基于COMSOL铝电解电流分布在线监测的磁场分析.pdf

2 0 1 5 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i mm ．c n 2 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 0 6 基于C O M S O L 铝电解电流分布 在线监测的磁场分析 张江江，铁军，赵仁涛，张志芳 北方工业大学机电工程学院，北京1 0 0 1 4 4 摘要通过测量铝电解槽阳极电流产生的磁场来反映电流，并且使用屏蔽磁环屏蔽掉邻近的阳极、立柱 母线、水平母线和跨接母线产生的干扰磁场。最后通过试验和C O M S O L 仿真，验证屏蔽磁环的可行性， 实现电流分布连续监测。该测量方法简单，测量结果精确。 关键词铝电解；电磁场；电流分布 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 I2 0 1 5 o 卜0 0 2 3 一0 4 A n a l y s i so fM a g n e t i cF i e l d o fA l u m i n u mE I e c t r o I y t i cC u r r e n tD i s t r i b u t i o n O n ‘l i n eM o n i t o r i n gB a s e do nC o M S O L Z H A N GJ i a n g j i a n g ，T I EJ u n ，Z H A OR e n t a o ，Z H A N GZ h i f a n g M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o I o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t M a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db ya n o d ec u r r e n to fa l u m i n u me l e c t r 0 1 y t i cc e l lw a sm e a s u r e dt or e f l e c t c u r r e n td i s t r i b u t i o n ．I n t e r f e r e n c em a g n e t i cf i e l df r o ma d j a c e n ta n o d e ，v e r t i c a lp o s tb u s b a r ，h o r i z o n t a l b u s b a ra n db r i d g i n gb u s b a rw a ss h i e l d e db ys h i e l d e dc o p p e rb l o c k ．T h ef e a s i b i l i t yo fs h i e l d e dc o p p e rb l o c k w a sv e r i “e db ye x p e r i m e n ta n dC O M S O Ls i m u l a t i o n ．Th i sm e a s u r i n gm e t h o di ss i m p l ew i t ha c c u r a t e m e a s u r i n gr e s u l t s ． K e yw o r d s a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ；m a g n e t i cf i e l d ；c u r r e n td i s t r i b u t i o n 在铝电解生产中，电解槽的阳极电流分布的均 匀性与预焙铝电解槽的稳定性有关口。3 ] 。如果阳极 电流分布不均[ 4 缶] ，则磁场不稳定，铝液波动紊乱，最 终导致槽温升高、槽况恶化，使得生产的各项技术指 标受到影响。如果不均匀电流从0 ．5 5 ％变化到 1 ．7 5 ％，电流效率就会造成1 ．4 8 ％～2 ．0 5 ％的损 失口] 。如果阳极电流可以连续监测并且阳极在必要 时做出调整，这些损失是可以避免的。因此电流分 布的在线监测具有十分重要的意义。 龚文俊等[ 8 1 将测定阳极电流分布的装置固定在 阳极铝导杆上。但测量装置在换极时需手动去拆除 收稿日期2 0 1 4 一0 8 1 4 基金项目国家科技部科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A E B 0 9 作者简介张江江 1 9 8 8 一 ，男，山西大同人，硕士研究生． 和重新安装，工作量大，安全系数低。席灿明等[ 9 。1 1 ] 也提出了一些测量阳极导杆电流的方法，但同样存 在上述问题。U r a t a 和E v a n s 等[ 12 。1 4 1 提出了通过测 量阳极导杆周围的磁场来反映阳极电流的方法，从 而实现阳极电流的非接触式在线连续测量。 然而，由于一根阳极电流被邻近的阳极、立柱母 线、水平母线和跨接母线的电流产生的磁场的“交互 干扰”会影响测量结果，因此必须消除这些磁场的干 扰，才能准确地测量出阳极导杆的电流。基于此，本 文在对铝电解槽电磁场基本原理研究的基础上，使 用屏蔽磁环来减少这种交互干扰。 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 1理论依据 磁场屏蔽的机理如图1 所示，主要依据是“通量 分流”，“通量分流”是由安培定律和高斯定律产生 的，当磁场由一种介质 空气 进入到另一种介质 铁 磁类材料 时，方向就会突然改变。 图1 磁力线转移原理图 F i g ．1P r i n c i p l ed i a g r a mO fm a g n e t i c l i n et r a n s f e r 磁场的屏蔽是基于导磁材料转移磁场。磁力线 远离保护区，因为在磁屏蔽中它遵循更容易的路径。 这使得屏蔽区域内的磁场减小了。 一个外壳的屏蔽作用取决于这种材料的磁导 率、壳的形状和尺寸、以及它的厚度。式 1 适用于 一个长圆柱形屏蔽管在横向磁场下的静态屏蔽 s T 一斋 l 式中，S ，为横向磁场的屏蔽系数；肚为相对磁导率；d 为圆柱的厚度；D 为圆柱的直径。 但 1 式忽略了圆柱两端覆盖的影响，而沿轴向 的磁场屏蔽效果还取决于管的长度L s ， 黼 1 2 式中，S 。为纵向磁场的屏蔽系数；N 为消磁因子，L 为圆管的长度；A 为磁因子。 由式 1 ～ 2 可以计算出不同厚度、直径、长度 圆柱形屏蔽管的屏蔽效果。 2 试验和仿真 2 ．1 实验室模型 运用亥姆兹线圈设备进行磁屏蔽试验，并用 C O M S I ．仿真软件对仿真试验进行验证，最后通过 仿真不同规格的磁环，从而找出屏蔽效果最好并且 加工方便的磁环结构。 实验室设备连接情况如图2 所示，将带有霍尔 元件的检测装置安装到亥姆兹线圈中间的支架上， 检测装置上面有3 个霍尔元件，1 号平行于磁场，2 号垂直于磁场，3 号与磁场成4 5 。角，从而检测不同 角度的磁场。 图2 试验室设备 F i g ．2E q u i p m e n to fl a b 试验通过设置不同大小磁通密度的初始值，然 后将不同规格的磁环依次固定到各个霍尔元件上， 并保证霍尔元件在磁环内部的中心位置，从而确保 试验的准确性，从而测量出磁环内部的磁通密度，计 算屏蔽磁环的屏蔽效果，并且找出不同摆放角度对 于屏蔽效果的影响。不同规格磁环的测量结果如表 1 所示，其中0 。表示磁环轴线平行于磁场，9 0 。表示 磁环轴线垂直于磁场。14 磁环和2 。磁环的宽度和 厚度分别为3 0m m 和1m m ，1 ”磁环直径为3 0m m ， 2 。磁环直径为15m m 。 表1 磁环屏蔽试验结果 T a b l el E x p e r i m e n t a lr e s u I to fs h i e l d e db l o c F G 初始值 o 。 通过表1 两组试验数据可以得出，在其他相同 条件下，直径越小，屏蔽效果越好，屏蔽区域内的磁 通密度也越小。另外经过多组试验对比发现，不同 的宽度以及厚度也有比较大的影响。 应用C O M S O I 。软件仿真实验室模型的屏蔽效 果，结果如图3 ～4 所示。其中图3 为磁通密度5 0 0 G 时沿y 轴负方向的均匀磁场，图4 为屏蔽后磁环 附近的磁力线走向。 由图4 可看出，磁力线大部分通过高磁导率的磁 万方数据 2 0 1 5 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i mm ．c n 2 5 图3 磁通密度5 0 0G 时沿y 轴负方向 的均匀磁场 F i g ．3 U n i f o r mm a g n e t i cf i e l da l o n gn e g a t i V e d i r e c t i o no fy a x i sw i t hf i e I dd e n s i t yo f5 0 0G 图4 工D y 截面的磁力线走向 F i g ．4M a g n e t i cl i n eo ff o r c ei nx D ys e c t i o n 环，而磁环内部基本没有磁力线，说明通过磁环可以 屏蔽掉干扰磁场。图3 ～4 的结果与试验数据基本相 同，因此我们认为仿真结果是准确的。 不同规格磁环在磁通密度为5 0 0G 的匀强磁场 里不同角度时屏蔽效果的仿真结果如图5 所示。 ．“ 一 11 5Ⅵl4 5f 1j 5 H }I l l j 角『芟“ 图5 不同磁环的屏蔽效果 F i g ．5S h i e l d i n ge f f e c to fd i f f e r e n ts p e c i “c a t i o n s 其中1 号磁环长1 0m m 、直径2 5m m 、厚度 1m m ；2 号磁环长1 5m m 、直径2 0m m 、厚度1m m ； 3 号磁环长1 5m m 、直径2 5m m 、厚度1m m ；4 号磁 环长度1 0m m 、直径2 5m m 、厚度2m m 。 S E 一2 0 1 0 9 H 。／H 式中，S 。为屏蔽效能；H 。为未屏蔽的磁通密度； H 为屏蔽后的磁通密度。 从图5 可看出，不同规格的磁环，随着角度的增 大，屏蔽效果越来越好，达到了预期的效果。通过仿 真不同形状的磁环，总结出其他形状的磁环和圆柱 形磁环的屏蔽效果是类似的，考虑到加工制造安装， 选用圆柱形磁环是合适的。 2 ．2C O M S O L 仿真 在阳极导杆侧面表面附近 水平母线下方 以中 部某个位置 z o ，y y 。，z 一％ 为基点，计算z 方 向磁场的变化规律，在综合考虑立柱母线、邻近导杆 磁场干扰的情况下，探讨测量阳极导杆电流的可行 性。铝电解仿真模型见图6 ，之所以考虑测量z 方向 的磁场，是由于在阳极导杆y 方向上，水平母线会产 生干扰磁场，在z 方向上，阳极导杆不会产生磁场。 图6 铝电解仿真模型 F i g ．6 A l u m i n u me l e c t r o l y t i cs i m u l a t i o nm o d e l 通过设置模型材料、参考点、材料的属性以及边 界条件，然后划分网格 一般最小为5m m ，最后分 别求解计算每一段的影响，其仿真结果如图7 所示 仿真结果都是从槽外向槽内看 。 从图7 可明显看出在一定范围内各段产生的磁 场大小，水平段为9 9 ．3 8G ，立柱母线倾斜段为 1 4 ．6 5G ，竖直段为5 ．0 6G ，而且各部分的方向都不 同。主要是水平段影响最大，但是这些磁场都有一 定的角度，因此能够被磁环很好地屏蔽掉。 3结论 1 邻近的阳极、立柱母线、水平母线和跨接母线 的电流会干扰阳极导杆附近的磁场。 ●M H X M H H W Hrrp”如bI二k_E 咐⋯如∽㈨⋯㈣㈨叱 M州o■■H川二二H二二HU■-■●i ▲ V 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 a V ‘ Z 、0 Z a 立件母线水平段 c 方柱母线竖直段 l q 4 8 j i； t { } f 1 7 1 ’ Z V 1 Z b 立十} 母线倾斜段 d 邻近导扦 图7 不同位置产生的磁场的仿真结果 F i g ．7M a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tl O c a t i o n 2 临近阳极导杆和立柱母线竖直部分磁场平行 于阳极导杆表面，然而竖直部分的干扰十分微小。 3 通过屏蔽磁环能够把不同角度的干扰磁场大 部分都屏蔽掉。 参考文献 [ 1 ] 秦卫中，王有来，李勇，等．大型铝电解槽低电压物料与 能量双平衡控制技术[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 4 2 7 3 1 ． [ 2 ] 曹阿林，曹斌，易小兵，等．铝电解过程中R C 曲线的理 论分析[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 2 1 5 1 7 ． [ 3 ] 赵应彬，王平，陈谦．3 0 0k A 新式异型阴极双钢棒铝电解 槽生产实践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 2 2 8 3 0 ． [ 4 ] 赵仁涛，林立明，张志芳，等．铝电解槽阳极数据分析 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 1 2 8 3 2 ． [ 5 ] 赵仁涛，紫京浩，张志芳，等．铝电解槽阳极电流检测方 法的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 3 1 4 一1 7 ． [ 6 ] 王轩，赵仁涛，王永良，等．3 5 0k A 铝电解槽焙烧自动分 流装置的设计与实现[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 4 1 4 一1 7 ． [ 7 ] J a m e swE v a n s ，N o b u oU r a t a ． T e c h n i c a la n d0 p e r a t i o n a lB e n e f i t so fI n d i v i d u a lA n o d eC u r r e n tM o n i t o r i n g 韬 { { 2 S 2 { l S ▲2 67 2 E E T | I 抖 [ J ] ．I 。i g h tM e t a l s ，2 0 0 8 ，3 4 3 3 3 3 3 3 8 ． [ 8 ] 龚文俊，裴朝阳，罗以民，等．便携式阳极电流测试仪中 国，2 0 0 9 2 0 2 3 0 0 3 9 [ P ] ．2 0 1 0 0 9 2 9 ． [ 9 ] 袁国胜，刘浙华．霍尔效应测量大电流的理论探讨[ J ] ． 中国测试技术，2 0 0 5 ，3 1 2 1 5 1 8 ． [ 1 0 ] 席灿明．阳极电流分布在线监测装置中国， 2 0 0 6 1 0 2 0 0 1 7 0 [ P ] ．2 0 0 7 一0 3 一0 7 ． [ 1 1 ] 李劫，张红亮，徐宇杰．现代大型铝电解槽内复杂物理 场的仿真计算与优化[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 1 ，2 l 1 0 2 5 9 4 2 6 0 6 ． [ 1 2 ] U r a tAN ，E v a n sJW ．T h ed e t e r m i n a t i o no fp o tc u r r e n td i s t r i b u t i o nb ym e a s u r i n gm a g n e t i cf i e l d s [ C ] ／／ J o h nAJ ．I 。i g h tM e t a l s2 0 l O ，S e a t t l e ，WA ，U S A T M S ，2 0 l O ，1 6 1 4 7 3 4 7 8 ． [ 13 ] E v a n sJw ，u r a tAN ． w i r e l e s sa n dn o n c o n t a c t i n g m e a s u r e m e n to fi n d i v i d u a la n o d ec u r r e n t si nH a l l H 垂r o u l tp o t s ，e x p e r i e n c ea n db e n e f i t s [ c ] ／／c a r l o sE ． L i g h tM e t a l s2 0 1 2 ， r l a n d o ，F I ，，U S A T M S ，2 0 1 2 ，2 8 1 3 9 3 9 9 4 2 ． [ 14 ] K a r p ，E v a n sJw ．Am o d e lf o rt h ee l e c t r o c h e m i c a lr e d u c t i o no fm e t a lo x i d e si nm o l t e ns a l te l e c t r o l y t e s [ J ] ． E l c c t r o c h i m i c aA c t a ．2 0 0 8 ，5 4 2 8 3 5 8 4 3 ． 啊瑚一“象舢Ⅲ丑Ⅲ lm_ ． 8 1 ● 8●■■■■__熙㈠ 万方数据