敖紅敏,郭海龍,何 嵩,楊 溢

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

隨著鋁電解槽的大型化發(fā)展,500 kA及以上電解槽逐漸成為我國鋁電解行業(yè)的主要槽型。大型槽具有熱容量大、局部流速相對(duì)偏高等特點(diǎn),對(duì)理想爐膛的建立要求更加嚴(yán)格。規(guī)整穩(wěn)定的爐膛內(nèi)形,是電解槽獲得較高電流效率和槽壽命的前提保障。因此,對(duì)電解槽的爐膛進(jìn)行測試分析,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)管理中操作參數(shù)優(yōu)化和電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)積累均具有較好的指導(dǎo)意義。

理想的爐膛內(nèi)形,需要合適的爐幫厚度和伸腿長度,爐幫厚度在8～12 cm,控制側(cè)部合理保溫,伸腿均勻分布在陽極正投影的邊緣,電流垂直均勻通過爐底,形成平穩(wěn)的鋁液界面,從而獲得良好的運(yùn)行指標(biāo)。在電解生產(chǎn)過程中,影響爐膛內(nèi)形的因素較多。生產(chǎn)管理方面,包括槽電壓、鋁水平、電解質(zhì)水平、陽極效應(yīng)、電解質(zhì)成分及換極出鋁作業(yè)管理等[1-2];電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,主要包括母線配置模式、內(nèi)襯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及槽殼散熱結(jié)構(gòu)等[3-4]。

本文主要從電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā),對(duì)某500 kA鋁電解槽的爐膛內(nèi)形、散熱孔溫度、磁流體進(jìn)行測試分析討論。

1 測試基本情況

1.1 測試槽基本參數(shù)

根據(jù)系列電解槽的生產(chǎn)運(yùn)行情況,選擇了1116#、1315#、2509#、2705#四臺(tái)槽進(jìn)行物理場測試,四臺(tái)槽的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

1.2 測試方法

根據(jù)陰極炭塊位置及陽極分布情況確定測試槽的測點(diǎn)位置,如圖1示意位置所示。在測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置分別進(jìn)行爐幫厚度、伸腿長度、槽殼散熱孔溫度、磁場、流速場測試。

槽膛內(nèi)形采用專門的測定棒進(jìn)行測試,如圖2所示,L1最小值即為測點(diǎn)爐幫厚度。散熱孔溫度采用紅外測溫儀進(jìn)行測試。

圖2 爐膛內(nèi)形測試示意圖

磁場測試采用三維高斯計(jì)、探頭保護(hù)裝置、屏蔽罩、壓縮空氣管(橡膠管)等相關(guān)設(shè)備。磁場測量數(shù)據(jù)以直角坐標(biāo)系表示,坐標(biāo)原點(diǎn)取槽平面中心點(diǎn),z軸垂直向上為正,y軸由進(jìn)電側(cè)指向出電側(cè),x軸由煙道端指向出鋁端。磁場分量極性定義:Bx、By、Bz均取沿坐標(biāo)正向?yàn)檎?反之為負(fù)。此外,磁場測試探頭插入深度約在槽底平面(陰極炭塊上表面)以上10 cm處,基本位于鋁液層中部,并將此平面定義為z=0的坐標(biāo)平面。

流速場測試采用鐵棒熔蝕法。根據(jù)鐵棒熔蝕情況,計(jì)算分析測點(diǎn)處的鋁液流速大小、鋁液流動(dòng)方向。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 爐膛內(nèi)形測試結(jié)果分析

根據(jù)測點(diǎn)位置的確定測試電解槽爐膛情況,主要對(duì)爐幫厚度及伸腿長度進(jìn)行測量。在實(shí)際測試過程中伸腿長度基本為0 cm,因此在表2中沒有列出,各槽的爐幫厚度如表2所示。

表2 測試槽爐幫厚度匯總表 cm

由表2所示,四臺(tái)測試槽的側(cè)部均能形成爐幫,每臺(tái)槽不同部分的爐幫厚度不均勻,且四臺(tái)槽的爐幫厚度也有比較大的差異。其中1116#槽的爐幫平均厚度最小僅為5.3 cm,2509#槽的爐幫平均厚度最大,達(dá)到了10.35 cm。1116#號(hào)槽在電解槽的兩個(gè)端頭位置處形成的爐幫較薄,厚度在3～5 cm之間,平均爐幫厚度為5.3 cm;1315#電解槽爐幫較薄的位置在A側(cè)端頭附近,厚度在6～8 cm,大面爐幫厚度較為均勻,此槽的平均爐幫厚度為10.25;2509#槽的爐幫厚度較大,最薄處也有7.5 cm,最厚可達(dá)到14 cm,平均厚度為10.35 cm;2705#槽的爐幫在兩個(gè)端頭處較薄,最薄點(diǎn)在A25-A26位置,厚度僅為2.5 cm,此槽的平均厚度為6.94 cm。

綜合分析,四臺(tái)測試槽的爐幫厚度分布規(guī)律基本一致,靠近電解槽小面端頭的爐幫厚度大于大面爐幫厚度。

2.2 爐幫與散熱孔溫度分析

為了進(jìn)一步分析爐幫和溫度對(duì)應(yīng)的情況,將爐幫和散熱孔溫度做對(duì)比分析,如圖3所示。

圖3 爐幫厚度與散熱孔溫度對(duì)比圖

從圖3中四臺(tái)槽的溫度分布與爐幫的關(guān)系來看,四臺(tái)槽的爐幫與溫度分布具有比較規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即溫度高的位置爐幫較薄,溫度低的位置爐幫較厚,具體情況如下:

(1)1116#槽在A3-A4及B3-B4的位置溫度均比較高,分別為375℃及370℃,相對(duì)應(yīng)位置的爐幫均比較薄,A3～A4爐幫為4 cm,B3-B4爐幫也只有3 cm,其他點(diǎn)溫度分布在365～320℃之間,平均溫度～340℃;

(2)1315#槽整體溫度低于1116#槽,溫度最高點(diǎn)在A1-A2位置355℃,此點(diǎn)爐幫約6 cm左右。此槽的溫度分布梯度小于1116#槽,主要是由于爐幫整體厚度較大,散熱分布較為均勻,散熱孔溫度平均值為320℃左右;

(3)2509#槽溫度最高點(diǎn)在A1-A2及B1-B2,溫度約為340℃左右,爐幫厚度分別為8 cm和7.5 cm。此槽的爐幫厚度是四臺(tái)槽中的最高值,散熱孔溫度平均值為315℃左右;

(4)2705#槽溫度最高點(diǎn)在A25-A26,溫度約為378℃左右,爐幫厚度約3 cm,散熱孔溫度平均值為330℃左右;

從以上對(duì)各槽的溫度與爐幫對(duì)應(yīng)性的分析可以看出,四臺(tái)槽溫度高的地方爐幫也較薄,爐幫厚度較大且均勻時(shí),散熱孔溫度分布的梯度較小。

2.3 磁流體分析

電磁力是鋁電解槽內(nèi)流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一,電磁力的分布和大小由磁場分布和電流分布決定,而槽膛內(nèi)形與電流分布和熔體流動(dòng)是相互影響與反饋的關(guān)系。為了對(duì)比磁流體與爐幫的對(duì)應(yīng)情況,對(duì)四臺(tái)電解槽進(jìn)行磁流體測試,磁場測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,兩個(gè)大面的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大,小面的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。其中,1116#槽Bz的最大值為203 Gs,By的最大值為59 Gs,Bx最大值為45 Gs;1315#槽Bz的最大值為204 Gs,By的最大值為39 Gs,Bx最大值為29 Gs;2509#槽Bz的最大值為189 Gs,By的最大值為52 Gs;Bx最大值為28 Gs;2705#槽Bz的最大值為197 Gs,By的最大值為33 Gs;Bx最大值為49 Gs。

圖4 磁場測試結(jié)果圖

從四臺(tái)槽水平磁場結(jié)果圖可以看出,四臺(tái)槽大面的x方向水平磁場非常相近,復(fù)現(xiàn)性較好;y方向水平磁場的分布規(guī)律大體一致,沿大面呈波浪型變化。綜合分析,四臺(tái)槽的磁場的分布規(guī)律大體一致,磁感應(yīng)強(qiáng)度分布滿足磁流體穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),在此基準(zhǔn)條件下分析對(duì)比By值與流速及爐幫厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。四臺(tái)槽的鋁液體流速如表3所示。

表3 1116#、1315#、2509#、2705#槽流速測試結(jié)果 cm/s

從表3可看出,四臺(tái)槽的流速分布均出現(xiàn)靠近兩側(cè)端頭的流速略大,中間的流速略小的規(guī)律。1116#槽的鋁液平均流速為15.39 cm/s,A1-A2測點(diǎn)處流速最大為16.53 cm/s,;1315#槽的鋁液平均流速為15.27 cm/s,A25-A26測點(diǎn)處流速最大為16.74 cm/s;2509#槽的鋁液平均流速為15.08 cm/s,B1-B2測點(diǎn)處流速最大為16.99 cm/s;2705#槽的鋁液平均流速為15.68 cm/s,B1-B2測點(diǎn)流速最大為17.02 cm/s。流速最高點(diǎn)基本分布在電解槽的兩側(cè)端頭位置附近。

四臺(tái)槽的鋁液測點(diǎn)流動(dòng)方向如圖5所示,由此推測出電解槽整體鋁液流動(dòng)圖像,如圖6所示。

圖5 鋁液測點(diǎn)流動(dòng)方向圖

圖6 電解槽整體鋁液流動(dòng)預(yù)測圖

由圖6可知,該槽型的鋁液層流動(dòng)可能呈兩個(gè)大漩渦形狀,兩個(gè)大漩渦的最大流速向兩個(gè)端頭偏移,因此流速呈現(xiàn)了兩端流速大、中間偏低的規(guī)律。

電解槽鋁液流動(dòng)主要是由水平方向的電磁力引起,而水平磁場By與垂直電流密度Jz共同作用所產(chǎn)生的電磁力Fx的作用路徑更長,By值是影響鋁液流速的主要因素。所以,本文主要進(jìn)行鋁液流速與By及爐幫的對(duì)比分析,如圖7所示。

圖7 爐幫與By及鋁液流速對(duì)比分析圖

由圖7可以看出,除了個(gè)別測試點(diǎn),流速較高的測點(diǎn)爐幫厚度較小,相對(duì)應(yīng)的By值也比較大。綜合分析四臺(tái)槽的流速與爐幫平均值:1116#爐幫厚度5.3 cm,流速15.39 cm/s;1315#爐幫厚度10.25 cm,流速15.27 cm/s;2509#爐幫厚度10.35 cm,流速15.08 cm/s;2705#爐幫厚度6.94 cm,流速15.68 cm/s。從整槽的均值分析,流速較大爐幫相對(duì)較薄。

3 結(jié) 論

(1)通過爐幫及散熱孔溫度測試,四臺(tái)槽爐幫基本呈小面端頭爐幫厚度小于大面爐幫厚度的趨勢規(guī)律,爐幫薄的測點(diǎn)散熱孔溫度相對(duì)較高,而且主要集中在四個(gè)靠近端頭測點(diǎn)位置。爐幫厚度較大且分布較為均勻的電解槽,散熱孔溫度分布的梯度也相對(duì)較小。

(2)通過磁流體測試分析,流速較高的測點(diǎn)爐幫厚度較低,相對(duì)應(yīng)的By值也比較大,從整槽的均值來看,流速較大的電解槽其爐幫相對(duì)較薄。

(3)本文重點(diǎn)討論分析了爐幫與散熱孔溫度及磁流體的相關(guān)性,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,爐幫厚度的影響因素還需綜合考慮電解槽極距、電解質(zhì)成分、電解溫度等相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù),根據(jù)電解槽實(shí)際槽況進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整從而獲得較為理想的爐膛內(nèi)形。