铝电解理论与实践对近代大型

PAGEPAGE22铝电解理论与实践对近代大型预焙槽的作用摘要：我国大型预焙槽当前电流效率不高和热稳定性较差，本文根据近代铝电解技术发展的理论与实践，分析了其存在的问题并提出解决的途径。关键词：适应性强，电流效率，单位热耗，侧部槽帮，槽壳温度，强制对流散热，减少内热，散热强度。前言我国已成为世界产铝大国，今年大型预焙槽的产能有可能超过400万吨，其中280-320KA的电解槽预计超过250万吨，就技术水平而言，用国际上最先进的标准衡量属中等偏上，但技术适应性很强。为了进一步提高我国铝电解技术水平，作者认为首先要实事求是的承认现实。在目前原材料市场供应不稳定的情况下，我们的问题是大型槽的单位面积产量较低，电流效率不够高，电解槽不能保持最佳的热平衡，在电解质比值较低时，电压摆动较为普遍，两层熔体界面处的炉帮和铝液以下的伸腿较薄，分子比越低，问题越严重，有时槽壳发红，与国际上大型电解槽开发初期电解槽侧部不结槽帮的现象有些类似，但没有发生大面积漏槽，主要是因为我国电解槽电流密度略低和分子比略高。近代铝电解理论与实践的发展为解决这些问题提供了丰富的经验，我们应该充分应用这些经验，迅速提高我国铝电解的技术水平。1．对我国大型铝电解槽技术的评价。作者将世界上的技术分为三类。见表1。第一类是高技术指标，他们电解槽的技术特点是：电流效率高95-96%、电耗低13000kwh/t、电压低4.1-4.15V、效应系数低0.03、单位面积的产量也比较高，但是需要很高的装备水平，在生产上对原材料要求严格，特别要求使用的原材料要保持长期一致或稳定。表1世界有代表性大型铝电解槽技术的三类特点第一类技术第二类技术第三类技术电流效率%直流电耗h/kg.Al槽工作电压V阳极电流密度A/cm2AlF3过剩量%ACDcm阴极炭块类别原材料质量:氧化铝阳极成本中劳动费用投资USD/t.Al94—9613.0—13.24.05—4.150.76—0.8213-13.5较高石墨质或石墨化(50-100%石墨)砂状并要求均匀一致对原材料质量要求高,阳极质量均匀一致高3500-45009313.6—13.84.15—4.220.7—0.738—10不高无烟煤半石墨质(6-10%石墨)什么样的氧化铝都能吃,-Al2O3含量过高,-44的粒子太多.什么样的阳极都能吃特低3-4%1500—180094%13.8—14.54.3—4.40.8—0.912—13高无烟煤半石墨质(10%或30%石墨)砂状好特高18-20%4000-5000因此，，与我国相比它的相对成本（不考虑价格因素）可能要高一些，所以，这样的技术用在电价非常低的地区，可以弥补投入高和原材料成本高的缺陷。第二类是中国技术，它的特点是中上等指标，电流效率93%左右、电耗约13600kwh/t左右、效应系数可以达到0.1、单位面积的产量比第一类约低10%，但是装备可以全部国产化，是目前世界上铝厂投资最低的国家，我国使用的原材料只要符合国内一般标准就能使用。这在我国电价十分昂贵的条件下，目前保持较低的电流密度是有利的。我国原铝成本相当于西方国家的平均值，所以，作者认为我国的铝电解技术是“适应性很强的铝电解实用技术”。但是也必须看到我们与国际先进水平的差距。第三类技术，其特点是单位面积的产量很高、电流效率也可以达到94%、但电耗较高14200kwh/t或更高，高电压4.3-4.4V、历史上建厂地点多在电价十分低的地区，但由于人工费用十分昂贵，所以，不得不尽量提高电解槽的电流密度，以提高劳动生产率，这样的电解槽一旦电价和工资上涨，成本就很难承受。关于电解质分子比与电流效率和热平衡的关系:提高电流效率到94-96%无疑是我们期待的指标。长期的实践已经证明对提高电流效率最有效的因素是较低的电解质初晶温度及过热度。Haupin[1]和Solli[2]都有经验公式可以验证。W.HaupinandH.Foorberg计算电流效率的公式如下[1]：%CE=100-0.67(PAl/Ic)Kmt-CLe(%Al2O3-3)-(100-Ms)/2.12ACDKmt=0.83-0.0022△T+0.00095△T2此为溶解金属的质量传递系数CLe=2-0.00025(100-Ms)2Leroy等人的扩张效应系数Ms=磁稳定性,从0至100,即从控制铝液层波动到铝液全平即为100T=Tb-Tl指液相线以上的过热度.他们使用上述数学模型就实际生产的13类电解槽进行计算，并将其结果与实际生产上获得的数据进行对比，在计算中使用的过热度为10℃，磁稳定设为50，结果表明，13类槽型中有8类计算与实际基本相同，有4类电流效率的误差为2%。Solli的公式[2]也是目前国际上广泛使用的公式。我们择录了邱竹贤院士统计的国内外1985年工业化预焙槽的电流效率数据，从表2中可以看出早年电解质分子比约为2.3，其电流效率92-93%，后来国际上开始大量推广2.0-2.2分子比时，电流效率升到94-95%，特别是添加锂盐1%的电解槽其电流效率或极距较高.焦作万方在添加不到1%的锂盐后极距有所提高，见图1。图1焦作万方280KA槽添加0.7%LiF的效果表2(择自QIUZHUXIAN邱竹贤Aluminium.74.01/1998.5)年槽电流分子比CaF2%Al2O3%LiF2%温度℃电效%Kwh/kg1985180KA2.353-945-9609213.61985180KA2.353-950-9609213.61987275KA2.253-950-9609313.61987280KA2.253-950-9609512.91992285KA2.252-31%95294.613.41995300KA2.252-31%9529513.4M.P.Taylor[3]讲课中出示了一张电解质初晶温度与过热度图，图2清楚说明：当初晶温度为945-955℃，电解质温度为955-965℃，即过热度为10℃条件下，才能取得最佳的电流效率和较好的槽帮和伸腿，此时的氟化铝过剩量约为11.8-13.6%（电解质分子比约在2.0左右），其电流效率也是最佳的。图2电解质初晶温度与过热度对电流效率的影响[3]综上所述，大量的生产实践表明只有电解质的初晶温度是在电解质含有CaF2为4-5%，AlF3过剩量11-13%和Al2O3含量1.5-2.5%的条件下，以及过热度在8--10℃时，94—96%的电流效率才有保证。而降低初晶温度要靠电解质成分，目前只有依靠分子比；降低过热度则要靠槽工作电压。见BarryWelch在我国讲课的两张图，图3-1和图3-2。这里需要提醒的是过剩氟化铝越高或分子比越低虽然可以取得很高的电流效率，但是随着分子比的降低，电解质的导电率却随之降低，影响热平衡。试想，如果在降低分子比的同时仍然保持原有的极图3-1过热度与槽电压的关系图3-2过热度与电流效率关系距，电解槽的内热必然增加，槽帮除了因电解质初晶温度的降低而减薄之外，还受到由于内热的增加而提高了过热度，从而又进一步使槽帮减薄。读者必须注意电解质的初晶温度主要取决于分子比（以及添加剂）；而电解质的温度则取决于输入功率或对电解槽而言主要指的是输入电压，无疑的电解质初晶温度越低和输入电压越低，过热度也越低。所以说，如果两者都不低，而电流效率却十分的高，那是解释不通的（见图2和3）。有关电解质导电率的公式见G.Choudhary等人的计算公式[4]。Ink（ohm-1cm-1）=2.0156-2068.4/T(k)+0.4349(NaF/AlF3wt.Ratio)-0.02070(wt%Al2O3)–0.005(wt%CaF2)–0.0166(wt%MaF2)+0.0178(wt%LiF)+0.007(wt%Li3AlF6)+0.0063(wt%NaCl)。这个公式显然表明，从提高极距或提高电解质的导电率出发，在铝电解实际生产上可行的添加剂只有LiF和Li3AlF6，MgF2添加剂在提高电解质表面张力和降低电解质温度方面要比CaF2的效果好，可惜，生产原料中，特别是氧化铝原料，本身含有的氧化钙足以使电解质中所含的CaF2达到了电解质允许的含量，这就是工业上不能大量添加MgF2的原因，但是在添加一定量的锂盐条件下，既有降低温度的效果，又有提高极距的作用。在这里不得不提醒的是由于我国氧化铝供应渠道的复杂性和质量的极为不一致性以及侧部槽帮很薄甚至没有的情况下，不得不采用中等分子比的电解质成分（2.4）,与上述≤2.0比较相差极大，所以，我国的电解铝厂能获得93%左右的电流效率已属不易。大型槽或强化电流的电解槽，都存在着槽帮薄和侧部槽壳温度过高现象。过去在使用160KA电流以下电解槽时，电解槽内衬破损常表现在槽底阴极炭块，而现在大于200KA以上的电解槽槽寿命突出表现在侧部漏槽上。我国的大型预焙槽几乎所有的电解槽只有上口槽帮、铝液界面处槽帮极薄、铝水以下则几乎没有伸腿，许多铝厂反映槽壳发红，被迫使用压缩空气吹发红的槽壳，以防止漏炉。国外90年代初投产的大型预焙槽，在投产的头5-6年出现过侧部严重漏槽的现象，用了近5-6年的时间将全部电解槽进行彻底改造，才得到很好的效果。值得特别提醒的是在低分子比的电解槽上，由于槽帮较薄，更容易产生漏槽，这一点必须引起重视。为什么会出现上述现象，主要是设计者对大型电解槽的特性及其热平衡的理论与实践没有充分的认识与研究，出现设计失误。4.大型预焙槽的热特性4．1．电解槽的容量与几何尺寸：随着电解槽容量的增大，单位安培的散热面积逐渐减小，侧部不结槽帮或无伸腿，不仅有漏槽的危险，而且影响了电解槽的正常生产，所以，请看看它们的关系。表3示出160—400KA四种电解槽单位槽膛容积与侧部单位表面积的关系，从表中可以看出200KA电解槽比160KA的电解槽单位体积的侧部表面积减少了6.33%；300KA比160KA减少了约16.9%;400KA比160KA减少了约28%。这里还没有包括上部和底部面积的减少。国外的资料也表明槽子越大单位输入能量(KA)的热损失面积越小，例如:100KA槽:上部+底部面积=0.18m2/KA,侧部面积=0.13m2/KA，250KA槽:上部+底部面积=0.10m2/KA,侧部面积=0.05m2/KA。国外的许多计算都表明有这种现象。这主要是多年来欧美各国在原有电解槽上不断强化电流以及近几年来大型槽出现后（250-320KA），侧部槽帮较薄和严重漏槽而引起的重视。表3四种电解槽单位槽膛容积与侧部单位表面积的关系

160KA200KA300KA400KA阳极尺寸cm66×14066×15066×16066×175阳极组数（数）242820（40）24（48）阳极总面积cm2221760277200422400554400阳极电流密度A/cm20.72150.72150.7100.7215槽膛深度hm0.550.550.550.55槽大面/小面mm280/380280/380280/380280/380槽中间加工缝mm180180180180端头侧壁宽度Wm3.5403.7403.9404.24大面侧壁宽度Lm9.12010.52014.74017.52S=2h（W+L）m225.32h28.52h37.36h43.52hV=WLhm332.285h39.35h58.08h74.28hS/V=m0.7740.7250.6430.556在2002年北京中国国际铝业研讨会上Mr。RossHaywood“论霍尔-埃鲁特电解槽侧壁的强制冷却”的报告，清楚的说明，当电解槽强化电流时，如不将槽壳进行强制冷却，则侧部槽帮是极薄的。4．2．单位热损失的概念。早在50年代沈时英先生推导的公式既简明又实用：V工作=a总n+a热耗+V体外V工作=电解槽工作电压a总=分解所必须的总能耗电压n=电流效率a热耗=Q热耗/I,补偿热损失所耗电压V体外=体外电压降(母线)a热耗=V工作-1.639η-0.682 最近看到国外应用的热平衡公式基本与沈时英一样：Q=I（U-1.649η-0.48-R体外I)当R体外I=0.2V时，Q/I=U-1.649η-0.48-0.2=U-1.649η-0.68

(Q=热损;U=槽工作电压;η=电流效率;R体外=体外电压(母线))这里说明无论电解槽的电流有多大,只要设计采用的电流效率和槽工作电压是一样的,则每单位电流的(I或KA)热损失(Q/I=a热耗)都是一个常数。但是别忘了槽子的容量越大，单位输入能量(KA)的热损失面积越小。也就是说，当槽子的电流增大时，虽然a热耗没有变，但单位表面积的散热强度或散热量（heatflux）却大幅度的增加（见图4），此时，槽壳表面温度必然会升高，实践与理论计算表明，槽壳表面积温度越高，槽内槽帮和伸腿就越薄，所以，电流越大，如无相应措施，还要追求低分子比和高电流效率，必然会出现槽帮薄和无伸腿的现象，这是目前200-320KA电解槽普遍存在的问题，也是近年来国际上密切关注与研究的课题。M.P.Taylol[3]对180KA电解槽强化到220KA进行了调查，槽帮与伸腿的变化情况见图5，从图可以看出当电流上升到220KA时槽壳温度变高，槽帮与伸腿变薄。图4Simonsen研究指出1983年由于电解槽容量较小，单位散热强度只有6000W，到了2003年由于槽容量的增大上升到12000W[3]图5180KA槽在180KA时，槽帮很厚，槽壳温度250℃，当强化到220KA时，两层熔体界面处的槽帮几乎化光，槽壳温度上升到400℃[3]4．3．槽壳表面温度、散热强度、槽壳结构与侧部槽帮和伸腿之间的关系许多研究者发现槽壳温度与周围气温之间有着密切的关系。但在正常运行条件下没有发现槽壳的总热流量与周围气温之间有什么联系。当槽壳实施强制冷却时，发现热流量与侧部槽帮厚度是受槽壳温度而影响的。有的工厂将槽壳温度降低一半，发现侧部槽帮的厚度增加了几cm。关于侧部槽帮厚度的计算公式。 =[-/（-）--]（1）式（1）示出侧部槽帮的厚度取决于过热度，电解质与侧部槽帮之间热传递系数，内衬热阻，周围环境温度以及槽壳的热传导系数。环境温度对侧部槽帮的厚度是有些影响的。这里必须重温热量传递的三种基本方式，即传导、对流和辐射，在固体的部，热量的传递只能以传导的方式进行；流体与壁面之间的传热则同时包括对流与传导，称为对流给热过程，一般简称为给热工程。对于高温壁面或流体来说，还有热辐射。大量的研究表明槽壳的热损失总量只取决于输入的能量，在电流不变的条件下，只取决于槽电压。因此，只要周围的环境不变，则槽壳各部位的热损失都会以传导、对流和辐射的形式将槽内的热量传递出去，这仅仅是槽壳上下各部位散热比例的再分配，其总量是不变的。从研究辐射和自然对流的热传导系数与槽壁温度的关系中获知，自然对流热传导系数随着槽壁温度的提高而略微增加；但辐射的热传导系数则随着槽壁温度的提高而增加较快，例如槽壁从150℃提高到350℃时辐射的热传导系数几乎增加一倍。320KA电解槽槽壳上部局部温度高达350℃以上，所以槽壳的热损失大量的是以辐射的形式将热量传递出去。当研究湍流强制对流、层流强制对流和自然对流时发现，Nu准数与槽壁流动空气速度之间有着密切的函数关系，随着流动空气速度的增加，Nu准数随之增大，此时，Nu准数越大，则以强制对流散失热量就越大，这就是最近几年来有些铝厂强调采用强制通风的办法来增加侧部结壳厚度以防止侧部漏炉的主要原因。这里需要提醒的一点，即热流量的增加是由于在被冷却部位热传导的阻力降低（hshell的增加），而电解槽的热损失进行重新分配。但是，因为电压保持不变，所以电解槽的总热损失没有增加。有些铝厂在大型电解槽槽壳（沿板以下）的摇篮架之间焊接了散热片,模拟计算与实测结果表明，散热片并没有增加总的热流量，而是使槽壳的温度进行再分配，从而降低某些部位的温度，特别是降低了局部过热的槽壳温度，减少了槽壳因受温度影响而产生的蠕变变形。另外，在槽壳极为不利和铝液强力冲击侧壁的条件下，增加散热片无疑将增大有效的辐射面积和提供了稳定的对流条件，为此，槽壳温度的降低，对增加槽帮厚度是有利的。实践表明当采用强力冷却(例如采用压缩空气)槽壳侧壁并增加那里的热流量时，槽壳温度就会降低。如将槽壳的温度从350℃降低约200℃。由于槽壳温度的降低，相应热传导系数约增加一倍，此时，热流量约增加1/5。这里，必须提醒的一点，到底强力冷却或强力通风在工业上实施的可能性。如果认真的研究一下奴塞耳准数Nu与强制通风的风速就可以发现，将槽壳温度从300℃降低到150℃，需要的奴塞耳准数Nu就要大于2000，而Nu准数大于2000时，与其相关的自然气流速度应等于30m/s。这在工业上是做不到的。因此最大可能存在的事实是经由槽壳表面流动的自然气流速度约为5m/s，与其相应的Nu也只有500。由此可见，一般的通风条件对槽壳温度的影响作用不显著的。有的铝厂提出采取强制冷却的办法，其风速多大？工业上如何实施？值得探讨。看来比较现实的手段是：除尽量加大厂房通风条件和将槽壳置于二层楼板以下之外，应在槽壳结构上为均化槽壳温度防止局部过热创造条件是十分需要的，作者认为在槽壳适当的位置上增加散热片和在沿板上留出通风渠道（避免双围带），可以缓解或降低槽壳的局部过热温度，这对略微增加槽帮厚度和减少槽壳变形是有作用的。5．设计参数(包括采用的材料类别)与操作技术条件对电解槽理想热平衡的影响。本文所指的“理想热平衡”是指一种效率较高、电耗较低和槽膛规整的热平衡。为了清楚的认识设计参数与操作技术条件对电解槽热平衡的影响，本文从网上获悉并引用了MARCDUPUIS[5]关于300KA、400KA和500KA电解槽的热电模型，虽然有些数据选用的不一定恰当,例如电流效率、过热度等等。但大部分数据从趋势分析是比较合乎道理的，从中可以看出设计参数与操作技术条件的作用。从表4可以看出，MARCDUPUIS在设计400和500KA大型槽时，注意了大型槽随着电流强度的增大而散热面积减少的特征，其中特别是侧部槽帮的急剧减薄。因此，在设计中除加强侧部槽壳的散热条件外，一方面要尽量提高电解槽顶部的散热强度，另一方面则设法降低槽内发生的热量即内热。表4MARCDUPUIS利用自己开发的Dyna/Marc1.7设计的400和500KA电解槽[5]300KA400KA500KA阳极数323640阳极尺寸1.6×0.81.7×0.81.95×0.8阳极电流密度A/cm20.7320.8170.801钢爪数334钢爪直径cm181917.5阳极覆盖厚度cm161010阴极炭块种类HC3(含石墨30%)HC10HC10侧部材料种类HC3SiCSiCASDcm353030ACDcm544AlF3%过剩量%10.913.513.5阳极电压降mv306335320阴极电压降mv290301312阳极表面热损失kw239(0.797V)311(0.775V)394(0.788V)阴极底部热损失kw166(0.553V)193(0.4825V)238(0.476V)电解槽运行温度℃973.3962.7963.4过热度℃6.89.09.7电解质伸腿厚度cm7.615.113.44金属铝液槽帮厚度cm2.790.830.17电流效率%9496.095.9槽内部产生的热量kw628(2.0933V)825(2.0625)1019(2.038)直流电耗kwh/kg13.7513.4913.39（）是作者换算数据5.1加强散热的措施：从300KA到400KA的钢爪直径由18cm增加到19cm，到500KA时又由3爪改为4爪；300KA槽采用的是低导热率的HC3（13W/m°K）阴极炭块，到400KA和500KA时改为高导热率的HC10（27W/m°K）阴极炭块；300KA槽采用的是低导热率的HC3侧部炭块，到400KA和500KA时改为高导热率的SiC侧块；阳极的覆盖层在300KA时采用16cm，到400和500KA时降低到10cm。5.2减少内热措施：钢爪直径或数量的增加，即降低电流密度，必然降低了内热；将阴极炭块由低导电率的HC3（30Ω.m）改用高导电率的HC10(18Ω.m）,无疑也减少了内热;将300KA时采用5cm极距降低到400KA和500KA时的4cm；电流效率的提高也是减少内热的措施之一;总的内热从300KA到400KA再到500KA分别由2.0933V降低到2.0625V和2.038V。开发我国自己的热电数学模型是非常必要的，GAMI正在进行此项课题的研究。我国铝电解槽的单位面积产铝量比国际上先进的约低10%-15%，比北美约低了20%。虽然我国电解槽的投资比这两类电解槽低得多，投入产出的效益还是较好的。但既然别人能作到的为什么我们不挖掘这个潜力呢？然而提高阴阳极电流密度也并非是一件容易的事情。简单的提高电流密度只会引起能量效率的降低和生产的恶化。因此，必须使用热--电模型改变有关参数来实现合理的增加产能，同时在模拟中发现参数之间的矛盾时，还可以及时调整或在实践中调整以适应新的能量分配或热平衡。在此重温热平衡的方程式是十分必要的。无论多大电流的电解槽,只要槽电压和电流效率同等,则单位安培的热损失就是一个常数或定数，要想取得较抵的电耗必须降低单位安培的热损失，而单位安培的热损失又取决于电流效率与输入电压，与此同时，还要调整内热。在这里必须强调的就是阴极底块与结构选择的重要性。设计者在设计大型槽时，随着电解容量的增大只知道增加阴极炭块的数量，不注意设法降低阴极底部的电压降，特别是为了订货和施工方便，我国的大小电解槽统一使用了一种规格的阴极钢棒和一类炭块，还一直沿用粘结糊连接阴极钢棒与炭块，现在已经发现由于选择不当，电解槽不可能处于最佳的热平衡状态，更不能发充分挥提高阳极电流密度的潜力，为此，铝厂业主和设计者为了进一步提高电解槽的阴阳极电流密度，不仅应选择含石墨高或石墨质（石墨化）的阴极炭块，在施工中还应该研究挤缝技术，增大导电面积；而且还应该使用大截面的阴极棒和改进连接方法和连接材料。最后不要忘记烟管温度或流速对热平衡的影响，新西兰大学的Gadd和Welch研究了电解槽烟气在烟道中流速对热平衡的影响时指出，烟道温度减低20℃，烟道的热损失增加40kw，相当于17%。更不要忘记电解质覆盖料的粒度和厚度对电解槽上表面热损失的作用。电解槽的（磁）稳定性是当今铝业界十分关注的问题。电解槽的不稳定性的表现之一是电压摆动。目前有两种不稳定性被人关注，一是磁流体动力（MHD）的不稳定性，一种是操作和下料制度引起的不稳定性。前者国际上使用求解电解槽小扰动磁流体系统的特征值即可分析稳定性，评价时使用最大扰动增长率，扰动的增长率越小电解槽越稳定。第二种不稳定性一般称为“躁声”，它是操作或下料制度不当引起的，特别是在更换阳极、出铝等作业和在酸性电解质条件下，如果下料不当更会引起界面波动，它的评定值是微欧姆或纳米欧姆。关于稳定性的研究，GAMI近年来开展了一系列，在工业上应用取得了一定的效果。根据Helmholtz定理：假如在有限的区域内，矢量场的散度和旋度处处已知，则矢量场可以唯一确定。对于散度和旋度都不恒等于零的场，可以认为是无旋场和无散场的叠加，因此同时存在标量位u及矢量位A，场F便为和之和，即：其中的散度表示标量源密度，旋度表示矢量源密度（或旋向通量）。对于铝电解槽内的磁流体流动，我们可以用Navier-Stocks方程予以描述，即：（1）另外连续方程为：（2）式中P为热压力，h为电解质层高度，v为铝液速度，g为重力加速度，z为高度，J为电流密度，B为磁感应强度，η为粘滞系数。式（1）表示的是流速与流体中各种力场间的关系，我们也可以将流速场分解为一个无旋有散场和一个无散有旋场的叠加。即可将上式分解为散度和旋度两个部分。散度：（3）此式表明了铝液高度与热压力，重力及电流密度的关系。如令ζ为铝液高度的变形量，则电解质层的高度变为：h+ζ。代入式中，则：（4）式中Jo为垂直方向的电流密度。上式表示的是熔体的变形量与电流密度的关系，这一变形是在Z方向上的，而熔体内的电流密度是造成此变形的标量源，是层状的，无旋也无散。由（4）式我们可以推导出变形过程的角频率ωf，从而计算出磁流体的不稳定性，即磁重力不稳定性（Magneto-gravitationalstability）。旋度：（5）这里表明电磁力场与磁流体旋转运动的关系。又：∵ω为角速度，则上式可表示为：（6）可写为（7）即旋转角速度与电磁力场旋度的关系。这时磁流体是在绕z轴旋转的，而电磁力场是造成其旋转的矢量源，是旋状的，有旋。由（7）式我们也可以计算出磁流体的另外一种不稳定性，即：磁流动不稳定性（Magneto-flowstability）。又对于铝电解槽内：（8）由于电解槽结构因素的作用，槽系列电流J的绝大部分沿Z轴分布，且不受操作因素、扰动因素的影响。即可以近似的认为：一旦设计方案定型后，JZ、和便已确定，不再发生变化。所以，从量值上说，式（7）中ω由以下几个因素所决定：磁感应强度的垂直分量BZ，及其水平方向的梯度值和；磁感应强度的水平分量BY，及其Y方向的梯度值；电流密度的水平分量JX，及其X方向的梯度值；4)电流密度的水平分量JY，及其Y方向的梯度值；以上说明只要平均垂直磁场较小和磁场的梯度很小或对称，则电解槽的MHD稳定性必然最佳。作者在国内首先提出电解槽几何尺寸（指阳极总面积的几何尺寸）对稳定性的影响，从表5可以看出我院设计的工业化系列的GY320的阳极总面积长宽比为4.33比西方铝厂（3）的4.46小，但与MARCDUPUIS-400KA和500KA槽子比较,其长度略为长了一些，如将阳极尺寸改为1.6×0.8m，其稳定性可能更好。MARCDUPUIS在对500KA槽的磁场模拟计算中,也提到500KA的稳定性是否最好,还要对电解槽长宽比进行校正,说明国际上在开发大型电解槽时也注意了这个问题。表5几种电解槽总阳极面积长宽比的比较

GP-320GY-320Dupuis-300KA西方铝厂（2）-320KA西方铝厂（3）-320KADupuis--400KADupuis-500KA电流KA320320300320320400500阳极长mm1450160016001625150017001950阳极宽mm660700800730650800800阳极数2×244032322×203640阳极总面积L×W16760×308014760×33801340×33801212×34001376×308015080×375016760×4250阳极长宽比值L/W5.444.334.03.564.464.023.94GAMI对350KA电解槽采用三种不同阳极尺寸长宽比变化而引起的不稳定性进行了计算，其结果见表6。表6一方面表明随着阳极电流密度的减小，电解槽稳定性增加，但是电流密度并非唯一的影响因素，从第一、第三种的情况分析,虽然第三种阳极电流密度大于第一种，但是由于第三种电解槽长宽比比第一种合理,所以稳定性优于第一种。贵阳铝镁设计研究院的研究员对350KA电解槽采用不同母线配置所模拟得到的结果表明，不同的母线配置对稳定性的影响较大。稳定性计算结果见图6。第二种不稳定性是属于操作引起的不稳定性，目前在国内铝厂中司空见惯，实际上，这种不稳定是较容易解决的，因为它来自于不规表6三种不同阳极尺寸和数量对稳定性的影响阳极尺寸mm阳极个数阳极电流密度最大扰动增长率第一种1450×660480.7620.0158l/s第二种1550×660480.7130.00556l/s第三种1550×660440.7780.0103l/s图6三种母线配置对稳定性的影响范的操作，一旦在操作上进入自由王国，电压摆动的现象就会消失。焦作万方280KA电解槽在生产初期的一段时间里，槽电压较高，电压也经常发现摆动，由于工艺制度的改进和操作的规范化（包括采用先进的与生产密切结合的计算机控制系统），槽电压已由生产初期的4.2V降低到近两年的4.14-4.15V,而且电压摆动的现象几乎消失,说明管理和操作的重要性。从图7可以清楚的看到，针摆现象基本消失（本图只表示到2002年9月，目前情况更好）。澳洲玻特兰铝厂采用320KA预焙槽，由于电压摆动，后对母线进行了改进，同时对阳极更换的顺序进行试验并改进下料制度，找到了合适的且不产生振摆的操作程序，槽工作电压由原来的4.43V降低到4.28V，躁声或振摆由0.34Ω降低到0.23Ω[6]。图7焦作万方铝业280KA槽针摆现象消失的趋势7．关于石墨化或石墨质阴极炭块的选用最近几年国际上越来越多的铝厂为了降低电耗和槽底电压降并同时相应提高电流并防止侧部漏槽，开始广泛的采用了石墨化和石墨质的阴极炭块。已经证明在电解槽生产过程中，采用石墨化（石墨质）的炭块在降低电压降和稳定生产方面都优于无烟煤和半石墨质阴极炭块。石墨具有超越的导电性，传热性和化学稳定定性，但是与无烟煤相比机械强度较低和耐磨性能较差。因此，在国际上正在密切注意和解决中。在研究和使用中有几点意见值得注意：国际上大部分阴极炭块制造商使用真空挤压成型，但也有使用真空震动成型的，例如加铝等就生产震动成型的阴极炭块，有的研究单位从检验若干个不同厂商生产的两种不同成型炭块（其中有1种是震动成型）的真比重、焙烧比重、比电阻、导热率、热膨胀系数和机械强度来看，不仅差别不大，而且石墨质的真比重最高，比电阻和热膨胀系数也较低。石墨质的炭块由于不再经过石墨化，所以成本低，国际上有趋势用石墨质代替石墨化，因为从热膨胀系数、耐磨性或机械强度来讲，石墨质优于石墨化；但真比重、比电阻和导热率均比石墨化差。结论是石墨质炭块具有略高的机械性能，而石墨化的则具有较低的比电阻和十分高的导热率。对于石墨化阴极炭块来讲，热膨胀系数与真比重，机械性能之间有着密切的关系；但对于石墨质炭块这种关系不甚明显。有的生产厂商认为，无论什么石墨炭块，只要经过沥青浸渍、再焙烧，其比电阻都会得到较大幅度的改善，耐磨性提高很多，特别是全石墨质的炭块，更为明显。有的厂商生产证明石墨化的温度2400℃就足够了，其比电阻和耐磨性不比2800℃以上的差多少。20年前，我国在引进日本的半石墨阴极炭块时，供货商提供的产品就是只经过2300℃石墨化的炭块，当时供货商称为半石墨化炭块。既然我们选择炭块的目的是为了降低电解槽的内热和希望帮助将多余的热量散出去，还要求热膨胀系数越小越好，同时，还要兼顾机械强度和价格，所以全面比较是必要的。结论我国的铝电解槽适应性很强，但电流效率和单位面积的产量较低。提高电流效率的重要手段应从改善电解质成分入手，低分子比和添加适量的锂盐有助于提高效率。先进的控制技术是保证提高电流效率和降低极距的重要工具。随着电解槽容量或电流的不断增大，在输入能量和电流效率不变的情况下，虽然单位安培的热损失不变，但电解槽的散热面积却急剧的减小，也就是随着电解槽容量或电流的不断增大，要求电解槽单位面积的散热强度要增加。随着电解槽容量或电流的不断增大，在槽周围环境不变的条件下，槽壳温度升高，内部（或侧部）结壳减薄，甚至无伸腿，给电解槽早期从侧部漏炉