（專利號：2018220263376）

降低熔體流速有助于提高磁流體穩定性，提高熔體流速有助于改善鋁電解槽能量及物料均衡性，在當前節能減排綠色發展的大背景下，鋁電解科研工作者更側重于磁流體穩定性的研究，磁場補償技術、新型穩流保溫技術、阻流陰極技術等大量研究成果應運而生，為推動我國鋁電解行業技術及經濟指標進步起到了積極作用，然而，這些技術由于在能量及物料均衡性方面缺少足夠的優化，很多技術表現為不可持續，電解槽運行后期穩定性明顯下降，因此，研發能兼顧磁流體穩定性、能量平衡、物料平衡的技術是廣大科研工作者努力攻關的方向。

一、鋁液流態優化技術研發意義

主導磁流體運動的主要源泉是垂直磁場與水平電流共同作用產生的電磁力，電解槽鋁液層水平電磁力分布如圖1所示，鋁液層水平電磁力分布的特征是：Fx在槽端部較大，而在槽中心處較小，Fy在槽大面處較大，而在槽中心處較小，因進電側水平電磁力大于出電側水平電磁力，所以，如圖2所示，鋁液流場整體趨勢呈現兩個相對較大的漩渦，局部有一些小的漩渦，進電側和出電側的流速較大。

圖1 電解槽鋁液層水平電磁力分布

圖2 電解槽鋁液層水平流速分布

以上鋁電解槽電磁力分布及流動場特點在現有電解槽中具有普遍性，這種流動場特點主要存在以下問題：(1)、熔體在鋁電解槽大小面區域流速較大，大小面區域電流效率較低，同時，加劇了對側部爐幫以及爐底的沖刷，嚴重影響電解槽壽命；(2)、熔體在鋁電解槽中部區域流速較小，該區域能量及物料難以快速擴散，導致中部沉淀較多溫度較高，能量及物料均衡性有待提高；(3)、角部區域熱平衡難以保持，普遍存在伸腿肥大問題。

針對現有鋁電解槽熔體流態存在的明顯問題，鋁電解科研工作者進行了大量的分析研究，磁場補償技術、新型穩流保溫技術、阻流陰極技術等研究成果應運而生，這些技術主要側重于解決磁流體穩定性問題，而在能量及物料均衡性方面缺少足夠的優化，導致電解槽中部沉淀問題以及角部區域伸腿肥大問題更加嚴重，電解槽運行后期穩定性明顯下降。

為徹底解決現有鋁電解槽存在的缺陷，我們結合鋁電解槽電磁力分布、下料點分布以及流動場特點，研發了鋁液流態優化技術，該技術通過優化中部流速抑制周邊流速，有效兼顧了能量平衡、物料平衡以及磁流體穩定性問題，可實現鋁電解槽在低電壓條件下長期平穩高效運行的目的。

二、鋁液流態優化技術原理及實現方法

鋁液流態優化技術的核心思想就是分區域控制鋁液流速，根據鋁電解槽結構特點，如圖3所示，我們將電解槽內部分為A、B、C三個區域，其中，A區B區因存在熔體流速快、區域內磁場強度大等特征，因此，該區域應側重于提升磁流體穩定性，C區中部區域是能量及物料集中區，C區角部區域是散熱較大的區域，因此，C區應側重于能量平衡及物料平衡優化。我們認為，抑制A、B區域熔體流速，可提高該區域磁流體穩定性，優化調整C區域熔體流動方向及流速可提高物料及能量均衡性。

圖3 鋁液流態優化分區圖

鋁液流態優化技術的具體實現方法是：如圖4所示，在鋁電解槽陰極表面設置電磁力隔離框，對鋁液層水平電磁力實施阻隔，同時將鋁電解槽邊界推移至電磁力較弱的中部位置，進而改變鋁液流動方向，抑制大小面區域鋁液流速，優化調整中部區域流速，顯著增強磁流體穩定性以及能量及物料均衡性，達到降低電解能耗提高槽壽命的目的，電磁力隔離框可采取對稱布置、交叉布置等多種排列方式。

圖4 鋁液流態優化技術隔離框布置圖

（圖中1、槽殼，2、側部碳磚，3、人造伸腿，4、陰極，5、電磁力隔離框）

三、鋁液流態優化技術積極有益效果

1、在線快速優化鋁液流態：降低熔體流速有助于提高磁流體穩定性，提高熔體流速有助于改善鋁電解槽能量及物料均衡性，結合現有鋁電解槽特點，在綜合考慮磁流體穩定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素的基礎上，提出了分區控制鋁液流速的解決方案，最大限度抑制大小面區域流速，優化調整中部區域流速，實現鋁電解槽長期平穩高效運行的目的，同時，因電磁力隔離框能有效阻隔電磁力，這相當于從源頭削弱了引起鋁液流動的電磁力，與單純的阻流槽相比，其在降低鋁液流速減少陰極電解質-鋁液穩態界面變形等方面效果更好。

2、提高磁流體穩定性：馮乃祥新型陰極結構槽的實驗中已經證實，鋁液的流速被降低，其對重力波的強化就會削弱，鋁液的波動就會減少，從而大大增強了磁流體穩定性，為進一步壓縮極距降低電壓創造條件。

3、提高電流效率：由于陰極電流密度和湍動能耗散率的區域性差異，大小面區域的電流效率明顯低于陽極下方區域，鋁液流態優化技術能最大限度抑制大小面區域鋁液流速，可有效降低該區域湍動能耗散率，提高該區域電流效率，進而提高全槽平均電流效率。

4、延長槽壽命：電解槽內襯破損是影響槽壽命的關鍵因素，主要包括側部破損及底部陰極碳塊破損等形式，降低鋁液流速尤其是周邊流速可有效減少側部破損以及陰極碳塊磨損，起到延長槽壽命的作用。

5、改善能量及物料均衡性：鋁電解槽中部區域是能量及物料集中的區域，鋁電解槽角部區域是散熱較大的區域，通過調整電磁力隔離框的斜度，可優化調整中部區域流動方向及流速，實現將中部物料快速擴散到槽內各區域，防止中部沉淀的積累，同時，將中部高溫熔體的能量快速傳遞至角部區域，防止出現角部伸腿肥大的問題，進一步減少溫度梯度，提高能量均衡性。

6、實現低過熱度穩定高效運行：低過熱度運行的最大制約因素就在于角部熱平衡難以保持，鋁液流態優化技術可快速將中部高溫熔體熱量傳遞至角部區域，進一步減少鋁電解槽內溫度梯度，可實現在更低過熱度條件下的穩定高效運行。

7、開創高齡槽節能及異常槽治理新模式：高齡槽與異常槽均存在電流分布偏離理想狀態、爐膛不規整等問題，導致鋁液流動場紊亂，必須保持高電壓高鋁水平的高能耗運行狀態，鋁液流態優化技術可快速提高磁流體穩定性，改善能量及物料均衡性，在高齡槽節能及異常槽治理方面效果顯著，可大幅降低高齡槽及異常槽能耗，確保鋁電解槽在整個生命周期均保持穩定高效的運行狀態。

8、降低生產成本：鋁液流態優化技術因其具有提高磁流體穩定性、減少爐底沉淀及爐底壓降、減少鋁電解槽內溫度梯度等多種效果，可實現在低過熱度低電壓條件下高效運行，實現噸鋁節能500KWh以上，同時延長槽壽命方面效果明顯，綜合測算可實現噸鋁成本降低200元以上，對年產80萬噸的電解鋁廠而言，一年可降低生產成本1.6億元，按我國2018年電解鋁產能3600萬噸測算，在全國推廣應用此技術可實現節能180億KWh/年，創造效益72億元/年。

9、減少CO2排放，實現綠色發展：根據噸鋁節能量測算，噸鋁可減排當量CO2約500公斤，對年產80萬噸的電解鋁廠而言，一年可實現減排當量CO2約40萬噸，約可產生1200萬元/年的碳交易額，在全國推廣應用此技術可實現減排當量CO2約1800萬噸，可產生5.4億元/年的碳交易額。

四、鋁液流態優化技術相關問題解答

1、鋁液流態優化技術投入大嗎？

鋁液流態優化技術具備投資省、投資回收快的特點，單槽投資成本不足異型陰極的1/10。

2、電磁力隔離框在槽內會漂移嗎？

因電磁力隔離框密度及重量大，其在陰極表面附著力是普通阻流塊的4倍以上，可有效避免出現浮動漂移現象。

3、電磁力隔離框在槽內壽命長嗎？

電磁力隔離框采用的材質具有不污染鋁液、耐沖刷、熱穩定好、耐電解質侵蝕等特點，其在槽內壽命通過調整與槽壽命周期相匹配。

4、電磁力隔離框投放方式簡單嗎？

電磁力隔離框利用電解槽換極時機采用專用吊具進行投放，投放方式簡單，吊運至投放完成時間不超過5分鐘，換極人員就可完成投放，無需專門配置其他人員。

5、鋁液流態優化技術會增加工人勞動強度嗎?

鋁液流態優化技術不會增加工人勞動強度，對于400KA電解槽而言，單槽僅需在6-8組陽極下投放電磁力隔離框，在更換電磁力隔離框位置的陽極時，僅需要求撈塊及處理沉淀時不人為大力撞擊電磁力隔離框即可，可考慮在更換電磁力隔離框位置的陽極時對撈塊及處理沉淀人員進行操作質量工資補貼，即使按照每槽次補貼50元的標準也不會增加太多成本，反而能進一步提高工人在更換此類陽極的積極性。對于角部伸腿肥大的電解槽，采用此技術還可明顯降低工人勞動強度。

6、鋁液流態優化會導致電解槽出現不穩定嗎?

通過異型陰極多年的實驗應用表明，在不影響能量平衡及物料平衡的條件下，該技術只會增加鋁電解槽運行穩定性，同時，由于本技術充分考慮了能量及物料平衡問題，因此，可實現在低電壓條件下長期平穩高效運行。

7、鋁液流態優化與阻流技術有對比優勢嗎?

鋁液流態優化側重于通過電磁力阻隔來降低流速，通過調整邊界來改變鋁液流向及中部流速，該技術兼顧了磁流體穩定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素，不會出現電解槽運行后期穩定性下降的問題，因此該技術具有明顯的比較優勢。

8、鋁液流態優化為什么能提高磁流體穩定性?

鋁液是不可壓縮流體，鋁液在不流動的情況下，電磁力不會引起鋁液界面變形與波動，因此，鋁液界面變形與波動與鋁液流動相關，并隨著流速增大而增大，抑制流速就能減少波動與變形，同時，減少對陽極氣體溢出產生的重力波的強化，提高磁流體穩定性。

9、鋁液流態優化為什么能改善鋁電解槽能量及物料平衡?

鋁液的流動方向受鋁電解槽邊界約束，并在鋁電解槽邊界處有較大的流速，調整邊界位置就能改變鋁液流向及最大流速的位置，將鋁電解槽進電側及出電側邊界位置向電磁力較弱的槽中線位置移動，進而改變進電側與出電側水平電磁力的差值，優化調整中部區域鋁液流動方向及流速，改善鋁電解槽能量平衡及物料平衡，實現鋁電解槽長期穩定高效運行。

五、結論

通過改變陰極結構就可實現磁流體穩定性與能量平衡及物料平衡同步優化，鋁液流態優化開創了鋁液流動場自由優化設計的新模式，開創了能量平衡及物料平衡在線優化的新思路，電解鋁廠可根據各自電解槽的磁場及流動場分布特征，設計調整電磁力隔離框的布置方式，進而優化鋁液流態，讓電解鋁系列設計缺陷難以改變的狀況成為歷史，在全國推廣應用此技術可實現節能180億KWh/年，創造效益72億元/年, 實現減排當量CO2約1800萬噸，可產生5.4億元/年的碳交易額。

供稿：河南新銳明節能科技有限公司

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