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新型阴极钢棒对铝电解槽电热场的影响分析

蒋可+丁辉

摘要：把铝液水平电流内的新型阴极钢棒的电解槽，通过新型仿真的数值方法进行三维计算。可以有效的分析出铝液内的水平电流，会在新型阴极钢棒在产生的实际作用。本文主要就是针对新型阴极钢棒对铝电解槽电热场的影响。
关键词：新型铝阴极钢棒；铝电解槽；电热场；水平电流；
前言：
在工业的电解槽内，氧化铝和熔融电解质都是经过一定的化学性反应才能够生成液态原铝。而铝液与电解质，这两种不同高温的熔体在经过重力与电磁力的作用下，会不断的在槽膛内进行运动。而熔体不断的运动就会导致铝液的电解质发生变形，从而改变了熔体内部的磁场与电场分布。为了能够更加合理的形成磁场与电场的分布，进一步让铝电节槽中的磁流能够更加的稳定。通过仿真的方法实现铝电解槽的钢棒新型的阴极，进一步的优化铝液内水平电流。在当前的工业中，使用最为广泛的就是新型的阴极钢棒。通过这种新型的阴极钢棒，来实现对铝液水平电流与槽内电压的改善。
1、综合概述新型的阴极钢棒
如图1所示，新型的阴极钢棒其主要的运行模式是，先沿着传统的阴极钢棒长度方向把两端较为靠近的电段，进行一段开一道的分割，形成分割缝。再把每一段钢棒分为上下段，采用电绝缘糊来进行分割缝的填充。在钢棒的表面上，要利用石墨把阴极阴极炭块衔接。而并没有被分割的钢棒，则要在它的一侧利用碳糊来实现阴极炭块的衔接。对于已经被分割为一段的钢棒，可以在它的侧面利用碳糊进行阴极炭块的链接。对于剩余的下半段可以利用电绝缘类的材料进行阴极炭块的有效链接。因为电绝缘类材料的应用，让钢棒的与阴极碳块的链接作用产生较大的变化。所以，铝电解槽会在新型的阴极钢棒的影响下，整体的阴极电场在分布上会出现更多的变化。不但会将铝液内的电流产生走向变化，还会对铝液的水平电流产生优化的作用。
2、深度分析新型阴极钢棒对铝电解槽电热场的主要影响
新型的阴极钢棒与传统的阴极钢棒的电解槽铝液，在X方向的水平电流分布上，无论是水平电流的密度，还是最大值都有着较大的不同。新型的阴极钢棒在X方向，其铝液的水平电流流向都是X轴的负方向，也就是以电解槽的全槽轴线为准，从中轴线向钢棒出电端延伸。同时，从电解槽的中轴线一直到杆棒的出电端，在实际的延伸水平电流密度都是由大到小的走向。当接近于槽帮位置时，受槽帮的阻隔限制，会产生反向或者减小至0的现象。由于其产生的水平电流，在反向在范围上较小。因此，不会对磁流体的稳定性产生较大的影响。如图2所示，最大水平电流最大的密度，都指向了X负方向的水平电流密度中最大的数值。铝液的大部分都在水平电流的密度上，并且都处于最小的数值。而底部的距离槽帮较近的位置上的两个区域都是较大的数值。由此可以分析出，槽帮的底部会对电流起到阻挡的作用，导致电流会发生流向与汇集的变化。在水平电流的密度上，无论是Z方向还是X方向，都会产生增大的变化。而由于钢棒让电流的汇集与流向产生变化，导致该区域内的电流会从铝液的底部流出。并且，逐渐的流入到阴极碳块，而阴极碳块再流入到钢棒的汇集处，形成Z方向的水平偏转变化。但是，这一变化并不能够对磁流体产生较大的稳定性影响。因此，新型的阴极钢棒电解槽铝液与传统的电解槽铝液相比较，新型的阴极钢棒电解槽铝液能够有效的将电流的密度平均值缩小。
对铝电解的能耗能够产生重要影响的，就是槽电压。我国的电解行业，一直都是在进行着电解的低电压研究分析。从而能够极大的降低能力的消耗。加入了绝缘材料的新型阴极钢棒，在一定程度上会对槽电压产生重要的影响。通过对电解槽电的热切片模型的计算分析，从而得出了槽体的导电区域欧姆的压降结果。新型阴极钢棒，与传统的阴极钢棒电解槽相比，在槽体的欧姆压降的数值增至到了33mV。而增加区域的阴极压降，是因为电绝缘类材料的加入，才可导致电路的电阻迅速的增大，而随着电阻的增大，电压也随之增大。
除此之外，槽體的欧姆压降产生的变化，导致了气泡的压降也发生了变化。通过计算分析得出新型阴极钢棒与传统的阴极钢棒，在整体电解槽体系统中的总压降都发生了不同的变化，而新型的阴极钢棒是3.83V，比传统的阴极钢棒大0.03V。而如果采用母线系统进行0.2V的降压计算，则他们的槽电压都会在4.00V以上。但是，由于二者在阴极的电阻上存在着一定的差异。因此，他们的整体电阻发生的变化差异较小，并且都处在正常的范围内。但如果利用开槽阳极来进行计算分析，同时在根据磁流体与磁场的稳定性进行合理的设计研究，新型的阴极钢棒在极距上还会有所降低，而电压也会随之降低，从而让槽电压的水平变得更低。
3、结语
综上所述，在对铝电节操电热场的影响上，与传统的阴极钢棒相比，新型阴极钢棒占有更大的优势。它可可以极大的降低电解槽铝液内的水平电流数值。从而进一步让电解槽中的磁流体能够变得更加的稳定。同时，有效的让槽内电压数值增加。因此，新型的阴极钢棒，不仅能够对铝电节操电热场产生较大的优化作用，还能够实现节能环保的作用。
参考文献：
[1]尹诚刚，李劼，徐宇杰，杨帅，赖延清，江南，张红亮.新型阴极钢棒对铝电解槽电热场的影响[J].中国有色金属学报，2014，2401：246-253.DOI：10.19476/j.1004.0609.2014.01.031.
[2]李劼，尹诚刚，张红亮，杨帅，徐宇杰，宗传鑫.铝电解槽异型阴极钢棒的对比仿真研究[J].轻金属，2013，01：40-47.[2017-09-28].DOI：10.13662/j.c.2013.01.015.endprint
科学与财富2017年30期
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