高导电阴极钢棒结构铝电解槽电热场仿真计算.pdf

2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 I ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 2 ．0 0 7 高导电阴极钢棒结构铝电解槽电热场仿真计算 李贤，齐华栋 青海桥头铝电股份有限公司，西宁8 1 0 1 0 0 摘要采用有限元仿真计算的方法对高导电阴极钢棒结构2 4 0k A 铝电解槽进行了电热场计算。分析高 导电阴极钢棒对铝液水平、槽电压以及电解槽温度分布的影响。结果表明，阴极压降可以有效降低1 0 7 m V ，并可有效减少铝液巾的水平电流。 关键词铝电解；高导电阴极钢棒；阴极压降；热平衡；数值模拟 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 1 2 0 0 2 6 0 5 S i m u l a t i n gC a l c u l a t i o no fT h e r m a la n dE l e c t r i c a lF i e l df o rA l u m i n u m R e d u c t i o nw i t hH i g hC o n d u c t i v eC a t h o d eS t e e lB a r L IX i a n ，Q IH u a d o n g Q i n g h a iQ i a o t o uA l u m i n u m P o w e rC o ．．L t d 。X i n i n g8 1 0 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h e r m a la n de l e c t r i c a lf i e l do f2 4 0k Aa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw i t hh i g hc o n d u c t i v ec a t h o d es t e e l b a rw a sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n ．T h ee f f e c t so fh i g hc o n d u c t i v ec a t h o d es t e e lb a r o na l u m i n u ml i q u i dl e v e l ，c e l lv o l t a g e ，a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f2 4 0k Ar e d u c t i o nc e l lw e r e a n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc a t h o d ev o l t a g ec a nd r o pb y1 0 7m V ，h i g hc o n d u c t i v ec a t h o d es t e e lb a r c a ne f f e c t i v e l yr e d u c eh o r i z o n t a lc u r r e n ti na l u m i n u ml i q u i d ． K e yw o r d s a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ；h i g hc o n d u c t i v ec a t h o d es t e e lb a r ；c a t h o d ev o l t a g ed r o p ；h e a tb a l a n c e ； n U l T I e r i c a 】s i m u l a t ；o n 近几年国内外学者开展了铝电解槽优化铝液水 平电流和垂直磁场能减少槽内磁流体的波动，从而 提高电解槽的稳定性等诸多研究[ 1 ≈1 ；铝电解槽钢棒 加高型阴极对水平电流具有优化作用，合适地加高 位置和高度可减小水平电流并优化其密度分布[ 4 ] 。 目前有两种新型阴极钢棒，第一种是新型阴极 钢棒，第二种是高导电性阴极钢棒，二者均可以减少 铝液中水平电流，稳定铝液镜面，达到铝电解生产节 能降耗的目的[ 5 。7 ] 。某公司拟在2 4 0k A 铝电解槽采 用高导电性阴极钢棒，结合3 0 ％石墨阴极炭块和内 保温技术，以取得显著的节能减排效果，获得良好的 经济效益。为合理设计内保温材料厚度提供参考与 支持，本文通过在A N S Y S 平台上所开发的含电接 触的电一热耦合切片模型，对高导电阴极钢棒结构 铝电解槽的电热场分布进行计算，分析槽内铝液水 平电流及槽电压的变化，以及电解槽温度场分布的 情况。 1 高导电阴极钢棒 高导电阴极钢棒主要是改变了阴极钢棒的材质 和结构，钢棒宽度由6 5m m 加宽到7 0m m ，阴极组 装时钢棒靠中间的两端有钢棒糊连接。阴极炭块采 收稿日期2 0 1 5 0 6 2 4 基金项目青海省重大科技专项计划项目 2 0 1 1 一G - A 3 A ；青海省高新技术研究与发展计划项目 2 0 1 3 一J 一2 0 6 作者简介李贤 1 9 8 0 一 ，男，青海民和人，工程师． 万方数据 2 0 1 5 年第1 2 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 用3 0 ％石墨阴极块；侧部增加陶瓷纤维板，纤维板 的厚度大面2 0m m ，小面3 0m m ，底部1 5m m 。由 于高导电阴极钢棒改变了钢棒材质，减少了阴极钢 棒本身的电阻率，同时应用3 0 ％石墨阴极块，因此， 会影响整个铝电解槽阴极的电场分布，铝液中的电 流走向也会发生改变，使得铝液中水平电流的优化 成为可能。 2 基础理论及模型 2 ．1 数学模型 计算铝电解槽的耦合稳态电热场，方程 1 和方 程 2 分别为导电部分和导热部分的控制方程门 叠[ 去筹] 旦3 y [ 去鲨9 y ] 爰[ 去型3 z ] 一。 a zba T JlP 、J 。刁2l BJ 。 1 孙3 T - I 3I H 舅一卜等] q 一。 2 式 2 中的q 为单位体积内电流产生的热，服从 焦耳定律 非导电部分q 一0 ，并考虑了补偿电化 学反应热效应的部分。因此，要将两式进行耦合求 解。 2 ．2 接触压降 阴极钢棒与钢棒糊之问的接触压降可由下式r 8 1 计算 ， 似一■又 式中，饥为接触电压 V ；J 为电流 A ；S 为接 触面积 m 2 ；Ⅳ为接触电导率，根据文献[ u 1 取l 1 0 j S ／m 。 2 ．3 有限元模型及边界条件 以2 4 0k A 预焙阳极铝电解槽作为研究对象， 工艺参数取值如下 l ⋯极距4 2m m 、初晶温度9 3 7 ℃、电解质高度1 9c m 、覆盖料厚度1 5 0m m 、铝液高 度2 9c m 、阳极高度3 4 0m m 、电流效率9 1 ．7 ％。 在A N S Y S 平台上建立电解槽三维切片物理模 型。“一，对模型进行网格划分，加入计算所需的材料 属性，并定义下述边界条件。。 电边界条件和热边界条件参见文献[ 1 0 l 。 其他条件计算中耦合前述计算的换热系数、化 学反应压降及气泡压降，综合考虑其热平衡条件。 分别对传统阴极钢棒电解槽和高导电阴极钢棒 电解槽的电热耦合模型进行计算，获得电场和温 度场的分布。 3 结果与分析 3 ．1阴极压降与水平电流 分别对原始方案、仅加宽阴极钢棒结构、高导电 阴极钢棒结构的电场分布各自进行了计算，评估各 结构及材料对阴极压降的影响，进而为材料与结构 的选取提供依据。计算所得的阴压降如图1 所示。 蒲遵常黼孙砭丽黼㈣ ，t 味始，J 案 1 ， 仪枷。赶刑佯疗案 t j _ I _ f 】墨顷吠块 高导电⋯擞刑阵 图l 不同方案阴极压降图 F i g ．1 C a t h o d ep r e s s u r ed r o po fd i f f e r e n ts c h e m e 从图1 a 可看出，原始方案阴极压降为约3 6 2 m V 、与测试值 槽龄10 0 0 天以上低电压试验槽的 阴极压降测试值 相比高了约15m V ，误差为 4 ．2 ％，这可能是阴极在电解运行过程中逐渐石墨化 进而使得其导电性有所改善所致，此计算值和测试 值基本相符。 由图1 b 及图1 c 可知，仅加宽钢棒方案阴极压 降为3 4 5m V 、采用普通阴极炭块和3 0 ％石墨阴极 炭块的高导电阴极钢棒方案的阴极压降分别为2 3 8 m V 、2 2 7m V 。由此可以看出，钢棒加宽5m m 的作 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 2 期 用相对较小，只能减小约1 7m V 阴极压降。采用高 导电阴极钢棒方案的阴极结构炉底压降可减小1 0 7 m V 。其原因如下钢棒电导率的大幅提升，使得槽 中心的电流更倾向于以较短的路径通过阴极炭块进 入钢棒中，进而使得电流在熔体和阴极炭块内向槽 两个大面侧偏转和集中的趋势减弱，这样电流在阴 极炭块内分布更为均匀．炭块欧姆压降和接触压降 均相应降低。另外，普通钢棒方案与高导电阴极钢 棒方案的铝液中槽短轴向水平电流分别为30 6 4 A ／m 2 、18 3 2A ／m 2 ，可见，高导电阴极钢棒可以较大 幅度的减小铝液中短轴向的水平电流。 3 ．2 原始结构电解槽电热场 原始结构槽在上述工艺条件下的槽温度分布及 槽帮形状如图2 所示。 图2 原始结构槽的等温线分布和槽帮形状 F i g ．2 I s o t h e r md i s t r i b u t i o na n dl e d g es h a p eo fo r i g i n a lc e l l 由图2 可见，槽的保温效果整体上处于良好状 态。初晶温度分布线处在阴极炭块表面以下炭块中 部位置，有助于防止电解质在炉底形成结壳，同时对 防止阴极上部早期破损有重要意义。但因为阴极本 身石墨质含量较低，因此不能很好地防止渗入阴极 炭块的电解质在炭块下部凝结。阴极炭块靠近端头 部位的温度较低，虽然大部分都处于9 0 0 ℃以上，但 端头部位仍有部分位置温度在8 0 0 ～9 0 0 ℃，这会在 阴极内部造成较大的温度差，不利于阴极寿命；另 外，在8 0 0 ℃至9 0 0 ℃的部位，钠金属的渗透可能造 成与碳生成不可分解的化合物，造成阴极的膨胀。 随着使用过程中阴极部分石墨化，会改善阴极的导 热性能，电解质初晶温度线将会下移，电解质越来越 难以在阴极内部凝结。内衬中等温线分布为侧部陡 峭、底部较平滑的特点，基本属于合理的分布，这对 槽帮和伸腿的形成与维持是有利的。 另外，此种高铝水平工艺条件下，在正常的电解 温度下电解槽侧部都能形成稳固的槽帮．槽帮厚度 1 2 0m m 左右。过热度约达到1 0 ℃，此时伸腿长到 阳极底掌以下投影区以内为3 9m m ，为一个较小的 伸腿长度，不会因此在铝液内部造成较大的水平电 流。整体上来说，槽帮与伸腿生长厚度与长度适中， 有利于较好的保持电解槽的热平衡和稳定性。 对于铝电解槽来说，最能反应槽保温效果的是 电解温度及槽帮形状，而最能反应散热特性的是各 部分散热比例。表1 为槽切片各区域的散热量计算 和统计结果。 表l 切片各区域散热分布 T a b l e1h e a td i s s i p a t i o no fd i f f e r e n tr e g i o n 从各部分散热量分布比例来看，底部与保温区 保温相对合适，底部散热比例为5 ．3 ％左右，上部散 热少许偏大，占5 9 ．5 ％左右，总体而言散热分布基 本合理。通过调节覆盖料厚度可以起到维持热平衡 的效果，如果槽电压可以进一步降低的话．增加覆盖 料的厚度在一定程度上可以减少电解槽的热损失， 实现热平衡，但同时也对覆盖料高度的管理提出更 高的要求。侧部散热也在相对合适范围内，所占比 例为3 5 ％左右，这对于稳定槽帮形状有积极意义。 整体来说，原始结构低电压槽的保温处于良好 状态，槽帮伸腿形成较好，各部分散热比例在正常范 围内，其热平衡应可以保持较为合适的状态。但由 万方数据 2 0 1 5 年第1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 于此时的铝水平已高达2 9C I T I ，极距也在4 ．2C I T I 以 上，这从侧面说明此槽型可能存在先天的磁场设计 方面的问题，依靠进一步降低极距来降槽电压的措 施可能会受到稳定性的限制。 一般来说，要保证铝电解槽在寿命期问平稳使 用，应保证内衬材料具有足够的容重并得到了合理 的配置，使其在能承受的温度范围内服役，对于保温 砖来说，应考虑其服役温度尽量低于8 0 0 ℃以下。 本次仿真研究，所采用的是电热直接耦合的 计算方法，并且开发了可以进行电化学反应及气泡 压降计算的程序，最终计算的不同部位的电压降结 果如下 m V 阳极部分2 7 6 、气泡2 1 6 、电解质及铝 液l2 5 8 、炉底以上17 5 0 、化学反应17 2 6 、炉底 3 6 2 、总压降38 3 8 。 可以看出，仿真计算所得的总压降和炉底压降 与测试值 分别为3 4 7m V 和38 6 0m V 均稍有差 异，阴极压降的计算误差为4 ．2 ％，除阴极外的体系 压降的误差值为0 ．9 5 ％。相差较大的部分为炉底 压降，差别为1 5m V ．这可能是由于阴极炭块、钢棒 糊及炭间糊在使用过程中逐步烧结并少量石墨化进 而使得导电性有所改善而产生的。另外，误差还可 能来自于压降计算点与实测测试点的差别，比如，数 值计算时不考虑从阴极钢棒至槽控机安装位置问的 软母带压降。总体来说，计算值和电解槽槽电压记 录值的符合度较高．且计算所得的初始结构的电场 分布较为合理。 3 ．3高导电阴极钢棒电解槽电热场 采用高导电阴极钢棒方案 普通阴极炭块，未加 内保温 在上述工艺条件下的槽整体温度分布及槽 帮形状如图3 所示。 图3高导电阴极钢棒电解槽等温线分布和槽帮形状 F i g ．3 I s o t h e r md i s t r i b u t i o na n dl e d g es h a p eo fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lw i t h h i g h c o n d u c t i v ec a t h o d es t e e lb a r 由图3 可知，槽的保温效果整体上处于较差的 状态。初晶温度分布线过于靠上，这对防止渗入阴 极炭块的电解质凝结在炭块中下部进而破坏炭块不 利。阴极炭块靠近端头部位的温度较低，虽然大部 分都处于9 0 0 ℃以上，但端头部位仍有较大部分位 置温度在8 0 0 ℃至9 0 0 ℃之间，甚至少部分位置低 于8 0 0 ℃，这会在阴极内部造成较大的温度差，不利 于阴极寿命的延长，另外在8 0 0 ℃至9 0 0 ℃的部位， 钠金属的渗透可能造成阴极的膨胀。故整体上阴极 部位保温较差。 另外，在采用高导电钢棒的条件下，电解槽侧部 在正常电解温度下都能形成稳固、肥厚的槽帮 厚度 ～1 6 0r a m 。在此工艺条件下的过热度达到9 ～l o ℃，此时伸腿长到阳极底掌以下投影区内1 0 3m m ， 为一个较长的伸腿长度，同时伸腿高度也较高，因此 会在铝液内部造成较大的水平电流。整体上说，槽 帮厚度较厚、伸腿偏长，不利于保持电解槽的热平衡 和稳定性。此方案的槽欧姆压降计算结果见图4 。 图4 槽欧姆压降 F i g ．4 O h m sv o l t a g ed r o po fc e l l 从图4 可以看出，应用高导电钢棒后的铝电解 槽整体欧姆压降为1 ．7 7 4V ．相比于原始结构降低 鬻鲤 ij j 一、 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 2 期 了1 2 0m V ，该降低值大部分来源于阴极压降的降 低，阴极部分热收入相应大幅降低，因此也可以解释 在应用高导电钢棒后电解槽保温能力变差、槽帮厚 伸腿肥大的问题。根据理论计算结果，槽电压将从 目前的3 ．8 6V 降至3 ．7 4V ，故单从电热场数值计 算的角度，采用高导电阴极钢棒和普通阴极炭块后 槽电压降至3 ．8 0V 以下的目标是易于实现的。 对于应用高导电阴极钢棒方案的电解槽，应对 内衬材料或者保温结构进行优化，提高保温性能，其 降低槽电压的同时仍能获得较好的热平衡状态及槽 膛内形，以保证电解过程的平稳进行。 3 ．4 保温型高导电阴极钢棒电解槽电热场 据文献[ 1 0 ] 报道，采用高导电阴极钢棒和3 0 ％ 石墨阴极炭块，在上述内保温及工艺条件下，内衬的 保温效果基本满足要求，在正常的电解温度下电解 槽侧部都能形成稳固的槽帮，槽帮伸腿形状合理，各 部分散热比例分布基本合理，其热平衡保持相对适 宜的状态。从电热场数值计算的角度，采用高导电 阴极钢棒和3 0 ％石墨阴极炭块后槽电压降至3 ．8 0 V 以下的目标是易于实现的。 4结论 1 普通结构电解槽的阴极压降较大，达到3 6 2 m V ，采用高导电阴极钢棒结合3 0 ％石墨阴极炭块 可以有效降低1 0 7m V 。 2 采用高导电阴极钢棒结合普通阴极炭块的电 解槽将电压降至3 ．8 0V 以下是可能实现的。此种 方案下，电解槽可在1 0 ℃左右的过热度下运行，但 槽侧下部及底部保温略显不足，阴极温度整体上偏 低，在现行低极距高铝水平工艺下，槽膛内槽帮稍 厚，伸腿过长。 3 采用高导电阴极钢棒和3 0 ％石墨阴极炭块 是～种相对合理的阴极方案，电解槽可以维持较好 的热平衡状态，但生产时铝水平不宜过高。 参考文献 [ 1 ] 刘业翔，梁学民，李劫，等．底部出电型铝电解槽母线结 构与电磁流畅仿真优化[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 i ， 2 I 7 1 6 8 8 1 6 9 5 ． [ 2 ] 梁学民，李劫，张红亮，等．静流式铝电解槽磁场仿真及 设计[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 1 ，2 1 9 2 2 5 1 2 2 5 7 ． [ 3 ] 尹诚刚，李劫，徐宇杰，等．新型阴极钢棒对铝电解槽电 热场的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 4 ，2 4 1 2 4 6 2 5 3 ． [ 4 ] 杨帅，李劫，徐宇杰，等．铝电解槽钢棒加高型阴极对铝 液中水平电流的优化[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 2 ，2 2 1 0 2 9 5 1 - 2 9 5 9 ． [ 5 ] 赵应彬，王平，陈谦．3 0 0 k A 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