【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 y 分量第一象限絕對(duì)值的平均值： y 分量第二象限絕對(duì)值的平均值： y分量第三象限絕對(duì)值的平均值： y分量第四象限絕對(duì)值的平均值： 磁感應(yīng)強(qiáng)度 y 分量最大值為： ：位于 x， y=， SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 13 SY300 電解槽母線優(yōu)化設(shè)計(jì) 母線的配置不能只考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度問題，還要考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性、操作性問題。獲得同樣效果的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布可能有多種的母線配置，其中有些母線配置需要較多的鋁用量 ,難以滿足經(jīng)濟(jì)性要求；有些母線配置難以滿足安全性要求；有些母線配置會(huì)妨礙 電解槽的日常作業(yè)；有些母線配置難以滿足短路時(shí)的電平衡等要求；這其中最重要、最復(fù)雜的問題是母線用量的經(jīng)濟(jì)性問題。結(jié)合已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗(yàn)，形成了一套行之有效的設(shè)計(jì)模式。母線優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如下。 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 14 母線優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖 否 是 否 是 否 Y ? N N Y 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果 電解槽基礎(chǔ)參數(shù) 母線電流 鐵磁物質(zhì) 調(diào)整母線 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布 ? ?J B? 電磁力 磁流體穩(wěn)定性分析 調(diào)整母線 流速、界面變形、界面波動(dòng) 母線經(jīng)濟(jì)性分析 調(diào)整母線 母線配置方案 是? ? ? N Y SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 15 為了補(bǔ)償相鄰列槽的磁感應(yīng)強(qiáng)度，母線采用了不對(duì)稱配置。 SY300電解槽熔體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)于 x、 y 軸反對(duì)稱，數(shù)值普遍較小，最大值為 179。 104特斯拉。四個(gè)象限垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值的平均值分別為 179。 104特斯拉、 179。 104特斯拉、 179。 104特斯拉和 179。 104特斯拉，比較接近，說明垂直分布均勻。反映到熔體的流動(dòng)場(chǎng)上， SY300電解槽的流動(dòng)形狀對(duì)稱性較好，流速的最大值為 15 cm/s。從總體上分析， SY300槽的母線設(shè)計(jì)具有良好的磁穩(wěn)定性。 SY300電解槽陰極母線總重約為 t，電流分布均勻，陰極鋼棒電流最大相對(duì)偏差小于 %，滿足設(shè)計(jì)要求。短路口設(shè)在操作平面以上，操作方便，又不妨礙電解槽的其他作業(yè)。 SY300 電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析方法 長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐及理論分 析認(rèn)為，電解槽內(nèi)熔體的流動(dòng)除了有利于氧化鋁的溶解和擴(kuò)散之外，對(duì)電解槽沒有其他益處。相反，過快的流速會(huì)導(dǎo)致爐幫不規(guī)整，造成電解槽生產(chǎn)不穩(wěn)定?，F(xiàn)代電解槽設(shè)計(jì)理論要求鋁液的流速越小越好；鋁液 /電解質(zhì)界面越平越穩(wěn)定越好；熔體的流動(dòng)呈軸對(duì)稱，至少要關(guān)于長(zhǎng)軸對(duì)稱，以免造成不規(guī)整的爐幫形狀。 SY300 電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析采用磁流體模型進(jìn)行數(shù)值仿真。該方法可以分析熔體的流動(dòng)狀態(tài)，如流速大小、流動(dòng)方向、界面變形和界面波動(dòng)等。 磁流體數(shù)值仿真法 SY300 采用了磁流體數(shù)值仿真法來分析其磁流體的穩(wěn)定性。在 電解槽中，由電磁力引起的熔體流動(dòng)可用 NavierStokes 方程描述 ,在鋁液和電解質(zhì)層均有 VνPρ 1gρ 1VVtV ????? ?????????? (1) SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 16 式中 V 為流速、 P 為壓力、 g 為重力加速度、ρ為密度、ν為動(dòng)力粘度系數(shù)。 按照電解槽的幾何形狀以三維暫態(tài)方式求解式 (1)不但可以求解出熔體的流動(dòng)狀態(tài)和界面變形 ,而且還可以分析各種干擾因素如換極、出鋁、沉淀、電流波動(dòng)等對(duì)界面的擾動(dòng) ,考察界面的穩(wěn)定性。采用這種方法進(jìn)行磁流體分析十分復(fù)雜。 更通常的做法是對(duì)式 (1)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化 ,首先去掉暫態(tài)頂 ,把問題簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的 。然后 再根據(jù)熔體幾何形狀的特征 ,把問題簡(jiǎn)化成平面的 ,以著重分析熔體的水平流動(dòng)和界面靜態(tài)變形；也就是求解二維穩(wěn)態(tài)NavierStokes 方程。為了在模型中能表示熔體在厚度方向的能量傳遞，進(jìn)行了不同程度簡(jiǎn)化處理。這些簡(jiǎn)化使磁流體的分析變得簡(jiǎn)單 ,很容易研究不同母線配置所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)的影響。但是另一方面這些簡(jiǎn)化也使得這種方法失去了分析界面波動(dòng)的能力。為此，必須建立專門用于分析界面波動(dòng)的模型以做為補(bǔ)充。也就是說求解二維穩(wěn)態(tài)NavierStokes 方程和界面波動(dòng)方程 ,同樣可得到熔體流速分布 ,界面靜態(tài)變形以及界面 波動(dòng)狀態(tài) ,這種方法上世紀(jì)八十年代開始在國(guó)外比較流 行。 SY300 磁流體穩(wěn)定分析就采用這種方式的計(jì)算。流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算軟件和波動(dòng)場(chǎng)分析軟件是與國(guó)內(nèi)知名大學(xué)合作開發(fā)的，特別是波動(dòng)分析軟件是國(guó)內(nèi)所特有的。 磁流體穩(wěn)定分析法的驗(yàn)證 八十年代末 ,曾經(jīng)全面應(yīng)用磁流體穩(wěn)定性分析方法指導(dǎo)了 280 kA試驗(yàn)槽的母線設(shè)計(jì)。試驗(yàn)槽運(yùn)行表明了該槽的總體設(shè)計(jì)是成功的，但測(cè)試結(jié)果也顯示了母線設(shè)計(jì)還不完善，主要表現(xiàn)在實(shí)測(cè)的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度過SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 17 大，鋁液流速過快。如前所述，磁感應(yīng)強(qiáng)度偏差過大是由當(dāng)時(shí)計(jì)算軟件所引起的，采用該軟件計(jì)算的磁 感應(yīng)強(qiáng)度來進(jìn)行流動(dòng)性分析實(shí)際上已失去了指導(dǎo)意義，其計(jì)算結(jié)果也難以用測(cè)量結(jié)果來評(píng)判。類似的情況顯然也存在于早期設(shè)計(jì)的其他大型預(yù)焙槽中。下表列出了國(guó)內(nèi)幾種槽型鋁液流速的設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)值，從中可知：早期國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的大型預(yù)焙槽鋁液流速普遍偏大，并且測(cè)量值比設(shè)計(jì)值大很多。 國(guó)內(nèi)大型電解槽鋁液的流速 (單位： cm/s) 槽型 項(xiàng)目 新安 160 kA 槽 平果 160 kA 槽 貴鋁 186 kA 槽 280 kA 試驗(yàn)槽 設(shè)計(jì)值 實(shí)測(cè)值 設(shè)計(jì)值 實(shí)測(cè)值 設(shè)計(jì)值 實(shí)測(cè)值 設(shè)計(jì)值 實(shí)測(cè)值 V 最大值 17 25 28 30 V 平均值 12 16 16 蘭州鋁廠應(yīng)用的 SY200 電解槽采用 ANSYS 軟件計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行磁流體分析，計(jì)算出了流體的流速分布和界面波動(dòng)情況。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)確性得到了極大的提高，才有可能用流速的測(cè)量結(jié)果來考查設(shè)計(jì)軟件。上表顯示出流速實(shí)測(cè)的最大值與計(jì)算值極好地吻合，這是目前我國(guó)大型鋁電解槽流速最低的。 新安鋁廠 SY160 kA 電解槽磁感應(yīng)強(qiáng)度、流場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果不僅驗(yàn)證了計(jì)算軟件和計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，同 時(shí)也驗(yàn)證了所采用的設(shè)計(jì)思路和標(biāo)準(zhǔn)的正確性，揭示出了磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與熔體流動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系。 SY300 電解槽磁穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果 SY300 電解槽鋁液的流動(dòng)速度見下圖，其流動(dòng)狀態(tài)呈良好的軸對(duì)稱，最大流速為 cm/s，界面變形最大值為 cm。 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 18 5. 熱平衡分析 電解槽內(nèi)襯的設(shè)計(jì)關(guān)系到電解槽生產(chǎn)的指標(biāo)和槽壽命。一般認(rèn)為，良好的內(nèi)襯設(shè)計(jì)要能滿足電解槽熱平衡的特殊要求，在槽側(cè)的上部要形成一個(gè)良好的散熱窗口，以保證槽內(nèi)形成規(guī)整的爐幫。槽側(cè)下部和底部需要良好的保溫，節(jié)省能量 ，防止過長(zhǎng)伸腿。另外要特別注意通過底部保溫材料的選擇和組合確保 900℃溫度線落在陰極炭塊之下， 800℃等溫線位于保溫磚之上。要保證設(shè)計(jì)滿足上述要求，需要使用先進(jìn)的計(jì)算手 段對(duì)電解槽在生產(chǎn)狀況下熱平衡情況進(jìn)行模擬分析評(píng)價(jià)，并指導(dǎo)內(nèi)襯設(shè)計(jì)。 內(nèi)襯設(shè)計(jì)模型、電、熱模型 在電解槽的熱電場(chǎng)控制體內(nèi)，熱場(chǎng)與電場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域不同。熱場(chǎng)計(jì)算區(qū)域要扣除熔池區(qū)域，電場(chǎng)計(jì)算區(qū)域要扣除絕緣區(qū)域。 計(jì)算區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)分布滿足拉普拉斯方程 : 0)1()1()1( ??????????????? zzzyyyxxx ?????? (1) 計(jì)算區(qū)域內(nèi)的熱場(chǎng)分布滿足泊松方程 : 0)()()( ???????????????? qzTKzzyTKyyxTKxx (2) SY300 電解槽流動(dòng)場(chǎng) (Vmax=) SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 19 式中φ為電位， T 為溫度，ρ為電阻率， K 為導(dǎo)熱系數(shù)， q 為單位體積發(fā)出的熱量。 計(jì)算過程中，電場(chǎng)和熱場(chǎng)相互影響，需要同時(shí)求解，因此就是一個(gè)電、熱耦合問題。采用有限差分的數(shù)學(xué)方法，編制了適合電解槽結(jié)構(gòu)的專用計(jì)算機(jī)軟件，能夠較好求解上述方程。 SY300 槽內(nèi)襯設(shè)計(jì) 由于采用了船形槽殼， SY300 槽內(nèi)襯的設(shè)計(jì)充分吸收了 SY190、SY200、 SY230電解槽和 280 kA 試驗(yàn)槽的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)又吸收了近年來的技術(shù)成果，主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面： 1) 窄加工面 : 采用窄加工爐面是中間下料預(yù)焙槽發(fā)展的一種趨勢(shì)，它不僅可以節(jié)省電解槽的材料用量，而且還有利于生產(chǎn)指標(biāo)的提高，這一點(diǎn)無論在理論上還是生產(chǎn)中都已得到了驗(yàn)證。當(dāng)然采用窄加工面設(shè)計(jì)是要以準(zhǔn)確的熱平衡設(shè)計(jì)為前提的。 SY200、 SY230 全系列的電解槽均采用窄加工面，其大面加工面為300 mm，實(shí)踐證明生產(chǎn)效果良好。本設(shè)計(jì)采用 300 mm 的大面加工面。 2) 采用干防滲材料 : 從近年來國(guó)外鋁廠的應(yīng)用來看采用干防滲材料可以有效地阻止電解質(zhì)向陰極保溫層內(nèi)滲漏，從而達(dá)到延長(zhǎng)槽壽命的目的。要有效地發(fā)揮干防滲材料的 阻擋作用，需要把 850℃等溫線設(shè)計(jì)在防滲料層中間。SY300 槽的內(nèi)襯不但采用了自己的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，同時(shí)還請(qǐng)國(guó)外的有關(guān)公司進(jìn)行復(fù)查。根據(jù)電解槽的熱平衡計(jì)算，確定電解槽內(nèi)襯的材質(zhì)及厚度。 3) 槽側(cè)部為氮化硅結(jié)合碳化硅側(cè)部炭塊 : 側(cè)部炭塊與陰極炭塊組之間的邊縫搗制成坡型，形成人造伸腿，有SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 20 利于形成槽幫。槽底部陰極碳?jí)K四周與槽殼間，采用輕質(zhì)澆注料或防滲澆注料搗制，除保溫效果好外，尚允許有一定的彈性變形，有利于減少陰極碳?jí)K裂紋和延長(zhǎng)槽壽命。 當(dāng)內(nèi)襯設(shè)計(jì)完成之后，就可以確定槽殼的基本參數(shù)和槽殼受力分析計(jì)算 .同時(shí)， 確定電解槽內(nèi)部電流分布，為磁流體分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 SY300 電解槽內(nèi)襯溫度分布計(jì)算值 6. 槽殼受力分析 設(shè)計(jì)軟件 電解槽的槽殼不僅是陰極的載體，它還是決定槽壽命的一個(gè)重要因素。由于陰極炭塊受熱和滲鈉后向外產(chǎn)生極大的推力，槽殼必須具有足夠的強(qiáng)度來防止其過大的變形以及陰極錯(cuò)位和破裂。槽殼的受力分析一般采用有限元計(jì)算方法，有較多的工程軟件可供選購。 SY300 電解槽采用的計(jì)算軟件為 SAP5 和 ANSYS，兩者的計(jì)算結(jié)果十分一致。 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 21 計(jì)算結(jié)果 SY300 電解槽槽殼變形的計(jì)算結(jié)果見下圖。 7. SY300 電解槽 SY300電解槽綜合了國(guó)內(nèi)外成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，下面分別描述該電解槽的有關(guān)技術(shù)參數(shù)。 SY300 預(yù)焙槽的主要技術(shù)參數(shù) SY300 預(yù)焙槽的主要技術(shù)參數(shù) 表 43 序號(hào) 項(xiàng) 目 名 稱 單 位 參 數(shù) 1 電流強(qiáng)度 kA 300 2 陽極電流密度 A/cm2 3 陽極炭塊尺寸 mm 1550179。 660179。 620 4 陽極組數(shù) 組 20(雙陽極塊 ) 5 陽極鋼爪數(shù) 個(gè) 6 6 槽殼外形尺寸 mm 15470179。 4772 7 陰極炭塊尺寸 mm 3370179。 515179。 450 8 陰極炭塊組數(shù) 組 25 9 槽膛平面尺寸 mm 14500179。 3880 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì) 沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院 及 2 300MW 機(jī)組發(fā)電工 程 工程編號(hào)： SG8909CS3 22 序號(hào) 項(xiàng) 目 名 稱 單 位 參 數(shù) 10 大面加工面尺寸 mm 3