420 kA鋁電解槽電熱場仿真及實測分析

周小淞，柴婉秋

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

鋁是地球含量最多的金屬，是國民經濟建設的重要基礎原材料。我國電解鋁產量多年穩居世界第一。鋁電解槽是鋁冶煉的關鍵設備，其結構型式代表著電解鋁行業的發展水平，鋁電解槽保溫內襯材料、上部氧化鋁覆蓋料及槽膛內形等因素綜合調節作用下在槽內形成一定的溫度分布，俗稱熱場。合理的熱場是電解槽穩定運行和槽壽命延長的基礎[1]。

鋁電解槽的電-熱分布狀況對槽壽命、能耗、電流效率等有較大影響，因此，對于鋁電解槽的電-熱場進行深入研究十分必要。前人對鋁電解槽的電-熱場進行了大量研究[2-4]，并取得了積極進展，電-熱場研究從最初的二維數值計算模型逐步發展為三維模型的研究。該文以有限元分析軟件ANSYS為平臺，對某廠420 kA電解槽的電-熱場進行了仿真，選取了合適的邊界條件，建立了三維電-熱場模型，進行模擬分析，并與實測工藝參數進行比對，進一步驗證仿真結果，為電解槽內襯保溫結構設計和優化電解工藝參數提供參考。

1 某廠420 kA鋁電解槽仿真分析

1.1 內襯方案簡介

自21世紀以來，鋁電解槽大型化研究取得了巨大成果，由135 kA電解槽發展到現在的600 kA電解槽并已成功應用于工業生產。但國內鋁電解槽平均壽命為1 957 d[5]，同發達國家預焙槽平均壽命2 435 d[5]相比，還有提升的空間。眾所周知，影響鋁電解槽壽命的因素有設計、內襯材料、筑爐質量、焙燒啟動方式等，其中主要因素就是內襯結構的影響，內襯結構的配置是否合理將在很大程度上影響電解槽壽命。某廠420 kA內襯方案見圖1。

圖1 內襯方案圖

由圖1-1可見，該設計的特點在于側部采用sic、炭塊結合扎糊；鋼棒頭加強保溫；底部船型搖籃架斜坡處，由陶瓷纖維板結合硅酸鈣板結構，以控制伸腿。內襯設計特點總結：大面散熱，底部保溫。

1.2 控制方程

鋁電解槽穩態電-熱場導電控制為三維導電拉普拉斯方程(1)，導電控制方程為三維導熱泊松方程(2)：

(1)

(2)

式(1)(2)中：ρx、ρy、ρy為各導電材料在3個維度方向上的電阻率，還與導體的方向和溫度相關；kx、ky、kz為各材料在三維方向上的導熱系數，也隨溫度而變化，V為電位，T為溫度；q為單位容積的焦耳熱，對不導電部分為0。

1.3 邊界條件

仿真邊界條件工藝參數由現場提供如見表1。

表1 電解槽核心工藝技術參數

使用APDL語言，應用Ansys軟件建模，根據內襯方案尺寸建模，建立初設狀態爐幫，模型見圖2。

圖2 內襯方案模型圖

(1)在電解槽內部與高溫熔體接觸的陰極上表面、爐幫及伸腿接觸面、陽極炭塊以及上部結殼表面，加載對流換熱邊界條件；

(2)設定熔體、電解槽周邊環境溫度；

(3)槽殼外表面與空氣接觸面為電解槽側部主要散熱區域，在此區域施加由對流換熱系數與輻射換熱系數折算獲得的綜合換熱系數。

在Ansys平臺上進行電熱模擬計算，獲得溫度場分布。

1.4 仿真結果

提取Ansys仿真計算結果，結合matlab進行數據計算分析，溫度分布表見表2。

表2 溫度分布表

仿真過程，經過爐幫迭代計算，最終模型爐幫處溫度與初晶溫度等溫線溫差<0.5 ℃，仿真迭代計算終止。并進入后處理得到爐幫圖及等溫線分布圖，爐幫結果見圖3、圖4。

圖3 爐幫仿真結果圖

圖4 大面等溫線圖

由圖3可見，爐幫9.6 cm，伸腿長度17 cm。由圖4可見，在干式防滲料和保溫磚界面上的溫度為792 ℃左右，保溫磚長期穩定使用溫度需<800 ℃，由仿真結果可見800 ℃等溫線高于保溫磚設計位置，可以保溫磚長期有效使用。紅色線為891 ℃等溫線，處于干式防滲料內。

陰極炭塊與高強澆注料接觸的角部位置的最低溫度>800 ℃，由圖可見處于791.68 ℃等溫線左側，超過為了控制大面伸腿長度最適合的溫度要求，抑制伸腿生成。由于側下部增強保溫，所以從等溫線圖可以看出，陰極炭塊靠近端頭最下端的部位等溫線外移。

2 實測與仿真結果對比

仿真邊界條件：槽電壓3.97 V，電解溫度941 ℃，極距4.2 cm，分子比2.42，鋁水平26 cm，電解質水平18 cm。邊界條件根據實測數據確定，與實測高度統一，才能進一步提高仿真的可靠性?，F將仿真計算結果與實測對比，對比仿真結果中主要數據見表3。

表3 熱場仿真及實測關鍵數據對比表

側部鋼板溫度、底部鋼板溫度在生產中均為考察電解槽熱平衡狀態的關鍵參數，通過對電解槽側部及底部溫度的監控，可以掌控電解槽是否存在漏爐風險，側部溫度過高，說明電解槽爐幫生長欠佳，如果缺乏側部爐幫的保護，電解槽極易出現漏爐風險；側部溫度過低，說明電解槽偏冷，爐幫過厚，容易造成電解槽電流效率降低、無法坐極等問題。熱場仿真軟件模擬穩態爐幫厚度及伸腿長度，可以為如何調整內襯方案的設計，以達到優化生產工藝的目標，提供參考依據。

由表1-3可知，實測與仿真中側部鋼板溫度及爐幫厚度存在差異，實測溫度較高同時爐幫較薄。底部鋼板溫度差距較小。伸腿長度實測10.3 cm，而仿真結果為17 cm。

仿真與實測對比分析：

(1)仿真與實測側部爐幫厚度與鋼板溫度存在差異，但2個數據的差異趨勢，符合散熱規律，即爐幫薄，側部散熱量大，側部鋼板溫度高；

(2)底部鋼板溫度差距較?。?/p>

(3)伸腿長度仿真結果比實測長，原因可能是，實際電解槽生產過程中，鋁液流動對伸腿有沖刷作用，而仿真屬于靜態分析，所以存在一定的偏差。

由于大型電解槽投資巨大，無法通過試驗得出合適的電解槽結構設計參數，該文通過電熱仿真技術，為電解槽內襯保溫結構設計提供參考依據，同時結合實測，一方面可以為電解槽進行實時體檢，考察生產運行狀況，另一方面可以完善綜合對流換熱系數等仿真邊界條件的參數設定，使仿真結果與生產實際更加接近。

下一步工作是通過大量的仿真與實測數據對比，結合現場實際情況，如槽殼變形對側部保溫層接觸的影響等，增強模型與現場的一致性；通過實測現場環境，進一步校對流換熱系數、輻射換熱系數等重要邊界條件，使設定邊界條件更加接近實際。

3 結 語

對420 kA鋁電解槽進行的電-熱場仿真，結果顯示：在3.97 V電壓下運行，爐幫9.6 cm，伸腿長度17 cm。等溫線分布滿足800 ℃等溫線在保溫磚以上，可以使保溫磚長期穩定使用。900 ℃等溫線處于干式防滲料內，由于側下部增強保溫，從等溫線圖可以看出，側下部等溫線外移現象。仿真評價電解槽等溫線分布合理，滿足內襯設計基本要求，能夠維持電解槽長期穩定生產。選取4臺電解槽進行測試，分別對分子比、極距、溫度分布、爐膛形狀進行測試。針對側部鋼板溫度、底部鋼板溫度、側部爐幫厚度、伸腿長度4個重要參數，對仿真與實測進行對比分析。分析結果顯示實測與仿真結果中側部鋼板溫度、側部爐幫厚度存在差異，但差異趨勢復合散熱規律；底部鋼板溫度差別較小；伸腿長度存在差異，原因由于靜態的電熱仿真沒有考慮鋁液沖刷對伸腿造成的影響。