铝电解槽电磁流耦合模型及应用研究

摘要

铝电解是高能耗行业，电解铝行业的节能对国民经济发展有着重要的影响。通过改善传统的铝电解生产工艺条件来进一步降低槽电压和提高电流效率成为铝电解节能技术发展的主要途径。优化阴极母线配置可以有效地降低铝液波动层的厚度，进而降低槽电压。本文以重庆天泰铝业有限公司160kA系列预焙铝电解槽为研究对象，深入研究了不同工艺条件对磁场的影响和强化电流对电、磁、流场的影响，最后优化出合理的母线配置。本文主要研究内容和取得的结果如下:
　　(1)利用仿真软件ANSYS和CFX建立了铝电解槽的电-磁-流耦合计算模型，并用该模型分别对电流为160kA和175kA运行时做了计算，160kA的计算结果与实测值吻合较好，验证了模型的可靠性。175kA计算结果表明，电解槽三个方向磁场增大的比例与电流强化的比例相同，即电流增大9.4％，磁场的最大值和平均值也增大9.4％。
　　(2)利用重庆天泰175KA预焙铝电解槽电磁模型，研究分析了不同工艺条件对磁场的影响:发现铝液高度对水平磁场影响大，对垂直磁场影响小，X方向磁场随铝液高度的增加近似呈线性增大，Y方向的磁场随铝液高度的增加略有所增大，Z方向的磁场随着铝液高度的增加基本保持恒定;极距对Y方向磁场影响大，对X和Z方向磁场影响小，随着极距的增大，Y方向磁场先降低后保持不变，X和Z方向磁场基本没变化;电解质高度变化对铝电解槽磁场的影响比较小，三个方向的磁场随着电解质高度的增加，都保持恒定;炉帮形状对Y方向的磁场影响大，对X和Z方向磁场影响小;横梁母线的移动对磁场的影响大，随着阳极的消耗，横梁母线的下移，三个方向的磁场都在增大;换极对X方向磁场影响小，对Y和Z方向的磁场影响大。
　　(3)基于电解槽电流效率低的问题，提出了一种能改善槽内磁场的母线配置方案。该母线配置方案是在原系列电解槽母线不变的情况下，单独在槽底和槽侧部施加补偿母线，进行分区域分段补偿槽内垂直磁场。
　　(4)对优化后175KA系列电解槽磁场和流场做了计算，结果表明，优化后垂直磁场的最大值为21.1GAUSS，位于阳极投影外，平均值为3.58GAUSS，四个象限的平均值也都在5Gauss以内，铝液界面向上变形量为2.6cm，整体变形量为5.3cm，相对于优化前有很大幅度的下降。据青铜峡铝业和包头铝业经过母线改造后电流效率分别提高4％和2.2％，结合天泰铝业的磁场情况，保守估计提高电流效率2％（槽平均电压按3.8v），直流电耗将降低277kWh/t-A1，吨铝可节电178.2 kWh/t*Al。
　　本文提出了一种新型的母线配置方案，提出的方案厂方已经采纳，若能全面推广，将会为铝行业带来巨大的经济效益，对国家节能减排具有重大的意义。