大容量铝电解槽母线装置开发及应用

摘要

为了适应中国经济的快速发展对铝消费的增长需求，并考虑可持续发展对节能、环保的要求，中国铝工业依靠技术创新，即新技术、新材料、新装备的开发，使产业在不断向大型化、节能化方向发展。因此，无论是为了进一步提高中国铝工业的综合竞争力，还是为了满足国家节能减排和行业准入条件等政策的要求，都迫使铝行业实现大型铝电解槽核心技术的突破，以研发出节能、高效的大容量铝电解槽技术。而大容量铝电解槽母线装置技术的开发是大容量铝电解槽技术开发的核心，它的先进性在很大程度上决定了大容量铝电解槽技术的先进性。
　　本文以河南中孚实业股份有限公司的年产23万吨铝电解项目和国家科技支撑计划项目为背景，论述了以采用“产、学、研”相结合的方式，开发的具有磁流体超稳定性的400kA级大容量铝电解槽配套的母线配置技术。该技术解决了大容量铝电解槽在低温低电压操作模式下所面临的稳定性问题，取得了优异的节能效果和技术经济指标，推动了中国大容量铝电解槽技术的发展。论文主要工作及创新如下：
　　基于国际上先进的ANSYS Multiphysics软件包和Greenwich大学MHD-Valdis磁流体动态分析软件包，二次开发建立了“铝电解槽磁场计算软件包”、“铝电解槽母线装置电流平衡计算软件包”和“铝电解槽磁流体稳定性分析软件包”，利用它们进行铝电解槽磁场、电场和流场数值模拟分析及优化设计。确定了基于先进的数值模拟结合研发、设计和生产经验相结合的大容量铝电解槽母线配置技术开发路线。
　　通过对不同容量铝电解槽“固定区域”产生的垂直磁场分布情况分析可知，其垂直磁场分布呈现两端大且方向相反，出电侧较进点侧略高的斜坡状分布。随着电解槽容量的增大，这种分布状态更为明显，且垂直磁场数值大小和梯度都有相应增加的趋势。基于电解槽固定区域垂直磁场的分布状态及对流场和磁流体稳定性的影响分析，确立了大容量铝电解槽母线装置采用“端头强补偿，底部多点弱补偿”的非对称式母线配置方式。
　　采用大容量铝电解槽母线配置技术完成了400kA大容量铝电解槽母线开发，一经投产后，取得了槽工作电压运行在3.75～3.95v之间，吨铝直流电耗小于12700kW·h国际领先的技术经济指标。实际运行效果和测量分析结果都表明，大容量铝电解槽母线装置开发采用的仿真计算软件包是可靠的，“端部强补偿、底部多点弱补偿”的非对称母线装置配置技术是先进的。
　　采用了与400kA大容量铝电解槽母线配置技术相同的开发模式，相同的技术理念和平台，先后完成了500kA和600kA大容量铝电解槽母线装置配置技术的开发，同样具有垂直磁场分布均匀、磁场梯度小、电流分布均匀、铝液界面变形小、铝液流速低的特点。尤其是目前世界最大容量的600kA铝电解槽技术，采用的小电流外补偿非对称式母线装置配置技术，在保障了良好磁流体稳定性的基础上，大幅节约了母线用量，简化了母线结构，具有广阔的市场前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 电解铝工业简介

1．2 我国电解铝工业现状

1．3 课题研究目的及意义

1．3．1 课题背景及意义

1．3．2 课题研究主要目的

第2章 铝电解槽电磁流场仿真研究

2．1 铝电解槽物理场与母线装置的关系

2．2 铝电解槽电磁场的研究进展

2．2．1 铝电解槽磁场的计算方法

2．2．2 铝电解槽磁场仿真计算研究现状

2．3 铝电解槽流场的研究进展

第3章 大容量铝电解槽母线装置开发研究

3．1 大容量铝电解槽母线装置开发方式及设计流程

3．1．1 铝电解槽母线装置的现状

3．1．2 大容量铝电解槽母线装置的开发方式

3．2 铝电解槽磁场模拟计算

3．2．1 磁场模型的建立

3．2．2 磁场的影响因素及优化

3．2．3 磁场计算结果的判定

3．3 母线装置电流平衡模拟计算

3．4 铝电解槽磁流体模拟计算

3．5 大容量铝电解槽母线装置配置技术

3．6 本章小结

第4章 400kA级大容量铝电解槽母线装置开发及应用

4．1 400kA级大容量铝电解槽主要结构参数

4．2 母线配置及物理场计算结果

4．3 400kA级大容量铝电解槽测试结果

4．3．1 磁场测量结果分析

4．3．2 电流平衡测量结果分析

4．3．3 铝液流速场测量结果分析

4．4 400kA大容量铝电解槽运行状况

4．5 本章小结

第5章 500kA级、600kA级大容量铝电解槽母线装置开发

5．1 开发背景

5．2 500kA大容量铝电解槽母线装置开发

5．2．1 500kA级大容量铝电解槽主要结构参数

5．2．2 500kA级大容量铝电解槽母线配置结果及计算结果

5．3 600kA大容量铝电解槽母线装置开发

5．3．1 600kA级大容量铝电解槽主要结构参数

5．3．2 600kA级大容量铝电解槽母线配置结果及计算结果

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果