陽極鋼爪數(shù)量對陽極電壓的影響

鮑 亮,鄧勝祥

(1.上海工程技術大學 機械與汽車工程學院能源與動力工程系,上海 200423；2.上海工程技術大學 新能源與節(jié)能新技術研究所,上海 200423)

電解鋁熔鹽方法[1]發(fā)明到現(xiàn)在已經100多年,在這期間電解鋁技術迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)在電解鋁鋁電解槽容量不斷增大,600 kA電解槽[2]已經在實驗階段,電解鋁耗能不斷降低。電解鋁主要能耗是電能。電能作為二次能源屬于不可再生能源,所以怎樣提高電流效率[3],節(jié)約電能一直是電解鋁發(fā)展方向。雖然現(xiàn)在電解鋁技術比較先進,但是電能的利用率僅在53%左右。降低槽電壓[4]是降低能耗的有效途徑,降低槽電壓的方法有多種,其中通過改變陽極結構降低壓降,效果較為突出。

鋁電解槽電流為直流電流,電流流過電阻產生壓降,電流從陽極母線流入陽極導桿,通過陽極鋼爪分流[5]進入陽極炭塊[6],經過陽極炭塊與氧化鋁發(fā)生電解鋁反應,之后電流流過原鋁進入陰極炭塊,由陰極鋼棒流入陰極母線進入下一個電解槽。主要產生陽極壓降[7]、極距壓降、陰極壓降。極距壓降涉及到多種電解質氧化鋁還原反應,所以降低極距壓降較為復雜,實現(xiàn)效果不理想,但是從陽極和陰極結構的設計實現(xiàn)降低電解槽電壓較為方便,而且對降低槽電壓降也有不錯的效果。

國內陽極復合結構鋼爪[8],新型異型陰極[9]等,在降低槽壓降方面都取得不錯效果,達到節(jié)能的目的。目前國內陽極壓降的研究主要為改變陽極材料,優(yōu)化陽極炭塊尺寸[10]。

本研究在有限元軟件中建立單陽極幾何模型,然后將幾何模型關聯(lián)到COMSOL軟件進行有限元劃分,并對不同陽極鋼爪個數(shù)單陽極幾何模型進行模擬計算。分別對四個不同陽極鋼爪個數(shù)的單陽極模型在相同條件下進行模擬計算,分析每個單陽極模型的電壓分布并進行對比,得出相應結論,在此結論基礎上提出改進,并再次建立模型進行模擬計算,模擬結果與原來幾何模型進行比較,得出改進優(yōu)化結果。

1 相關理論及模型參數(shù)

1.1 相關理論

陽極導電部分導電微分方程拉普拉斯方程:

(1)

式中:V——陽極電壓,V;

σ——電導率,S/m。

ΣV=ΣIR

(2)

式中:V——陽極電壓,V;

I——陽極電流,A;

R——陽極電阻,Ω。

結構電阻計算公式如圖1。

圖1 一類結構電阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(3)

式中:Ri——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω;

i和j——鋼爪數(shù)量。

(4)

式中:Rmax(j)——最大電流鋼爪電阻,Ω;

Rmax(i)——最大電流鋼爪電阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(5)

式中:Rj——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

圖2 二類結構電阻

Ri=Ri-1+(i-1)R′

(6)

式中:Ri——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

Rmax(j)=Rmax(i)

(7)

式中:Rmax(j)——最大電流鋼爪電阻,Ω;

Rmax(i)——最大電流鋼爪電阻,Ω。

Rj-1=Rj-(j-1)R′

(8)

式中:Rj——鋼爪電阻,Ω;

R′——鋼爪間電阻,Ω。

鋁導桿電流將鋼爪分為兩部分,從i=1即R1開始依次計算Ri,R′為鋼爪間電阻,R′在大電流作用下受溫度影響。

根據(3)(6)計算公式和進電方式一類結構電阻和二類結構電阻主要區(qū)別為不同鋼爪結構,一類電阻鋼爪個數(shù)為雙數(shù),二類電阻鋼爪數(shù)為單數(shù)。

1.2 建立模型及邊界條件

單陽極模型在COMSOL進行仿真模擬,考慮所研究的問題是不同鋼爪數(shù)下陽極壓降分布,所以忽略一些不必要影響因素,這樣使仿真模擬高效,簡便直觀。電解槽總電流400 kA平均分配給48個陽極,一個陽極電流400/48約為8.33 kA。選取陽極導桿上截面為電流輸入面,陽極炭塊地面為接地面,設在電解槽穩(wěn)態(tài)溫度下材料電導率。

表1 陽極導桿、陽極鋼爪、陽極炭塊相應參數(shù)

表2 材料屬性 S/m

2 仿真結果與真實測量結果

項目中測得4個陽極鋼爪陽極整體壓降為460 mV左右。此數(shù)據與實際工藝相符合,仿真結果與實際數(shù)據對比如圖3所示,因此在有限元軟件中建立的模型是可靠有效的,在此基礎上進行其他模擬具有指導意義。

首先對需要測量的每個陽極炭塊打4個孔,打孔位置緊貼鋼爪底面,由于測量時電解鋁槽處于運行狀態(tài)溫度相對較高,對陽極部分部件進行測量時,需要借助鐵鉤、鐵棒和鐵絲。鋁導桿測量壓降:揭開爐蓋,借助鐵棒將萬用表一端連接卡具底端另一端連接爆炸焊上端,依次測A、B兩側導桿電壓降,測試值記作VA1、VA2…VAi,VB1、VB2…VBi,數(shù)據處理得V桿。鋼爪測量壓降:借助鐵棒將萬用表一端連接爆炸焊下面,另一端依次連接陽極炭塊打孔處,陽極鋼爪壓降記作VA1爪、VA2爪、VA3爪、VA4爪,VB1爪、VB2爪、VB3爪、VB4爪,數(shù)據處理得V爪。陽極炭塊測量壓降:借助鐵鉤和鐵棒,萬用表一端鉤在陽極下表面,另一端依次連接打孔處,通過算數(shù)平均數(shù)VAi陽、 VBi陽,之后數(shù)據處理得V陽。上述測量的部位未包括爆炸焊的壓降,大約185 mV。V陽中包括接觸壓降,根據公式計算其中磷生鐵/炭塊接觸電阻約為3.8×10-6Ω,得到接觸壓降約為83 mV。為了使所研究的問題達到簡潔直觀目的,模型中忽略接觸電阻的影響。因此表3測量數(shù)據中將炭塊壓降的值減去磷生鐵/炭塊接觸壓降,僅保留非接觸壓降部分,便于和模型結果對比。

表3 仿真值與真實值對比 V

3 鋼爪研究

陽極鋼爪是鋁電解槽結構中重要的組成部分,其作用夾持陽極炭塊,并向電解槽中通入大量電流,陽極鋼爪的電流約為8.33 kA,陽極鋼爪的性能將直接影響陽極炭塊的電流分布,進而影響電效率和經濟效益。因此,研究陽極鋼爪的結構特征,深入了解陽極鋼爪結構電阻,然后對陽極鋼爪進行一定改進。

(1) 3鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖3得陽極整體壓降為0.21 V,鋁導桿壓降為0.02 V左右,陽極鋼爪壓降約為0.06 V,陽極炭塊壓降0.13 V。三個陽極鋼爪中在鋁導桿正下方的鋼爪壓降0.02 V,而另外兩個鋼爪壓降0.06 V鋼爪內壓降差約為0.04 V,3鋼爪陽極鋼爪壓降分布不均。在相同材料情況下,引起壓降分布的主要原因是結構不均導致電阻不均,即中間鋼爪結構壓降較小,兩邊鋼爪結構壓降較大。

圖3 3鋼爪陽極鋼爪

(2) 4鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖4得陽極整體壓降為0.19 V,鋁導桿壓降為0.02 V左右,陽極鋼爪壓降約為0.04 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V。靠近鋁導桿中間兩個鋼爪壓降約為0.02 V,兩邊兩個鋼爪壓降約為0.04 V,4鋼爪壓降從整體來看分布相對不均,鋼爪內壓降差約為0.02 V。在相同材料下,4鋼爪陽極鋼爪整體結構電阻較三鋼爪結構電阻有所降低。

圖4 4鋼爪陽極鋼爪

(3) 5鋼爪陽極鋼爪電壓分布

由圖5得陽極整體壓降為0.188 V左右,鋁導桿壓降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.038 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V。中間鋼爪壓降約為0.015 V,內側兩個鋼爪壓降約為0.025 V,外側兩個鋼爪壓降約為0.038 V,5鋼爪陽極鋼爪壓降從中心向兩邊逐漸增大,呈現(xiàn)階梯分布,鋼爪間壓差約為0.012 V。

圖5 5鋼爪陽極鋼爪

由圖6得陽極整體壓降為0.19 V左右,鋁導桿壓降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.04 V,陽極炭塊壓降約為0.13 V。中間兩個鋼爪壓降約為0.02 V,內側兩個鋼爪壓降約為0.03 V,外側兩個鋼爪壓降約為0.04 V,6鋼爪壓降從里向外遞增,結構壓降變化不明顯。

圖6 6個鋼爪陽極鋼爪

3鋼爪陽極壓降約為0.21 V,4鋼爪陽極壓降約為0.19 V,5鋼爪陽極壓降約為0.188 V,6鋼爪陽極壓降約為0.19 V。4鋼爪與3鋼爪比較陽極壓降變化明顯,壓降降低0.02 V左右,由電流走向進行分析,主要原因為3鋼爪結構電阻相比4鋼爪結構電阻有所增加。4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪陽極壓降變化不明顯,單增加陽極鋼爪個數(shù)不能有效降低鋼爪結構電阻。

4 改進陽極結構

通過上面分析可知當陽極鋼爪數(shù)量超過4個,僅僅改變陽極鋼爪數(shù)量無法降低結構電阻,因此改變電流進電路徑,將單點進電改為多點進電,即陽極導桿電流分開進入陽極鋼爪,這樣大大縮短了電流路徑,從而降低陽極鋼爪結構電阻。

4鋼爪陽極鋼爪基礎上增加兩個1/4圓柱,圓柱材料選取和鋁導桿相同材料,圓柱直徑與鋁導桿寬度相同。

由圖7得陽極壓降約為0.18 V,導桿壓和附加導柱降約為0.02 V,陽極鋼爪壓降約為0.03 V,陽極炭塊壓降為0.13 V。改進前后陽極電壓降低0.01 V,鋼爪無明顯壓降梯度,電壓分布較均勻。改變了鋼爪進電方式,使得鋼爪結構電阻降低。

圖7 改進4鋼爪陽極鋼爪

5 結 論

利用有限元軟件,建立3鋼爪、4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪以及改進4鋼爪模型并進行模擬仿真,通過數(shù)值模擬計算,對比分析得出以下結論:

(1)相同電流和材料屬性下,3鋼爪陽極壓降比4鋼爪陽極壓降高出0.02 V,而且3鋼爪壓降梯度較大,4鋼爪壓降梯度相對3鋼爪有所減小,即3鋼爪比4鋼爪結構電阻大。

(2)4鋼爪、5鋼爪、6鋼爪陽極壓降變化微小基本可以不計,由此可知單陽極鋼爪個數(shù)設計為4個較為經濟合理。

(3)改變陽極鋼爪進電方式,即鋼爪中心1點進電改為鋼爪對稱3點進電,通過改變電流路徑進而調整陽極鋼爪結構電阻。改進4鋼爪壓降較4鋼爪壓降降低0.011 V左右,并且改進后鋼爪電壓分布沒有明顯變化,對陽極炭塊電流密度更加均勻起到一定促進作用。

(4)對于相關企業(yè)改變陽極結構來降低陽極壓降有一定的參考價值。