【文章內(nèi)容簡介】 y 分量第一象限絕對值的平均值： y 分量第二象限絕對值的平均值： y分量第三象限絕對值的平均值： y分量第四象限絕對值的平均值： 磁感應強度 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 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 13 SY300 電解槽母線優(yōu)化設計 母線的配置不能只考慮磁感應強度問題，還要考慮經(jīng)濟性、安全性、操作性問題。獲得同樣效果的磁感應強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；有些母線配置會妨礙 電解槽的日常作業(yè)；有些母線配置難以滿足短路時的電平衡等要求；這其中最重要、最復雜的問題是母線用量的經(jīng)濟性問題。結合已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗，形成了一套行之有效的設計模式。母線優(yōu)化設計流程圖如下。 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 14 母線優(yōu)化設計流程圖 否 是 否 是 否 Y ? N N Y 磁感應強度計算 電場計算結果 電解槽基礎參數(shù) 母線電流 鐵磁物質 調整母線 磁感應強度分布 ? ?J B? 電磁力 磁流體穩(wěn)定性分析 調整母線 流速、界面變形、界面波動 母線經(jīng)濟性分析 調整母線 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 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 15 為了補償相鄰列槽的磁感應強度，母線采用了不對稱配置。 SY300電解槽熔體中的磁感應強度分布，垂直磁感應強度關于 x、 y 軸反對稱，數(shù)值普遍較小，最大值為 179。 104特斯拉。四個象限垂直磁感應強度絕對值的平均值分別為 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。反映到熔體的流動場上， SY300電解槽的流動形狀對稱性較好，流速的最大值為 15 cm/s。從總體上分析， SY300槽的母線設計具有良好的磁穩(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偏差小于 %，滿足設計要求。短路口設在操作平面以上，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 長期的生產(chǎn)實踐及理論分 析認為，電解槽內(nèi)熔體的流動除了有利于氧化鋁的溶解和擴散之外，對電解槽沒有其他益處。相反，過快的流速會導致爐幫不規(guī)整，造成電解槽生產(chǎn)不穩(wěn)定。現(xiàn)代電解槽設計理論要求鋁液的流速越小越好；鋁液 /電解質界面越平越穩(wěn)定越好；熔體的流動呈軸對稱，至少要關于長軸對稱，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行數(shù)值仿真。該方法可以分析熔體的流動狀態(tài)，如流速大小、流動方向、界面變形和界面波動等。 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可用 NavierStokes 方程描述 ,在鋁液和電解質層均有 VνPρ 1gρ 1VVtV ????? ?????????? (1) SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： 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、電流波動等對界面的擾動 ,考察界面的穩(wěn)定性。采用這種方法進行磁流體分析十分復雜。 更通常的做法是對式 (1)進行一些簡化 ,首先去掉暫態(tài)頂 ,把問題簡化為穩(wěn)態(tài)的 。然后 再根據(jù)熔體幾何形狀的特征 ,把問題簡化成平面的 ,以著重分析熔體的水平流動和界面靜態(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，進行了不同程度簡化處理。這些簡化使磁流體的分析變得簡單 ,很容易研究不同母線配置所產(chǎn)生的磁感應強度對流動的影響。但是另一方面這些簡化也使得這種方法失去了分析界面波動的能力。為此，必須建立專門用于分析界面波動的模型以做為補充。也就是說求解二維穩(wěn)態(tài)NavierStokes 方程和界面波動方程 ,同樣可得到熔體流速分布 ,界面靜態(tài)變形以及界面 波動狀態(tài) ,這種方法上世紀八十年代開始在國外比較流 行。 SY300 磁流體穩(wěn)定分析就采用這種方式的計算。流動場計算軟件和波動場分析軟件是與國內(nèi)知名大學合作開發(fā)的，特別是波動分析軟件是國內(nèi)所特有的。 磁流體穩(wěn)定分析法的驗證 八十年代末 ,曾經(jīng)全面應用磁流體穩(wěn)定性分析方法指導了 280 kA試驗槽的母線設計。試驗槽運行表明了該槽的總體設計是成功的，但測試結果也顯示了母線設計還不完善，主要表現(xiàn)在實測的垂直磁感應強度過SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 17 大，鋁液流速過快。如前所述，磁感應強度偏差過大是由當時計算軟件所引起的，采用該軟件計算的磁 感應強度來進行流動性分析實際上已失去了指導意義，其計算結果也難以用測量結果來評判。類似的情況顯然也存在于早期設計的其他大型預焙槽中。下表列出了國內(nèi)幾種槽型鋁液流速的設計值和實測值，從中可知：早期國內(nèi)設計的大型預焙槽鋁液流速普遍偏大，并且測量值比設計值大很多。 國內(nèi)大型電解槽鋁液的流速 (單位： cm/s) 槽型 項目 新安 160 kA 槽 平果 160 kA 槽 貴鋁 186 kA 槽 280 kA 試驗槽 設計值 實測值 設計值 實測值 設計值 實測值 設計值 實測值 V 最大值 17 25 28 30 V 平均值 12 16 16 蘭州鋁廠應用的 SY200 電解槽采用 ANSYS 軟件計算磁感應強度，然后在此基礎上進行磁流體分析，計算出了流體的流速分布和界面波動情況。由于磁感應強度計算準確性得到了極大的提高，才有可能用流速的測量結果來考查設計軟件。上表顯示出流速實測的最大值與計算值極好地吻合，這是目前我國大型鋁電解槽流速最低的。 新安鋁廠 SY160 kA 電解槽磁感應強度、流場的測試結果不僅驗證了計算軟件和計算模型的準確性，同 時也驗證了所采用的設計思路和標準的正確性，揭示出了磁感應強度分布與熔體流動的內(nèi)在關系。 SY300 電解槽磁穩(wěn)定的計算結果 SY300 電解槽鋁液的流動速度見下圖，其流動狀態(tài)呈良好的軸對稱，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 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 18 5. 熱平衡分析 電解槽內(nèi)襯的設計關系到電解槽生產(chǎn)的指標和槽壽命。一般認為，良好的內(nèi)襯設計要能滿足電解槽熱平衡的特殊要求，在槽側的上部要形成一個良好的散熱窗口，以保證槽內(nèi)形成規(guī)整的爐幫。槽側下部和底部需要良好的保溫，節(jié)省能量 ，防止過長伸腿。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。要保證設計滿足上述要求，需要使用先進的計算手 段對電解槽在生產(chǎn)狀況下熱平衡情況進行模擬分析評價，并指導內(nèi)襯設計。 內(nèi)襯設計模型、電、熱模型 在電解槽的熱電場控制體內(nèi)，熱場與電場的計算區(qū)域不同。熱場計算區(qū)域要扣除熔池區(qū)域，電場計算區(qū)域要扣除絕緣區(qū)域。 計算區(qū)域內(nèi)的電場分布滿足拉普拉斯方程 : 0)1()1()1( ??????????????? zzzyyyxxx ?????? (1) 計算區(qū)域內(nèi)的熱場分布滿足泊松方程 : 0)()()( ???????????????? qzTKzzyTKyyxTKxx (2) SY300 電解槽流動場 (Vmax=) SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 19 式中φ為電位， T 為溫度，ρ為電阻率， K 為導熱系數(shù)， q 為單位體積發(fā)出的熱量。 計算過程中，電場和熱場相互影響，需要同時求解，因此就是一個電、熱耦合問題。采用有限差分的數(shù)學方法，編制了適合電解槽結構的專用計算機軟件，能夠較好求解上述方程。 SY300 槽內(nèi)襯設計 由于采用了船形槽殼， SY300 槽內(nèi)襯的設計充分吸收了 SY190、SY200、 SY230電解槽和 280 kA 試驗槽的成功經(jīng)驗，同時又吸收了近年來的技術成果，主要體現(xiàn)在如下兩個方面： 1) 窄加工面 : 采用窄加工爐面是中間下料預焙槽發(fā)展的一種趨勢，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)指標的提高，這一點無論在理論上還是生產(chǎn)中都已得到了驗證。當然采用窄加工面設計是要以準確的熱平衡設計為前提的。 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，實踐證明生產(chǎn)效果良好。本設計采用 300 mm 的大面加工面。 2) 采用干防滲材料 : 從近年來國外鋁廠的應用來看采用干防滲材料可以有效地阻止電解質向陰極保溫層內(nèi)滲漏，從而達到延長槽壽命的目的。要有效地發(fā)揮干防滲材料的 阻擋作用，需要把 850℃等溫線設計在防滲料層中間。SY300 槽的內(nèi)襯不但采用了自己的計算機軟件進行分析，同時還請國外的有關公司進行復查。根據(jù)電解槽的熱平衡計算，確定電解槽內(nèi)襯的材質及厚度。 3) 槽側部為氮化硅結合碳化硅側部炭塊 : 側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 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 20 利于形成槽幫。槽底部陰極碳塊四周與槽殼間，采用輕質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，有利于減少陰極碳塊裂紋和延長槽壽命。 當內(nèi)襯設計完成之后，就可以確定槽殼的基本參數(shù)和槽殼受力分析計算 .同時， 確定電解槽內(nèi)部電流分布，為磁流體分析提供基礎數(shù)據(jù)。 SY300 電解槽內(nèi)襯溫度分布計算值 6. 槽殼受力分析 設計軟件 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度來防止其過大的變形以及陰極錯位和破裂。槽殼的受力分析一般采用有限元計算方法，有較多的工程軟件可供選購。 SY300 電解槽采用的計算軟件為 SAP5 和 ANSYS，兩者的計算結果十分一致。 SAMI 山西華澤鋁電有限公司 28萬噸電解鋁 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 21 計算結果 SY300 電解槽槽殼變形的計算結果見下圖。 7. SY300 電解槽 SY300電解槽綜合了國內(nèi)外成熟的技術和經(jīng)驗，下面分別描述該電解槽的有關技術參數(shù)。 SY300 預焙槽的主要技術參數(shù) SY300 預焙槽的主要技術參數(shù) 表 43 序號 項 目 名 稱 單 位 參 數(shù) 1 電流強度 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 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 設計階段：初步設計 沈陽鋁鎂設計研究院 及 2 300MW 機組發(fā)電工 程 工程編號： SG8909CS3 22 序號 項 目 名 稱 單 位 參 數(shù) 10 大面加工面尺寸 mm 3