保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在240 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

郎學(xué)春 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在240 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

郎學(xué)春 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

基于240 kA鋁電解槽低電壓運(yùn)行過程中熱收入不足的情況，在大修電解槽上開展了保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽在低電壓下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且明顯降低了電解槽的散熱量，提高了電能利用率，大幅降低了噸鋁直流電耗。

240 kA鋁電解槽； 保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)； 低電壓

0 前言

自2012年以來(lái)，國(guó)際原鋁產(chǎn)能嚴(yán)重過剩導(dǎo)致了鋁市場(chǎng)持續(xù)低迷。在這種情況下，降低鋁電解生產(chǎn)成本、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力就成為鋁冶煉廠賴以生存之道。降低鋁電解生產(chǎn)成本的方法各異，但由于鋁電解過程中電力成本比重最大，占總成本的47%以上[1]，因此，降低鋁電解過程中的電能消耗是降低鋁電解成本最有希望且最具潛力的途徑。

近幾年來(lái)，異形陰極、鋁電解槽電流強(qiáng)化與高效節(jié)能綜合技術(shù)以及異形陰極鋼棒等節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用使得鋁電解槽生產(chǎn)進(jìn)入了低電壓運(yùn)行模式。鋁電解節(jié)能技術(shù)的成功應(yīng)用，使得目前國(guó)內(nèi)槽電壓已降低到3.75 V以下[2]。某公司在傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽上采用高導(dǎo)電性陰極鋼棒技術(shù)，將槽電壓降低到3.85～3.88 V，直流電耗降低到12 643 kW·h/t-Al，電解槽運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。但是隨著槽電壓降低，電解槽熱收入明顯不足，出現(xiàn)了電解槽角部伸腿肥大、電解質(zhì)水平偏低，爐底沉淀較多，換極后電壓擺動(dòng)偏多等問題。這些問題阻礙了槽電壓的進(jìn)一步降低，對(duì)電解槽的保溫性能提出了更高的要求。這就需要改變傳統(tǒng)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，增加鋁電解槽的熱收入，使其達(dá)到良好的熱平衡狀態(tài)，以滿足低電壓生產(chǎn)的工藝要求。

某公司從2008年開始在240 kA鋁電解槽上逐步試驗(yàn)低電壓生產(chǎn)工藝。遵循“先試驗(yàn)，后推廣”的原則，首先在1個(gè)工區(qū)40臺(tái)電解槽上試驗(yàn)低電壓生產(chǎn)工藝，至2010年在2個(gè)15萬(wàn)t系列電解槽上逐步推廣應(yīng)用，年底平均電壓達(dá)到4.04 V，直流電耗達(dá)到13 048 kW·h/t-Al。與2008年的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)平均電壓4.17 V,直流電耗13 678 kW·h/t-Al相比，低電壓生產(chǎn)工藝取得了良好的節(jié)能效果。自2011年在傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了高導(dǎo)電性陰極鋼棒技術(shù)并進(jìn)一步探索低電壓生產(chǎn)工藝，槽電壓降低至3.85～3.88 V。隨著槽電壓不斷降低，電解槽熱收入不斷減少，電解槽出現(xiàn)了沉淀甚至結(jié)殼，角部伸腿逐漸肥大，阻礙了低電壓生產(chǎn)工藝的探索。為配合該工藝順利實(shí)施，經(jīng)過大量的理論論證及調(diào)研學(xué)習(xí)，2011年年底開始在5臺(tái)大修槽上試驗(yàn)保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

1 240 kA鋁電解槽傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

通常按區(qū)域?qū)X電解槽內(nèi)襯分為側(cè)部?jī)?nèi)襯和底部?jī)?nèi)襯。側(cè)部?jī)?nèi)襯可以保護(hù)鋼制金屬外殼免受電解質(zhì)熔體的侵蝕；底部?jī)?nèi)襯起著支撐陰極結(jié)構(gòu)和保溫的作用，故底部?jī)?nèi)襯需使用具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和較高容重的保溫材料，在防止保溫材料變形的同時(shí)具有較好的保溫性能。通常鋁電解槽內(nèi)襯材料的容重從上到下依次降低[3-4]。

某公司240 kA系列電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)的“四低一高”生產(chǎn)技術(shù)路線，電解槽散熱方式也是采取“底部保溫，側(cè)部散熱”的設(shè)計(jì)理念。該內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1，其主要可分為3部分：

(1) 底部?jī)?nèi)襯結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽自下而上依次分為3層：第1層為80 mm厚的硅酸鈣板；第2層為2層65 mm厚的硅藻土保溫磚；第3層應(yīng)用163 mm厚的搗實(shí)干式防滲料。

(2) 側(cè)部?jī)?nèi)襯結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽側(cè)部?jī)?nèi)襯只是1層90 mm厚的碳氮化硅磚。

(3) 側(cè)下部斜坡部分。傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽在陰極鋼棒下方斜坡面部位的保溫材料采用干式防滲料。

1.側(cè)部炭塊；2.周圍糊料；3.陰極炭塊；4.耐火磚；5.澆注料；6.陰極鋼棒；7.干式防滲料；8.硅藻土保溫磚；9.硅酸鈣板圖1 240 kA鋁電解槽傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

2 240 kA鋁電解槽保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

針對(duì)保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽進(jìn)行了電熱場(chǎng)仿真計(jì)算，結(jié)果見表1[5]。

表1 保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽各區(qū)域散熱分布

由表1可知，槽各部分散熱比例較為合適，上部散熱比例較為適中，達(dá)52.8%?？紤]到選取的氧化鋁覆蓋料厚度較薄，故實(shí)際工藝中可通過調(diào)節(jié)上部覆蓋料厚度來(lái)調(diào)節(jié)槽保溫性能的可操作空間較大?？傮w來(lái)看，槽保溫較好，實(shí)際總散熱436.47 kW，理論總散熱446 kW，總散熱量比維持熱平衡所需的理論散熱量小9.53 kW，稍顯過熱，但偏差較小，為2.45%，說明該內(nèi)襯結(jié)構(gòu)具備低電壓運(yùn)行所需要的保溫條件。該內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖2，主要可分為3部分：

(1)底部?jī)?nèi)襯結(jié)構(gòu)。保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)自下而上依次分為4層：第1層為15 mm厚的陶瓷纖維板；第2層為65 mm厚的硅酸鈣板；第3層為2層65 mm厚的保溫磚，縫隙均用氧化鋁填充，該層的第2層保溫磚四周用陶瓷纖維板代替保溫磚，煙道端和出鋁端第2層保溫磚由厚65 mm寬600 mm的陶瓷纖維板代替，大面第2層保溫磚由厚65 mm寬300 mm的陶瓷纖維板代替；第4層為163 mm厚的防滲料。

1.側(cè)部炭塊；2.高導(dǎo)冷搗糊；3.澆注料；4.硅酸鈣板；5.30%石墨陰極炭塊；6.高導(dǎo)陰極鋼棒；7.干式防滲料；8.高導(dǎo)陰極鋼棒糊；9.保溫磚；10.陶瓷纖維板圖2 240 kA鋁電解槽保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

(2)側(cè)部?jī)?nèi)襯結(jié)構(gòu)。保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)位于電解槽側(cè)部，大面采用1層90 mm厚的碳氮化硅磚和1層20 mm厚的陶瓷纖維板，小面采用1層90 mm厚的碳氮化硅磚和1層30 mm厚的陶瓷纖維板，側(cè)部的保溫材料陶瓷纖維板在斜面以上。

(3)側(cè)下部斜面。保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽在陰極鋼棒下方斜坡面部位的保溫材料采用1層15 mm厚的陶瓷纖維板和1層80 mm厚的硅酸鈣板。

3 試驗(yàn)效果分析

某公司5臺(tái)保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)高導(dǎo)電性陰極鋼棒試驗(yàn)槽于2012年12月經(jīng)過大修槽啟動(dòng)。該試驗(yàn)電解槽自實(shí)施以來(lái)，在降低電能消耗、提高電流效率、電解槽保溫效果等方面取得了較好的效果。

3.1 保溫效果

在系列電解槽中隨機(jī)選擇了5臺(tái)傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽并分別測(cè)量了其鋼棒、爐幫和爐底溫度，與保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的鋼棒、爐幫和爐底溫度進(jìn)行對(duì)比，兩類電解槽的平均鋼棒、爐幫和爐底溫度見表2。

表2 對(duì)比槽與試驗(yàn)槽的鋼棒、爐幫及爐底溫度對(duì)比 單位：℃

從表2可知，保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，其鋼棒溫度降低了31 ℃，爐幫溫度降低了23 ℃，爐底溫度降低了44 ℃，通過內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后電解槽保溫效果非常顯著。

3.2 爐膛內(nèi)形

在系列電解槽中隨機(jī)選擇了5臺(tái)傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)高導(dǎo)電性陰極鋼棒電解槽測(cè)量了爐幫厚度，與保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的爐幫厚度進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)量位置在A面A2，A4，A6處、出鋁端(TA端)、B面B2，B4，B6處、煙道端(DE端)進(jìn)行了測(cè)量，2類電解槽的平均爐幫厚度見表3。

表3 對(duì)比槽與試驗(yàn)槽的平均爐幫厚度對(duì)比 單位：mm

從表3可知，保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，其平均側(cè)部爐幫和端部爐幫稍薄。雖然電解槽增加了內(nèi)保溫材料，但是在同樣的工藝技術(shù)條件下，進(jìn)一步降低槽電壓，爐幫形成仍然較為理想。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽啟動(dòng)3個(gè)月后進(jìn)入考核期。將保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽近2年的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比，各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 對(duì)比槽與試驗(yàn)槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

從表4可知，保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，其平均電壓降低了65 mV,平均電流效率提高了0.72%，直流電耗降低了310 kW·h/t-Al,節(jié)能效果非常顯著。

通過應(yīng)用保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，槽平均電壓從3.865 V降至3.800 V，平均電流效率從91.10%提高至91.82%，直流電耗從12 643 kW·h/t-Al降低至12 333 kW·h/t-Al，但與國(guó)內(nèi)先進(jìn)的12 010 kW·h/t-Al[6-7]相比還有差距。

4 結(jié)束語(yǔ)

在240 kA鋁電解槽上應(yīng)用了保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)后，運(yùn)行電壓降至3.800 V以下。保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽已安全穩(wěn)定運(yùn)行750多天，陰極內(nèi)襯未出現(xiàn)任何異常，未發(fā)現(xiàn)角部伸腿肥大，電解槽的熱收入明顯提高，大大提高了電能利用率，大幅降低了噸鋁直流電耗，降低了噸鋁生產(chǎn)成本，現(xiàn)已在大修電解槽上全面推廣應(yīng)用。

[1] 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)輕金屬部. 2012年鋁工業(yè)發(fā)展報(bào)告[R].中國(guó)鋁加工與鋁市場(chǎng)通報(bào),2012,22.

[2] 戚喜全.電解槽內(nèi)襯材料與結(jié)構(gòu)的合理配置[J].有色金屬，2009，63(3)：105-107.

[3] 李勇，劉升，王友來(lái),等.全保溫型內(nèi)襯配置在300 kA鋁電解槽上的應(yīng)用[J].有色金屬(冶煉部分)，2012(10)：20-22.

[4] 中南大學(xué)冶金學(xué)院.青海橋電.240 kA低電壓鋁電解槽試驗(yàn)槽電- 熱場(chǎng)仿真報(bào)告[R].2012.

[5] 馮文革.大型鋁電解槽節(jié)能技術(shù)分析[J].輕金屬，2013(3)：31-33.

[6] 楊曉東，周東方，劉偉. 節(jié)能電解槽技術(shù)的研發(fā)和進(jìn)展[J].輕金屬，2011(S2)：165-169.

Application of Insulated Lining Structure in 240 kA Aluminum Reduction Cell

LANG Xue-chun, LI Xian

Based on the situation of insufficient heat input in the low voltage running process for 240 kA aluminium cell， an application test of insulated lining structure was carried out in the overhauled reduction cell. Production practice shows that the insulated lining cells can run steadily with low voltage. Dissipated heat of the cells was reduced obviously，the utilization ratio of electrical energy was increased，and direct current consumption per aluminium was lowered sharply.

240 kA aluminum reduction cell; insulated lining structure; low voltage

2014-03-05

郎學(xué)春(1976—)，男，云南鎮(zhèn)雄人，大學(xué)本科，工程師，主要從事鋁電解技術(shù)研發(fā)工作。

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1008-5122(2014)04-0023-03