（冶金工程专业论文）铝电解槽阴极母线熔断过程仿真研究.pdf

工程硕士学位论文摘要 摘要 阴极母线熔断事故会给电解铝厂造成重大的经济损失，本文在充 分收集现场信息和资料的基础上，对母线熔断事故的原因进行了初步 推断，进而以a n s y s 商业软件为平台，以事故槽的母线系统为研究 对象，建立了正常母线、实际有缺陷的母线以及三槽导电体系的三维 电热仿真模型，对整个事故过程中母线电热平衡过程进行了数值仿真 研究。 本文的主要创新点及结论如下： ( 1 ) 运用a n s y s 建立了阴极母线的物理模型和数学模型，确定了 其边界条件。同时根据同系列槽在相同工况下的实测数据，确 定了母线与周围环境之间的换热系数，修正了母线对流换热公 式； ( 2 ) 对正常阴极母线的电热场进行了仿真计算，结果表明母线的压 降( 5 5 8 m v ) 与同系列槽的实测值( 5 6 0 m v ) j l z 常接近；在母线中段 偏出电端的部位，压降梯度稍大于其它位置，与实测情况吻合， 证明计算模型和计算方法是可靠的，获得的换热系数修正值也 是合理的； ( 3 ) 对实际有空洞的阴极母线进行电热平衡过程仿真研究，计算了 母线电流、换热系数、环境温度以及母线载流量对母线平衡电 压和最高温度的影响。得到的结论是：母线电流和母线的载流 量是影响母线达到电热平衡时的电压和温度的显著因素，相比 之下，换热系数和环境温度的影响则较小； ( 4 ) 根据事故过程中实测的母线电压变化将事故划分为两个阶段， 分别对各阶段电热平衡过程进行了仿真计算，计算结果与实际 记录的数据吻合。另外还对母线在当时所受的电磁力进行了估 算。通过综合分析，得到了母线熔断的原因，解决了实际的问 题，为工厂以后的安全生产提供了科学依据，其研究成果可为 类似企业避免发生类似事故提供指导。 关键词：铝电解槽，阴极母线，电热平衡，数值仿真，熔断 工程硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t h ea c c i d e n to fc a t h o d eb u s b a rf u s i o nc o u l dc a u s eg r e a tl o s si n e c o n o m yt ot h ea l u m i n u mr e d u c t i o nf a c t o r y o nt h eb a s i so fc o l l e c t i n g t h ei n f o r m a t i o na n dm a t e r i a ls u f f i c i e n t l y , t h er e a s o no fb u s b a rf u s i o nw a s c o n c l u d e di n i t i a l l y t h e nu s i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y s ，t a k i n g t h eb u s b a rs y s t e ma ss u b je c t , t h r e e d i m e n s i o nt h e r m o e l e c t r i cm o d e lo f n o r m a lb u s b a r , a c t u a lb u s b a rw i t hd e f i c i e n c ya n dc o n d u c t i o ns y s t e mo f t h r e ec e l l sw a sd e v e l o p e dt or e s e a r c ht h eb u s b a rt h e r m o e l e c t r i cb a l a n c e p r o c e s si nt h ew h o l ea c c i d e n t t h em a i ni r m o v a t i o n sa n dc o n c l u s i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a t h o d eb u s b a rw e r e d e v e l o p e di na n s y sa n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t ao fe e l li nt h es a m es e r i e sa n dc a s e t h e h e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n tb e t w e e nb u s b a ra n d s u r r o u n d i n g sw a s d e t e r m i n e da n dt h eb u s b a rc o n v e c t i o nf o r m u l aw a sm o d i f i e d ； ( 2 ) t h et h e r m o e l e c t r i cf i e l do fn o r m a lc a t h o d eb u s b a rw a s c a l c u l a t e d ，i t sr e s u l t ss h o wt h a tt h eb u s b a rv o l t a g e ( 5 5 8 m v ) a p p r o a c h e s t ot h em e a s u r e dd a t ao fc e l li nt h es a m es e r i e s ( 5 6 0 m v ) ；n ev o l t a g e g r a d i e n to fb u s b a ri nt h em i d d l ep a r tn e a rt ot h eo u t p u te n di sal i t t l e g r e a t e rt h a na n yo t h e rp o s i t i o n s ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s s ot h ec o m p u t a t i o n a lm o d e la n dm e t h o dw a sp r o v e dt ob er e l i a b l ea n dt h e m o d i f i e dh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n tw a sa l s or e a s o n a b l e ； ( 3 ) t h et h e r m o e l e c t r i cb a l a n c ep r o c e s so ft h ea c t u a lb u s b a rw i t h h o l ew a ss t u d i e d ，t h ee f f e c to fb u s b a rc u r r e n t ，h e a tt r a n s f e rc o e m c i e n t ， e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n tc a p a c i t yo nt h eb u s b a rb a l a n c e d v o l t a g ea n dt h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ew a sa l s or e s e a r c h e d t h e c o n c l u s i o n si st h a tc o m p a r e dt ot h eh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n ta n dt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，t h ei n f l u e n c eo f b u s b a rc u r r e n ta n dt h ec u r r e n t c a p a c i t yo nb a l a n c e dv o l t a g ea n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei sm o r e o b v i o u s ； ( 4 ) t h ew h o l ea c c i d e n tp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t ot w os t a g e s 工程硕士学位论文a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ev o l t a g ec h a n g er e c o r d e da n dt h et h e r m o e l e c t r i cb a l a n c e p r o c e s so fe a c hs t a g ew a ss i m u l a t e d ，t h er e s u l t sa r ei na c c o r dw i t ht h e m e a s u r e dd a t a t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo fb u s b a ra tt h a tt i m ew a sa l s o e s t i m a t e d b ya n a l y z i n gs y n t h e t i c a l l y , t h er e a s o no fb u s b a rf u s i o nw e r e f o u n do u ta n dt h ep r o b l e mw a ss e t t l e d ，w h i c hc a np r o v i d et h eg u i d a n c e f o rl a t es a f e t yp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：a l u m i n u m r e d u c t i o n c e l l ， c a t h o d e b u s b a r , e l e c t r o t h e r m a lb a l a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f u s i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：猕卫月掣日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 铝电解工业概况 第一章绪论 铝具有耐腐蚀、易导电、延展性好等优良特性，用途很广，工业上被誉为万 能金属。铝及其化合物在自然界中分布极广，是世界上最丰富的金属元素，由于 其良好的物理化学性能，铝的用途日益广泛，因此铝工业呈现出蓬勃发展的状 况。目前世界上每年原铝产量约为3 1 0 0 万吨【z j ，而在我国2 0 0 7 年底的原铝产量 达到1 0 5 0 万吨左右。全球对铝的需求将会要求铝工业以过去相同水平的增长速 度来增加新的扩建项目，特别是在中国和中东地区，在未来5 年里对铝的需求会 按较高的速度( 3 4 ) 增长【3 j ，根据预测，在未来5 年里各地区铝厂扩建将使全 球电解铝生产能力增加3 0 0 万吨年。 1 1 1 现代铝电解工业简介 由于铝的负电性很强，通过电解其盐类的水溶液的方法来制取铝是不能实现 的，所以只有用非水溶液电解质才能电解得到铝，这样的电解质主要是熔盐。1 8 8 6 年，美国的霍尔( h a l l ) 和法国的埃鲁特( h e r o u l t ) 不约而同地提出了利用冰晶 石一氧化铝熔盐电解法炼铝的专利。 霍尔一埃鲁特电解铝法，即冰晶石一氧化铝熔盐电解法。一百多年来，电解 炼铝虽然仍建立在冰晶石一氧化铝熔盐电解的基础上，但是无论在理论上还是在 工艺上都取得了长足的进步。由最初的小型预焙铝电解槽，到上个世纪初叶的小 型侧部导电的自焙阳极电解槽，发展到本世纪四十年代的上部导电自焙阳极电解 槽。而上个世纪五十年代后发展起来的大型预焙阳极电解槽技术，则使得电解炼 铝技术迈向了大型化、现代化发展的新阶段，电解槽的容量己发展到3 2 0 k a 以 上，最大的容量已达到5 0 0 k a t 4 】，电解槽的设计、安装、操作控制都建立在现代 技术的基础上，并且在继续向前发展。自焙阳极铝电解槽由于环境污染和自动化 程度低，目前已逐渐被淘汰，而预焙阳极铝电解槽操作比较简单，阳极电压降比 自焙阳极低，易于实现电解生产的机械化和自动化，有利于电解槽向大容量发展， 并且消除了电解过程中的沥青烟害，环境污染小，所以预焙阳极铝电解槽已成为 当今电解铝工业的主流槽型。新建或扩建的电解铝厂都采用预焙阳极铝电解槽， 并且槽容量呈越来越大的趋势【5 】，目前我国电解槽最大容量为3 5 0 k a 。而世界上 最先进、容量最大和产量最高的电解槽是三台法国彼施涅公司的a p 5 0 电解槽， 槽长度为1 8 m ，电流5 0 0 k a ，槽日产量3 8 2 5 k g 铝，阳极效应为0 0 4 1 o 0 5 次 ( 槽天) 。 工程硕士学位论文第一章绪论 在最近2 0 年内，国内外工业预焙阳极铝电解槽的电流增大显著。图l - l 是 近5 0 年铝电解槽电流强度增大趋势。法国彼施涅公司于2 0 0 1 年公布了新近研制 的5 0 0k a 特大型预焙铝电解槽，特大型预焙槽的应用，标志着世界铝工业进入 一个新的发展时期【6 j 。表1 1 是不同电流强度铝电解槽系列的生产指标比较。从 经济上看，特大型铝电解槽比一般铝电解槽的投资费可节省1 5 ，生产费用可降 低1 0 。特大型铝电解槽其明显的特点是阳极在槽膛内有很大的填充率，阴极表 面产铝多的部分明显增大，产铝少的面积明显减少，因此电流效率随槽电流增大 而提高，这是一个重要的优点。 蔓 素 燃 蠼 冒 图1 1 近5 0 年间铝电槽电流强度的变化趋势【6 】 表1 11 8 0k a 系列、3 0 0 k a 系列与5 0 0 k a 系列的比较【7 1 目前，国际上电流效率最高的电解槽当属p e c h i n e y 在加拿大魁北克兴建的 2 工程硕士学位论文 第一章绪论 3 2 5 k a 电解槽系列，该电解槽系列年平均电流效率为9 6 ，电耗1 3 0 k w h k g a 1 ， 炭阳极净耗0 3 9 7 k g k g a 1 ( 理论值0 3 3 3 k g k g a i ) 8 1 。世界上最大的5 0 0 k a 电 解槽a p 5 0 ，长1 8 m ，宽5 m ，阳极电流密度0 8 a c m 2 ，电流效率9 5 ，而我国 同类型的3 0 0 k a 电解槽的电流效率一般在9 3 左右，槽系列年平均电流效率很 难突破9 4 ，对于其它类型的大型预焙阳极电解槽的电流效率也一般都徘徊在 9 3 5 左右。值得重视的是，德国易北铝厂( e l b e w e r k ) 继续研究连续预焙阳极， 电流达到1 2 9 k a ，年产铝量7 万吨，经过不断技术改进后，每k g 铝耗电量可望 降低到1 0 , - , l l k w h ，阳极消耗量也将有明显减少1 9 。对未来铝电解技术的发展， 国际知名冶金专家和学者t h o n s t a d 、h a u p i n 和f r a n k 预言，2 0 2 0 年以前，电解 槽的电流强度将达到5 0 0 - - - 6 0 0 k a ，槽电压为3 9 q o 伏，电流效率达到 9 6 5 0 0 , - 9 7 ，直流电耗将减少到1 2 肛1 2 5 k w h k g - a 1 ，而电解槽的平均寿命可达 3 0 0 0 天【2 】。 1 1 2 我国铝电解工业发展现状 我国的原铝产量从1 9 9 0 年到2 0 0 6 年从8 6 1 万吨增加到9 2 0 多万吨，增长 近1 0 倍。而在1 9 9 8 年到2 0 0 6 年期间，我国电解铝工业经历了一次世界现代铝 工业史上前所未有的发展时期，一跃成为全球最大的电解铝生产国。据统计，到 2 0 0 6 底，国内建成投产的电解铝厂已有近1 5 0 个，比1 9 9 8 年底的7 5 个增加了 一倍，平均每年增加8 个：2 0 0 6 电解铝产量实际达到9 2 0 万吨，比1 9 9 8 年的2 4 4 万吨增长了2 7 7 ，年均增长约3 1 。目前我国电解铝工业在规模上已经远远超 过世界上其它国家。 冒 b 袭 黎 鼍 靶 路 图1 - 21 9 9 0 年以来我国电解铝生产和消费 预计我国在未来长期可持续发展会使原铝按1 6 - - 1 7 的速度增长。我国在 未来的世界铝市场上将扮演着重要角色，到2 0 0 6 年，中国铝消费量会占到世界 哪 瑚 咖 跏 枷 蛳 抛 仰 。 瞄l 工程硕士学位论文第一章绪论 铝消费总量的2 3 【3 】。图1 2 为1 9 9 0 年以来中国电解铝的生产和消费情况【1 0 】。 我国现在己成为世界铝大国，但不是强国。中国铝工业与国外技术水平的差 距依然存在。值得注意的是：我国大型电解槽的寿命平均在1 5 0 0 天左右，而世 界的先进水平已达到2 5 0 0 3 0 0 0 天。电解槽容量愈大，则内衬大修的费用愈大， 因此，如果不能保持正常的电解槽寿命，将大大增加原铝生产的成本【l 。目前我 国1 6 0 k a - - 一l s 0 k a 的电解槽大修费在7 0 万元左右。 我国铝电解工业的不足主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电解槽容量偏小。虽然大型槽在不断研制开发，但在我国 1 6 0 k a - 2 0 0 k a 槽型仍占预焙槽的多数，并且仍有少部分自焙槽在生产 【l 。目前，国外大型预焙槽电流强度己达到5 0 0 k a ，国内为3 5 0 k a ； ( 2 ) 我国铝电解生产的电流效率不高，与国外先进指标相比有3 5 个百分点 的差距【l2 1 。目前国外通过铝电解槽内衬、母线等合理设计，已使电解槽的 平均电流效率达9 5 以上。相比之下，我国铝电解槽平均电流效率除少数 1 8 5 - - 2 0 0 k a 电解槽系列能达到9 2 - - - , 9 4 之外，大多数电解槽的电流效率只 在8 9 9 1 ( 按整流效率9 8 核算) 左右； ( 3 ) 铝电解生产的直流电耗偏高，与国外相比相差1 0 0 0 k w h t - a 1 1 3 】。目前，国 外直流电耗已降到1 3 0 0 0 k w h t - a l 以下，我国某些大型预焙槽的直流电耗 达到1 3 3 0 0 一- 1 3 5 0 0 k w h t a i ，已接近同类槽的国际先进水平，但多数铝厂 的直流电耗仍偏高； ( 4 ) 铝电解槽的平均寿命短。目前国外系列电解槽平均寿命可达到2 5 0 0 3 0 0 0 天，而我国电解槽平均寿命为1 4 0 0 天左右，约为国外槽平均寿命的一半左 右【1 3 】： ( 5 ) 大部分铝电解槽阳极长期在低于0 7 5 a c m 2 电流密度下运行，低于国外运 行电流密度o 1 a c m 2 左右【1 1 1 。相比之下，我国同类型槽有增大1 2 - - 1 5 电 流密度、提高1 2 - 1 5 生产率和降低成本3 0 0 - - 3 5 0 元吨铝的潜力： ( 6 ) 我国阳极生产缺乏现代化的检测手段和检测设备，窑炉装备技术水平和控 制手段低下，导致阳极生产质量低下，能量消耗高，窑炉产量偏低，电解 槽上阳极消耗远高于国外的消耗。目前，国内大型预焙槽阳极消耗达4 6 0 一 5 0 0 k g t a l ，而国外仅在4 1 0 k g t a 1 左右。 铝工业是具有资源、能源、资金、技术密集型特点的重要基础原材料产业， 主要包括氧化铝、电解铝、铝加工三大组成部分。我国是铝生产和消费大国，2 0 0 6 年电解铝产量连续4 年保持世界第一，氧化铝和铝加工产量首次位于世界第一。 发展趋势表明，作为对国际市场和国内经济都具有重要影响的基础产业，我国铝 工业目前正处在重要的转折时期。我国加入w t o 后，使我国在竞争中更加处于 4 工程硕士学位论文第一章绪论 不利的地位。国际电解铝企业的平均成本不足1 2 0 0 0 元吨，而我国电解铝企业 目前在1 6 0 0 0 元吨的价格水平上仍有8 0 以上的企业在亏损生产，我国电解铝 吨铝的综合电耗尽管从1 9 9 5 年的1 6 6 0 0 k w h 下降到2 0 0 4 年的1 4 6 8 3 k w h ，但较 世界先进水平1 4 1 0 0 k w h 还有一定差距。基于铝工业的发展现状，国务院总理温 家宝曾主持召开国务院常务会议，讨论并原则通过铝工业发展专项规划、铝 工业产业发展政策。 1 1 3 铝电解工业技术展望 铝电解工业在工艺效率、劳动生产率、电解槽生产能力和环境保护等方面， 都取得了引入注目的进步，表1 2 是铝电解工艺近5 0 年来取得的成就。 表1 - 2 铝电解工艺5 0 年来取得的进展【1 5 1 1 0 0 多年来，铝电解槽的尺寸越来越大，现在世界上已经建立a p 5 0 巨型槽。 扩大电解槽的尺寸，其目的不仅要提高电解槽的产能，还要降低吨铝能耗。经过 1 0 0 多年的生产实践，在电解铝的吨铝能耗方面，最先进的霍尔一埃鲁特电解槽 的吨铝能耗已降到1 3 0 0 0 k w h 左右【l6 1 。业内研究人员感到，通过放大电解槽尺寸 来实现降低能耗的出路似乎已走到尽头，要想在电解铝生产中进一步降低能耗， 需要有新的突破【i 6 。 今后铝电解工业的发展方向主要是在电解质组成、阳极材料、阴极材料和绝 缘侧壁诸方面进行改革，并且有采用低温电解与新型电极材料的发展趋判引。低 温电解不改变电解槽结构，采用新型电极则改变电解槽结构，降低电解温度能够 提高电流效率。根据长期的测定结果，在工业电解槽的温度范围9 4 0 - - 一，9 6 0 内， 每降低温度1 0 c ，大约提高电流效率1 - - 1 5 ，吨铝节电1 6 0 k w h t - a l ( 其原因 在于热损失的减少) 。纵观铝工业的生产实践，可得出一个结论，即电解温度趋 于降低，这主要是由于电解质摩尔比减小所致【6 】。而在电流恒定的条件下，减少 工程硕士学位论文 第一章绪论 热损失是降低槽电压的先决条件，因此，降低槽电压与加强保温，减少热损失是 紧密相关的【1 7 1 。 综上所述，铝电解工业技术的发展主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 新型铝电解槽的开发一导流型铝电解槽 新型槽的开发主要有导流型电解槽、竖式电极电解槽、双极电解槽等等，导 流型铝电解槽与传统预焙槽相比，主要的改变是将阳极与阴极碳块做成斜坡状， 因此阳极底掌下基本不存在铝液，这样就没有传统的铝液波动问题，因此可以大 幅度地降低极距，从而减小极间电压【1 8 2 1 1 。 ( 2 ) 新型阳极技术开发 传统铝电解槽采用消耗碳阳极，并排出c 0 2 等温室气体，此法污染环境， 能量利用率低，电能消耗大，生产效率不高。如使用惰性阳极，阳极不参加电解 反应，节约了碳阳极及所耗能量，并可降低7 5 左右的极化电压，从而节约电能。 使用连续性预焙阳极可以消除更换阳极所产生的问题【1 6 翔1 。 ( 3 ) 筑炉新材料的应用 在筑炉中铝电解槽底部采用干式防渗料，简化了施工和加强了底部保温；侧 部采用碳化硅及其复合块：增强侧部防腐蚀能力及加强侧部散热；阴极采用t i b 2 涂层技术及应用半石墨化质阴极碳块提高电流效率、延长槽使用寿命1 9 , 2 0 , 2 3 1 。 ( 4 ) 低温铝电解理论 通过优化电解质体系组成，配合电极组成和电解槽结构的改变，将电解温度 由目前的9 5 0 - 9 7 0 降低到8 0 0 - - 8 5 0 ，从而降低电能消耗。主要的技术措施 是通过高比例添加氯化物来降低电解温度 2 4 1 。 1 2 本文的研究内容和意义 1 2 1 研究背景和意义 在铝电解生产中，同一系列的电解槽一般是置于同一或两个车间里，数量比 较多，各台电解槽之间是串联的。因此，车间每台电解槽的导电系统都是很重要 的，当其中一台或多台电解槽停槽检修时，其电流是通过上部导电系统和阴极母 线连通的，如果当其中一台的导电系统出现问题时，整个车间的生产就会停滞， 所以在车间正常生产时，要确保每台电解槽的导电系统都是完好无损的。整流后 的直流电通过铝母线引入电解槽里，槽与槽之间通过母线串联而成，母线不仅被 看成是电流的导体，而且更应该注意它所产生的磁场对生产过程的影响【5 】。母线 配置不合理或承载过大的电流都可能会产生强大的电磁力，从而可能导致母线的 断裂。因此，无论是在对阴极母线的设计还是生产过程中对它的检修都是重要的 环节。 6 工程硕士学位论文第一章绪论 汉江集团丹江口铝业有限公司的电解一车间1 1 4 5 k a 系列铝电解槽，是于 1 9 9 7 年引进德国托根( 舢州w e i 水) 铝厂的电解槽设备和技术。2 0 0 7 年4 月1 7 日凌晨电解一车间2 0 7 # 电解槽发生了阴极母线熔断事故，给公司造成了重大经 济损失。为了防止这种事情再次发生，对此事故发生的原由进行深刻的分析和研 究是很有必要的。 1 2 2 本文研究的主要内容 本文针对汉江集团丹江口铝业有限公司的电解一车间1 1 4 5 k a 系列铝电解 槽发生事故的原由进行分析和探讨，获得事故发生的内在原因和外在原因，其主 要内容包括： ( 1 ) 充分调查、收集事故发生当天现场情况和记录信息，对事故发生过程进行 了初步推断； ( 2 ) 在对铝电解槽进行适当简化的基础上，建立阴极母线在不同条件下的传热 和导电的物理模型和数学模型，并确定其定解条件； ( 3 ) 借助a n s y s 有限元分析软件，对正常阴极母线的电、热场进行耦合计算。 对母线的温度变化情况和压降变化情况进行分析，并根据实测的阴极母线 的数据对计算结果进行检验，验证模型的可靠性； ( 4 ) 对实际存在的有空洞的阴极母线在基准条件下进行耦合计算，并对母线的 温度变化情况和压降变化情况进行分析，得到母线电流、换热系数、环境 温度以及载流量对母线平衡电压与最高温度的影响； ( 5 ) 对整个母线的熔断过程进行仿真计算，得到不同阶段的温度变化曲线图和 电热平衡时的电压变化曲线图。并根据实际测量的阴极母线的电压变化对 计算结果进行检验，验证模型的可靠性和分析方法的正确性； ( 6 ) 对母线在当时条件下的磁场进行计算，得到母线所受的电磁力大小。据此 分析母线在不同电流量下的受力情况，综合以上的分析得到母线断裂的真 正原因。 7 工程硕士学位论文第二章铝电解槽物理场仿真研究进展 2 1 概述 第二章铝电解槽物理场仿真研究进展 随着计算机技术和数值模拟方法的发展，现在对铝电解槽物理场的仿真研究 已不仅仅是单方面的研究，已覆盖铝电解槽各物理场，如电场、磁场、流场、热 场、热应力场等。铝电解槽各个物理场之间，并不是相互独立的，它们有些是由 其它一个或者几个派生的，有些则是同时产生，相互依存，相互影响的。图2 1 提供了电解槽各物理场之间的相互关系，这也是物理场耦合仿真研究的主要内 容。 电流强度、母线配置、钢结构结构尺寸、材料特性、工艺参数、环境条件 图2 - 1 铝电解槽物理场之间的关系 正如图2 1 所示，铝电解是一个包括多种化学、电化学反应，以及传质、传 热、导电等多种物理传递的复杂过程，电解槽各物理场并不是相互孤立的，而是 存在着内在的联系，所以在进行电解槽物理场仿真时，应对相互关联的物理场进 行耦合计算。因此，铝电解槽中存在着相互耦合的电场、磁场、流场、力场、热 场等物理场。物理场分布情况的好坏直接影响到电解槽电流效率、能量消耗和槽 8 工程硕士学位论文 第二章铝电解槽物理场仿真研究进展 寿命等。 2 2 铝电解槽电热场仿真技术的研究进展 铝电解槽的形状复杂，而且在解控制方程时，某些控制方程是非线性的，不 能采用简单的解析方法进行求解。在铝工业发展的初期，由于缺乏先进的计算手 段，铝电解槽电热场分析一直停留在依靠经验和简单的计算水平，不能对槽体内 的电热场分布和变化规律做定量分析。随着计算机技术和数值模拟方法的发展， 已可以通过解析数学模型对铝电解槽中的物理场进行仿真研究。因此，国际上许 多大的铝业公司、研究所和高校相继投入了较大的人力物力开展有关的研究工 作，到现在为止，已取得了重要的进展，这对铝电解技术的发展起了关键性的作 用。 2 2 1 电场仿真技术的研究进展 铝电解槽是一个强直流电的电化学反应器，电流是产生一切槽内物理化学过 程的根源。早期用于母线电场分布计算的软件有“n e w b u s 1 2 4 j 和“g y b u s 1 2 5 1 。采用这种软件计算母线电流分布，一方面由于是自编程序计算模型，存在 着建模复杂的问题，另一方面，由于没有考虑阳极、熔体和阴极等部分的影响， 计算误差较大。 目前一般是在有限元或有限差分商用软件上建立起包括母线、槽内导体( 阳 极、熔体和阴极部分) 在内的电场仿真计算模型，对整槽的电流和电压分布进行 计算，其计算结果具有较好的计算精度和准确度。有学者在有限元软件a n s y s 上建立起了包括母线在内的整槽电场仿真计算模型，基于基尔霍夫定律，采用等 效电阻法对槽外母线进行计算，结果与实测值吻合较好1 2 6 1 。 2 2 2 热场仿真技术的研究进展 通过对铝电解槽能量平衡测度与计算，可以对铝电解能量利用率、区域能量 分布合理性、工艺技术条件和加工操作制度合理性以及槽工况进行定量分析和科 学评价，为提高铝电解主要技术经济指标，采取有针对性技改措施提供科学依据 【2 7 2 8 】 o 铝电解槽的能量消耗大部分是热消耗，而且通过热量消耗的能量回收起来比 较困难，所以在设计电解槽时对热平衡的设计要求比较高。对于正在运行的电解 槽，热场的测试是很有必要的，不仅可以判断出电解槽是否正常运行，而且还能 找出问题所在。但在电解槽的设计和改进方面，仅测试是不够的。由于现在的电 解槽形状复杂，结构多样化，附属设备增多，如果出现问题要找出其原因依靠经 9 工程硕士学位论文第二章铝电解槽物理场仿真研究进展 验和简单的计算是相当困难的。由于计算机和数值模拟技术的发展，在热场计算 方面都采用仿真技术，这样得出的结果不仅准确，而且很全面，能对热平衡进行 科学的判断和全面的分析。 2 2 3 电热场耦合仿真技术的研究进展 对电解槽电热场进行仿真，建立合理的仿真模型，要注意三个方面的问题： 正确的模型结构，材料属性的确定，电热边界条件的给定。以上三项任务完成后， 就可以对电解槽进行合理的电热解析。 早在1 9 7 1 年，h a u p i n l 2 9 】率先提出了一个计算槽膛内形的一维纯导热模型， 可以用来粗略估计电解槽内各区的散热损失和槽帮最薄处的厚度，后来的研究都 是建立在二维或三维的数学模型之上的，早期采用二维静态模型时，假设第三维 方向的热流为零，且模型热分布不随时间而变。p e a c y 3 0 】用修改松弛法对热场进 行了解析，他将电解槽的横切面切片细分为矩形网格，在同一网格内假定是相同 物理性质，a e k 等人【3 l 】则对网格划分作了改进，将切片视边界不同的情况而将 网格部分划分为三角形网格，并且将边界与中间网格分开计算，使解析结果的精 确度有了较大的改善。 对于三维的热场计算模型，由于热场与电场是相互关联的，首先电解槽各种 材料的导电和导热性都与温度呈非线性关系，而导体有电流通过时，会产生焦耳 热，所以在进行电场和热场计算时，一般将二者进行耦合计算，即建立一个电热 场耦合计算模型，在一个模型内同时计算它的温度和电场分布，其问题的实质就 是求解导电的拉普拉斯方程和有内热源的导热泊松方程。 近年来相关的公开报道，都是基于商用软件的电热场计算，从简单的二维模 型，到三维半阳极或者半阴极模型，阳极和阴极模型组合的整槽切片模型，发展 到三维电解槽角部模型和四分之一槽模型，从静态的电热场仿真，到焙烧启动的 动态热分布计算，做了许多重要的工作，对电解槽热设计和优化及工业操作具有 直接的指导意义p 2 刈。 2 3 铝电解槽电磁场仿真技术的研究进展 2 3 1 铝电解槽磁场概述 电解槽内电磁场的分布主要受母线配置的影响，而槽内熔体中的电流分布， 以及铁磁物质的存在都会影响到槽内磁场的分布。槽内熔体中电场与磁场的相互 作用产生电磁力，使熔体循环加速，铝液面隆起，偏斜和波动。铝液的剧烈扰动 又会影响到铝电解生产的稳定性和电流效率。熔体流场还可以影响槽内的传质传 热，尤其是氧化铝在电解质中的溶解扩散，以及槽内衬的完整性和槽寿命等等。 1 0 工程硕士学位论文第二章铝电解槽物理场仿真研究进展 2 3 2 电磁场耦合仿真技术 对于母线，普遍采用等效线形电流数学模型或者等效圆柱形母线数学模型来 计算，对于槽内导体，使用体积积分方法，先求得槽内电流分布，然后计算磁场 分布【3 2 1 。 对于铁磁元件等磁化后产生的磁场计算，常见的方法有磁衰减系数法、有限 元法和边界元法，其中边界元法还分为：磁化强度积分方程法、磁标位积分方程 法、双标量位法、表面磁荷法以及磁偶极子法，这些方法在许多文献中都有叙述， 详情请见1 3 7 删。 国外在上个世纪7 0 年代，就有人对铝电解槽的磁场分布进行了计算，但是 由于没有考虑铁磁元件的影响，结果不是很准确。目前在国外和国内均有比较准 确的铝电解槽计算程序模型。我国自上个世纪8 0 年代起开始对铝电解产生的磁 场进行仿真计算，早期的有武丽阳【4 5 1 、陈世玉m 】等人，后来有孙阳【4 7 1 、李国华【4 引、 曾水平 4 9 1 、姜昌伟【5 川等人分别采用b i o t s a v a r t 定律对电解槽母线和熔体产生的 电磁场进行了计算，对于铁磁元件产生的磁场采用了表面磁荷法、磁偶极子法等。 商业软件的应用使仿真工作的效率得到了提高，m d u p u i s 5 1 】等人在a n s y s 软件平台上建立起了铝电解槽磁场分布计算模型，它有效考虑了邻槽母线、铁磁 物质和空气对磁场分布的影响，结果较准确。另外中南大学、杨溢、李朗如等【5 2 , 5 3 1 也使用a n s y s 对2 0 0 k a 以上的大型预焙铝电解槽电磁场进行了计算，结果与现 场实测的结果吻合较好。从而证明了在有限元软件a n s y s 上所建立的铝电解槽 电磁场分布计算模型的准确合理性。 2 4 本章小结 通过上述阐述，表明采用计算机仿真方法和有限元软件a n s y s ，可以有效 地解决铝电解槽的物理场模拟问题。因此本文使用有限元软件a n s y s ，针对汉 江集团丹江口铝业有限公司的电解一车间1 1 4 5 k a 系列铝电解槽的导电体系建 立三维仿真模型，即建立一个导电系统电热场耦合计算模型，进行电热耦合计算。 通过正确的模型结构、材料属性的确定以及电热边界条件的给定，将得到的 计算结果与实际测量进行比较，并以此修正传热模型。在此基础上，计算分析正 常阴极母线和有缺陷的阴极母线电热平衡过程中温度和电流的变化情况，并与实 际测量的电压曲线变化图进行对比，然后，联立与事故槽相邻的两槽，建立三槽 导电系统三维仿真模型，通过计算三台槽达到电热平衡时的温度分布和压降分布 状况，解析出事故槽对邻槽的影响。进而通过仿真重现母线熔断过程，从而得到 母线熔断过程的真正原因。 工程硕士学位论文第三章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 第三章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 如前文提到，汉江集团丹江口铝业有限公司的电解一车间1 1 4 5 k a 系列铝电 解槽，是于1 9 9 7 年引进德国托根( a n n w e i ) 铝厂的电解槽设备和技术。2 0 0 7 年4 月1 7 日凌晨电解一车间2 0 7 # 电解槽发生了阴极母线熔断事故，给公司造成 了重大经济损失。为了分析事故发生的原由，本文将根据电解一车间铝电解槽的 结构特点，用计算机仿真技术建立11 4 5 k a 系列铝电解槽电热场解析模型，对造 成阴极母线熔断的原因进行深入分析，以便提出相应的防护措施，避免熔断事故 的再次发生。 3 1 事故描述及事故原因分析 3 1 1 母线熔断及断口情况 电解一车间1 1 4 5 k a 系列铝电解槽的二、三系列，阴极两大面最外侧母线的 横截面尺寸均为5 0 0m m x l 2 0m m 。停槽大修时前后大面均只有最外侧一条母线 导电，平均载流量为0 9 5 4 a m m 2 。 从2 0 7 # 槽母线熔断现场来看，前大面熔断位置位于自进电端起的第7 第9 组阴极软带位置，熔断长度约1 2 m ，并整块掉落于地面；由于母线熔断时发生 过爆炸，在熔断缺口处有一块母线被炸飞( 尺寸约2 0 0m m 1 5 0m m ) 。 后大面熔断位置在第8 第1 1 组阴极软带位置，熔断长度约1 s m ( 靠进电 端一端全部断裂掉落于地面，另一端部分断裂，未落到地面) ，且在近2 0 6 # 槽 一端距断口0 8 m 处有高度超过断面一半的裂纹。 从断口来看，前大面母线的两端断口呈现为高温烧灼后熔化断裂( 见图3 1 ) 的迹象，且伴有发生爆炸的痕迹；母线的断面中部存在一个空洞，尺寸约为有 5 8 0 m m x 2 8 0 m m x 3 0 m m ( 见图3 2 ) ，且在近2 0 8 # 槽一端有发生过膨胀爆炸的迹 象。后大面母线的两端断口主要是撕裂断面( 见图3 3 、图3 - 4 、图3 5 ) ，熔断 的母线中轴线以下有明显的斜向熔流现象( 如图3 - 4 ) ；断面中心存在明显分界面， 并有夹渣现象( 见图3 6 ) 。 另外，前大面进电端横母线有约占断面3 4 高度的裂纹，并伴有部分熔流现 象( 见图3 - 7 ) ；后大面母线在第6 组阴极软带位置也存在占断面1 2 高度的裂纹， 并伴有局部熔流现象( 见图3 5 ) 。从母线配置结构来看，前后大面的熔断位置内 侧均有不导电的母线遮挡( 见图3 8 ) 。 1 2 j 。样碗十学位论文第二章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 围3 - l 前大面母线熔断现场 程硕士学位论文 第三章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 田3 - 2 前走面母拽断口厦母残内部空洞 图3 - 3 后大面母践的断裂现场 目3 - 4 后太面断口及熔流( 近2 0 8 # 槽的一端) j ：样硕士学位论文 第三章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 囤3 - 5 后大面斩口厦裂纹( 近2 0 6 # 槽的一端 j | 程硕十学位论文 第二章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 图3 - 6 后太面母线断面的缺陷 圉3 7 前太面进电端横母线的裂纹_ 醴熔流 j ：程硕士学位论文第三章阴极母线熔断事故分析与仿真建模 图3 - 82 0 7 # 槽槽侧母线厦蝽坤f 位置 3l _ 2 事故发生前的槽电压记录及分析 从现场记录来看，2 0 7 # 槽2 0 0 7 年3 月2 3 日开始停槽大修，直到4 月1 6 日 1 8 ：3 0 ，槽电压基本稳定在7 0 0 m v 左右。4 月1 6r1 8 ：3 0 1 8 ：5 0 ，囡系列中其它 槽需停槽大修，系列停电2 0 分钟，1 8 ：5 5 分恢复供电时，槽电压升高到】2 v 以 上，并持续卜升到2 2 ：5 0 达到2 5 v ，然后又突降到1 2 v 左右，并再度持续上 升，到1 7 闩凌晨4 点达到2 9 v ，随后造成全系列断电。 根据控制室监测到的系列电流和2 0 7 # 槽的电压数据整理而成的电流、电压 曲线如图3 - 9 所示。为便于对比，图3 - i o 图3 一1 3 分别给出了2 0 5 # 槽、2 0 6 # 槽、2 0 8 # 槽和2 0 9 # 槽的电压曲线。 由图3 - 9 可知，在1 8 ：5 0 分供电时系列电流选到1 2 2 k a ，并维持了数分钟 时日j ，远超过正常生产时的电流( 1 1 35 k a ) 。 图3 - 1 0 和图3 1 1 反映了2 0 5 # 槽和2 0 6 # 槽电压和系列电流情况。1 8 ：5 0 重 新供电后，2 0 5 # 槽的电压升至52 v 随后缓慢下降但在2 2 ：5 0 前后没有出现 电赝完变；而2 0 6 # 槽的电压在重新供电后升至s 4 v ，随后缓慢下降，在2 2 ：5 3 分电压由42 2 v 突降歪40 7 7 v ，并维持了约3 分钟，山人工操作抬升极距使电 压升至43 6 v 后，稳定运行到次h 凌晨i 点左打，随后，r 始缓慢f 降，到凌晨4 点断电时电压为42 7 v 。 从图3 - 1 2 可以看出t2 0 8 # 槽在18 ：3 0 断电之前，电雎在42v 至43 5 v 范 围运行，并有缓慢t 升：在18 ：5 0 重新供电后电压升至4 4 i v 约半小