简介概要

导流槽阴极导杆安装方式对阴极表面电流分布的影响

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：李劼李相鹏赖延清万押平周向阳赵恒勤刘业翔

文章页码：1017 - 1020

关键词：导流槽；阴极导杆；阴极电流分布；有限元法

Key words：drained cell; cathode collector bar; current distribution; finite element method

摘要：将某厂现有的160kA Hall-Heroult铝电解槽改造成导流槽后，在阴极上表面和阳极底面呈斜坡状的条件下，计算了采用不同阴极导杆安装方式时阴极的电位和电流分布，即通过建立导流槽内部从阳极到阴极的一个半切片电热场模型，用有限元法分别对水平和平行于阴极斜坡两种不同导流槽阴极导杆的安装方式下阴极电位和表面电流密度分布进行了计算。结果表明，不同的阴极导杆安装方法对导流槽阴极的总电位降大小没有明显影响，但是水平阴极导杆安装更有利于阴极表面电流密度的均匀分布。

Abstract: A hypothetical drained cell model retrofitted from a 160kA Hall-Heroult cell was set up to calculate the current distribution in the cathode when the anode bottom and cathode top surfaces were declivous. Two half anode-cathode slice thermo-electrical models with the collector bars installed slopingly or horizontally were adopted to calculate the potential drop and electricity distribution of the cathode. The results show that, there is no obvious variation of the influence of different collector bar installations on the cathode potential drop, but the current distribution will be relatively evener when the cathode collector bar is horizontally installed.

中国有色金属学报 2003,(04),1017-1020 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.039

导流槽阴极导杆安装方式对阴极表面电流分布的影响

李劼李相鹏赖延清万押平周向阳赵恒勤刘业翔

中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083

摘要：

将某厂现有的160kAHall Heroult铝电解槽改造成导流槽后,在阴极上表面和阳极底面呈斜坡状的条件下,计算了采用不同阴极导杆安装方式时阴极的电位和电流分布,即通过建立导流槽内部从阳极到阴极的一个半切片电热场模型,用有限元法分别对水平和平行于阴极斜坡两种不同导流槽阴极导杆的安装方式下阴极电位和表面电流密度分布进行了计算。结果表明,不同的阴极导杆安装方法对导流槽阴极的总电位降大小没有明显影响,但是水平阴极导杆安装更有利于阴极表面电流密度的均匀分布。

关键词：

导流槽;阴极导杆;阴极电流分布;有限元法;

中图分类号： TF351

作者简介：李劼(1963),男,教授,博士.;

收稿日期：2002-09-16

基金：国家重点基础研究发展规划项目资助(G1999064903);

Influences of different collector bar installations on cathode current distribution of drained cell

Abstract：

A hypothetical drained cell model retrofitted from a 160 kA HallHeroult cell was set up to calculate the current distribution in the cathode when the anode bottom and cathode top surfaces were declivous. Two half anodecathode slice thermoelectrical models with the collector bars installed slopingly or horizontally were adopted to calculate the potential drop and electricity distribution of the cathode. The results show that, there is no obvious variation of the influence of different collector bar installations on the cathode potential drop, but the current distribution will be relatively evener when the cathode collector bar is horizontally installed.

Keyword：

drained cell; cathode collector bar; current distribution; finite element method;

Received： 2002-09-16

导流槽采用具有斜坡的阴极块, 在阴极表面涂覆有能被铝液良好润湿的硼化物材料(如TiB₂), 电解产生的铝液在阴极表面(即斜坡表面)析出后, 顺着斜坡流入槽底的“聚铝沟”中。一种导流槽结构是阴极斜坡由两侧向内倾斜成V字形, 采用相适应的倾斜底面的碳素阳极或者惰性阳极, 聚铝沟(即凹槽)位于槽底中部 ^[1,2,3] 。另一种结构是阴极块横向组装成许多V字形的凹槽, 同时阴极块也由两侧向内倾斜, 电解产生的铝液先沿阴极表面斜坡流入横向的凹槽中, 然后沿凹槽流入位于槽底中央的聚铝沟中 ^[4,5] 。这种导流槽槽底设计虽然复杂, 但是可以使阳极底部形成“双斜坡”形状, 有利于阳极气体的排放 ^[6] 。

与现有的Hall槽相比, 使用导流槽的好处是: 由于阴极斜坡表面硼化钛对铝液的良好润湿, 降低了阴极的接触电位降, 同时减少了电解质对阴极材料的侵蚀 ^[7,8] ; 而且电解槽内不再需要20 cm左右的铝液水平, 可以仅在阴极表面形成3～5 mm的铝液膜, 避免了因为磁场及铝液波动带来的电解不稳定, 使极距可以保持在较小的范围内, 由原来的40～45 mm减少到20～30 mm, 使电解能耗大大降低 ^[1] 。

对于普通的Hall槽, 阴极结构本身存在着不合理性, 使铝液中水平电流很大, 而且由于电流的过分集中, 造成了阴极电位降的增加 ^[9] 。对其进行导流槽改造时, 将原来表面水平的阴极炭块改造成表面倾斜的导流型阴极。这种改造会对电流在阴极表面的分布产生如何的影响以及阴极导杆应该如何安装才能适合于这种改造后的导流型阴极就成了导流槽设计者考虑的主要问题。

本文作者计算了水平和平行于阴极斜坡的两种阴极导杆安装方式下导流槽阴极的电位分布以及其表面的电流分布, 并对其进行了分析。

1 计算模型的建立

建立了一个由某厂160 kA预焙槽改造成的导流槽模型, 取上文提到的第一种导流槽结构, 即阴极炭块由两侧向内倾斜成V字形, 聚铝沟(即凹槽)位于槽底中部。考虑到导流槽阴极表面斜坡倾角不大, 而且导流槽内阴极上部不再需要较高的铝液水平, 加上极距的缩小, 使阳极安装可以整体下移, 所以可以在原有的Hall槽阴极的基础上增高设计斜坡的高度, 而没有必要增加槽膛的高度, 这也有利于槽体保温。同时, 假设改造后的导流槽除了阴极部分外, 保持了内部基本参数不变。

导流槽模型根据有关参考文献 ^[1,8,10] 取相关参数如表1所列, 硼化钛各项参数取自文献 [ 11] , 其它相关材料所用的导电导热系数取自文献 [ 12, 13] 。

对两种不同阴极导杆安装方式的导流槽, 分别以从阳极导杆到阴极导杆的半阳极半阴极切片为模型, 边界条件取阴极硼化钛表面为零电势面, 阳极导杆电流取平均值的一半为3 333 A, 阴极导杆电流取平均值为-2 500 A,用有限元方法对其电压和电流分布进行计算,模型网格划分如图1和2所示。

为了使计算的收敛性更好, 模型的大部分都采用六面体进行划分, 阴极和阳极炭块小部分由于网格划分条件苛刻, 而使用了四面体划分; 对于熔体和阴极表面, 尤其是硼化钛涂层, 由于需要较高的计算精度而采用了较小的步距进行网格划分。两个计算模型均使用程序默认的方法和选项求解。

2 结果与讨论

2.1 阴极电位分布

阴极部分的电流分布与其内部的电位分布有关, 图3和4所示为阴极的等电位分布图。

从图3和4可以看到, 两个模型的阴极部分电位分布类似, 等势面在阴极中沿着导杆推移, 形成有层次的弧形, 相对来说, 使用水平导杆的阴极内等电位线比较平坦, 表明其电位分布要比使用倾斜型导杆的阴极电位分布均匀。对于水平阴极导杆安装时, 其阴极总电位降为360.3 mV; 平行于阴极表面斜坡安装时, 阴极总电位降为358.7 mV。两者的阴极总电位降很接近。这表明水平阴极导杆安装时, 阴极的电位分布较均匀, 而不同的阴极导杆安装对阴极总电位降的影响差别并不大。

由于电流的分布与电位的分布具有正交关系, 所以从阴极的电位分布图容易推断其内部的电流分布状况。即相对均匀的电位分布使阴极内部的电流分布也相对比较均匀; 而等势面沿着导杆变化, 表明在阴极炭块内部仍存在比较大的水平电流, 并且越靠近左侧大面端, 电流越集中, 电流密度越大。

2.2 阴极表面总电流分布

图5和6所示为两种阴极的总电流分布图。

从图5和6可以看出: 在阴极炭块表面硼化钛涂层中的电流分布趋势, 随着从中央聚铝沟向边部推移, 电流密度呈梯度不断增大。对于160 kA的普通预焙槽, 其阴极电流密度约为0.57 A/cm²。而从图5中可以看到, 使用水平阴极导杆的导流槽阴极表面靠近左端边部的地方, 局部电流密度最大值为0.639 5 A/cm², 右端靠近中央聚铝沟附近, 电流密度很小, 约为0.059 8 A/cm²。如图6所示, 使用倾斜阴极导杆的阴极表面局部电流密度最大值达到了0.811 6 A/cm², 在靠近聚铝沟的部分, 阴极表面电流密度仅略大于0.034 4 A/cm²。为了更进一步了解阴极表面的电流分布, 还需考虑阴极表面的垂直电流分量的分布。

2.3 阴极表面垂直电流分布

图7和8所示为两种结构的阴极表面的TiB₂涂层内的垂直电流分布图。

从图7和8可以看到, 在阴极表面的硼化钛涂层中的垂直电流分布与图5和6所示的阴极表面总电流分布接近。如图7所示, 使用水平阴极导杆的阴极表面硼化钛涂层中靠近左端边部附近, 垂直电流密度达到最大值为0.637 8 A/cm² , 在靠近右端聚铝沟的部位, 电流密度最小, 为0.051 9 A/cm²; 而在图8中使用倾斜导杆的阴极表面硼化钛涂层中, 几乎与图7中相同的位置电流密度达到最大、最小值, 分别为0.809 7 A/cm²和0.030 8 A/cm²。

从图5～8的分析可以看出, 使用水平阴极导杆的阴极表面的电流密度最大值约为0.64 A/cm², 最小值约为0.06 A/cm², 而使用倾斜型阴极导杆的阴极表面电流密度最大值超过了0.80 A/cm², 最小值仅为0.03 A/cm²。这表明前者相对后者电流分布更均匀。引起这种现象的原因可能是由于使用水平导杆的阴极炭块呈梯形, 从槽底中央聚铝沟向两侧大面, 随着炭块厚度增加电阻也增大, 靠近大面的部分电阻达到最大, 这样正好减少了阴极炭块中的水平电流的形成, 部分平衡了因阴极导杆安装不合理所带来的电流过分集中, 从而使得在阴极炭块中的电流分布相对比较均匀; 而对于使用倾斜导杆的阴极, 炭块呈平行四边形, 各处厚度相同, 即电阻相等, 相对原有Hall槽阴极结构的不合理没有任何的改变, 使电流密度在靠近侧壁的地方过分集中。