工艺条件对电解槽融体中电流分布影响的数值计算.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N O n f e r r o u sM e t a l s V d ．5 6 ．N o ．3 A u g u s t 20 04 工艺条件对电解槽融体中电流分布影响的数值计算 戚喜全，冯乃祥，崔建忠 东北大学材料与冶金学院，沈阳 1 10 0 0 4 摘要对电解槽工作在不同工艺条件下的电流场进行数值计算。结果表明，随层面的降低，水平电流密度的幅值和梯度变 化不大。而当伸腿伸至阳极底部时，在槽边部会出现较大的负方向电流，伸腿越长，负向电流越大。在达到阴极表面之前，铝液层 面中垂直电流密度分布基本与铝液层面无关。阳极底部铝液中x ．向电流可以忽略，且随铝水平变化较小，但y ．向电流密度随铝水 平降低而升高。铝液中z - 向电流密度与铝水平关系不大。 关键词有色金属冶金；铝电解；数值计算；融体；电流密度 中国分类号T F 8 2 1 ；T F l l l ．5 2 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 l 2 0 0 4 0 3 0 0 6 3 ～0 4 融体中较大的水平电流是铝电解槽生产之大 忌，因为铝液中的水平电流与垂直磁场相互作用，在 铝液中产生电磁力，导致铝液的流动、波动和不稳 定。因此，铝液中电流分布始终是铝业研究的主题。 文献[ 1 ] 采用测量阴极钢棒电流的方式来确定铝液 中水平电流，文献[ 2 3 ] 就侧部伸腿对铝液中电流 分布的影响进行了计算，文献[ 4 5 ] 就不同伸腿长 度下，不同铝液层的电流密度进行了模拟计算，文献 [ 6 ] 则将铝液中电位场作为第二边值问题进行研究， 同样计算出其中电流分布情况。综合所有研究的共 同点，侧部伸腿越长，逆向电流密度越大，所以，侧部 伸腿对铝液中电流分布影响很大。为了进一步研究 其他因素对铝液层面中电流分布的影响，以1 9 0 k A 电解槽为例，采用有限差分法对电解槽电位场进行 三维模拟计算，在此基础上，计算出不同侧部伸腿长 度及不同铝液高度条件下，铝液层面内的电流密度。 1 数学模型和计算方法 1 9 0 k A 电解槽采用3 6 组阴极和2 8 组阳极。为 了保持边界条件的连续性和准确性，将阳极、融体、 阴极作为一个整体进行计算，计算体系如图1 所示。 计算时假定2 8 组阳极平均分配全部系列电流，并 假定每组阳极上的4 个钢爪平均分担每组阳极的电流 强度。因此，如图1 所示，P 面处4 个钢爪的电流密度 相同，而P 面其他部位为绝缘面。同时假定3 6 组阴极平 均分配电解槽全部电流，并假定每组阴极中的2 个阴极 钢棒平分每组阴极的电流强度。因此，钢棒头处 Q 面 收稿日期2 0 0 3 0 6 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 编号5 0 2 7 4 0 3 1 作者筒介戚喜全 1 9 6 5 一 ，男，河北武邑县人，博士生，教授级高 级工程师，主要从事铝电解槽物理场模拟研究。 电流密度相同。要计算体系内的电流分布，首先要了解 体系的电位分布。整个体系的三维电位分布见文献 [ 7 ] 。根据体系内的电位分布，依据电流密度为节点电 位负梯度的原理计算各节点的电流密度，即用式 1 ～ 3 计算体系内所有节点的电流密度。 J v 一 d U ／d y ／p ， 1 L 一 d U ／d z ／纯 2 L 一 d U ／d z ／p 。 3 式中J 为电流密度，【，为节点的电位，P 为节点的电 阻率。 P 一阳极上表面；Q 一阴极钢棒端头 图1 计算体系示意 F i g ．1 C a l c u l a t i o ns y t e m P ，p i I ls u r f a c e ；Q ，b a rs u r f a c e 2 计算结果与分析 坐标原点选在阴极碳块底部槽中心点。z 向为 阳极宽度方向，Y 向为阳极长度方向，即系列电流方 向，2 向为垂直方向。z ，Y ，z 符合右手定则。 2 ．1 铝液中水平 y ．向 电流密度分布 2 ．1 ．1 侧部伸腿长度为零的理想情况。图2 ～3 为 理想工作状态下，不同铝液层面水平电流密度分布。 万方数据 有色金属第5 6 卷 图2 理想情况下铝液层内水平电流密度 F i g ．2 j ，i nt h eM e t a la tI d e a lS t a t u s 图31 ／2 槽横断面电解槽中电流矢量图 F i g ．3 1pa C r O S St r a n s v e r t i c a ls e c t i o n 铝液中水平电流流向槽中心。而当层面降低到贴近 阴极表面时，负向水平电流密度减小为零值，这是合 理的。因为在理想情况下，阳极右端边沿与炉底伸 腿的最内顶端是对齐的，因此在炉底位置3 3 号网格 以外不再有铝液存在，也就不存在负向水平电流。 另外，水平电流密度随层面变化的另一重要特征是， 在约第2 0 号网格 自里向外约第三个钢爪 之前，电 流密度逐渐上升，此后快速下降。表明水平电流分 量首先逐渐增大，然后逐步恢复到零。同时电流密 度最大值逐步提高，这说明铝液层面越低，其中水平 电流密度梯度越大，但差别不大。由上面的分析似 乎可以得出这样的结论在阳极下面的铝液层内，水 平电流密度只与节点的水平位置有关，可以忽略垂 直方向层面的影响。 图5 理想条件下铝液中垂直电流密度分布 F i g ．5 J i nm e t a la ti d e a ls t a t u s ．图4 伸腿伸至阳极底部时铝液层内水平电流密度 F i g ．4 1 ，i nm e t a lw h i l el e d g ee x t e n d si n t oa n o d ee d g e 由图2 和图3 可清晰地看出，在紧贴电解质铝 液层内，靠近槽中心位置，有微弱的负值电流密度， 图6 侧部伸腿伸至阳极底部时铝液 这表明电流有向槽中心流动的分量。随着层面的降 中垂直电流密度分布 低，此处的负值电流密度逐渐消失，表明水平电流逐F i g ．6L i nm e t a lw h i l el e d g ee x t e n d si n t oa n o d ee d g e 步转为向槽侧部的正方向流动。再者，在阳极底部， 2 ．1 ．2 炉底无结壳，伸腿伸至阳极底部时的情况。 不同铝液层面内，电流密度的变化趋势非常相似。图4 为伸腿伸至阳极底部时，铝液中不同层面内的 只是在阳极右端 3 3 号网格 侧外，电流密度变化趋水平电流分布情况。 势有所不同。在阳极右端 3 3 号网格 外到侧部结、由图4 看出，不同于图2 的情况是电流密度的 壳的一段距离内，水平电流密度为负值，即在此位置最大值较小，且最大值的位置向槽中心移动。主要 万方数据 第3 期戚喜全等工艺条件对电解槽融体中电流分布影响的数值计算6 5 的差别还是由于较长伸腿的存在，在电解槽边部铝 液内部产生较大的负方向电流，而且在达到最低层 面之前，随着层面降低，负向电流密度最大值和电流 密度梯度逐渐增大。随着层面降低，有负向电流的 铝液面宽度变窄，这是由于相应铝液层面对应的侧 部结壳位置与伸腿最顶端的水平距离越来越小，负 向电流的容许空间越来越窄的缘故。可以想象，在 同一层面内，正负两方向的电流与垂直磁场作用，在 铝液中会产生复杂的影响。因此，侧部伸腿长度必 须严格控制，以降低负方向水平电流分量。 a 一靠近槽中心位置两阳极宽度铝液中水平电流矢量图； b 一靠近角部位置两阳极宽度电解槽中电流矢量图； c 一不同铝水平时y _ 向电流密度； d 一1 ／2 槽断面电解槽中电流矢量图； e 一铝液中Z ．向电流密度分布 图7 不同铝水平的电流分布 a 一Li nm e t a lu n d e ra n o d e sn e a rc e l lc e n t e r ； b 一J ≯i nm e t a lu n d e ra n o d e sa tc e l lc o m e r ； e J 。a td i f f e r e n tm e t a lh e i g h t ； d 一- ，。a e r 0 8 8t r a n s - v e r t i c a ls e c t i o n ； e 一．，a td i f f e r e n tm e t a lh e i g h t F i g ．7 C u r r e n td e n s i t ya td i f f e r e n tm e t a Ih e i g h t 2 ．2 铝液中垂直 z I 向 电流密度分布 2 ．2 ．1 理想工作状态下的分布。理想条件下铝液 中垂直电流密度分布如图5 所示。随着层面降低， 自槽中心向槽边侧电流密度有增加趋势。但在达到 阴极表面之前，变化很小。在边部伸腿上方，垂直电 流密度近乎为零。由此可见，在侧部伸腿未影响到 的铝液层内，如果铝液层面未及阴极，垂直电流密度 可不考虑水平位置的影响，认为其均匀不变。但在 触及阴极表面处则不同，垂直电流密度随节点位置 向槽边部移动而迅速增加，这是阴极中电流密度对 相邻铝液层中电流密度影响的结果。 2 ．2 ．2 侧部伸腿伸至阳极底部时的情况。侧部伸 万方数据 有色金属 第5 6 卷 腿伸至阳极底部时铝液中垂直电流密度分布见图 6 。从图6 可知道，电流密度变化趋势与理想工作状 态下非常相似，只是影响幅度和影响范围有所不同。 这就进一步验证了前面的结果，即在伸腿并非特长 时，伸腿未影响到的铝液层内，垂直电流密度可近似 看作均匀相等。 2 ．3 融体中不同铝水平的电流分布 ’ 为从理论上说明不同铝水平对融体中电流分布 的影响，在其他条件同于理想条件的情况下，计算了 铝水平为1 4 0 r a m 时，同一铝液层内 距阴极表面同 为l O O m m 电流分布。槽中心位置和边部位置铝液 中电流分布情况如图7 所示。 注图7 a 的水平铝 液面距阴极表面1 0 0 r a m ，图7 b 面为自槽中心开始 第四个阳极钢爪处。 图7 a 表明，在槽内部，X 一向电流密度分布受铝 水平影响较小。即使是在角部，如图7 b 所示，X ．向 电流密度仍可忽略。但自图7 c 可明显可看出，铝液 中Y 一向电密度分量较之铝水平2 0 0 r a m 时有较大的 提高。尽管图7 c 只是某一横向垂直断面铝液中F 向电流分布，但已充分证明了y 一向电流密度随铝水 平降低而升高的结论，图7 d 的结果也相似。因此，对 于某类电解槽，选取某种工艺条件时必须考虑到水 平电流密度的变化，否则，将有可能产生较高的槽噪 声，造成电解槽的不稳定。图7 e 显示，z _ 向电流密度 沿y ．向几乎不变。 3结论 1 在铝液层面内，少向水平电流密度沿阴极 钢棒方向逐渐增大到一最大值，而后逐渐降低。最大 值约位于自槽中心开始向外数第三阳极钢爪水平位 置处。 2 随着铝液层面的降低，少向电流密度变化 不大。 3 在伸腿伸至阳极底部时，少向电流密度最 大值降低，最大值位置向槽中心移动，并在电解槽边 部铝液中出现较大的负向电流分量，且层面越低，负 向电流密度幅值越大。 4 在达到阴极表面之前，铝液中垂直电流密 度受铝液高度影响较小，可认为其均匀相等。 5 正常生产时，阳极底部铝液中X ．向电流密 度可以忽略。铝液高度降低，y 向电流密度升高，但 弘向电流密度几乎不变。 参考文献 [ 1 ] T a r a p o r eED ．T h ee f f e c to fs o m eo p e r a t i n gv a r i a b l e so nf l o wi na l u m i n u mr e d u c t i o nc e U s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 8 1 3 4 1 3 5 5 ． [ 2 ] A r i t aY ，I k e u c h iH ．N u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fb a t ha n dm e t a lc o n v e c t i o np a t t e r n sa n dt h e i ri n t e r f a c ep r o f i l ei nA Ir e d u c t i o nc e i l s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 8 1 3 5 7 3 7 1 ． [ 3 ] R o b lRF ．M e t a lf l o wd e p e n d e n c eonl e d g i n gi nh a l l H e r o u l tC e l l s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 8 3 4 4 9 4 5 6 ． [ 4 ] F r a s e rKJ ，B i l l i n g h u r s tD ，C h e nKL ，e ta 1 ．S o m ea p p l i c a t i o n so fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fe l e c t r i cc u r r e n td i s t r i b u t i o n si nh a l l h e r o u l tc e l l s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 8 9 2 1 9 2 2 6 ． [ 5 ] E l D e m e r d a s hMF ，K h a l iEE ，A h m e dHA ，e ta 1 ．M o d e l i n go fm e t a lt o p o g r a p h ya n df l o wr e g i m e si nw o r k i n gp m b a k e da l u m i n u mp o t [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 3 3 6 9 3 7 4 ． [ 6 ] 梅炽，王前普．有色冶金炉窑仿真与优化[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 1 ． [ 7 ] 戚喜全，冯乃祥．铝电解槽阴极三维电位场数值计算与分析[ J ] ．材料与冶金学报，2 0 0 3 ， 6 1 0 3 1 0 8 ． C u r r e n tD i s t r i b u t i o nN u m e r i c a lC a l c u l a t i o no fA IR e d u c t i o nC e l lu n d e rP r o c e s s i n gC o n d i t i o n ．Q IX i - q u a n ，F E N GN a i x i a n g ，C U lJ i a n z h o n g S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec u r r e n td i s t r i b u t i o ni nt h em e t a lp a di sc a l c u l a t e db yn u m e r i c a lm e t h o d ．I ti Sf o u n dt h a tb o t ht h ec u r ． r e n td e n s i t yv a l u ea n di t sg r a d i e n ta r en o ti n c r e a s e de v i d e n t l yw i t ht h el o w e r i n go fm e t a ll a y e r ．W h e nl e d g ea N t e n d st ob e l o wa n o d e ，t h e r ei sb i go p p o s i t ec u r r e n ti nt h em e t a lo u t s i d et h ea n o d e ，a n dt h el o n g e rt h el e d g ee x t e n d s ，t h eb i g g e rt h eo p p o s i t ec u r r e n td e n s i t y ．I n f l u e n c eo fm e t a lh e i g h to nv e r t i c a lc u r r e n td e n s i t yc a nb ei g n o t e du n t i li tr e a c h e st oc a t h o d es u r f a c e ．C u r r e n td e n s i t yi nxd i r e c t i o no fm e t a lp a db e l o Wt h ea n o d ei sn e g h g i b l e ．a n dn o tv a r i e dw i t ht h em e t a ll e v e lc h a n g e s ．W h i l ec u r r e n td e n s i t yi nYd i r e c t i o ni n c r e a s e sw i t ht h em e t a l h e i g h tl o w e r i n g ，h o w e v e r ，i td o e s n ’tc h a n g ei nzd i r e c t i o n ． K e y w o r d s n o n f e r r o u sm e t a l l u r g y ；a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；m o l t e np a d ；c u r r e n td e n s i t y 万方数据