500 kA 鋁電解槽磁場數值模擬及測試分析

李尚瑋，鄧勝祥，匡江紅

（上海工程技術大學 a.機械與汽車工程學院；b.新能源與節能新技術研究所,上海 201620）

冰晶石?氧化鋁熔鹽電解法[1]是目前工業上冶煉鋁的唯一方法，冰晶石?氧化鋁熔鹽電解法是以直流電[2]作為生產能源，而鋁電解槽又有許多鐵磁性材料，因此在生產過程中鋁電解槽內部及周邊會產生強大的靜磁場.隨著我國電解鋁行業的不斷發展，電解槽的槽體變得越來越大，電流強度不斷增加，鋁電解槽內部及周圍的靜磁場變得越來越大[3?4].磁場會與熔體中的電流相互作用產生電磁力[5]，使槽內熔體循環加速，鋁液面容易產生隆起、偏斜和波動的現象，鋁液層的不穩定會導致電流效率下降、電解槽能耗增加，影響電解槽工作穩定性同時減少電解槽的使用壽命[6?8].不合理的磁場不利于電解鋁的生產，因此鋁作為國民經濟建設不可或缺的基礎原材料之一[9?10]，生產過程中的槽況至關重要，探究鋁電解槽磁場分布不僅能為鋁電解生產提供技術指導，還能幫助廠家節約成本，達到節能降耗的目的.為探究500 kA 鋁電解槽鋁液層磁場分布，對某廠500 kA鋁電解槽進行磁場模擬及測試.

1 建立坐標系

模擬前對目標鋁電解槽建立坐標系，坐標圖如圖1 所示.設進電側為A 側，出電側為B 側，坐標系Y軸正方向為電流方向，由進電側指向出電側（A 側指向B 側）.X軸右側為出鋁端（TE 端），左側為煙道端（DE 端），由煙道端指向出鋁端.

圖1 500 kA 鋁電解槽坐標圖Fig.1 Coordinate diagram of 500 kA aluminum electrolyzer

2 鋁電解槽磁場模擬

鋁電解槽磁場模擬可將其磁場分布呈現在計算機上，方便觀察、發現磁場分布存在的問題，是試驗鋁電解槽磁場優化方案的重要手段.本研究根據某廠家鋁電解槽數據，對其進行1∶1 建模.

2.1 磁場模型

根據某廠500 kA 鋁電解槽數據，運用Solid Works 三維建模軟件建模，建模完成后將其導入到COMSOL 三維仿真模擬軟件進行模擬，模型圖如圖2 所示.500 kA 鋁電解槽參數見表1.

表1 500 kA 鋁電解槽參數表Table 1 Parameters of 500 kA aluminum electrolyzer

圖2 鋁電解槽模型圖Fig.2 Model diagram of aluminum electrolyzer

2.2 數學控制模型

鋁電解槽中包含大量鐵磁材料和非鐵磁材料，鐵磁材料有陽極鋼爪、鋼梁、槽殼、立柱母線、槽周母線、鋁導桿、陰極鋼棒，這些都會對鋁液層的磁場產生影響.由于鋁導桿產生的磁場小且距離鋁液層遠，影響可以忽略不計.實際槽殼結構復雜，本研究用一定厚度的鋼殼替代復雜的槽殼結構，達到簡化模型的目的[11].磁場模擬時需要考慮立柱母線及槽周母線和槽底母線對于鋁電解槽鋁液層磁場的影響，同時也要考慮空氣對鋁液層磁場的影響，因此在電解槽外加上一定的空氣域，在計算時這部分磁場不能忽略.對于非鐵磁材料且不流通電流的部分，因為對鋁液層的磁場沒有影響，為避免不必要的計算，在建立模型時將其省略.模擬的電解槽采用大面六點進電的方式，模擬需先在COMSOL 三維模擬軟件中模擬出電解槽的電流分布，再根據電流分布生成磁場.鋁電解槽內的磁場問題滿足穩態麥克斯韋方程組為

式中：?為哈密頓算符；H為磁場強度；J為電流密度；B為磁感應強度；μ為磁導率.

2.3 模擬結果

將模型導入到COMSOL 三維仿真軟件中，設置好電流條件，在COMSOL 中將電流條件以及各部分材料參數設置好后進行仿真計算，模擬的鋁液層（圖2 中的6）3 個坐標軸方向的磁場分布結果如圖3 所示.

由圖3(a)和3(b)可知，鋁液層X軸方向上的磁場大小大部分在10～15 Gs，只有極小部分區域磁場強度在40 Gs 以上.而Y軸方向磁場大小分布均勻，基本為20～40 Gs，只有出鋁端極小部分磁場大小達到120 Gs，對于整體影響不大.由圖3(c)可知，鋁液層Z軸方向大小進電側明顯大于出電側，而進電側中間磁場大小高于兩端的磁場大小.由于立柱母線和槽周母線距離鋁電解槽太近，導致立柱母線和槽周母線的磁場對于鋁液層的磁場影響較大.可在后續優化中適當增加立柱母線和槽周母線到鋁電解槽的距離，減少立柱母線和槽周母線對于鋁液層磁場的影響.

圖3 坐標軸方向磁場分布圖Fig.3 Magnetic field distributions in axis directions

3 磁場測試

磁場測試是鋁電解槽3 場測試中重要的一環，不僅能驗證模擬的準確性，還能幫助廠家把握槽況，對指導電解鋁生產有著重要意義.本研究選取國內某廠家500 kA 鋁電解槽進行磁場測試.磁場測量儀器采用美國貝爾公司生產的三維高斯計（MODEL9950），其測量量程為0.01～3×105Gs.這款三維高斯計既可以測量直流電產生的磁場也可以測量交流電產生的磁場，并且具有自動選擇量程的功能，可保證測試精度.在測量過程中，為避免磁場對儀器干擾，對高斯計進行鐵磁屏蔽.鋁電解槽測試點位如圖4 所示.測試結果和模擬結果記錄見表2.

表2 磁場測試與模擬結果Table 2 Magnetic field test and simulation results Gs

圖4 500 kA 鋁電解槽磁場測點分布圖Fig.4 Distribution of magnetic field measuring points of 500 kA aluminum electrolyzer

將測試值與模擬值匯總，繪成曲線圖，如圖5所示.由圖5 可知，模擬值與測試值吻合情況較好，只有個別點的測試值與模擬值存在差異.誤差產生的主要原因有測量點的定位并不十分精確、測試期間電流與電壓有波動、槽膛內形的不規整、鋁液運動的影響等[12].在測試過程中存在測點定位不準確的現象，因此有幾個實際測點的位置與計劃測點的位置存在偏差，造成測試值與模擬值之間的誤差.但總的來說,測試值與模擬值的誤差比較小，誤差在允許范圍內.測試值和模擬值顯示，500 kA 鋁電解槽鋁液層Z軸方向上的磁場過大，容易使槽內熔體循環加速，鋁液面會因為磁場與鋁液的電流相互作用產生的電磁力上下波動，進而影響電流效率，使電流效率下降，增加能耗，導致產量下降.

圖5 鋁液層磁場測試值與模擬值對比Fig.5 Comparison of magnetic field test value and simulation value of molten aluminum layer

4 磁場優化

針對立柱母線和槽周母線距離電解槽過近導致500 kA 鋁電解槽鋁液層垂直方向磁場過大的問題，嘗試將立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離分別增加20、30 和40 cm，模擬結果如圖6 所示.由圖可知，當增加立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離，Z軸方向的磁場大小有明顯的降低，大部分區域磁場強度為20～40 Gs，只有小部分區域的磁場大小偏高.隨著立柱母線和槽周母線到電解槽距離的增大，Z軸方向磁場越來越小，鋁液層Z軸方向的磁場趨于均勻穩定.但考慮廠房大小，增加30 cm 的距離不僅符合生產條件的需求還滿足生產成本的要求.

圖6 增大母線距電解槽距離后Z 方向磁場分布圖Fig.6 Magnetic field distribution in Z direction after increasing distance between bus bar and electrolyzer

5 結語

1）模擬500 kA 鋁電解槽在正常生產條件下的磁場，并對某廠家500 kA 鋁電解槽進行磁場測試，結果顯示兩者吻合情況較好.

2）模擬和測試結果顯示500 kA 鋁電解槽鋁液層磁場在X軸和Y軸方向上分布均勻，大小在合理范圍內.在Z軸方向上，進電側磁場明顯大于出電側，且進電側中間磁場大小高于兩端大小.

3）為解決因Z軸方向上磁場過大而引起電解槽鋁液層不穩定的問題，分別增加立柱母線和槽周母線與電解槽之間的距離20、30、40 cm 來降低Z軸方向磁場大小，增加距離后鋁電解槽Z軸方向磁場分布趨于均勻穩定，同時數值也有大幅度下降，且隨著距離的增大鋁液層Z軸方向大小逐漸降低，但考慮到生產成本，增加30 cm 為最優.