【毕业学位论文】铝电解槽阴极母线熔断过程仿真研究-冶金科学与工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论 文 题 目 : 铝电解槽阴极母线熔断过程仿真研究 研 究 生 姓 名 : 王荣铸 学 科、专 业 : 冶金工程 学院（系、所） : 冶金科学与工程学院 指 导 老 师 : 李 劼（教授、博导） 分类号 密级 工程硕士学位论文 铝电解槽阴极母线熔断过程仿真研究 者姓名： 王荣铸 学科专业： 冶金工程 学院 （系、 所） ： 冶金科学与工程学院 指导教师： 李劼（教授、博导） 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 年 月 工程硕士学位论文 摘 要 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 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 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 (558同系列槽的实测值 (560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 he of in to On of of as of to in in as (1) of to of in (2) of 558to of in 560 of in to is a So to be (3) of of on is to of on is (4) be 程硕士学位论文 to of in of at By of 工程硕士学位论文 目 录 录 摘 要 . I . 一章 绪 论 .电解工业概况 . 现代铝电解工业简介 . 我国铝电解工业发展现状 . 铝电解工业技术展望 .文的研究内容和意义 . 研究背景和意义 . 本文研究的主要内容 .二章 铝电解槽物理场仿真研究进展 .述 .电解槽电热场仿真技术的研究进展 . 电场仿真技术的研究进展 . 热场仿真技术的研究进展 . 电热场耦合仿真技术的研究进展 .电解槽电磁场仿真技术的研究进展 . 铝电解槽磁场概述 . 电磁场耦合仿真技术 .章小结 .三章 阴极母线熔断事故分析与仿真建模 .故描述及事故原因分析 . 母线熔断及断口情况 . 事故发生前的槽电压记录及分析 . 事故现场当班人员口述情况 . 事故原因的初步推定 .极母线电热耦合计算的数值仿真模型 . 单条母线的实体模型 . 母线电热场的控制方程 . 边界条件 .章小结 .程硕士学位论文 目 录 阴极母线电热平衡过程数值仿真研究 .常阴极母线电热平衡过程仿真 . 正常阴极母线的测试结果 . 正常母线的模拟结果 . 正常母线计算结果分析 .空洞的阴极母线电热平衡过程仿真 . 基准条件下的仿真结果 . 母线电流的影响 . 换热系数的影响 . 环境温度的影响 . 母线载流量对平衡电压与最高温度的影响 .章小结 .五章 母线熔断过程仿真分析 .电和恢复供电过程中的母线温度变化 .复供电后体系电热平衡状况仿真分析 . 三槽导电体系物理模型 . 三槽导电体系达到电热平衡时的计算结果及分析 . 前大面出现裂纹时的计算结果及分析 .一阶段电压升高过程仿真分析 .大面母线出现裂纹时导电系统的电流电压分布 .二阶段电压升高过程仿真分析 .章小结 .六章 母线所受电磁力的估计 .线周围电磁场的测试结果 .线电磁力的估计 .章小结 .七章 全文总结 .要结论 .要创新点 .点建议 .考文献 . 谢 .读学位期间的主要研究成果 .程硕士学位论文 第一章 绪 论 1第一章 绪 论 电解工业概况 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1，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 3100 万吨2，而在我国 2007 年底的原铝产量达到 1050 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（ 增长3，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 300 万吨 /年。 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。 1886年，美国的霍尔（ 法国的埃鲁特（ 约而同地提出了利用冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝的专利。 霍尔埃鲁特电解铝法，即冰晶石氧化铝熔盐电解法。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，电解槽的容量已发展到 320上，最大的容量已达到 500，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 350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 解槽，槽长度为 18m，电流 500日产量 3825，阳极效应为 /（槽天） 。 工程硕士学位论文 第一章 绪 论 2在最近 20 年内，国内外工业预焙阳极铝电解槽的电流增大显著。图 1近 50 年铝电解槽电流强度增大趋势。 法国彼施涅公司于 2001 年公布了新近研制的 500 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。表 1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 15%，生产费用可降低 10%。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。 图 1 50 年间铝电槽电流强度的变化趋势6 表 180 列、 300 列与 500 列的比较7180列 300列 500列 系列数 /槽数 3/720 2/756 1/336 电流 / 90 320 460 生产能力 /80 500 460 产铝量 /t(a人 )50 550 750 投资费 /美元 500 4000 3400 建设时间 /月 30 30 24 生产投入时间 /月 18 12 8 目前，国际上电流效率最高的电解槽当属 加拿大魁北克兴建的电流强度/ 第一章 绪 论 3325解槽系列，该电解槽系列年平均电流效率为 96%，电 耗 阳极净耗 论值 8。世界上最大的 500解槽 18m，宽 5m，阳极电流密度 流效率 95%，而我国同类型的 300解槽的电流效率一般在 93%左右，槽系列年平均电流效率很难突破 94%，对于其它类型的大型预焙阳极 右。值得重视的是，德国易北铝厂（ 续研究连续预焙阳极，电流达到 129产铝量 7 万吨，经过不断技术改进后，每 耗电量可望降低到 1011极消耗量也将有明显减少9。对未来铝电解技术的发展，国际知名冶金专家和学者 言， 2020 年以前，电解槽的电流强度将达到 500600电压为 ，97%，直流电耗将减少到 电解槽的平均寿命可达3000 天2。 国铝电解工业发展现状 我国的原铝产量从 1990 年到 2006 年从 吨增加到 920 多万吨，增长近 10 倍。而在 1998 年到 2006 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2006 底，国内建成投产的电解铝厂已有近 150 个，比 1998 年底的 75 个增加了一倍， 平均每年增加 8 个； 2006 电解铝产量实际达到 920 万吨， 比 1998 年的 244万吨增长了 277%，年均增长约 31%。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。 图 1990 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 16% 17%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 2006 年，中国铝消费量会占到世界1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 20060100200300400500600700800 原铝消 费铝产量、铝消费量/万吨年份工程硕士学位论文 第一章 绪 论 4铝消费总量的 23%3。图 1 1990 年以来中国电解铝的生产和消费情况10。 我国现在已成为世界铝大国，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 1500 天左右，而世界的先进水平已达到 2500 3000 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11。目前我国 160180电解槽大修费在 70 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 160200型仍占预焙槽的多数，并且仍有少部分自焙槽在生产11。目前，国外大型预焙槽电流强度已达到 500内为 350 （ 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12。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 95%以上。相比之下，我国铝电解槽平均电流效率除少数185 200解槽系列能达到 92 94%之外， 大多数电解槽的电流效率只在 89 91%（按整流效率 98%核算）左右； （ 3）铝电解生产的直流电耗偏高，与国外相比相差 10003。目前，国外直流电耗已降到 13000下，我国某些大型预焙槽的直流电耗达到 13300 13500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 2500 3000天，而我国电解槽平均寿命为 1400 天左右，约为国外槽平均寿命的一半左右13； （ 5）大部分铝电解槽阳极长期在低于 于国外运行电流密度 1。相比之下，我国同类型槽有增大 12 15%电流密度、提高 12 15%生产率和降低成本 300 350 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 460500kg/国外仅在 410右14。 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， 2006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 ，使我国在竞争中更加处于工程硕士学位论文 第一章 绪 论 5不利的地位。国际电解铝企业的平均成本不足 12000 元 /吨，而我国电解铝企业目前在 16000 元 /吨的价格水平上仍有 80%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 1995 年的 16600降到 2004 年的 14683较世界先进水平 14100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 。 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，都取得了引人注目的进步，表 1铝电解工艺近 50 年来取得的成就。 表 1电解工艺 50 年来取得的进展15指 标 1950 年 1970 年 1990 年 2000 年 2005 年 电流强度 /0 150 280 330 500 劳动力消耗 /人 h(1 50 12 7 阳极效应频率 /次 (槽 天 ) 2 氟化物散发量 /1 解槽寿命 /天 900 1300 2800 3000 3000 直流电耗 /kW h (1 20000 15500 13200 13100 13000 电流效率 /% 85 89 95 6 100 多年来，铝电解槽的尺寸越来越大，现在世界上已经建立 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100 多年的生产实践，在电解铝的吨铝能耗方面，最先进的霍尔埃鲁特电解槽的吨铝能耗已降到 13000右16。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16。 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势6。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 940 960内，每降低温度 10，大约提高电流效率 1 吨铝节电 160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 6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17。 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 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18 （ 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 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 75%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16,21。 （ 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 长槽使用寿命19,20,23。 （ 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 950 970降低到 800 850，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24。 文的研究内容和意义 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。 工程硕士学位论文 第一章 绪 论 7汉江集团丹江口铝业有限公司的电解一车间 列铝电解槽 , 是于1997 年引进德国托根（ 厂的电解槽设备和技术。 2007 年 4 月 17日凌晨电解一车间 207#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。 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 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 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。 工程硕士学位论文 第二章 铝电解槽物理场仿真研究进展 8第二章 铝电解槽物理场仿真研究进展 述 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也是物理场耦合仿真研究的主要内容。 图 2电解槽物理场之间的关系 正如图 2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、能量消耗和槽作用 热膨胀 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 阳极气体 电流分布 物料与能量平衡 阳极效应 属溶解、熔体侵蚀流动 铝液运动电解质运动 电磁力分布 磁场分布 波动 铝液层厚度 流速电磁 效 应电流效率、直流电耗、槽寿命槽膛内形温度分布热稳定性 热流分布冲刷对流界面 热效应相变传热电压降分布应力分布 启动方式 热变形 工程硕士学位论文 第二章 铝电解槽物理场仿真研究进展 9寿命等。 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。 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“ 24和“ 25。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