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我国铝电解技术40年发展回顾(六)
2021-02-10 07:40:54   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:梁学民
280kA电解槽母线系统及试验车间配置
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  核心难题破解
 
  280kA试验厂的设计方案,完全比照和吸收了国际最新先进技术基本理念和研究成果。然而,真正的难题是在没有先例的情况下,真正掌握特大型槽的仿真设计技术,即设计出先进的280kA槽并获得真正优良的效果。事实上,欧美国家大型化技术发展也并非一帆风顺。
 
  前车之鉴,铝电解磁流体动力学(MHD)影响是现代铝电解槽特有的核心技术问题,也是成败的关键。到国外考察时,我们最想看、但对方绝对不让看的就是用于电磁场补偿的母线配置的设计。美国铝业公司(Alcoa)早在上世纪60年代就开始采用横向配置和大面进电母线配置解决磁流体问题,Alcoa和Pechiney(法铝)是现代铝电解技术的先驱。多年以后,从多个渠道查阅到的有关资料显示,当年曾让业内膜拜的美铝280kA槽(Alcoa-817)仅在澳大利亚波特兰铝厂建立了两个系列后,由于电磁场设计不能稳定运行,因而至今没有在任何地方再使用。
 
  事实上,由于电磁场仿真出现问题导致工业试验和系列生产失败的惨痛教训并不少见。美国凯撒(Kaiser)铝业曾进行过两个190kA~200kA槽的工业试验,但均因磁场问题宣告失败;由前苏联全苏铝镁设计院上世纪80年代设计的塔吉克铝厂(255kA)电解系列,建成后由于电磁不稳定无法正常生产,当年曾受到前苏联领导人戈尔巴乔夫的点名批评。
 
  磁场仿真再完善——LMAG的开发。磁流体动力学(MHD)影响研究,是现代大型铝电解核心技术,其中电磁场仿真研究是基础。电流的通过在电解槽内产生磁场,并与槽内电流相互作用引起铝液流动、波动,导致电流效率降低。由于电解厂房内槽壳、上部结构等铁磁性物质的存在,磁场仿真计算的精度受到很大干扰,加上电解车间钢结构等分布复杂,并且一定的磁感应强度下存在磁饱和现象,对槽内电磁场的精确仿真也更加困难。
 
  由于容量的大幅度增加,280kA试验槽的车间布置方式母线配置发生了本质变化,导致数据处理工作量巨大,受复杂的母线电流源和铁磁物质的影响更是难以解决。因此,必须研究完善仿真技术,满足完成280kA特大型槽电磁特性的分析和全大面“多点进电”的母线配置设计的需要。
 
  在对特大型工业铝电解槽电磁特性研究的基础上,试验组提出了针对三类铁磁物质不同影响特性的电流源分别处理的技术路线,总结出了“内磁场加强、外磁场减弱、复合磁场弱化”的铁磁性物质影响的基本规律,结合对现有生产槽和试验槽的系统测试研究后,建立的“综合屏蔽因子”模型和数据库,对三类母线磁感应强度受铁磁性物质的不同影响进行分别处理;并通过多维空间变换实现了物理模型的无限扩展,以更全面准确考察系列电解槽的磁影响范围和铁磁物质的影响,从而在当时计算机发展水平还不能满足三维大空间数值计算需求的条件下,大大提高了电磁场模拟的精确度。以此为基础,开发了LMAG磁场计算软件。
 
  通过采用LMAG设计完成了280kA试验槽全大面“五点进电”母线配置方案,使磁场设计取得了优良的效果,模型方法和模拟结果得到了专家组的高度评价和认可。优化的结果垂直磁场平均值均小于4高斯,而且Y向的水平磁场平均值|By|ave减少了将约50%。试验结果证明了模拟计算的精度是可靠的。
 
  多点进电母线优化——再下一城。母线系统的设计是实现铝电解槽电磁场及磁流体动力学特性理论工程化实施的关键,是现代大型铝电解槽的核心技术。
 
  一般来说,母线系统首先要满足电解槽阴、阳极电流分布及母线系统电流分布,这是实现电磁特性模拟结果的基础;同时还应当使母线系统的投资费用与电耗费用的总和最低,由于母线的投资在电解槽投资中占有很高的比例,约30%~40%,因此母线的优化直接影响电解铝的投资;再次,母线系统对于施工安装、生产操作、安全性以及母线规格的工程要求,使得母线的设计异常复杂。对以往的单端或双端进电电解槽而言,传统的方法是采用求母线经济电流密度的方法确定母线断面。由于大型槽母线配置设计采用了“多点进电”和补偿母线等结构,使母线系统十分复杂,无法用传统的单一矩形或锲型母线计算方法来定义。因而这项研究也成为现代铝电解技术在电磁场理论的工程化难题。
 
  当量优化法——LBUS。试验组研究分析发现,传统物理模型用于多点进电系统分析时,带来的分析误差可以达到30%以上。因此,1988年,试验组在提出母线断面综合优化概念的基础上,首先将研究的物理模型扩展到电解槽所有的导电区域,即确定了以先进的“铝液-铝液”网络模型建立的物理模型;首次从理论上确定了母线系统各段母线截面之间的优化关系,即以网络节点所遵循的基尔霍夫定律为基础,将复杂的母线系统分解为具有普遍意义的“树形网络”,通过“当量母线”确定母线段之间的优化约束条件,从而建立了以母线系统总费用为目标函数的母线断面“当量优化法”模型,破解了多点进电母线网络多级串并联的“K值理论解”的问题,并据此开发成功母线系统优化软件(LBUS)。此外,LBUS的强大功能还包括规格化、现场安装、操作因素、安全参数等引入作为附加约束条件,同时考虑了温度变化对电阻率的影响,实现了工程条件下“多点进电”母线断面的优化。
 
  也就是说,LBUS不仅使母线系统设计满足理论上的最优化,而且能够满足各种复杂的实际工程要求,即可以模拟母线系统在电流和电压分布特性、工程限制条件和经济性之间寻求最优的平衡。由于LBUS的开发应用,为试验槽多种方案的快速优化选择计算提供了可靠保证。
 
  1989年10月,鉴于其对大型槽开发的重要作用,贵阳院专门提请由原有色总公司组织专家对“当量优化法”模型和LBUS软件省部级专家鉴定:认为模型和软件均达到了国际先进水平,获得了省部级优秀软件奖和科技进步奖。
 
  280kA母线设计——水到渠成。LBUS软件成功应用于280kA试验槽五点进电母线系统的设计,不但取得了预期的电磁场效果,母线系统的电压、电流分布以及投资费用都得到了最优化的设计结果。LBUS在母线系统的电压175mV(一般<180mV)的情况下,使用最少的铝母线用量,单位母线用量仅为0.10t/kA。模拟的精度一般控制在2%以内,实际测量结果局部最大误差达到3%~5%。优化取得的经济性指标至今无法超越。
 
  LMAG和LBUS的开发,使原本280kA槽开发技术难题顺利化解,一切水到渠成。设计工作在专家指导下,进展非常顺利。
 
  1990年3月,在专家组专门组织的物理场及母线设计方案评审会上,邱竹贤院士轻松地笑着说:“非常好!模型计算考虑得非常严谨细致,没有问题,立母线是不是高了一点儿?”
 
  试验系列配置难题——专家组的决定。单独为了4台当试验槽建一个厂,这在全世界也是罕见的,但却存在一个突出的问题,4台槽正常的系列电压还不足20V,一旦发生效应(效应时单台槽电压会升高30V以上),系列电流将产生大幅度的波动,试验将很难维持正常的运行条件。
 
  由于试验车间只有4台试验槽,最初的设计方案,电解车间返回母线呈对称布置,每侧各140kA电流。针对项目组提出的问题,专家组根据姚世焕大师的建议,并经过认真讨论提出:将试验厂拟建设的1万吨/年自焙槽系列改为26台140kA电解槽,分两列对成布置在280kA试验槽的两侧,替代280kA试验槽的返回母线,这样既可减弱返回母线对试验槽的磁场影响,又可以增加试验系列的总槽数,提高系列电压。
 
  专家的建议化解了试验系列的配置难题,项目组按照专家们的这一改进建议,应用LMAG、GY-MHD和LBUS仿真和模拟程序,完成了此后的所有电磁及磁流体动力学模拟和大母线配置设计与槽周围母线的设计。
 
 

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