董 慧,戚喜全

(東北大學(xué)設(shè)計研究院(有限公司),遼寧 沈陽 110166)

高精度的鋁電解槽母線電平衡計算,對于控制槽內(nèi)水平電流分量、準(zhǔn)確計算槽內(nèi)磁場、實現(xiàn)電解槽磁流體穩(wěn)定,是第一重要的基礎(chǔ)工作。不少新開發(fā)的電解槽,在投產(chǎn)后都會出于不同的目的, 進行電解槽的物理場測試,這其中就包括母線電平衡測試,但這方面的文獻并不多。無論從發(fā)表的文獻[1-3],還是從更多的測試報告看,能夠得到比較理想的陰極軟帶電流均勻性的情況并不多,電流偏差系數(shù)一般都會在20%以上,甚至更高?？梢韵胂?作為用于指導(dǎo)設(shè)計的電平衡計算結(jié)果肯定會遠遠優(yōu)于測試結(jié)果,那樣才能會用于指導(dǎo)母線設(shè)計。文獻[4]曾提出過電流偏差系數(shù)5%的設(shè)計指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于引發(fā)電流偏差的原因,固然有電解槽爐膛狀態(tài)、爐底材料變性,甚至沉淀等因素的影響。但大多數(shù)的測試,也都是在狀態(tài)良好、運行時間較短的電解槽上進行的,并非在異常槽上進行。因此,本文認(rèn)為,除了電解槽本身因素對電平衡帶來的偏差外,槽體外母線應(yīng)該是引發(fā)偏差的另一重要因素,而這一原因則主要與設(shè)計有關(guān)。盡管在從上臺槽鋁液面到下臺槽陽極大母線的全路徑上,上臺槽的爐底電阻占據(jù)了兩等位面之間總電阻的很大一部分,但槽外鋁母線各段、各種偏差的累加,應(yīng)該是導(dǎo)致電平衡偏差的外部原因。本文將通過對單根母線的電阻計算,以及簡單電路的電平衡計算,來分析設(shè)計方面可能帶來的電平衡偏差,以供借鑒。

1 研究方法描述

鋁電解槽電平衡設(shè)計的基本目標(biāo)之一就是使陰極軟帶的電流均勻性控制在一個目標(biāo)范圍內(nèi),不同的設(shè)計者采取的手段也許不同。但無論何種方法,都必須將鋁母線當(dāng)做簡單的電阻或電熱導(dǎo)體。也許正是由于將鋁母線當(dāng)做簡單電阻和電熱導(dǎo)體,這兩種處理方法的不同,帶來了結(jié)果的差異。為了解這兩種處理方法可能帶來的差異,本文對相同母線按不同工作環(huán)境、平放、立放不同安裝方式等,產(chǎn)生的不同結(jié)果進行計算比較,借以幫助分析實際電解槽母線電平衡的偏差可能原因。

為簡便起見,本文首先計算了一根300 mm×50 mm×1000 mm的鋁母線的電熱場,從中提取出該母線在不同工況下的總電勢差以計算導(dǎo)體電阻,以及最高溫度等數(shù)據(jù),用作比較分析。

在母線尺寸及電流的選定過程中,充分考慮了實際的母線尺寸、電流密度等因素。假定母線的工作溫度為45℃(接近實際母線的工作溫度),以計算該母線段的理論電阻,經(jīng)計算,此母線段的理論電阻為2.18 μΩ (電阻率公式取自文獻[5])。下面,將鋁母線按電熱導(dǎo)體處理,分幾種情況來研究母線的電阻變化情況。

(1) 熱邊界條件:由于目前的電解車間都采取了先進的通風(fēng)技術(shù),母線表面選取強制對流換熱,母線立面風(fēng)速選取2 m/s,上下平面選取1.5 m/s(這種條件,對槽周母線基本合理)。

(2) 電邊界條件:在母線一個端面添加電流載荷,在另一端面添加零電位約束。

(3) 等效環(huán)境溫度(以下簡稱環(huán)境溫度)的設(shè)置:由于每個母線段所處的工作環(huán)境不盡相同(甚至同一段母線,不同位置、不同面的工作環(huán)境都可能不同),例如各自的周圍空氣溫度、相互熱輻射情況、通風(fēng)條件、母線密集度等,都可能不同。因此,給每一根母線確定一個準(zhǔn)確的環(huán)境溫度是困難的。實際計算中,只能根據(jù)每根母線上述條件的差異,給定一個等效的溫度,來反映每根母線所處的環(huán)境。為了簡化計算過程,本文中的計算,假定此母線段各位置、各側(cè)面所處的等效環(huán)境溫度相同。

2 計算結(jié)果及討論

下面,對此母線段分幾種情況進行電熱場計算。其中每種情況下的母線電阻,采用每次計算后母線段兩端頭的電位差值,除以母線的總電流來計算。

2.1 情況1:將母線按電熱導(dǎo)體處理

母線段原始加載電流為9000 A,母線段的理論電流密度0.60 A/mm2,接近實際工況。表1列出了所有情況下的具體描述、計算參數(shù)及結(jié)果。母線溫度及電位分布如圖1、2所示。

由圖1、2及表1中“情況1”的數(shù)據(jù)看,將母線段的環(huán)境溫度設(shè)為與母線電阻理論計算時相同,均為45℃,再將母線段按電熱導(dǎo)體處理,則母線的最高溫度升到60℃左右,其電阻升到2.3 μΩ,較理論情況升高5.5%,與理論數(shù)值產(chǎn)生了一定偏差。

圖1 母線段溫度分布圖(℃)

表1 計算情況及結(jié)果表

圖2 母線段電位分布圖(V)

2.2 情況2:將母線改為平放,其它條件不變

受空間限制,扁母線平放的情況也很常見。為此,又對同一母線平放的情況進行了計算。溫度分布如圖3所示。

由圖3 及表1中數(shù)據(jù)看出,同一母線段由立放改為平放,母線溫度又有升高。這是由于母線平放后,對流散熱效果變差的原因,母線電阻也有所提高。由此也進一步說明,欲使母線散熱效果增強,母線最好以矩形斷面,且長邊面設(shè)為立面。

圖3 母線段溫度分布圖(℃)

2.3 情況3:情況2+環(huán)境溫度提高8℃

在實際工作中,槽周母線在不同季節(jié)、地域,甚至同一槽上尺寸完全相同的兩根母線段,會工作在不同環(huán)境溫度下。為此,本文又對環(huán)境溫度變化的影響進行了計算,且8℃的溫升也基本符合實際情況。由表1中的數(shù)據(jù)看出,母線最高溫度和總電阻有了較明顯的提高。

2.4 情況4:情況3+電流升高10%

實際生產(chǎn)過程中,電流強化是經(jīng)常采取的增產(chǎn)或熱平衡措施。為此,本文也對電流的影響進行了研究。由表1中數(shù)據(jù)看出,電流強化后,母線的溫度及電阻又有明顯升高。而事實上,電流強化,一般都會帶來工作環(huán)境溫度的升高,但本計算仍按原工況處理,否則,電阻升高值會更大。為更直觀,將表1的電阻值和電阻升高百分?jǐn)?shù)匯于圖4中。

由圖4看出,隨母線工況的變差,母線電阻逐步升高。在電流強化10%后,母線電阻比理論計算值升高了約10%。盡管槽外母線的電阻只占槽電流路徑上的一部分,但從計算結(jié)果看,由于母線的實際電阻已明顯高于理論電阻,如果在母線電阻計算中,不能合理考慮這些差異,電解槽在實際生產(chǎn)中就很可能出現(xiàn)較大的電流不平衡。這也許就是很多實測軟帶電流分布均勻性較差的主要原因之一。因此,在母線電平衡設(shè)計時,應(yīng)考慮到鋁母線作為電熱導(dǎo)體與等值電阻的差異。為更貼近母線的實際運行情況,本文設(shè)計了一個簡單電路,以了解理論上平衡的兩支路內(nèi)是否會發(fā)生電流偏差的情況。

圖4 母線電阻數(shù)據(jù)與工況的關(guān)系

2.5 工況對支路電平衡影響的驗證

驗證電路參數(shù)如表2所示,電路圖如圖5所示。

圖5 電路圖及溫度結(jié)果(℃)

表2 電路中母線結(jié)構(gòu)計算參數(shù)及結(jié)果

由表2結(jié)果可見,理論上電流平衡的左右兩個支路,在工況發(fā)生變化后,兩支路的電流出現(xiàn)了一定偏差,究其原因,應(yīng)該是左邊支路母線均為扁平結(jié)構(gòu)且都為立放、散熱條件較右邊支路更好的緣故。計算表明,如果3～4#母線支路處于自然對流環(huán)境,則左右兩支路的電流比為8530 A/7970 A,電流偏差增加到3.4%,這進一步說明了工況對支路電流平衡有較大影響。

另從圖5也可看出,3#母線段的溫度并不均勻,越靠向2#、4#母線,溫度越低,這是因為大斷面母線(假定其電流密度低)充當(dāng)了小斷面母線(假定其電流密度高)的“散熱器”?？梢?對于相互連接的電熱導(dǎo)體,相互間既有電流傳遞,也有熱量(溫度)的傳遞,母線溫度既與其本身的電流密度等因素有關(guān),也與其上下游的母線有關(guān);母線間熱的傳遞只與溫度梯度方向一致,既可能是順流的,也可能是逆流的,與電流的傳遞方向可能不一致。這種情況在槽周大母線上可能會表現(xiàn)的比較明顯。

為驗證這一點,對某300 kA級電解槽母線溫度進行了測量,測量母線為自進電側(cè)繞行到出電側(cè)的大母線,圖6示出了母線溫度與理論電流密度的對應(yīng)關(guān)系(測點1為靠近槽中心端,測點8、9為出鋁端頭端)。該大母線連接有6根軟帶(測點1～6分別與軟帶1～6相對應(yīng))。從圖6可看出,隨軟帶數(shù)量增加,大母線電流密度逐漸增大,但母線溫度基本平穩(wěn),維持在100℃左右(暫不考慮測試誤差)。這說明熱量向低電流密度方向進行了傳遞,母線溫度趨于均勻;再者,母線出現(xiàn)此種高的溫度,應(yīng)該既有母線電流密度高、槽間溫度高、通風(fēng)條件差的原因(測試時,槽底通風(fēng)窗處于關(guān)閉狀態(tài)),也有陰極軟帶向母線傳熱的緣故。在母線接近槽端頭時,溫度開始降低;進入端頭,溫度達到最低值。這是由于端頭通風(fēng)條件好、環(huán)境溫度低的緣故。文獻[6]對槽周母線的電熱模擬結(jié)果,在溫度趨勢上與本測試結(jié)果相吻合。因此,本測試結(jié)果驗證了上文的基本結(jié)論。

圖6 某300 kA電解槽大母線實測溫度與理論電流密度的關(guān)系

由此可推理,對于上下游母線間斷面尺寸相差較大、溫度相差較大、或母線較短的情況時,熱的傳遞更為復(fù)雜,使母線進一步偏離電流密度與溫度、溫度與電阻之間的關(guān)系。表2中“電熱計算后最高/平均溫度”一欄的數(shù)據(jù)直接說明了這一點,因為溫度和電流密度已失去了明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。而對于實際的槽周母線,母線工況、母線結(jié)構(gòu)等要遠復(fù)雜于本電路,各段母線電阻偏差的積累,就有可能導(dǎo)致整個支路的電流發(fā)生大的改變。又由于系列總電流是恒定的,因此,一個支路電流的改變又會導(dǎo)致其它支路的連鎖變化,結(jié)果就是各支路都偏離理論結(jié)果,以及鋁液內(nèi)水平電流的產(chǎn)生。圖7和圖8分別示出了某槽理論計算電平衡和按實際電平衡結(jié)果下,計算的槽內(nèi)鋁液中x向電流密度結(jié)果。

圖7 理論電平衡下進電側(cè)1/4槽寬處鋁液內(nèi)電流密度

圖8 按實際電平衡計算的進電側(cè)1/4槽寬處鋁液內(nèi)電流密度

由圖7看出,理論電平衡狀態(tài)下,鋁液中x向電流分量很小,也表明陰極軟帶電流很均勻,電平衡效果很好。但如圖8所示,實際的電平衡條件下,鋁液中x向電流分量很大,表明,陰極軟帶的電流分布均勻度差,這對電解槽的穩(wěn)定是不利的。

3 結(jié) 語

本文通過對單根母線及并聯(lián)電路電熱狀態(tài)的模擬計算,研究了工況對電平衡可能帶來的影響。具體結(jié)論如下:

(1) 把母線段按簡單等值電阻進行電平衡計算,會帶來偏差;環(huán)境溫度變化、系列電流強化等,都會進一步增大偏差。

(2) 對電解槽母線進行完全電熱模擬,理論上是最準(zhǔn)確的方法,但工作量大,因為在母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定前,需不斷改變母線尺寸、位置等,母線的熱邊界條件也不易準(zhǔn)確。因此,應(yīng)該將等值電阻和電熱計算二者結(jié)合起來。具體實施中,對每段母線都應(yīng)依據(jù)其電流密度賦予其工作溫度;依據(jù)其工作環(huán)境,賦予其等效環(huán)境溫度,并依據(jù)其斷面形狀、安裝角度、上下游關(guān)系等,賦予某修正系數(shù),使每段母線最大限度接近其實際工作溫度。

(3) 電解槽電流不平衡的結(jié)果是槽內(nèi)外電流、磁場等一系列的變化,對電解槽的穩(wěn)定運行不利。