铁磁材料对铝电解槽内磁场影响规律研究

柴婉秋，邓 翔

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 前 言

铝电解槽在通电后，母线载有强大的电流，这强大的电流会产生磁场。因而槽壳、摇篮架等铁磁材料会暴露在这磁场内。它们在磁场中被磁化后将产生二次磁场源，该二次磁场源对电解槽内的磁感应强度分布有较大影响。电解槽槽体钢结构比较复杂，在仿真计算磁场时对该部分建模存在一定困难，故建模往往要做简化处理。但若简化不当，对计算结果会造成较大的偏差。为确保简化的合理性，有必要对铁磁材料影响槽内磁场的规律进行研究。该文旨在通过简单的仿真计算来认识铁磁材料影响槽内磁场的规律，为以后全槽磁场计算简化模型提供依据。

1 电解槽铁磁物质对磁场的影响因素

1.1 铁磁材料BH曲线

BH曲线是反映铁磁材料磁感应强度B随磁场强度H变化规律的曲线。它反映了某物质的导磁能力。BH曲线主要与材料的化学成分与材料的组织结构有关。

1.2 槽壳

槽壳的存在与否对槽内磁场有影响这是是显而易见的。槽壳对磁场的影响包括槽壳与磁点的距离以及槽本本身的尺寸。本文主要从这两个方面来研究槽壳对槽内磁感应强度影响规律。

1.3 摇篮架

摇篮架是槽体不可或缺的一部分，它虽然对槽内磁流体不构成封闭，但它对槽内磁场的影响也不容忽视。摇篮架对磁场的影响也与它到场点的距离及它的尺寸有关。

2 磁场仿真计算模型

该计算模型为简化的模型，模型中槽壳的尺寸为2 m×1 m×0.8 m，厚度为16 mm，除朝上的一面外，其它五面封闭。槽壳左侧有一条载有10 000 A的母线，与槽壳平行，长度与槽壳等长。槽壳模型被2.5 m×1.8 m×1 m的空气膜包住，周围施有远场单元。模型见图1、图2模型中长轴方向为X方向，短轴为Y方向。

图1 磁场仿真计算模型

图2 带摇篮架的槽壳简化模型

3 计算结果

3.1 槽壳厚度影响规律

在上述模型中改变槽壳的厚度，现分别取厚度为th=8 mm，16 mm和32 mm，在边界条件一致下做同样计算，通过比较3个模型相同位置处的磁场大小来寻求其变化规律。图3-5为槽内短轴上不同位置处的X、Y、Z方向磁感应强度计算结果比较。

图3 不同槽壳厚度下Bx值

图4 不同槽壳厚度下By值

图5 不同槽壳厚度下Bz值

从图3-5可看到，随着槽壳厚度的增大，Bx、By都增大，而Bz减小。并且随着磁点到槽壳的水平距离的增大，磁场大小的这种变化幅度会逐渐缩小，此规律Bz尤为明显。表1给出了槽壳厚度增大1倍，不同位置处Bx、By、Bz增大的幅度。

表1 槽壳厚度增大1倍时各向磁感应强度增幅

3.2 摇篮架影响规律

因摇篮架与母线垂直，故在此不对摇篮架的厚度变化计算，只对其宽度的变化计算。现分别取摇篮架宽度wide=0，10 cm，20 cm和30 cm。在其它条件相同情况下进行磁场计算。取Y轴上各点为参考点来比较各宽度下槽内磁感应强度的大小，结果见图6-8。

图6 不同摇篮架宽度下Bx值

图7 不同摇篮架宽度下By值

图8 不同摇篮架宽度下Bz值

从图6-8可知，Bx和By在没有摇篮架(wide=0)时，其值比有摇篮架时小，而Bz值在没有摇篮架时要大。随着摇篮架加宽，Bx和By都增大，而Bz减小。在距离摇篮架不同位置处，改变摇篮架宽度时，各向B的变化幅度不同，即随着到摇篮架距离的增大，Bx变化幅度先增大后减小；By、Bz的变化幅度则一直减小。在距摇篮架0.8 m位置处，摇篮架每增大10 cm，各项B值变化幅度都<2%。表2给出了不同宽度摇篮架较没有摇篮架时各项B值的增幅。

表2 不同尺寸摇篮架较无摇篮架时各向磁感应强度增量

由表2可见，在与摇篮架近距离处，摇篮架的尺寸变化对Bz的影响最大。远距离时，对Bz的影响最小。

4 结 语

槽壳厚度的变化主要会影响到槽壳附近区域的磁场大小，并且随着厚度的增大，Bx、By都增大，而Bz减小；随着场点到槽壳距离的增大，B的变化幅度减小，Bz的这种变化规律最为明显。

1) 摇篮架的存在会影响槽内的磁场总体大小，而不会影响其分布规律。有摇篮架时，Bx和By比没有摇篮架时增大，而Bz减小。并且随着离摇篮架的水平距离越大，摇篮架对磁场的影响越小，在距摇篮架0.8 m处，各向B值变化幅度<2%。

2) 摇篮架对槽内磁场的影响随其宽度的不同而不同。其宽度增大时，槽内Bx和By都增大，而Bz减小，但其增大或减小的幅度随摇篮架宽度的进一步增大而变小。

3) 在铝电解槽磁场仿真建模时，为简化模型可以去掉摇篮架，但它对槽内磁场的作用需要通过加大槽壳的厚度来弥补。槽壳厚度的取值需做进一步计算。