电解质过热度对铝电解槽物理场的影响.doc

电解质过热度对铝电解槽物理场的影响第33卷第1期2005年1月湖南冶金HUNANMETALLURGYVo1.33NO.1January2005电解质过热度对铝电解槽物理场的影响裴海灵周乃君,姜昌伟(中南大学能源与动力工程学院,湖南长沙410083)摘要:电解质的过热度与铝电解槽槽膛内形的形成有很大的关系,而且对铝电解槽的物理场也有很重要的影响.为此,以国内最具代表性的郑州龙祥铝业有限公司154kA侧部四点进电铝电解槽为研究对象,具体分析了电解质过热度对铝电解槽电场,磁场和流场的影响,研究发现电解质过热度对阴,阳极电流分布,铝液层电位差,铝液平均磁感应强度几乎无影响;但是随着电解质过热度的增加,铝液层电流密度减小,而铝液最大流速和平均流速将有所增大.关键词:电解质;过热度;铝电解槽;电场;磁场;流场中图分类号:TQ151.15文献标识码:A文章编号:1oo56084(2005)O112一o5THEINFLUENCEoFSUPERHEAToNTHREEFIELDoFALUMINUMREDUCTIoNCELLSPEIHailing,ZHOUNaijun,JIANGChangwei(SchoolofEnergyandPowerEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)ABSTRACT:Thesuperheatofelectrolytehasstrongrelationshipwiththeformofthefreezeprofileinaluminumreductioncells,anditalsohasimportantinfluenceonTHREEFIELDofaluminumreductioncells.Inthispaper,basedon154kAaluminumreductioncellswithfoursiderisers,influenceofsuperheatonelectricfield,magneticfieldandflowfieldofaluminumreductioncellshasbeenstudied.Theresultsindicatethatsuperheathaslittleinfluenceoncurrentdistributionofcathodeandanodeaswel1asaveragemagneticfield.Whenthesuperheatincreases,thecurrentdensityofmeltdecreasesandmaximalandaverageflowrateofmeltincreasesalittle.KEYWORDS:electrolyte;superheat;aluminumreductioncells;electricfield;magneticfield;flowfield.1前言电解质过热度即铝电解质温度与其初晶点温度的差值.保持适当的电解质过热度,能够维持槽能量平衡以及形成规整的槽膛内形,保护槽内衬,延长槽寿命;而良好的槽膛内形能够稳定生产,减小水平电流,提高电流效率1.电解质过热度增加,势必造成炭耗增大,槽帮减薄,伸腿缩短;电解质过热度减小,槽帮增厚,伸腿变长.槽膛内形的变化又影响铝电解槽的电磁场分布,而电磁力是铝液运动的主要推动力,决定着铝液流收稿日期;2OO4一O925作者简介:裴海灵(1979一),男,硕士研究生,主要从事热工设备仿真与优化研究.2005年第1期裴海灵等:电解质过热度对铝电解槽物理场的影响13动状态和铝液/电解质界面隆起高度,铝液流动反过来又影响着槽膛内形2.对于电解质过热度与其它工艺参数如电解温度,电流效率及分子比等相互关系的研究,已做了很多工作.通过研究发现电解温度和电解质过热度受电解质成分,分子比,氟化铝加入量等许多因素影响.降低电解温度有两种基本途径:一是降低电解质过热度;二是降低电解初晶点温度.而降低电解质初晶点温度也有两种方法:加入低熔点氟化盐,如LiF,MgF等;降低电解质分子比,即加入AIF.,并且发现分子比每降低0.1,则初晶点温度大约降低345,从工艺制度上研究电解质过热度对电解生产的影响,这对电解生产中提高电流效率,节约电耗产生重要的作用.但是对于电解质过热度对铝电解槽物理场及槽寿命的影响研究基本未见过报道.因此定量研究电解质过热度对铝电解槽物理场的影响对于延长槽寿命,降低生产成本具有重要的意义.本文以郑州龙祥铝业公司154kA侧部四点进电铝电解槽为研究对象,以商业软件ANSYS为开发平台,具体分析了电解质过热度对铝电解槽电场,磁场和流场的影响,以期寻找出一个合适的电解质温度,以便延长其槽寿命,降低生产成本.2电解质过热度对槽帮参数的影响本文主要研究了电解质过热度分别为8,12,16,2O,24和28,系列电流强度为160kA,电解质过热度对铝电解槽电,磁,流场的影响.表1列出了不同电解质过热度时的槽膛内形参数.从表1可知,随着电解质过热度增大,电解槽槽帮厚度减薄,伸腿缩短,当电解质过热度达到28时,几乎不存在伸腿.而电解质过热度为8时,槽帮过厚伸腿过长,易造成炉底沉淀增加.因此从槽膛参数来看,电解质过热度为1215较为合理.表1不同电解质过热度下的槽膛内形参数3电解质过热度对铝电解槽电场的影响3.1电解质过热度对阳,阴极电流分布的影响图1a是系列电流强度为160kA,不同电解质过热度下的阳极电流分布仿真计算结果.从图1a可以看出,电解质过热度对阳极电流分布几乎无影响;在A,B两侧槽膛内形相同的情况下,不同的电解质过热度下阳极总电流都是A侧高于B侧,这与A侧是进电端有关.图1b是系列电流强度为160kA,不同电解质过热度下的阴极电流分布仿真计算结果,与阳极电流分布一样,电解质过热度对阴极电流分布也几乎无影响;不同电解质过热度下阴极总电流A侧低于B侧.因此电解质过热度的变化即槽膛内形的变化对电解槽周围母线电流分布基本上无影响.图1不同电解质过热度的阳极(a)和阴极(b)碳块的电流分布避辎医14湖南冶金Vo1.33No.13.2电解质过热度对铝液层电压分布和铝液层电流密度的影响图2a是系列电流强度为160kA,电解质过热度为16时铝液层电位分布.从图2a中可以看出,端部比侧部铝液电位高0.00291V左右;图2b是电流强度为160kA,电解质过热度为16时的铝液层电流密度分布.从图2b中可知,铝液电流密度呈A,B两侧对称分布,四个角部的电流密度为最大.不同电解质过热度下铝液层电位差比较见表2(系列电流强度160kA).从表2可知,随着电解质过热度从8增加到28,铝液层电位差仅增加7,基本上保持在0.003V左右.图2铝液层电位(a)及电流密度(b)分布表2不同电解质过热度下铝液层电位差比较表3列出了铝液层不同方向的电流密度(系列电流强度160kA)最大值和平均值.从表3中可知:随着电解质过热度的增加,铝液层三个方向的电流密度最大值和平均值均减小;从热场解析资料中可得出电解质过热度从8增加到28,槽横截面积增加22,lJII.I.和lJlI.分别减小55,13和22.4,与槽横截面积增大具有相同的数量级.造成这一现象的原因首先是电解质过热度增加,槽帮厚度减小,槽横截面积增大,造成铝液层平均电流密度下降;其次是表3不同电解质过热度下铝液电流密度比较槽帮厚度减小,伸腿变短,所以造成横向电流密度变小;但对于槽角部由于伸腿变化较大,造成垂直电流密度最大值也有较大的变化.从减小铝液水平电流的目标看,提高电解质过热度无疑是有利的;但从热场解析结果来看,随着电解质过热度的增加,槽帮变薄,加强了侧部碳块的冲刷,这将降低槽寿命,因此必须综合考虑两者的关系.作者认为对于该厂电解槽,适宜的电解质过热度为1215.4电解质过热度对铝液电磁场分布的影响4.1电解质过热度对铝液磁感应强度分布的影响过热度为16条件下铝液中部磁感应强度E;ii;liiii.2005年第1期裴海灵等:电解质过热度对铝电解槽物理场的影响15分布的计算结果列于表4(电流强度160kA).由表4可以看出,系列电流强度为160kA,不同电解质过热度下的铝液磁感应强度随着电解质过热度增加,铝液顶部和中部的磁感应强度分量B,B,Bz的最大值和平均值均基本上无变化;而在铝液底部,铝液磁感应强度分量BI,By,Bz的最大值都明显减小,这是由于电解质过热度增加,槽帮变薄,伸腿变短,铝液横截面积增大,垂直电流密度与水平电流密度减小,造成BI,By,Bz均减小.表4不同电解质过热度时磁感应强度比较4.2电解质过热度对铝液电磁力场分布的影响不同电解质过热度对铝液电磁力场分布的影响见表5(系列电流强度160kA).图3为铝液中部水平方向电磁力场分布(电流强度160kA)情况.从图3可知,X与Y方向电磁力都指向槽中心.另外,从表5可知,随着表5不同电解质过热度电磁力比较16湖南冶金V01.33No.1B侧11TrrrrnTnTnTTTrrnTrll1I.:,IllIl_I_lljj;|ll】lJI1.11.IIIII.ll_l_l_ll_lllI.lIll1.La?,r|?l_IIIII1r10l1_l1_l0lfl一,r,?_lrrrflItf.IIfff【1rI_I?川fff1flIltl1fIIIl11fI1ll,川f川川IIfIl1川一:0.INt.;?-:_f11?.?l,_;I1+?lll?.1:Il?J一233.9I.69一一.一.:.-ll-I;?_I?;1.1ll】_】I】;l】II;?llll?-llIJ一一.j,II-II_ll_?-II?JlIl?_ll?_】?_lIJ?._J?-l0.5-llll_.llllllj鲁.b_TE-0.5.川_=.:,0.4tLr,_l?tItll,-_lrt,l_t,tI_】II?I?I-,l.ltIt?ll1._.?t_l?ll1I1t,【i;:lill:1一1.69L山juiuiui1uiuuiuLu一4.0l3210一I一23.4.0I图3铝液中部电磁力水平矢量a一电解质过热度16;b一电解质过热度28电解质过热度的增加,即槽帮减薄伸腿缩短,铝液中部X方向与Y方向电磁力绝对最大值和绝对平均值随之稍有减小.5电解质过热度对铝液流速与流场的影响由于电解质过热度增大时,铝液粘度与电解质温度的相互关系现在还没有文献可查,因此电解质过热度对铝液流速场的影响只能通过定性分析.从前面已知,电解质过热度增大对铝液电磁力场的影响很小,因此电解质过热度增大时,铝液流速场的分布规律不会改变,即呈现出如下规律:从铝液水平流动的整体趋势来看,不同的电解质过热度下均呈现出四个漩涡,并沿长轴方向排列,两个小面(出铝端与烟道端)的漩涡较小,偏向A侧;中间两个漩涡较大,偏向B侧.但从铝液流速大小而言,由于电解质过热度增加,铝液电磁力基本保持不变,而铝液粘度降低,因而会造成铝液流速增大.在铝电解槽生产过程中希望有较小的铝液流速,因此降低电解质过热度是有利的;并且随着电解质过热度的增加,槽帮将变薄,这将降低槽寿命;此外,电解质过热度增大,铝液温度升高造成铝电解运行能耗增大,铝分子的反向扩散过程增强,这将对电流效率带来不利影响.而电解质过热度太低将引起冰晶石结晶析出过量而产生槽底部结壳.由于郑州龙祥铝业公司154kA侧部四点进电槽目前较为突出的是槽寿命偏短问题,据生产实践的观察,三场测试和材料破损原因的分析,有相当一部分槽出现边部发红,部分槽从人造伸腿处破损漏铝.通过测试与计算表明,电解槽电解质过热度偏高是主要原因之一.针对该厂实际,以适当降低过热度为宜,推荐为1215.6结论(1)电解质过热度对阴,阳极电流分布,铝液层电位差,铝液平均磁感应强度几乎无影响.(2)随着电解质过热度的增加,铝液层电流密度减小,而铝液最大流速和平均流速将有所增大.(3)针对龙祥铝业公司二期154kA槽目前较为突出的槽寿命偏短问题,作者认为,应适当降低电解质过热度,推荐为12-15.参考文献:1梅炽,游旺,王前