杨生云
青海百河铝业有限责任公司 青海西宁 810000
摘要：铝电解的发展最近几年来，发生了翻天覆地的变化，从最先的自焙槽炼铝、从低电流变为高电流、从小容量电解槽到大型电解槽都经过了多年的坎坷岁月，才发展到现在的工业水平。
关键词：铝电解，磁场，检测分析
现代大型电解槽通常采取单行横向排列方式，因为提高电流容量不仅要增加槽身宽度，而且主要是增加其长度，槽子容量越大，其长宽比也越大，采取横向排列时，导电母线的配置方式可有较多的选择余地，这有利于消弱磁场的影响，进而采取了各种有效的改进措施来减少磁场对铝电解生产的影响。
磁场对电解槽生产的影响，随着电流的增大而更为显著，磁场问题实际上已成为大型电解槽设计的一个重要问题，因此消除磁场对铝电解槽生产影响的意义要求我们在电解槽的设计上，力求将铝液的流速控制在一定范围内，除了降低垂直磁场外还要考虑横向水平磁场By的影响，力求降低电解槽的垂直磁场以及横向水平磁场。
1 铝电解中存在的三场及研究方法
按照磁流体动力学的观点，熔体的旋转、波动主要受到电磁感应力的作用。电磁感应力的作用会使炉内熔体循环加速、铝液面隆起、偏斜和波动。铝液的剧烈扰动对铝电解槽的生产产生恶劣影响。所以对电解槽内的磁场分布、热场、应力场的研究对电解生产操作都有现实意义。国内、国外对此问题的研究方法主要有：图论场模型法、相对电参量法、二维有限元法、边界元法等，算法电解槽各参数与物理场之间的关系，也是三场所研究的主要内容。
2 磁场对铝电解生产影响的主要表现
在电解槽正常工作状态下，铝母线通入强大的直流电流，按顺序通过电解槽的各个导电部件如立柱、阳极导杆、电解液层和铝液层、阴极、阴极母线等，最后进入下一台电解槽，在导电体周围环境中产生了强大的磁场，磁场对铝电解生产的影响主要表现在下列几个方面。
2.1铝液回流
铝电解槽在正常启动后，铝液的流速很慢。而且没有固定的流动方向，处于平静状态。启动若干月之后，已形成了一定的槽膛，则槽膛中铝液的流动呈8字型或呈现环形，此时显然是由于铝液中水平电流分布不均所致，在启动后6-18个月内，240KA的电解槽，铝液流速增快。回流图案呈现歪斜的8字型，平均流速为6cm/s，18个月后直至停槽，主要铝液回流方式逐渐改变环形，它随着槽龄增长而愈益显著。同时流速增加1倍，槽内电流分布铝液和电解质的三向量流动，以及电解质铝液界面形状，当槽电流异常增大时，槽寿命会-缩短，受到很大影响。
2.2铝液波动
根据科学家的实验观察，槽内铝液经常处于波动状态，其波峰高度和波动频率，显然与阳极气体逸出状态和铝液中电磁作用力大小等因素有关。据210KA预培槽上的测定，阳极上的电流分配随时在变动着，呈正弦波形，当铝液尖峰正好掠过该阳极之下并返回来的时候，该阳极便达到其电流极大值。按时间计算的平均电流值，几乎正好等于其额定值。
2.3滚铝
铝电解槽发生滚铝时，一股铝液从槽底泛上来然后沿槽壁沉下去，有时候铝液甚至会喷射到电解槽处。
水平磁场与纵向电流相互作用产生一种向上的电磁力，当纵向电流密度很大时，向上的电磁力足以使该局部的铝液向上翻滚，在严重的情况下甚至喷射出槽膛外，就是所谓的“滚铝”。
发生滚铝的电解槽有两个主要特点：
2.3.1槽膛畸形
槽底上结壳分布不均匀，一端特别肥大并有大量沉淀，造成铝液中纵向电流增多。
2.3.2槽内铝液浅（特别是在出铝之后）
造成铝液中水电流密度增大。处理“滚铝”的办法是，首先需要往槽内灌铝液，增加铝液层的厚度，同时宜清除该局部的沉淀，以减少水平电流。
3 磁场和电磁力的基本概念
现分析一下磁场与电流的方向。磁场产生的放方向叫磁力线回转方向。把右手拇指伸直。其余四指曲成环形。如果拇指表示电流方向，则其余四指就是该电流所产生的磁力线的回转方向。槽内的电解液和铝液正好处于立柱，阳极母线和阳极母线的磁场内。而它们本身是载流导线，等值的直流也从它们经过，因此它们受到磁场作用力而运动，磁场内任意一点的磁场强度通常按照3个方向即：HX-纵向，HY-横向，H2-垂直方向进行测定，当磁场中有铁磁体存在时，磁场受影响，磁场形状发生明显改变，因此磁场体周围圆柱体已经屏蔽了一部分磁场，使得电解质熔体和铝液发生循环流动，界面波动和隆起变形，不仅减少了有效的极间距离，也增加了铝的溶解损失，导致电流效率下降，还造成磁翻滚现象，这一切都会对槽的正常生产运行造成很大程度上的影响，并且这种影响会随着电流强度的增大而强大，因此，研究铝电解槽的磁场分布有着极为重要的意义，磁场作用力（电磁力）的大小可用以下公式计算：
f=H0iμosina×10-2
式中 f------作用力于1CM3液体上的磁力
I------液体中的电流密度
H0-----磁场强度
D------磁力线与液体中电流方向的交角
μo ----磁导率
f的方向可用左手定则加以判断，平摊左手，使手掌向着磁力线，用其余四指表示电流方向，与四指垂直的拇指就表示导线的运动方向，从f的关系式推论而知，增大电流和电流密度，则电磁力加大，磁场对电解槽的影响也愈大，磁标位积分方程法，磁化强度积分方程法和表面磁合法等，这些方法都比较适合于求解开域问题没、尤其是求解电解槽这种几何形状比较复杂，但是，磁标位积分方程法计算结果在铁磁材料内部是合理的，但在靠近表面处，磁位值却存在激烈的脉振，磁化强度积分方程的计算结果很正确，计算结果与测试结果吻合较好，因此经分析可知，铁磁物质对槽的磁场有较大的影响。
4 铝电解生产中导电母线的配置方案
在铝电解生产中，导电母线的配置方案与铝液镜面形状，导电母线的功用主要上传输直流电从一台槽到另一台槽，它的配置要合理，如配置不符合标准，铝电解中蒙受磁场越大，会给生产带来不必要的一些麻烦。随着电流的加大，设计母线时要求结构简单，技术指标都副符合要求，同时要根据现行的铝价，加工价格和将来预期的电价，确定最佳的母线断面尺寸。
在配置着双排电解槽的情形下，电解槽纵向排列，产生一个叠加的垂直磁场，例如在240KA系列的电解槽中。两排相距10M的电解槽产生大约25X10-2T的垂直磁场，此外所有电流都是沿电解槽两侧母线传送，在出电端汇合，而两条立柱母线通常靠得很近，就在电解槽的端部产生强大的水平磁场相曡加.
5 磁场补偿设计
磁场补偿设计是必须的，否则槽内磁流体强烈扰动将使生产操作稳定性面临严重问题。电解槽的最大扰动增长率与垂直磁场磁感应强度的平均值呈线性关系变化，平均值越小，电解槽稳定性越好，与垂直磁场磁感应强度的最大值没有必然联系，局部出现较大的垂直磁场并不一定会降低电解槽稳定性。
6 减弱磁场的方法
怎样减弱磁场的影响，首先宜从电解槽设计中解决，使母线和铁磁体的配置更加合理，如采用双端四分之一处进电方案进行配置，也可在立柱母线上安装简易磁屏，在生产操作上，应保持规整的槽膛内型和适当的铝液层厚度，槽底上不应有大量沉淀和结块，可减弱磁场引起的对生产带来影响的不必要的麻烦。
结 论
综上所述，磁场补偿设计是必须的，否则槽内磁流体强烈扰动将使生产操作稳定性面临严重问题。电解槽的最大扰动增长率与垂直磁场磁感应强度的平均值呈线性关系变化，平均值越小，电解槽稳定性越好，与垂直磁场磁感应强度的最大值没有必然联系，局部出现较大的垂直磁场并不一定会降低电解槽稳定性。
参 考 文 献
1．邱竹贤 《预焙槽炼铝》第三版 2005.1
2．姚世焕 《大型预焙槽发展中的几个问题》 2001