王 剛 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 西寧 8101002)

240 kA鋁電解槽低電壓運(yùn)行的途徑探討

王 剛 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 西寧 8101002)

在研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋁電解生產(chǎn)實(shí)踐，簡(jiǎn)要總結(jié)了實(shí)現(xiàn)240kA鋁電解槽低電壓運(yùn)行的途徑。

鋁電解槽； 低電壓； 運(yùn)行； 途徑

近年來(lái)，隨著原鋁市場(chǎng)的低迷，原鋁冶煉廠紛紛從降低噸鋁成本角度探尋提高原鋁市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的途徑。原鋁的生產(chǎn)成本主要由能源、原材料、人工工資、設(shè)備投入和折舊等構(gòu)成[1]。目前，在鋁電解的生產(chǎn)成本構(gòu)成中，電力成本占電解鋁生產(chǎn)成本的47%以上，導(dǎo)致鋁冶煉行業(yè)虧損，尤其是沒(méi)有自備電的電解鋁企業(yè)嚴(yán)重虧損。在這種情況下，電解鋁企業(yè)除了從各個(gè)方面減少費(fèi)用支出外，要保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的途徑有兩個(gè)，一是進(jìn)行技術(shù)改造，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，采用短流程工藝，充分利用電解鋁液所積蓄的能量生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，如鋁合金鑄軋板、鋁合金扁錠等，增加產(chǎn)品附加值。然而，這種途徑需要較大的投入，一般經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱的企業(yè)是無(wú)力承擔(dān)巨大的投資費(fèi)用的，因此，要實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很困難的；二是根據(jù)企業(yè)電解系列設(shè)備、工藝及技術(shù)指標(biāo)狀況，通過(guò)實(shí)施節(jié)能措施降低噸鋁生產(chǎn)成本。目前，國(guó)內(nèi)通過(guò)降低鋁電解槽工作電壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能的工作開(kāi)展的如火如荼，可以借鑒的節(jié)能技術(shù)比比皆是，但是，是否能夠真正實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能效果，必須根據(jù)電解系列設(shè)計(jì)、安裝以及供配電設(shè)施的容量的實(shí)際情況，采取靈活多樣的措施來(lái)推進(jìn)電解系列的節(jié)能工作。

某公司有兩個(gè)240 kA電解系列年產(chǎn)30萬(wàn)t的電解鋁生產(chǎn)能力，從2008年以來(lái)，一直推行低電壓鋁電解生產(chǎn)技術(shù)，到目前為止，電解槽工作電壓已經(jīng)由4.17 V降低到3.90 V，直流電耗由13 471 kWh 降低到12 632 kWh?，F(xiàn)將實(shí)現(xiàn)鋁電解槽低電壓運(yùn)行的途徑介紹如下。

1 采用鋁電解槽保溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低工作電壓下的能量收支平衡

在一定的電流強(qiáng)度下，鋁電解槽要獲得維持正常電解過(guò)程所需要的能量，必須使電解槽具有一定的工作電壓。當(dāng)電解槽在較低電壓下運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是理論上還是實(shí)踐上必定會(huì)產(chǎn)生電解槽能量收入減少的問(wèn)題。而電解槽能量收入的減少，必然會(huì)影響正常的電解過(guò)程，使電解槽進(jìn)入冷行程[2]。出現(xiàn)冷行程后，會(huì)產(chǎn)生下列問(wèn)題：電解質(zhì)粘度增加，陽(yáng)極氣體排除困難，碳渣分離不清楚；鋁水平上漲，電解質(zhì)水平下降，換極時(shí)打撈碳渣和角部炭塊更為困難；氧化鋁溶解性變差，爐底沉淀增多，陽(yáng)極效應(yīng)頻發(fā)，致使陰極電流分布不均勻，導(dǎo)致電解槽磁場(chǎng)受到影響，鋁水平波動(dòng)大，引起槽電壓擺動(dòng)。上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)電解過(guò)程造成很大影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成停槽。因此，在推行低電壓運(yùn)行時(shí)，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，保持電解槽的能量平衡。目前，最有效的方法有三種：一是對(duì)鋁電解槽實(shí)施外保溫；二是優(yōu)化電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，對(duì)電解槽實(shí)施內(nèi)保溫；三是優(yōu)化覆蓋料的成分和粒度組成，強(qiáng)化陽(yáng)極保溫效果。

在具體運(yùn)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的電解槽運(yùn)行狀況選擇不同的措施。對(duì)于老齡電解槽，可采用外保溫與優(yōu)化陽(yáng)極覆蓋料組成、粒度的方式；而對(duì)于新建和大修啟動(dòng)的電解槽，則可以將上述三種方法綜合起來(lái)整體運(yùn)用，會(huì)獲得良好的能量平衡效果，從而實(shí)現(xiàn)鋁電解槽平穩(wěn)、高效的運(yùn)行。

1.1 加強(qiáng)電解槽外保溫，在槽殼外壁粘貼陶瓷纖維板，減少槽殼散熱量

在鋁電解過(guò)程中，通過(guò)槽殼散熱是電解槽產(chǎn)生熱損失的主要途徑之一。因此，采取有效措施降低槽殼散熱也是保持低電壓下電解槽正常運(yùn)行的有效措施。李賢等人[4]總結(jié)了240 kA鋁電解槽采取外保溫措施后的保溫效果，認(rèn)為通過(guò)內(nèi)外保溫可以將槽殼溫度控制在200 ℃以下，爐底鋼板溫度溫度可以控制在100 ℃左右，與電解槽高工作電壓運(yùn)行時(shí)相比，熱量損失大幅下降，有利于電解槽在低電壓下正常運(yùn)行。

1.2 調(diào)整陽(yáng)極覆蓋料的成分組成和粒度，降低其導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能

在鋁電解過(guò)程中，陽(yáng)極覆蓋料除了具有保溫功能外，還具有一定的防止陽(yáng)極氧化、降低陽(yáng)極消耗速度的作用。由于陽(yáng)極上部不直接參與鋁電解反應(yīng)，因此，陽(yáng)極上部的氧化屬于無(wú)功消耗，必須將其降低到最低程度。Hasini Wijayaratne等人[2]研究了成分與粒度對(duì)陽(yáng)極覆蓋料熱傳導(dǎo)率的影響，并得出結(jié)論：在覆蓋料混合物中，較高比例的粗粒度電解質(zhì)提高有效熱傳導(dǎo)率，反之，較高比例的細(xì)粒度物料(氧化鋁或電解質(zhì)細(xì)粉)降低有效熱傳導(dǎo)率。因此，控制覆蓋料的粒度、特別是細(xì)粉料成為關(guān)鍵，因?yàn)樗兄诮档透采w料的綜合熱傳導(dǎo)率。借鑒上述研究，當(dāng)鋁電解槽在低工作電壓下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)適當(dāng)提高陽(yáng)極覆蓋料中細(xì)粉料的比例，可以有效降低陽(yáng)極覆蓋料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而減少陽(yáng)極上部的熱量散失，對(duì)于保持電解槽的能量平衡有著重要的作用。

1.3 優(yōu)化電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，提高電解槽保溫性能

在電解槽周圍增加導(dǎo)熱系數(shù)低、抗拉強(qiáng)度較好的陶瓷纖維板，側(cè)部陶瓷纖維板的厚度大面20 mm、小面30 mm，底部15 mm。通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)表明，電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鋼棒溫度由287 ℃降低到256 ℃，爐幫溫度由279 ℃降低到256 ℃，爐底溫度由122 ℃降低到78 ℃，電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化后保溫效果非常顯著[5]。

2 采用導(dǎo)氣式預(yù)焙陽(yáng)極，降低氣膜電阻

陽(yáng)極是鋁電解槽的“心臟”，通過(guò)陽(yáng)極將電流導(dǎo)入電解質(zhì)，并與鋁液、陰極形成閉合電路，而且陽(yáng)極炭塊在鋁電解過(guò)程中參與鋁的還原反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳?xì)怏w，由于這些氣體不能及時(shí)排放出來(lái)，在陽(yáng)極底掌下面形成氣膜，由于這種氣膜導(dǎo)不導(dǎo)電，使得電解質(zhì)與陽(yáng)極隔離，從而形成氣膜電阻，導(dǎo)致電解槽工作電壓上升。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多研究人員從陽(yáng)極結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)行了許多研究[6-8]，認(rèn)為采用開(kāi)槽陽(yáng)極或穿孔陽(yáng)極[8,10]能夠減少陽(yáng)極底掌下氣體行程距離，加速陽(yáng)極氣體從電解質(zhì)與陽(yáng)極界面的易初速度，從而降低陽(yáng)極底掌下氣泡層厚度，減小陽(yáng)極氣膜壓降，最終降低電解槽工作電壓，達(dá)到節(jié)能目的。

3 采用高導(dǎo)電陰極鋼棒，降低鋁電解槽爐底壓降

陰極鋼棒是連接陰極與陰極母線的導(dǎo)電元件。通常，在鋁電解槽中，陰極鋼棒是以整體結(jié)構(gòu)鑲嵌于陰極炭塊的燕尾槽中。然而，生產(chǎn)實(shí)踐證明，這種整體鑲嵌的陰極鋼棒有其固有缺點(diǎn)：電解槽底部溫度分布不均勻，陰極鋼棒兩端的溫度相對(duì)較低，通常只有200 ℃左右，而位于爐底中央的陰極鋼棒的中尖部位溫度相對(duì)偏高。某公司與中南大學(xué)合作，對(duì)240 kA鋁電解槽陰極鋼棒的溫度分布情況進(jìn)行測(cè)試，陰極鋼棒中間部位的溫度高達(dá)950 ℃[11]。由于陰極鋼棒中間部位的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其兩端的溫度，這就導(dǎo)致鋼棒中間部位產(chǎn)生一定的蠕變，并且在其重力作用下產(chǎn)生下垂，從而使得該部位陰極鋼棒與陰極炭塊之間產(chǎn)生一定的間隙，而且隨著電解槽運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，間隙越來(lái)越大。陰極鋼棒與陰極炭塊之間的這種間隙導(dǎo)致二者之間產(chǎn)生不良的接觸，從而使得陰極鋼棒的導(dǎo)電性能下降，最終表現(xiàn)為爐底壓降上升，能耗增加。因此，目前許多鋁冶煉廠在電解槽大修時(shí)，普遍采用斷開(kāi)式高導(dǎo)陰極鋼棒，同時(shí)增加陰極鋼棒的高度。這種高導(dǎo)陰極鋼棒的材質(zhì)與普通陰極鋼棒(Q235)有著明顯的區(qū)別，為了克服高溫導(dǎo)致的陰極鋼棒中間溫度偏高、鋼棒與陰極炭塊之間產(chǎn)生間隙最終導(dǎo)致?tīng)t底壓降上升的缺陷，在陰極鋼棒生產(chǎn)加工時(shí)，將其從中間斷開(kāi)分為兩部分裝配于陰極炭塊的溝槽之中，兩部分陰極鋼棒之間用鋼棒糊連接。王躍勇[12]等人對(duì)低阻加高陰極鋼棒進(jìn)行了仿真研究并得出結(jié)論：鋼棒電阻率降低可以大幅降低陰極壓降，同時(shí)也可以降低鋁液中水平電流約20%。某公司在240 kA鋁電解槽上進(jìn)行了斷開(kāi)式陰極鋼棒試驗(yàn)應(yīng)用，平均陰極壓降降低了30～60 mV。

4 優(yōu)化磷生鐵配方，降低鋁用陽(yáng)極鐵碳?jí)航?/h2>

陽(yáng)極炭塊與陽(yáng)極鋼爪是通過(guò)磷生鐵連接在一起的。然而，當(dāng)磷生鐵反復(fù)重熔幾個(gè)循環(huán)后，就會(huì)造成生鐵成分的巨大變化，主要體現(xiàn)在鐵液中C、Mn含量下降、S含量上升，并且由于S對(duì)Mn的中合作用所形成的高熔點(diǎn)MnS的存在，不但使磷鐵的鑄造性能下降，而且也使鐵液的電阻率增加。馮建國(guó)[13]研究了保持良好流動(dòng)性及低陽(yáng)極鐵碳?jí)航档牧咨F配方為：C 3.0%～3.5%，P 0.8%～1.3%，Si 1.8%～3.0%，Mn 0.5%～0.7%，S <0.15%，并通過(guò)對(duì)多循環(huán)磷生鐵實(shí)施脫硫和增碳措施，保證磷生鐵具有良好的流動(dòng)性和低的鐵碳?jí)航怠Ｄ彻疽餐ㄟ^(guò)在陽(yáng)極組裝的熔煉工序開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)活動(dòng)，優(yōu)化磷生鐵配方以及對(duì)磷生鐵進(jìn)行增碳脫硫，使得陽(yáng)極鐵碳?jí)航涤?20 mV降低到90 mV。對(duì)降低鋁電解槽工作電壓起到了一定作用。

5 改進(jìn)鋁電解槽壓接器連接方式，降低接觸壓降

在鋁電解系列中，壓接器是連接陰極鋼棒和陰極母線的節(jié)點(diǎn)。到目前為止，多數(shù)鋁電解行業(yè)仍然采用壓接方式安裝壓接器。雖然這種安裝方式具有安裝方便靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是，由于壓接器是通過(guò)螺栓與陰極鋼棒連接在一起的，而安裝位置所處的環(huán)境比較惡劣，工作溫度高(正常情況下均在200 ℃左右)、粉塵大、長(zhǎng)期受到打殼震動(dòng)的影響，從而使得螺栓連接易于松動(dòng)，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁銅爆炸塊壓接器通過(guò)高溫變形和氧化，引起陰極鋼棒頭和壓接器發(fā)紅，電流分布不均勻，導(dǎo)致壓接器壓降升高，電耗增加。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，一些鋁冶煉廠對(duì)壓接器與陰極鋼棒的連接方式進(jìn)行了改進(jìn)，將螺栓連接的壓接式改為焊接式，通過(guò)焊接使得陰極鋼棒和壓接器緊密地連接在一起，從而有效克服了溫度、粉塵及振動(dòng)因素對(duì)壓接器連接效果的影響，確保了壓接器壓降處于穩(wěn)定而較低的水平，有效降低了壓接器壓降。

某公司在7臺(tái)240 kA鋁電解槽上進(jìn)行了壓接器連接方式改進(jìn)試驗(yàn)，分別測(cè)量了改進(jìn)前后的壓接器壓降，見(jiàn)表1。由表1可以看出，改進(jìn)前7臺(tái)壓接式電解槽壓接器壓降都相對(duì)較高，最大值可達(dá)23.86 mV，平均壓接器壓降為19.20 mV；改為焊接式連接后，平均壓接器壓降均小于5 mV，平均壓接器壓降降低了14.2 mV，而且電解槽的運(yùn)行狀況也比改進(jìn)前平穩(wěn)許多。

表1 改進(jìn)前后的壓接器壓降比較 單位：%

5 結(jié)束語(yǔ)

在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)鋁電解槽低電壓運(yùn)行是一項(xiàng)綜合節(jié)能的系統(tǒng)工程，它涉及到電解溫度、電解質(zhì)分子比、陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)、各導(dǎo)電部件的結(jié)構(gòu)形式和連接方式等。通過(guò)綜合節(jié)能技術(shù)在240 kA鋁電解槽上的實(shí)施，電解槽工作電壓由4.17 V降低到3.90 V，平均噸鋁直流電耗降低了839 kWh。因此，鋁電解工作者只有在鋁電解實(shí)踐中關(guān)注并分析影響鋁電解槽工作電壓的每一個(gè)因素，結(jié)合不同電解系列的具體特點(diǎn)，制定相應(yīng)的對(duì)應(yīng)措施并付諸實(shí)施，一定能實(shí)現(xiàn)鋁電解槽在低電壓下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到降低噸鋁生產(chǎn)成本的目的。只有這樣，在鋁電解市場(chǎng)低迷的情況下，鋁冶煉廠才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中以較低的生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)利占有一席之地。

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Discussion on Approaches to Achieve Low Voltage Running for 240 kA Aluminum Reduction Cell

WANG Gang， LIU Min-zhang, LI Xian

Based on summarizing the predecessors’ research work， in combination with the production practice of aluminum electrolysis，this paper summarizes briefly the approaches which led to low voltage running of 240 kA aluminum reduction cell.

aluminum reduction cell; low voltage; operation; approach

2014-07-07

王 剛(1981—)， 男， 甘肅酒泉人， 工程師， 大學(xué)本科， 現(xiàn)為青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心科技管理主管， 主要從事公司科技管理工作。

TF821

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1008-5122(2015)02-0022-03