CN105603457A - 一种超大型铝电解槽的阴极母线配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，端部补偿电流总量额定、槽底母线交替补偿抵消，即流经烟道端的总电流量控制在100-150kA，出铝端电流量控制在80-120kA，A侧剩下的电流经槽底母线多根母线绕行；据此设计阴极母线的走线方式，根据磁流体模型的计算结果确定电解槽的阴极母线、独立补偿母线、槽间距及厂房间距具体参数。本发明是一种能快速的确定超大型铝电解槽的母线基本配置，能够有效的降低熔体的垂直磁场和水平磁场，实现沿槽长轴方向磁场的均匀分布，实现铝电解槽的稳定性运行，提高电解槽电流效率的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法。

Description

一种超大型铝电解槽的阴极母线配置方法

技术领域

本发明涉及一种阴极母线配置方法，具体涉及一种超大型铝电解槽的阴极母线配置方法。

背景技术

在一个铝电解系列中，整流后的直流电通过铝母线直接引入到电解槽上，槽与槽之间通过铝母线串联而成，由阴极母线、阳极母线、立柱母线、连接母线等将电解槽一个个的串联来，构成一个槽系列。母线在电解槽中主要承担着将电流从上游电解槽阴极棒输送至下游电解槽阳极棒的功能，而母线的不同配置方式极大的影响着电解槽物理场分布，制约着铝的氧化损失以及电流效率的指标高低。而且铝母线系统成本也相当昂贵，约占基建费用的25％左右。从设计上来讲，一旦槽结构和阴阳极参数及材料确定之后，最重要的就是涉及重要物理场-磁场的母线配置设计；要确定母线的最佳配置与结构也是相当困难的,需要长期深入的实践经验。

超大型铝电解槽有着较高的规模效应及较低的吨铝投资成本，我国新设计的铝电解槽基本都在500kA以上。而随着槽容量的增大，电解槽的长度方向增大明显，即阴极炭块和钢棒数量的增加，从而导致特大型槽母线结构变得更加复杂、母线连接排布方式多样，端部回流、槽底补偿类型多样。铝电解过程中强大的电流产生强大磁场，强大的磁场和强电流的相互作用产生电磁力，在电磁力等力的作用下铝电解槽内熔体产生剧烈的运动。熔体的剧烈运动有双重效果：一是电解质的运动有利于氧化铝的均匀分布和溶解，电解质成份的均匀及熔体内温度的均匀，对电解过程有利；另一方面是铝液的流动，使得铝液层金属铝向电解质中的扩散加速，降低电流效率。铝液的流动也使电解槽阴极破损速度加快。目前的研究表明，铝液的运动状态(流动、波动、倾斜等)主要受电磁力的作用，电解质的运动由电磁力和阳极气体搅拌力共同控制。在某些情况下电磁力的作用会导致生产事故，如滚铝、“漏槽”及短路等。因此铝电解槽电、磁场设计是否合理对大型预焙阳极铝电解槽的稳定运行和技术经济指标都会产生重要影响。

端部进电：早期小型预焙铝电解槽由于不需要进行磁场补偿，母线配置相对简单，一般采用简单的端对端母线配置。其后，随着槽型的增大，开始采用大面进电，阴极母线全部绕行配置，较早期的160kA槽的美国专利(US4224127)与德国专利(DE2653643)也是采用的该种设计方式。到了近期，开始出现大面进电，阴极母线槽底强补偿配置，并且在大型电解槽的配置中占据主流地位，如贵阳铝镁设计研究院的专利(ZL200510200363.0)及沈阳铝镁设计研究院的专利(ZL200810012376.9)。

近年来，随着我国超大型铝电解槽技术的发展，出现了几种类型的500kA及以上槽型，但在这些超大型电解槽的母线设计与配置中，其对应的磁流体稳定性也存在差异。其原因之一为对于超大型铝电解槽来说，由于其长度方向增大十分明显，如果继续沿用中大型电解槽的母线走向与分配比例，会导致电解槽出现局部磁场偏大，致使电解槽稳定性降低，电解槽电压在高位运行，并损害电流效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能快速的确定超大型铝电解槽的母线基本配置，能够有效的降低熔体的垂直磁场和水平磁场，实现沿槽长轴方向磁场的均匀分布，实现铝电解槽的稳定性运行，提高电解槽电流效率的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，端部补偿电流总量额定、槽底母线交替补偿抵消，即流经烟道端的总电流量控制在100-150kA，出铝端电流量控制在80-120kA，A侧剩下的电流经槽底母线多根母线绕行；据此设计阴极母线的走线方式，根据磁流体模型的计算结果确定电解槽的阴极母线、独立补偿母线、槽间距及厂房间距具体参数。

电解槽的关键部分的总电流量严格控制在额定区域的准则，即要求烟道端的总电流量控制在100-150kA、出铝端电流量控制在80-120kA。

电解槽采用或不采用槽外独立母线，采用补偿母线后，流经端部的外补偿母线I_外与电解槽本身流经端部的母线I_内的和同样满足要求烟道端的总电流量控制在100-150kA、出铝端电流量控制在80-120kA的要求。

电解槽进电侧的电流除了绕行烟道端或出铝端外，剩下的电流全部经槽底汇入立柱母线，且槽底母线总数量为5-8根，每根母线的电流量基本保持一致，以此平衡相互产生的磁场。

烟道端、出铝端和底部母线的空间位置严格控制在相对固定区域的准则，即端部母线的中心线距离其最临近的阴极边缘的水平距离保持在1.0-1.5m，端部母线的中心线距离其最临近的阴极上表面的垂直距离保持在0.1-0.4m。

烟道端的总电流量需要比出铝端至少大10kA，以平衡相邻列列电解槽的磁场影响。

出电侧母线配置与传统大型预焙电解槽的设计保持一致。

采用上述技术方案的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，简单、高效，且所设计的母线能够完全满足超大型铝电解槽磁流体稳定性运行的需要。本发明的优点在于：

(1)与现有技术(如限定进电侧电流按照比例在烟道端、出铝端和槽底进行分配)相比，本发明提出的母线配置方案可以针对任意特大型电解槽，其阴极数量可以随项目本身改变，并且通过对端部电流量固定，可确保端部补偿不会过度，又能对槽中部进行一定补偿，同时槽底母线产生的磁场由于交替抵消作用将会保持在较小值，因此，整个电解槽磁场的分布能够更显均匀，保证了很好的磁流体稳定，将电解槽母线配置从按比例分配转变为按电流分配；

(2)本发明提出的母线配置方法较为灵活，可以针对项目的实际需要，设置或不设置外补偿母线，因而具备有更广泛的实用性，而且为槽外母线补偿量的大小提供了一个指标。

综上所述，本发明是一种能快速的确定超大型铝电解槽的母线基本配置，能够有效的降低熔体的垂直磁场和水平磁场，实现沿槽长轴方向磁场的均匀分布，实现铝电解槽的稳定性运行，提高电解槽电流效率的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法。

附图说明

图1为超大型电解槽电磁流场计算模型图。

图2为超大型铝电解槽阴极母线配置方法流程图。

图3为本发明实施例1中电解槽母线的配置图。

图4为本发明实施例1中电解槽的垂直磁场三维分布图。

图5为本发明实施例1中电解槽的稳态电解质-铝液界面分布图。

图6为本发明实施例2中电解槽母线的配置图。

图7为本发明实施例2中电解槽的垂直磁场三维分布图。

图8为本发明实施例2中电解槽的稳态电解质-铝液界面分布图。

图中：1-阴极软母线；2-进电侧大面母线；3-本槽烟道端补偿母线；4-本槽出铝端母线；5-槽底补偿母线；6-第一母线立柱；7-槽体；8-外补偿母线；9-第二母线立柱；10-第三母线立柱；11-第四母线立柱；12-第五母线立柱；13-第六母线立柱；14-第七母线立柱。

具体实施方式

本发明是超大型铝电解槽阴极母线配置方法，其流程如图2所示，具体流程说明如下：

首先针对具体的电解槽类型，输入电解槽的阴极组数目等参数；其次，根据以上参数，在“端部母线电流总量控制、槽底母线交替补偿抵消”的原则下，将流经烟道端的总电流量需控制在100-150kA、出铝端电流量需控制在80-120kA，同时将A侧剩余电流通过5-8根槽底母线绕行，从而得到初步的的母线配置方案；进而根据母线空间位置准则，确定母线的相对位置，并应用电阻平衡的原理，确定母线的截面积和长度；在此基础上，建立电解槽电-磁-流场计算的有限单元模型，如图1所示，并开始计算模型的电场、磁场和流场分布；通过对计算结果进行分析，判别母线配置是否满足磁流体最优的条件，如不满足，则返回微调母线位置，重新计算，直至满足最优结果就，并得到最佳的母线配置方案。

针对典型的超大型铝电解槽，按以上步骤设计其母线初步配置，在通过有限元仿真模型进行修正，得到最终的母线配置。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例以某540kA预焙铝电解槽为对象，共30块阴极炭块，该电解系列将不采用外补偿母线方案，主要由阴极软母线1、进电侧大面母线2、本槽烟道端补偿母线3、本槽出铝端母线4、槽底补偿母线5、立柱母线及槽体7组成。基于本发明的超大型铝电解槽阴极母线配置方法进行母线电流的分配。对于A侧的电流，根据电流量额定的准则，将烟道端电流分配为99kA(11组阴极)、出铝端分配为81kA(9组阴极)、槽底母线分配90kA(10组阴极)，且槽底母线分为6组，每组电流18kA(2组阴极的电流)。根据母线空间位置准则，端部母线中心线距离阴极上表面的水平距离为1.2m，垂直距离为0.33m。

其母线初步配置如图3所示，采用大面7点进电，其进电比为9：9：8：8：8：9：9。具体走向为：A侧的A6-A11组、B侧的B1-B2、A14-A15与第一母线立柱6连接；A侧的A1-A5组、B侧的B3-B5与第二母线立柱9连接；A侧的A12-A13组、B侧的B6-B11与第三母线立柱10连接；A侧的A16组、B侧的B12-B18与第四母线立柱11连接；A侧的A19-A20组、B侧的B19-B24与第五母线立柱12连接；A侧的A26-A30组、B侧的B25-B28与第六母线立柱13连接；A侧的A17-A18组、A侧的A21-A25组、B侧的B29-B30与第七母线立柱14连接。

同时，应用有限元模型，建立其电磁流场模型，的到其磁场分布及界面变形分别如图4和图5所示。

由图4及图5可以看出，所设计的电解槽磁场分布合理。界面变形上凸最大量为1.5cm，磁场最大值为30Gs，磁场平均值为5.31Gs，磁场绝对值分布区域小于10Gs区域超过80％，小于平均值的区域超过60％。该母线可以维持较为理想的磁流体稳定性。

由图4及图5可以看出，应用本发明提出的方法可以较为快速的确定超大型母线电解槽的阴极母线分布，同时对磁流体稳定性进行评价，选择最佳的母线配置方案。

实施例2：

本实施例同样以某540kA预焙铝电解槽为例，共30块阴极炭块，不同之处在于本实施例采用外补偿母线。主要由阴极软母线1、进电侧大面母线2、本槽烟道端补偿母线3、本槽出铝端母线4、槽底补偿母线5、立柱母线、外补偿母线8与槽体7组成。且外补偿母线8为槽系列电流的1/3，即180kA，其中流经出铝端100kA，流经烟道端80kA。采用本发明的超大型铝电解槽阴极母线配置方法进行母线电流的分配，本实例中，端部电流大小除了本槽电流外，还需考虑外补偿的电流大小。对于A侧的电流，根据电流量额定的准则，需将烟道端电流控制在150kA以下，烟道端控制在120kA以下，因此，将本槽的电流按如下分配：将烟道端电流分配为36kA左右(4组阴极)，出铝端分配为36kA(4组阴极)，槽底母线分配198kA(22组阴极)，且槽底母线分为5组，每组电流36kA-45kA。根据母线空间位置准则，端部母线中心线距离阴极上表面的水平距离为1.15m，垂直距离为0.32m。其母线初步配置如图6所示，采用大面7点进电，其进电比为9：9：8：8：8：9：9。同时，应用有限元模型，建立其电磁流场模型，的到其磁场分布及界面变形分别如图7和图8所示。

由图4及图5可以看出，所设计的电解槽磁场分布合理。界面变形上凸最大量为1.3cm，磁场最大值为29Gs，磁场平均值为5.04Gs，磁场绝对值分布区域小于10Gs区域超过85％，小于平均值的区域超过65％。该母线可以维持较为理想的磁流体稳定性。

由图7和图8可以看出，应用本发明提出的方法可以较为快速的确定带外补偿的超大型母线电解槽的阴极母线分布，同时对磁流体稳定性进行评价，选择最佳的母线配置方案。

Claims (7)

1.一种超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：端部补偿电流总量额定、槽底母线交替补偿抵消，即流经烟道端的总电流量控制在100-150kA，出铝端电流量控制在80-120kA，A侧剩下的电流经槽底母线多根母线绕行；据此设计阴极母线的走线方式，根据磁流体模型的计算结果确定电解槽的阴极母线、独立补偿母线、槽间距及厂房间距具体参数。

2.根据权利要求1所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：电解槽的关键部分的总电流量严格控制在额定区域的准则，即要求烟道端的总电流量控制在100-150kA、出铝端电流量控制在80-120kA。

3.根据权利要求1所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：电解槽采用或不采用槽外独立母线，采用补偿母线后，流经端部的外补偿母线I_外与电解槽本身流经端部的母线I_内的和同样满足要求烟道端的总电流量控制在100-150kA、出铝端电流量控制在80-120kA的要求。

4.根据权利要求1或2所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：电解槽进电侧的电流除了绕行烟道端或出铝端外，剩下的电流全部经槽底汇入立柱母线，且槽底母线总数量为5-8根，每根母线的电流量基本保持一致，以此平衡相互产生的磁场。

5.根据权利要求1或2所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：烟道端、出铝端和底部母线的空间位置严格控制在相对固定区域的准则，即端部母线的中心线距离其最临近的阴极边缘的水平距离保持在1.0-1.5m，端部母线的中心线距离其最临近的阴极上表面的垂直距离保持在0.1-0.4m。

6.根据权利要求1或2所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：烟道端的总电流量需要比出铝端至少大10kA，以平衡相邻列列电解槽的磁场影响。

7.根据权利要求1或2所述的超大型铝电解槽的阴极母线配置方法，其特征在于：出电侧母线配置与传统大型预焙电解槽的设计保持一致。