154kA预焙铝电解槽三维磁场的双标量磁位法计算.pdf

第5 5 卷第3 期有色金属 V o l5 5 ，N o3 2003 年8 月 N O N F E R R O U S M E T A L S A u s t 20O3 1 5 4 k A 预焙铝电解槽三维磁场的 双标量磁位法计算 姜昌伟1 ，周乃君1 ，梅炽1 ，肖胜华2 1 ．中南大学热工设备仿真与优化研究所，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 郑州龙祥铝业岱司，郑州4 5 0 0 5 2 摘要以标量电位法和双标量磁位法相结合，对1 5 4 k A 预焙铝电解槽磁场进行三维数值计算。计算结果表明，水平磁场 基本上形成一个顺时针的漩涡，垂直磁场呈现较好的反对称关系。计算结果与实际测量结果基丰相符．可满足对铝电解槽砬坜计 算及对母绒配置与设计的要求。 关键词冶金技术；铝电解槽；标量盛位法；磁场 中圈分类号T F 8 2 1 ；T F l l l5 2 2 ；0 4 4 1 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 3 0 3 0 0 7 6 0 4 铝电解槽向容量大型化发展，电解槽上通过的 电流会产生强大的磁场，磁场的分布对铝电解槽的 生产操作和电流效率有重要的影响L l - 2 j ，铝电解槽 磁场的研究愈显重要。国内外对铝电解槽磁场的设 计已作了大量工作，但现有电解槽磁场计算方法仍 不够完善，存在着一些不足，尤其在计算铁磁材料对 磁场的影响方面，计算结果与实际测量结果有较大 的差距，不能完全满足电解槽母线设计的要求。因 此，铝电解槽磁场的计算方法一直力求完善，以便在 铝电解槽磁场设计中，尽可能精确地计算出铝电解 槽的磁场分布，并通过优化母线配置，使磁场的不良 影响降低到最低。 铝电解槽磁场为母线电流产生的磁场，阴极碳 块、阳极碳块及熔体中电流产生的磁场，铁磁材料被 磁化后产生的磁场和阴极钢棒产生的磁场四部分磁 场迭加而成。在铝电解槽磁场计算中，对前两部分 磁场的计算已经取得共识，即用毕奥一萨伐定律的 线积分和体积分进行计算”_ 6J 。而对后两部分磁 场的计算，运用不同的计算方法，比如磁偶极子 法[ 7 “] ，磁标量位法f 9 ’等得到的结果差异很大，特 别是阴极钢棒产生磁场的计算基本没见过报道。 对母线、阴极碳块、熔体及阳极碳块电流的磁场 计算采用毕奥一萨伐定律，对铁磁物质槽壳的磁场 采用全标量磁位法，对阴极钢棒产生的磁场采用简 化标量磁位法和毕奥一萨伐定律相结合的方法，计 算结果较为精确。 基金项目国家“9 7 3 ”计划资助项目 G 1 9 9 9 0 6 4 9 0 0 3 2 收稿日期2 0 0 2 ～0 7 一0 8 作者简介姜昌伟 1 9 7 3 一 ，男，浙江江山市人，博士生 1 数学模型 1 ．1 电流计算数学模型 对于导电区域阳极、熔体 电解质和铝液 、阴 极、母线系统电流场采用标量电位法进行数值计算。 由于铝电解槽的电流场属于静态电场，场量与时间 无关，因此铝电解槽内导电系统部分导电微分方程 可用式 1 表示。式中v 为标量电位，单位V ／m 。 可见铝电解槽内导电系统电位分布满足拉普拉斯方 程，可用有限元法离散进行数值计算。 警 等 警刈 ㈩ 8 2 2a ∥a 2 2 1 ．2 磁场计算数学模型 把铝电解槽磁场计算场域划分为三部分v 。、 ％、V ，。V 。为铝电解槽槽壳钢板区，V 2 为不包括磁 性材料的源电流区 母线系统、阳极、电解质、铝液、 阴极碳块 ，- ，3 为有源电流的磁性材料阴极钢棒区。 显然在v ．中，由于式 2 成立，因此可以式 3 定义 全标量磁位p 。在n 中，则有式 4 和式 5 。 V H 0 2 H 一V 口 3 H H 。 4 V H 。 J 。 5 式中H 。一源电流区域产生的磁场强度，J 。一源电 流区域电流密度。式 s 中H 。可由毕奥一萨伐定律 直接积分计算，见式 6 ，其中r 为源点到场点的径 向矢量；r 为场点到源点的距离。 H 。 击f 。等d V 6 而在v 3 中式 7 成立，其中H o 为阴极钢棒产 万方数据 塑 塑羞曼堡竺 塑坠望堕塑皇堑堕三堡堡塑竺翌堡里壁竺望堡竺 一 生的磁场强度，H 为总磁场强度。由 5 式可得式 8 ，由此可以式 9 定义简化标量磁位9 ，代入式 7 得式 1 0 ，积分的式 1 1 。 H H 。 H 0 7 V H n 0 8 H o 一V p 9 H H 。一V 9 1 0 H 飘等d V V ， ⋯ 图1 是1 S 4 k A 大型预焙铝电解槽计算区域网格 划分图。计算时先用标量电位法计算出母线系统、阳 极、阴极、熔体及阴极钢棒的电流密度分布，然后应用 毕奥一萨伐定律、全标量磁位法和简化标量磁位法分 别计算出各部分的磁感应强度，最后综台各部分的磁 感应强度，得出所计算区域任一点的磁感应强度。 图l1 5 4 k A 大型预焙铝电解槽 计算区域网格划分 F i g1 G r i dp a r t i t i o no fc a l c u l a t i o nr e g i o ni n1 5 4k A p r e b a k ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s 2 计算结果分析与讨论 对某厂1 5 4 k A 预焙铝电解槽内的三维磁场分 布进行了仿真计算，该电解槽是侧部四点进电。计 算时将坐标原点选定在槽壳的中部，并将电解槽划 分为四个区域，计算时考虑了铁磁物质和相邻电解 槽的影响，并将计算结果绘制成三维图形。这里给 出铝液高度为1 0 c m 平面的磁场分布。 图2 ～图4 分别是z ，，和z 方向磁感应强度 B ，B 。和B 。的分布。图5 是三维磁感应强度矢量图。 由图2 可以看出。．2 7 方向的磁感应强度沿短轴 呈对称分布，袷长轴呈反对称分布，从A 侧到B 侧 变化幅度较大，极值出现在大面 A 面和B 面 靠近 槽壳处。图3 表明，Y 方向上的磁感应强度沿短轴呈 反对称分布，极值出现在电解槽四个角部。z 方向的 磁感应强度沿短轴呈反对称分布且沿长轴也呈反对 图2 横内磁感应强度B ，分布 F i g ．2 D i s t r i b u t i o no fB zi na l u m i a u mr e d u c t i o nc e l l s 称分布，极值出现在电解槽的四个角部，见图4 。 圈s 的三维矢量图显示出水平磁场基本上形成 一个顺时针的漩涡，两个大面的磁感应强度较大，中 间的磁感应强度较小，垂直磁场基本上呈A 侧出铝 端与B 侧烟道端磁感应强度方向向上，而A 侧烟道 端与B 侧出铝端磁感应强度方向向下，呈现较好的 反对称关系，磁场的变化梯度较小，这有利于改善槽 内铝液流动状态。 总的看来，槽中心部分的磁场分布较为均匀，且 值较小，在四个角部磁感应强度较大。 图3 槽内磁惑应强度B ，分布 F i g3D i s t r i b u t i o no fB i na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s 图4 槽内磁感应强度B 分布 F i g ．4D i s 订i b u t L 0 no fB i na l u m i n u mr e d u c t i o nc e i l s 万方数据 有色金属 第5 5 卷 乓 毪 迪 甓 箍 ．，。_ 。j l 曩、、 图5 槽内三维磁场矢量 F i g ．5V e c t o r g r a p ho f3 Dm a g n e t i cf i e l d 1 na l u m i i l u mr e d u c t i o nc e l l s 3 计算结果的验证 测量磁场的仪器采用美国B E L L 公司生产的三 维高斯计M O D E L 9 9 5 0 ，并将计算结果与测量结果 进行比较，结果见表I 。由表1 可见，铝电解槽的磁 场分布计算值与测量值比较接近，在电解槽的端部， 测量值与计算值相差相对较大，在电解槽中部区域 的测量点，测量值与计算值很接近。从磁感应强度 平均值比较可以看出，测量值与计算值相差稍大，这 是因为测量点仅代表的是少数几个点的磁感应强 度，而计算的磁感应强度代表的是全槽的值，因而平 均值小于测试的平均值。 表1 磁场测量与计算结果比较 T a b l e1 C o m p a r i s o r to fm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o nm a g n e t i cf i e l d s 误差产生的主要原因有测量点的定位并非十分 精确、测试期间电流与电压有波动、槽膛内形的不规 整、铝液运动的影响等。总的来说，计算结果与实际 测量结果的误差比较小。表1 中，l 毋J ，一，JB vJ 。。 和J 最J 一分别为z ，Y 和 方向上的最大磁感应强 度；l 磁I ⋯{ 玩I 鲋。和『B 。I 帆分别为z ，y 和z 方 向的平均磁感应强度。 4 结论 1 运用标量电位法计算电流场，双标量磁位法 计算铝电解槽内铝液的磁场分布，计算结果与实际 测量结果基本相符，可满足对铝电解槽磁场计算及 对母线配置与设计的要求。 2 对某厂1 5 4 k A 大型预焙槽内兰维磁场分布 的计算实例表明，水平磁场基本上形成一个顺时针 的漩涡，两个大面的磁感应强度较大，中间的磁感应 强度较小，垂直磁场基本上呈A 侧出铝端与B 侧烟 道端磁感应强度方向向上，而A 侧烟道端与B 侧出 铝端磁感应强度方向向下，呈现较好的反对称关系， 磁场的变化梯度较小。与四个角部相比，槽中心部分 磁场分布较均匀，磁感应强度较小。 参考文献 【I ] 格罗泰姆凯．克望穗暗，邱竹贤．霍尔一埃鲁法在最近五十年内的重要进展[ J ] ．轻金属，1 9 9 5 1 1 2 3 万方数据 第3 期姜昌伟等1 5 4 k A 预焙铝电解槽三维磁场的双标量磁位法计算 [ 2 ] E v a mwj ，Z u n d d v i e hY ．S h a r m aD Am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp r e d i c t i o no fC o r r e t i t s ，m a g n e t i cf i e l d s ，m e l tv e l o c i t i e s ，m e l tt o p o g r a h ya n dc u Y r e n te f f i c i e n c yi nH a l l H e r o u hC ≈l l s [ J ] M e tT r a n s a c t i o n ，1 9 8 0 ．1 2 B 1 0 [ 3 ] Z i e g l e rDP ，K o z a r c kRL ，H a l l - H e r o u hC e l lm a g n e t i cm e a s u r e m e n t sa n dc o m p a r i s o n sw i t hc a l c u l a t i o n s [ J ] L i g h tM e t a l s ， 1 9 9 l 3 8 l [ 4 ] D aM o t aGE ，A n a d eGJd eM a g n e t i cc o m p e n s a t i o np r o j e c ta tA L B R A SS m e l t e r [ J ] L i g h tM e t a l s ，2 0 0 1 4 1 3 [ 5 ] S e l eTC o m p u t e rm o d e l f o r m a g n e t i c f i e l d s i ne l e c t r o l y t i cc e l l s i n c l u d i n g t h ee f f e c t o fs t e e lp o r t s 【JJ L i g h t M e r a I ，1 9 9 1 3 9 3 [ 6 ] B u i z aJIE l e c t r o m a g n e t i co p t i m i z a t i o no ft h eV - 3 5 0c e l l [ J ] L i g h tM e t a l ，1 9 8 9 2 1 1 [ 7 ] U r a t aNM a g n e t i ca n dm e t a lp a di n s t a b i l i t y [ J ] L i g h tM e t a l s ，1 9 8 5 5 8 I [ 8 ] 曾水平，蔡其风，梅炽．铝电解槽焙体中电磁力场的计算机仿真[ J ] 北京科技大学学报，1 9 9 5 1 2 6 5 [ 9 】S e g a t zM ，V o g e l s a n gDE f f e c to fs t e e lp a r t so nm a g n e t i cf i e l d si na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s 【J ] L i g h tM e t a l s ，1 9 8 1 3 5 3 3 DM a g n e t i cF i e l dC a l c u l a t i o no f1 5 4 k AP r e b a k eA l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l s w i t hD o u b l eS c a l a rM a g n e t i cP o t e n t i a lM e t h o d s J I A N GC h a n g a e i l ，Z H O U N ⅡO u n l ．M E I C h i l ，X 1 A Os ∞胙m 2 1 ．I n s t i t u t eo HS i m u l a t i o na n d O p t i m i ∞t i o no f P y r p i n s t a l I a t i o n s ，C e n t r a lS o u t hU n i z f r s l t y 。C A a n g s h a4 1 0 0 8 3 ．C h i n a 2Z h e n g z h o uL o n g x i a n g A l u m i n u mI n d u s t r y C oL t d ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 5 2 ，H e w n ，C h i n a A B S T R A C T T h e3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f1 5 4 k Ap r e b a k ea n o d ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e H si sc o n d u c t e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h es c a l a rv o l t a g ep o t e n t i a lm e t h o da n dt w os c a l a rm a g n e t i cp o t e n t i a lm e t h o d s ．I ti si n d i c a t e db yt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t st h a tt h eh o r i z o n t a lm a g n e t i cf i e l di si nt h ef o r mo fa c l o c k w i s ew h i r l p o o la n dt h ev e r t i c a lm a g n e t i cf i e l dp r e s e n t sb e t t e rr e s e r v es y m m e t r y ．T h es i m u l a t i o nr e s u l ti sb a s i c a l l yc o n s o n a n tw i t ht h em e a s u r i n gr e s u l t ，a p p l i c a h l et ot h eb u s b a rd e s i g no fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s K E YW O R D S m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s ；s c a l a rm a g n e t i cp o t e n t i a lm e t h o d ；m a g n e t i cf i e l d 上接第7 1 页C o n t i n u e df r o mP7 1 [ 2 4 ] 李宏煦硫化矿细菌浸出过程的电化学机理及工艺研究[ D ] 长沙中南大学，2 0 0 1 【2 5 jH o l m e sPR ，C r u n d w e l lFKT h ek i n e t i c so ft h eo x i d a t i o no fp y r i t eb yf e r r i ci o n sa n dd i s s o l v e do x y g e n a l le l e c t r o c h e m i c a l s t u d y [ J ] G e o e h i m i e aC o s m o c h i m i c aA e r a ，2 0 0 0 ，6 4 2 6 3 [ 2 6 ] 李宏J 喊，王淀佐，阮仁满．硫化矿细菌授出过程的电化学及其研究进展[ J ] 有色金属，2 0 0 3 ．5 5 1 8 1 [ 2 7 ] 李宏煦，刘晓荣黄铁矿和镍黄铁矿混合细菌程出过程的原电池教应[ J ] ．有色金属．2 0 0 2 ，5 4 4 4 7 [ 2 8 3 李宏煦，王淀佐生物冶金中的微生物及其作用[ 1 3 ．有色金属．2 0 0 3 ，5 5 2 5 8 D e s c r i p t i o no fM i c r o b eE f f e c t so nS u l f i d eM i n e r a lB i o - l e a c h i n g L f H o g x H l 一．W A N G D i a n z u 0 1 ．C H E N J i “g h F 2 ，R U A N R e n m a n l 1G e n e r a l R e “ a m hI n s t i t u t e ，。r N o n f e t u s M e t a l s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 8 ．C h i n a ； 2F u f i a nZ O i nM i n i n gI n d u s t r yC o r p o r a t i o n ．S h a h 胂a n g3 6 4 2 0 0 ，F u j i a n ，C h i n a A B S T R A C T T h ev a r i o u se f f e c t so fm i c r o b eo ns u l f i d em i n e r a l sl e a c h i n gp r o c e s si ss u m m a r i z e d ，a n dt h er e l a t i v ei n v e s t i g a t i o n sa r er e v i e w e d ．T h ep Ha tt h em i n e r a ls u r f a c ea n dm i x e de l e c t r o - p o t e n t i a li nl e 8 c h i n gs y s t e ma r ed e c r e a s e d a n di n c r e a s e dr e s p e c t i v e l yb yt h ee x i s to ft h eb a c t e r i aT h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed i r e c ta n di n d i r e c tm e c h a n i s m si sw h e t h e rs u l f i d ei so x i d i z e db yF e 3 i nd e s p i t eo fb a c t e r i aa d h e r i n go nm i n e r a ls u r f a c eo rn o t ．T h ed i r e c t e f f e c tr e f e r st ot h es u l f i d eo x i d i z e dd i r e c t l yb yb a c t e r i aw i t h o u te l e c t r o nt r a n s m i s s i o nb yF d ／F e 2 c o u p l e ，o t h ． e r w i s ei si n d i r e c te f f e c t ．T h ep r o c e s so fs u l f i d eb i o l e a c h i n gi sc o m p l i c a t e dp r o c e s si n v o l v i n gc h e m i c a l ，e l e c t r o c h e m i c a la n dk i n e t i ce f f e c t ，a n dt h ev a r i o u se f f e c t sa r en o ti s o l a t e d ，b u tr e l a t e da n da l t e r n a t e de a c ho t h e r K E YW O R D S m e t a l l u r g i e a lt e c h n o l o g y ；b i o l e a c h i n g ；r e v i e w ；m i c r o b e ；s u l f i d em i n e r a l ；m e c h a n i s m 万方数据