張開躍 林 琳 閆 飛

(廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530028)

工藝節(jié)能

330 kA柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的應(yīng)用

張開躍 林 琳 閆 飛

(廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司， 廣西 南寧 530028)

介紹了柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的節(jié)能原理及工業(yè)化應(yīng)用中遇到的電解槽熱平衡和焙燒問(wèn)題。通過(guò)電解槽內(nèi)外保溫改造，減少了電解槽的散熱量；通過(guò)結(jié)合使用全焦粒焙燒和雙介質(zhì)焙燒，解決了焙燒中遇到的問(wèn)題。改進(jìn)后的柱形凸起斜面陰極鋁電解槽順利投入生產(chǎn)。

鋁電解槽； 柱形凸起斜面陰極； 熱平衡； 焙燒

0 前言

近年來(lái)我國(guó)電解鋁行業(yè)在節(jié)能減排方面取得了令人矚目的成就。然而，隨著國(guó)家對(duì)電解鋁行業(yè)節(jié)能減排要求的進(jìn)一步提高以及原鋁市場(chǎng)行情的持續(xù)低迷，電解鋁行業(yè)的節(jié)能減排工作依然面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。廣西某電解鋁生產(chǎn)企業(yè)為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、減少?gòu)U棄物的排放，引入了東北大學(xué)馮乃祥教授的最新節(jié)能電解槽研究成果“柱形凸起斜面陰極鋁電解槽”，由于該槽型特殊的陰極結(jié)構(gòu)及低電壓生產(chǎn)的要求，在投產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了一系列革新。

1 柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的節(jié)能原理

圖1 斜面陰極示意圖

柱形凸起斜面陰極是將陰極表面改造成具有一定角度的斜面，同時(shí)在斜面上安裝一定規(guī)格和數(shù)量的柱形凸起結(jié)構(gòu)。斜面陰極通過(guò)改變其表面的電阻起到降低水平電流的作用，而柱形凸起對(duì)鋁液具有較好的阻流作用，兩者結(jié)合可共同減少電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中鋁液面的波動(dòng)，從而降低電解槽生產(chǎn)電壓，減少電解槽電解消耗和污染物排放。斜面陰極降低水平電流的技術(shù)原理如圖1所示。由圖1可以看出：

(1)若電解槽中部鋁液中的電流從中部垂直向下(路線①)進(jìn)入陰極鋼棒，然后從陰極鋼棒導(dǎo)出，則該電流流經(jīng)路徑的電阻R1為：

R1=Rc1+RFe/C+RFe

(1)

(2)如果該電流通過(guò)鋁液經(jīng)由路線②從陰極炭塊的端部垂直走向陰極鋼棒，則該電流流經(jīng)路徑的電阻R2為：

R2=RAl+RC2+RFe/C

(2)

由此可以推斷，只有R1R1，即：

RC2+RAl>RC1+RFe

RC2-RC1>RFe-RAl>0

(3)

因此，在鋁電解槽陰極炭塊的設(shè)計(jì)中，只要滿足了在陰極炭塊上表面的電流流經(jīng)不同部位電阻的上述關(guān)系式，則設(shè)計(jì)的陰極炭塊就能夠使電解槽在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中具有較小的沿陰極炭塊的縱向方向的水平電流分量。而斜面陰極結(jié)構(gòu)只要角度合適就能很好的滿足以上要求。

2 應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題

2.1 電解槽的熱平衡問(wèn)題

柱形凸起斜面陰極電解槽的設(shè)計(jì)初衷是進(jìn)行3.80 V左右的超低電壓生產(chǎn)，生產(chǎn)電壓過(guò)低必然會(huì)造成電解槽的熱收入減少，而生產(chǎn)實(shí)踐中電解槽的熱收入減少會(huì)出現(xiàn)以下較為嚴(yán)重的生產(chǎn)問(wèn)題。

2.1.1 電解槽角部伸腿肥大

角部伸腿肥大主要產(chǎn)生機(jī)理是電解槽熱收入減少，角部處散熱面積大、散熱速度快，電解質(zhì)和沉積的氧化鋁便會(huì)在電解槽角部處凝固。如果處理不及時(shí)，凝固層會(huì)逐漸增厚，并向槽內(nèi)沿伸，直至頂住角部陽(yáng)極底掌，使?fàn)t膛畸形、電解槽病變，嚴(yán)重時(shí)造成裝陽(yáng)極困難，陽(yáng)極導(dǎo)桿被頂裂，給生產(chǎn)造成很大影響，如圖2所示。

圖2 被頂裂的陽(yáng)極導(dǎo)桿

2.1.2 電解槽電流效率降低

在低電壓生產(chǎn)條件下，為了維持電解槽的熱平衡，必須要減少電解槽的散熱量，主要途徑是減少電解槽的在產(chǎn)鋁量。電解槽在產(chǎn)鋁量大幅度減少后，電解槽的穩(wěn)定性減弱，控制難度增加，發(fā)熱區(qū)下移，如控制不當(dāng)，電流效率會(huì)出現(xiàn)明顯降低，對(duì)電解槽的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述，為了保持電解槽平穩(wěn)高效生產(chǎn)，有必要對(duì)電解槽進(jìn)行保溫改造，以減少電解槽的散熱量。

2.2 電解槽的焙燒問(wèn)題

2.2.1 傳統(tǒng)焙燒方案介紹

2.2.1.1 全焦粒焙燒

全焦粒焙燒是在陽(yáng)極和陰極表面炭塊的窄縫之間鋪設(shè)炭粉(石墨粉)或炭粒，使陽(yáng)極和陰極之間實(shí)現(xiàn)連接，然后通電，借助于陽(yáng)極、炭粉層和陰極的電阻產(chǎn)生的焦耳熱，加熱焙燒電解槽。

2.2.1.2 雙層介質(zhì)焙燒

圖3 雙層介質(zhì)焙燒裝爐

雙層介質(zhì)焙燒主要是在新型陰極的凹槽之間先用碎電解質(zhì)塊鋪滿，再在電解質(zhì)塊及陰極凸臺(tái)的表面鋪設(shè)一定厚度的焦粒層作為焙燒發(fā)熱介質(zhì)，然后掛極。裝爐時(shí)用碎電解質(zhì)塊將陽(yáng)極中縫及四周全部填滿(見圖3)，在焙燒初期，需要增大陽(yáng)極的分流量，減少通過(guò)陰極的電流。實(shí)踐證明，如果陰極導(dǎo)電面積不小于35%對(duì)整個(gè)焙燒過(guò)程影響不大。雙層介質(zhì)焙燒技術(shù)有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)減少了焦粒的使用量。

(2)在中縫和陰極上鋪設(shè)有電解質(zhì)，當(dāng)電解質(zhì)熔化后，高度超過(guò)了陰極凸臺(tái)的高度，此時(shí)，電解質(zhì)參與導(dǎo)電，增加了焙燒的均勻性，不會(huì)出現(xiàn)陰極溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

(3)電解質(zhì)熔化后，直接進(jìn)入焙燒期間產(chǎn)生的陰極和內(nèi)襯裂縫中，可有效地堵塞焙燒期間形成的滲漏通道。

2.2.2 傳統(tǒng)焙燒方法出現(xiàn)的問(wèn)題

2.2.2.1 全焦粒焙燒

全焦粒焙燒如果應(yīng)用于柱形斜面凸起陰極電解槽會(huì)出現(xiàn)下列問(wèn)題：

(1)焦粒使用量太大，經(jīng)過(guò)初步計(jì)算每臺(tái)槽用量在7 t左右，啟動(dòng)結(jié)束后需要投入大量的人力進(jìn)行碳渣打撈，工作量大。

(2)炭渣打撈時(shí)將帶出大量電解質(zhì)，造成電解質(zhì)損失。

(3)如果炭渣打撈不干凈，存留在電解質(zhì)中，容易引進(jìn)電解質(zhì)含炭、甚至出現(xiàn)陽(yáng)極長(zhǎng)包現(xiàn)象。

(4)由于凸起之間間距太小，很容易造成炭渣卡在陰極凸起之間長(zhǎng)時(shí)間排不出來(lái)，對(duì)生產(chǎn)造成長(zhǎng)時(shí)間不利影響。

(5)焦粒鋪設(shè)高度高，必然會(huì)造成焙燒電阻過(guò)大，沖擊電壓太高。

2.2.2.2 雙層介質(zhì)焙燒

由于柱形凸起斜面陰極電解槽凸起上表面積太小(只有17.6%)，凸起鑲在陰極表面導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)電性能減弱，這樣必會(huì)出現(xiàn)焙燒過(guò)程中電解槽陰極導(dǎo)電面積太小，電阻太大，如果繼續(xù)加焊分流片焙燒時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)，不僅增加焙燒成本而影響槽晝夜。不加分流片，經(jīng)過(guò)凸起的電流密度過(guò)大，必會(huì)對(duì)凸起產(chǎn)生較大的熱沖擊，容易造成柱形凸起早期破損甚至脫落。電阻過(guò)大造成沖擊電壓高，焙燒安全性也得不到保障。

由上可得，已有的裝爐焙燒方式均不能很好的滿足柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的焙燒需要，如果強(qiáng)行使用，會(huì)花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，且可能造成陰極的早期破損，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，對(duì)電解槽的壽命和節(jié)能效果都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

3 解決方案

3.1 熱平衡問(wèn)題解決方案

為了保證在低電壓生產(chǎn)過(guò)程中電解槽的熱平衡，經(jīng)過(guò)對(duì)330 kA電解槽的散熱情況進(jìn)行分析后，決定對(duì)其同時(shí)進(jìn)行內(nèi)保溫和外保溫改造。

3.1.1 內(nèi)保溫改造

從電解槽區(qū)域散熱分布來(lái)看，散熱比例較大的區(qū)域依次為爐面、側(cè)面、鋼爪表面和爐底。爐面可以通過(guò)保溫料的厚度調(diào)整其散熱量，為了防止鋼爪脫落必須保持一定的散熱度，而側(cè)面和爐底是進(jìn)行電解槽內(nèi)保溫的絕好地帶。

經(jīng)過(guò)對(duì)保溫材料進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)石棉板、陶瓷纖維板、硅酸鈣板成本低、隔熱效果較好且操作方便，整個(gè)保溫工作可以在筑爐過(guò)程中完成，且保溫效果可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)。

保溫方式如下：

(1)側(cè)面從陰極鋼棒下沿開始，在側(cè)部炭塊和槽殼之間鋪一層10 mm厚的石棉板。

(2)在爐底用50 mm厚的陶瓷纖維板代替靠近陰極方向的保溫磚。

(3)在電解槽的小面沿陰極下沿靠鋼殼立一層250 mm的硅酸鈣板代替澆注料。

3.1.2 外保溫改造

由于電解槽角部散熱面積較大，低電壓生產(chǎn)易造成角部伸腿肥大，有必要在角部側(cè)壁采取進(jìn)一步的保溫措施。玻璃纖維保溫棉具有良好的保溫效果，將其塞入角部散熱孔后用鋁皮固定，方法簡(jiǎn)單易行。

3.2 焙燒問(wèn)題解決方案

新焙燒方案既要經(jīng)濟(jì)、便捷又要保證焙燒效果好、安全系數(shù)高。全焦粒焙燒效果較好，但是焦粒用量太大，雙層介質(zhì)焙燒可以有效減少焦粒的用量，但是如果陰極導(dǎo)電面積太小的話，危險(xiǎn)系數(shù)會(huì)升高。如果把兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，便可以達(dá)到較好的效果。

3.2.1 全焦粒焙燒結(jié)合雙層介質(zhì)焙燒原理

把全焦粒焙燒和雙層介質(zhì)焙燒結(jié)合起來(lái)的原理是：用焦粒來(lái)增加焙燒過(guò)程中陰極的導(dǎo)電面積，以消除雙層介質(zhì)焙燒的隱患。具體實(shí)現(xiàn)方式是用鐵框把柱形凸起圍起來(lái)，在圍起的鐵框中填滿焦粒，這樣只要調(diào)整鐵框的面積便可以同時(shí)調(diào)節(jié)陽(yáng)極和陰極之間的導(dǎo)電面積，從而在使用最少焦粒的情況下，解決柱形凸起陰極導(dǎo)電面積不足的問(wèn)題，如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)導(dǎo)電面積示意圖

當(dāng)正方形的邊與圓柱的距離為a=20 mm，焙燒導(dǎo)電面積占陰極總面積的比例為：

η=S導(dǎo)/S總=35.89%

達(dá)到要求。

式中：η——柱形凸起電解槽導(dǎo)電面積約占總面積百分比；

S導(dǎo)——導(dǎo)電面積，m2；

S總——陰極垂直投影總面積，m2。

此時(shí)需要的焦粒量：

m焦=ρ焦V≈2 318 kg

式中：m焦——全焦粒焙燒焦粒使用質(zhì)量，kg；

ρ焦——所使用焦粒密度，kg/m3；

V——所使用焦粒體積，m3。

因此，采用正方形的邊與圓柱的距離為20 mm較為合適。

根據(jù)陰極的傾斜度以及柱形凸起的排布方式，設(shè)計(jì)鋪焦粒時(shí)的專用工具如圖5所示。

圖5 鋪雙層介質(zhì)用工具

3.2.2 實(shí)施方法

(1)掛極：凸臺(tái)以下全部用電解質(zhì)細(xì)塊填滿鋪平，電解質(zhì)塊上面鋪設(shè)焦粒，焦粒厚度高出凸臺(tái)10～15 mm。鋪焦粒由煙道端開始鋪設(shè)，采用鋪一組掛一組極的方式，每組陽(yáng)極炭塊與焦粒的接觸面積不小于陽(yáng)極底面積的90%。陰極中縫用純電解質(zhì)填充。

(2)分流片焊接：為了保證焙燒安全，安裝雙層分流片進(jìn)行電流分流。

4 電解槽運(yùn)行效果

柱形凸起斜面陰極電解槽，目前已投入生產(chǎn)一個(gè)月，槽況穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)正順利向正常生產(chǎn)期過(guò)渡。運(yùn)行曲線如圖6。

圖6 柱形凸起斜面陰極運(yùn)行曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

廣西某公司在引進(jìn)運(yùn)用柱形凸起斜面陰極電解槽的過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)電解槽平穩(wěn)、安全、高效投入生產(chǎn)，根據(jù)槽型的特點(diǎn)對(duì)其保溫和掛極等工藝進(jìn)行了一系列地研究和創(chuàng)新，有效克服了此類型電解槽應(yīng)用過(guò)程中的難題。目前該槽已順利投產(chǎn)，槽況運(yùn)行平穩(wěn)，預(yù)計(jì)可以取得理想的生產(chǎn)指標(biāo)。

[1] 姚世煥.大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽發(fā)展中的幾個(gè)問(wèn)題[C]. 昆明: 第四屆鋁電解專業(yè)委員會(huì)2001年會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2001.

[2] 邱竹賢. 預(yù)焙槽煉鋁[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

[3] 張開躍, 閆飛. 石墨化柱形陰極凸起鋁電解槽焙燒方法的研究與革新[J]. 輕金屬，2012.

Application of 330 kA Stud Bump Slope Cathode Aluminum Reduction Cell

ZHANG Kai-yue, LIN Lin, YAN Fei

This paper introduces the energy saving principles of stud bump slope cathode aluminum reduction cell and the heat balance and baking problems encountered in its industrial application. By transforming the internal and external insulation of the cell, the amount of heat dissipation is reduced; and combining full coke calcination and dual media baking, the problems encountered in baking are solved. Finally, the improved stud bump slope cathode aluminum electrolysis cell has been successfully put into production.

aluminum reduction cell; stud bump slope cathode; heat balance; baking

2014-04-06

張開躍(1973—)，男，貴州息烽人，碩士，工程師，主要從事鋁電解和鋁加工的研究管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)04-0003-04