王 怡,鄧勝祥*

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系,上海 201620;2.上海工程技術(shù)大學(xué) 新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 201620)

現(xiàn)如今工業(yè)上采取冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法,以直流電作為生產(chǎn)能源的方式冶煉鋁。在鋁電解槽電解過(guò)程,其通過(guò)的強(qiáng)大電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),從而產(chǎn)生電磁力,電解鋁槽中熔融態(tài)的電磁導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁液會(huì)受到電磁力的影響運(yùn)動(dòng)。一方面,熔體的運(yùn)動(dòng)有利于氧化鋁的溶解和分布[1];另一方面電磁力的作用加速鋁電解槽的熔體循環(huán),鋁液層表面容易動(dòng)蕩,引發(fā)鋁液層的不穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致電流效率下降,增加能耗并影響鋁電解槽使用壽命[2-3]。隨著我國(guó)電解鋁行業(yè)的不斷發(fā)展,電解槽的槽體日益增大,電流強(qiáng)度日益增加,其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也增大[4-5],為探究400 kA鋁電解槽鋁液層磁場(chǎng)的分布,運(yùn)用COMSOL三維仿真軟件對(duì)某廠的400 kA鋁電解槽進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 鋁電解槽磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 建立坐標(biāo)系

對(duì)某廠400 kA鋁電解槽進(jìn)行坐標(biāo)系建立,坐標(biāo)圖如圖1所示,設(shè)進(jìn)電側(cè)為A側(cè),出電側(cè)為B側(cè),坐標(biāo)系y軸正方向?yàn)殡娏鞣较?由進(jìn)電側(cè)指向出電側(cè)(A側(cè)指向B側(cè))。x軸右側(cè)為出鋁端(TE端),左側(cè)為煙道端(DE端),由煙道端指向出鋁端。

圖1 400kA鋁電解槽坐標(biāo)圖

1.2 磁場(chǎng)方程

鋁電解槽內(nèi)的磁場(chǎng)問(wèn)題滿足穩(wěn)態(tài)麥克斯韋方程組:

×H=J

(1)

B=μH

(2)

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;

J——電流密度,A/m2;

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;

μ——磁導(dǎo)率,H/m。

1.3 磁場(chǎng)邊界條件

鋁電解槽中包含大量的鐵磁材料,如陽(yáng)極鋼爪、鋼梁、槽殼,而現(xiàn)實(shí)中的槽殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本文用一定厚度的鋼殼簡(jiǎn)化模型[6]。在進(jìn)行磁場(chǎng)模擬的時(shí)候要考慮到立柱母線及槽周母線和槽底母線對(duì)于鋁電解槽磁場(chǎng)的影響,同時(shí)也要考慮空氣對(duì)電解槽磁場(chǎng)的影響,因此需要在電解槽外加上一個(gè)空氣域。模擬的電解槽采用大面六點(diǎn)進(jìn)電的方式。需在COMSOL三維模擬軟件中模擬出電解槽的電流分布,再根據(jù)電流分布生成磁場(chǎng)。

2 COMSOL建模

COMSOL Multiphysics是一款大型的數(shù)值仿真軟件,其多物理場(chǎng)耦合應(yīng)用較為廣泛。本文數(shù)值模擬主要利用其電流模塊和電磁模塊。

2.1 鋁電解槽物理模型

根據(jù)某廠家400 kA鋁電解槽參數(shù),參數(shù)如表1所示,使用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行建模,并將其導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics中,400 kA鋁電解槽模型如圖2所示。

圖2 400kA鋁電解槽模型圖

表1 400kA鋁電解槽參數(shù)表

2.2 材料選擇及網(wǎng)格劃分

依據(jù)鋁電解槽真實(shí)情況對(duì)模型各部分進(jìn)行了材料設(shè)定,鋁液層選定為液態(tài)鋁,陽(yáng)極炭塊定義為碳元素,同時(shí)前人[7-8]使用過(guò)的一些數(shù)據(jù)本文也進(jìn)行了沿用。網(wǎng)格劃分的原則不僅僅要考慮到網(wǎng)格的數(shù)量,同時(shí)也要考慮到網(wǎng)格密度。網(wǎng)格的數(shù)量關(guān)系到模擬的準(zhǔn)確性,良好的網(wǎng)格密度能夠節(jié)省掉不必要的計(jì)算,因此網(wǎng)格的劃分要平衡兩種因素。本文數(shù)值模擬采用COMSOL Multiphysics中的根據(jù)物理場(chǎng)自行劃分網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其網(wǎng)格劃分如圖3所示。并在后續(xù)進(jìn)行了自適應(yīng)處理和誤差處理,使得網(wǎng)格質(zhì)量更優(yōu)。

圖3 400kA鋁電解槽網(wǎng)格劃分圖

同時(shí)為了驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性,本文在計(jì)算資源范圍內(nèi)建立兩類(lèi)疏密程度不同的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。采用相同的網(wǎng)格劃分工具和劃分方式,得到網(wǎng)格單元數(shù)量分別為:551,207和745,419。在相同的邊界條件下進(jìn)行磁場(chǎng)模擬,得到該廠家400 kA鋁電解的磁場(chǎng)結(jié)果。對(duì)比同一象限磁場(chǎng)強(qiáng)度均值發(fā)現(xiàn):磁場(chǎng)強(qiáng)度差值之比為7.4%,說(shuō)明網(wǎng)格疏密程度對(duì)計(jì)算結(jié)果的誤差很小。

2.3 模擬結(jié)果

選擇AC/DC模塊進(jìn)行電場(chǎng)模擬,選擇磁場(chǎng)模塊進(jìn)行磁場(chǎng)模擬并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算求解時(shí),選擇穩(wěn)態(tài)運(yùn)算并選擇直接求解器MUMPS進(jìn)行求解,模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知鋁液層磁場(chǎng)分布中心分布比較均勻,且數(shù)值小于四角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。而進(jìn)電側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度要大于出電側(cè),這是由于進(jìn)電側(cè)靠近立柱母線,立柱母線通過(guò)強(qiáng)直流電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)電側(cè)的影響較大。煙道端的磁感應(yīng)強(qiáng)度要小于出鋁端。而引起鋁液層波動(dòng)的因素主要是鋁液層垂直磁場(chǎng)z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)垂直磁場(chǎng)z軸方向磁場(chǎng)過(guò)大時(shí)容易使槽內(nèi)熔體循環(huán)加速,并受到電磁力的作用鋁液容易上下波動(dòng),而鋁液面上下波動(dòng)不穩(wěn)定會(huì)影響電流效率,使得電流效率下降,增加能耗,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。模擬結(jié)果不僅給出鋁液層整體磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度,同時(shí)也給出鋁液層x、y、z三個(gè)方向的磁場(chǎng)分布,如圖5所示。

圖4 鋁液層整體磁場(chǎng)分布圖

圖5 鋁液層各方向磁場(chǎng)分布

根據(jù)圖5a可知400 kA鋁電解槽鋁液層x方向磁場(chǎng)中心部分分布均勻,主要集中分布在0～40 Gs(1 Gs=0.0001 T)之間,整體分布均勻超過(guò)40 Gs的區(qū)域很小,對(duì)整體的影響不大。根據(jù)圖5b可知y方向磁場(chǎng)中心部分分布均勻,主要集中分布在20～40 Gs,磁感應(yīng)強(qiáng)度最大處出現(xiàn)在出鋁端,煙道端的磁感應(yīng)強(qiáng)度要小于出鋁端的磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)圖5c可知鋁液層z方向磁場(chǎng)整體分布均勻,磁感應(yīng)強(qiáng)度除靠近出鋁端的兩角處偏大,其余區(qū)域均分布在0～20 Gs范圍內(nèi),可以認(rèn)為z方向上鋁液層磁場(chǎng)分布均勻穩(wěn)定。

通過(guò)COMSOL Multiphysics中的派生值功能可得到400 kA鋁電解槽鋁液層垂直磁場(chǎng)Bz計(jì)算結(jié)果,如表2所示。

表2 某廠家400kA鋁電解槽磁場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算表

3 磁場(chǎng)測(cè)試

為驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性,對(duì)該廠家400 kA鋁電解槽進(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)試。

3.1 測(cè)試儀器

3.1.1 三維高斯計(jì)

磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器采用美國(guó)貝爾公司生產(chǎn)的三維高斯計(jì)(MODEL9950),其測(cè)量量程為:0.01 Gs～300 kGs。該儀器可以用于測(cè)量直流電源產(chǎn)生的磁場(chǎng)和交流電源產(chǎn)生的磁場(chǎng),并且具有自動(dòng)選擇量程的功能,從而保證了測(cè)試精度。在測(cè)量過(guò)程中,為了避免磁場(chǎng)對(duì)儀器干擾,對(duì)高斯計(jì)進(jìn)行了鐵磁屏蔽。

3.1.2 探頭保護(hù)套管

磁場(chǎng)探頭適用于室溫環(huán)境。為了使探頭能在電解槽內(nèi)高溫強(qiáng)侵蝕條件下順利完成測(cè)試工作,特制了一套輕便靈活的高溫保護(hù)套管,滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鋁電解槽內(nèi)磁場(chǎng)分布需要。

3.2 測(cè)點(diǎn)分布

400 kA鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖6所示,測(cè)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(chǎng)分量極性定義:Bx、By、Bz均取沿坐標(biāo)正向?yàn)檎?、反之為?fù)。此外,探頭插入深度約在槽底平面(陰極炭塊上表面)以上10 cm處,基本位于鋁液中部,故z=0的坐標(biāo)平面即取此位置。測(cè)量時(shí)探頭均垂直插入熔體中,探頭方位與坐標(biāo)方向保持一致,故無(wú)需進(jìn)行角度修正。

圖6 測(cè)點(diǎn)分布圖

3.3 測(cè)試結(jié)果

某廠家400 kA鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 某廠家400kA鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)試表

通過(guò)對(duì)比得到有部分?jǐn)?shù)值存在一定誤差,造成誤差的主要原因有測(cè)量位置的不確定性,實(shí)際測(cè)量點(diǎn)與模擬選擇點(diǎn)存在誤差;仿真模擬結(jié)果為穩(wěn)態(tài)過(guò)程,測(cè)試時(shí)存在電流與電壓的波動(dòng)、鋁液的運(yùn)動(dòng)等影響等[9]。

通過(guò)計(jì)算得到某廠家400 kA鋁電解槽鋁液層垂直磁場(chǎng)Bz結(jié)果,如表4所示。根據(jù)表2可以得出,測(cè)試結(jié)果基本與模擬結(jié)果相吻合,誤差在允許范圍以?xún)?nèi),證明模擬是有效的。

表4 某廠家400kA鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果計(jì)算表

4 磁場(chǎng)優(yōu)化

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,鋁電解槽受到磁場(chǎng)與電磁力相互作用,而磁場(chǎng)的穩(wěn)定性,尤其時(shí)垂直磁場(chǎng)均勻分布有利于降低電解質(zhì)和鋁液層的界面上下波動(dòng),并且優(yōu)化電解效率[10]?，F(xiàn)考慮通過(guò)強(qiáng)化電流方式增加磁場(chǎng)穩(wěn)定性,保持原來(lái)6根立柱母線等比進(jìn)電方式不變,將煙道端、槽底、出鋁端按照14∶4∶12的比例進(jìn)行20 kA的電流強(qiáng)化[11],其電流強(qiáng)化后槽鋁液層垂直磁場(chǎng)Bz磁場(chǎng)分布圖和計(jì)算結(jié)果如圖8和表5所示。

圖7 鋁液層垂直磁場(chǎng)Bz磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值對(duì)比圖

圖8 優(yōu)化后鋁液層z方向磁場(chǎng)分布

表5 優(yōu)化后鋁電解槽數(shù)值模擬磁場(chǎng)計(jì)算表

5 結(jié) 論

(1)本文對(duì)某廠家400 kA鋁電解槽在正常生產(chǎn)條件下的磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示鋁液層的整體磁場(chǎng)分布,位于中心處磁場(chǎng)分布比較均勻,且數(shù)值小于四角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,而進(jìn)電側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度要大于出電側(cè)。對(duì)于鋁液層x、y、z三個(gè)方向上的磁場(chǎng)分布,尤其是垂直磁場(chǎng)Bz的磁場(chǎng)分布均勻,除靠近出鋁端的兩角處偏大,其余區(qū)域均分布在0～20 Gs范圍內(nèi)。

(2)本文數(shù)值模擬結(jié)果與某廠家400 kA鋁電解槽磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合較好,證明此次數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及某廠家的400 kA電解槽設(shè)計(jì)的合理性。

(3)本文通過(guò)數(shù)值模擬方式驗(yàn)證強(qiáng)化電流20 kA的有效性,將煙道端、槽底、出鋁端按照14∶4∶12的比例進(jìn)行電流強(qiáng)化,可明顯降低鋁液層磁場(chǎng)強(qiáng)度,并且各象限垂直磁場(chǎng)Bz分布更平均,為鋁電解穩(wěn)定生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。