對比分析沒有發(fā)現(xiàn)二者的明顯區(qū)別。雖然表1中提到換極期的能量輸入增加了49%,這是由于附加電壓時間的延長造成的,事實上在換極期該電解槽單位時間內(nèi)的熱收入反而減少了。

表1 換角部極附加電壓策略調(diào)整方案對比

鑒于電解槽對瞬時的大熱量收入比較敏感,例如陽極效應(yīng)發(fā)生時電解質(zhì)溫度急劇升高,電解槽爐幫融化,采用延長換極電壓附加時間這種較為平緩的能量增加方案應(yīng)更具優(yōu)勢。隨后,該鋁廠在全系列范圍內(nèi)針對換角部極推廣了第二種換極附加電壓策略,角部極的電流恢復(fù)速率得到明顯提升。

4 結(jié) 論

(1)本文將鋁液流動造成的曳力影響施加到所開發(fā)的瞬態(tài)熱-電-流多物理場仿真模型中,電解質(zhì)流場漩渦的分布模式與速度大小與工業(yè)測量研究結(jié)果相吻合。本文提高了模型的準(zhǔn)確性,該模型可用于研究電解槽凝固融化過程、瞬態(tài)熱平衡等。

(2)本文提出了針對角部極和中間極采用不同的換極附加電壓策略方案,針對中間極采用傳統(tǒng)附加電壓,針對角部極通過增加能量輸入的方式來提高新極溫度和電流的恢復(fù)速率。

(3)工業(yè)試驗結(jié)果表明提高換極附加電壓幅度或時間的方式均可有效提高角部極電流的恢復(fù)速率,其中延長換極附加電壓時間的方案效果更好。兩種附加電壓調(diào)整方案對電解槽的熱平衡沒有明顯影響。

(4)基于工業(yè)試驗結(jié)果,該鋁廠在全系列針對換角部極推廣了延長換極附加電壓時間的方案后,角部極的電流恢復(fù)速率得到明顯提升。