加高陽極炭塊在400 kA電解槽上的應(yīng)用

姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

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輕金屬

加高陽極炭塊在400 kA電解槽上的應(yīng)用

姜海濤， 周 平， 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

山東某電解鋁企業(yè)400 kA電解槽采取適當(dāng)加高陽極炭塊的方法降低陽極毛耗，該廠一系列23萬t產(chǎn)能所用的陽極炭塊高度均由原來的595 mm提高到620 mm后，換極周期由30 d調(diào)整為32 d，陽極毛耗降低了4.2 kg/t-Al，節(jié)約成本總計(jì)約174萬元，為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

電解鋁； 陽極高度； 電解槽； 換極周期； 經(jīng)濟(jì)效益

1 概述

2013年工業(yè)和信息化部發(fā)布了《鋁行業(yè)規(guī)范條件》，其中對(duì)新建和現(xiàn)有鋁電解企業(yè)的有關(guān)物料消耗提出了要求：新建和改造的電解鋁系統(tǒng)，炭陽極凈耗應(yīng)低于410 kg/t-Al；現(xiàn)有電解鋁企業(yè)，炭陽極凈耗應(yīng)低于420 kg/t-Al。對(duì)此，各電解鋁企業(yè)從改進(jìn)陽極結(jié)構(gòu)降低陽極消耗入手，開展降低成本的工作。盡管國內(nèi)外不少學(xué)者和機(jī)構(gòu)在進(jìn)行這方面的研究，但大多集中在理論計(jì)算上，缺少實(shí)踐案例與成本分析。

陽極組主要由鋁導(dǎo)桿、鋼爪和炭塊3部分構(gòu)成，其中鋁導(dǎo)桿和鋼爪通過鋁-鋼爆炸焊片連接，鋼爪和炭陽極通過磷生鐵澆鑄黏接[1]。國內(nèi)外針對(duì)陽極組結(jié)構(gòu)節(jié)能降耗的研究見表1。

近年來，國內(nèi)各大鋁廠無論在前期設(shè)計(jì)還是設(shè)備的后期改造，均有對(duì)陽極尺寸做過優(yōu)化，以降低陽極單耗。表2為國內(nèi)部分鋁廠400 kA電解槽使用的預(yù)焙陽極現(xiàn)狀。

從表2可以看出，大部分鋁廠陽極高度大于600 mm，最高達(dá)650 mm。對(duì)于陽極高度的設(shè)計(jì)，各設(shè)計(jì)院結(jié)論不盡相同，但主流仍是以增加陽極高度為設(shè)計(jì)原則。部分設(shè)計(jì)院曾計(jì)算過，陽極理論高度可達(dá)到1 m以上。對(duì)于電價(jià)低廉的地區(qū)，增加陽極高度非常有效。另外，勞動(dòng)力成本上升，人員流動(dòng)性大，造成換極的各項(xiàng)損失增加，尤其對(duì)于低電壓，這種影響會(huì)更大。

陽極炭塊的高度決定著換極周期、陽極毛耗、陽極本體電壓降、陽極散熱與保溫、勞動(dòng)強(qiáng)度等。理論上，當(dāng)殘極高度不變時(shí)，陽極毛耗隨陽極高度的增加而降低，換極周期隨陽極高度增加而延長[2]。所以，在充分考慮壓降、操作和經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，研究探討預(yù)焙陽極炭塊高度對(duì)鋁電解過程中陽極單耗的影響具有一定的實(shí)際意義。

某公司結(jié)合400 kA電解槽系列和炭素生產(chǎn)線的實(shí)際，通過采取適當(dāng)加高陽極的方法以期降低陽極毛耗、降低生產(chǎn)成本及減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換極對(duì)電解槽的擾動(dòng)。另外，該公司原換極周期為30.6 d，陽極加高后換極周期達(dá)32 d，是倒班天數(shù)(8 d)的整數(shù)倍，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)定區(qū)換極。

2 陽極使用周期計(jì)算

陽極使用周期是指預(yù)焙陽極在鋁電解槽中的使用時(shí)間。計(jì)算公式及推導(dǎo)過程如下[3]：

單塊陽極使用周期：

表1國內(nèi)外對(duì)陽極組結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容及方法

結(jié)構(gòu) 研究方向工藝與方法(采取的措施)導(dǎo)桿/鋁-鋼焊片1.改變焊接方式爆炸焊片與導(dǎo)桿間采用4面破口焊接2.優(yōu)選工藝及條件滲鋁鑄造工藝,如以熱鋁液澆注鋼爪頭部鋼爪(磷生鐵)1.控制化學(xué)成分①嚴(yán)格控制鋼爪中C、Si、Mn、S、P等元素的含量②利用稀土元素凈化鋼液,以改善其導(dǎo)電性2.優(yōu)化鑄造工藝陽極鋼爪采用消失模鑄造工藝(氣化模鑄造)3.改善鋼爪結(jié)構(gòu)①非同徑腿安全節(jié)能型陽極鋼爪②新型節(jié)能鋼爪,如外表面為陶瓷涂層結(jié)構(gòu)4.應(yīng)用鋼爪保護(hù)環(huán)①炭環(huán)結(jié)構(gòu)②氧化鋁鋼爪保護(hù)環(huán)5.鋼爪清理設(shè)備拋丸清理機(jī)、鋼絲清刷機(jī)、鋼絲繩清理機(jī)6.改善澆注性能提高磷生鐵中C含量,降低Si,P含量,除S時(shí)使用增碳劑、新型脫硫劑炭塊1.使用炭陽極添加劑添加0.2%～0.5%的Li2CO3和0.3%～0.6%的AlF3等2.優(yōu)化炭陽極結(jié)構(gòu)①“船型”陽極炭塊,即:將陽極炭塊側(cè)面與底面交角改為45°倒角或圓弧角②炭塊相鄰炭碗之間開槽,加大碳碗直徑和增加斜槽數(shù)量③陽極上部凸臺(tái)外形改進(jìn)④陽極尺寸優(yōu)化(長度、高度)

表2國內(nèi)大型預(yù)焙槽陽極尺寸

公司槽型實(shí)際電流/kA電流密度/A·cm-2陽極長×寬/mm陽極高度/mm陽極周期/d南山四期DD400kA4170.7521650×70059530.6恒康鋁業(yè)SY400kA4010.8041575×66065033云鋁澤鑫GY400kA4060.7541700×66063533云鋁涌鑫GY400kA3850.7151700×66061033青海鑫恒SY400kA4030.8151550×66062032寧東鋁業(yè)SY400kA3850.7841550×66062031錦聯(lián)鋁材DD400kA4060.8271550×66062031新疆農(nóng)六師SY400kA4000.8141550×66061030

Tz=(HA-H殘)/HC

(1)

式中：Tz——單塊陽極使用周期，d；HA——陽極高度，cm；H殘——?dú)垬O高度，cm；HC——陽極消耗速度，cm/d。

陽極消耗速率：

Hc=8.054 ×I×η×C凈×d-1×10-3

(2)

式中：Hc——陽極消耗速度，cm/d；I——陽極電流密度，A/cm2；η——鋁電解電流效率，%；C凈——陽極凈消耗，kg/t·Al；d——陽極體積密度，g/cm3。

把(2)式代回(1)式得：

(3)

某公司400 kA電解槽，實(shí)際電流效率91.1%。若將目前的換極周期由30.6 d延長到32 d，則可通過公式計(jì)算出陽極高度。表3中為計(jì)算陽極周期的原始數(shù)據(jù)。

通過計(jì)算可知，若該電解車間換極周期延長至32 d，則應(yīng)將陽極加高到620±5 mm較為經(jīng)濟(jì)合理。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

與原預(yù)焙陽極生產(chǎn)相比，陽極高度增加后，在整

表3陽極使用周期計(jì)算的原始數(shù)據(jù)及公式

陽極高度體積密度電流密度電流效率陽極凈耗加高陽極62.3cm1.584g/cm3i=電流強(qiáng)度/單塊陽極面積×陽極數(shù)量=(417×1000)/(1650×700)×10-2×48=0.7522A/cm291.1%W凈=陽極數(shù)量×消耗單塊陽極重量/實(shí)際產(chǎn)品量×換極周期=48×(965-160)/3.059×30.6=412.79kg普通陽極59.5cm殘極高度160cm陽極尺寸(長×寬):1650mm×700mm陽極重量965kg殘極重量160kg

體電解器產(chǎn)量不變的情況下，減少了陽極炭塊生產(chǎn)數(shù)量，焙燒和陽極組裝工序成本大幅下降，降低了電耗，減少了換極操作對(duì)電解槽的擾動(dòng)。

3.1 陽極生產(chǎn)成本

3.1.1 陽極炭塊的數(shù)量及炭塊毛耗

3.1.1.1 陽極炭塊數(shù)量

假設(shè)該電解廠一個(gè)系列產(chǎn)鋁量為a萬t，陽極毛耗為b(t/t-Al)(熟塊)，則需生產(chǎn)陽極ab萬t，加高前后陽極的重量分別是H0(t)和H1(t)，陽極加高后少產(chǎn)炭塊為：

(4)

2015年該廠平均陽極毛耗為501.79 kg/t-Al，按照一個(gè)系列23萬t產(chǎn)能計(jì)算， 加高前后陽極重量分別是965 kg和1 015 kg，則實(shí)際少產(chǎn)炭塊：

按每塊平均重965 kg，則少生產(chǎn)的炭塊量為：

若每天消耗的量不變，陽極使用周期延長，由于殘極率減小，則毛耗b下降，那么實(shí)際生產(chǎn)中減少陽極量應(yīng)多于5 890塊(2 945組)。

3.1.1.2 陽極毛耗

加高陽極的換極周期為32 d，單塊重量1 015 kg，炭塊使用量48×1 015=48.720 t。32 d出鋁量為：

32×0.3356×417×24×0.911=97.912 t

炭耗為：

48.720/97.912=497.59 kg/t-Al

降低炭耗：

501.79-497.59=4.2 kg/t-Al

3.1.2 天然氣消耗

該電解廠配套的炭素生產(chǎn)系統(tǒng)，焙燒車間2015年天然氣平均單耗76.19 m3/t-C，天然氣單價(jià)約2.67元/m3，則每噸炭陽極消耗天然氣的費(fèi)用為204.10元。若采用加高陽極，按全年可少生產(chǎn)5 890塊炭塊，其重量為5 683.85 t，節(jié)約的天燃?xì)鈨r(jià)值：

D1=5 683.85×204.10=1 160 073.79元

3.1.3 焙燒車間耗電量

焙燒車間主要用電設(shè)備的功率及每天運(yùn)行時(shí)間為：多功能天車(325.15 kW，17.5 h)，堆垛天車(114.25 kW，19 h)，編解機(jī)(169.5 kW，17.5 h)，碳碗清理機(jī)(30 kW，12 h)。按上述設(shè)備各一臺(tái)每天正常運(yùn)行工作，則1 d的耗電量為：

Q=P多功能天車×t1+P堆垛天車×t2+P編輯組電機(jī)×

t3+P碳碗清理機(jī)×t4=

325.15×17.5+114.25×19+169.5×17.5+30×12=6 118.25 kW·h

工作1 d所產(chǎn)生的電費(fèi)為：

6 118.25×0.43=2 630.84元

按焙燒車間每月產(chǎn)量20 000 t計(jì)，即每天產(chǎn)量約666.67 t，則全年少生產(chǎn)5 683.85 t炭塊節(jié)省的時(shí)間為：

5 683.85÷666.67=8.5 d

每年節(jié)省的焙燒電費(fèi)為：

D2=8.5×2 630.84=17 542.64元

3.1.4 減少磷生鐵的用量

組裝陽極時(shí)，在中頻爐熔鐵和澆鑄過程均存在鑄造燒損[4]。該炭素廠陽極組裝燒損約為5 kg/t-C(熔鑄損失率按5‰計(jì)算)，5 683.85 t陽極生鐵補(bǔ)充量約為：

5‰×5 683.85=28.42 t

按照目前鋼鐵市場價(jià)格2 100元/t，則每年可節(jié)省生鐵成本約：

D3=28.42×2 100=59 680.43元

3.1.5 減少中頻爐電耗

由于陽極加高后將減少磷生鐵用量，因此中頻爐的工作時(shí)間也會(huì)縮短，由此電耗將減少。根據(jù)四炭素廠陽極組裝的生產(chǎn)實(shí)際，一爐次熔化的磷生鐵水可澆注20組陽極，若全年少生產(chǎn)2 945組陽極，則少熔化147爐次磷生鐵。按照1臺(tái)中頻爐(額定功率800 kW)正常工作，熔化均勻需要2 h，則147爐全部熔化消耗的電量為：

800×2×147=235 200 kW·h

當(dāng)前電價(jià)為0.43元/kWh，則共節(jié)省的費(fèi)用為：

D4=235 200×0.43=101 136元

3.1.6 殘極清理費(fèi)用

目前殘極采用人工清理，清理費(fèi)用為每組17元，少生產(chǎn)2 945組陽極，則每年可節(jié)省的殘極清理費(fèi)用為：

D5=2 945×17=50 065元

3.1.7 陽極組其他用電

陽極組車間旋鏈系統(tǒng)、導(dǎo)桿校直、壓脫設(shè)備等一系列設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)需要大量電能，若少生產(chǎn)5 683.85 t，除去公共用電，其所節(jié)省電能約占整個(gè)陽極組車間電能的1/3(經(jīng)驗(yàn)值)，所以可根據(jù)該車間電耗對(duì)此進(jìn)行估算。

陽極組車間平均月產(chǎn)19 344 t陽極，每噸耗電35.40元，則總耗電：

19 344×35.40=684 777.6元

按加高陽極生產(chǎn)占陽極組用電量的1/3，則節(jié)省電費(fèi)為：

D6=1/3×5 683.85×35.40=67 069.4元

綜上，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況及相關(guān)近似計(jì)算，炭素生產(chǎn)加高陽極節(jié)省的費(fèi)用可分為上述6個(gè)部分，總計(jì)：

D1+D2+D3+D4+D5+D6=1 455 567.26元

3.2 電解生產(chǎn)成本計(jì)算

3.2.1 陽極的電能消耗

炭塊壓降的計(jì)算公式[5]：

V炭=ρ炭dh

(4)

式中：ρ為熱態(tài)炭塊電阻率，900～1 000 ℃時(shí)約為55 μΩ·m(熱態(tài)時(shí)比冷態(tài)時(shí)偏低)；d為陽極理論電流密度，電流417 kA時(shí)，為0.752 2 A/cm2；h為陽極組平均高度。

其中，h1=h新-h鋼爪深度；h2=h殘極-h鋼爪深度；h=(h1+h2)/2+h殘，通過公式(4)即可計(jì)算出V炭為184 mV。

VΔh=V炭×Δh/h新(Δh為新極增加高度)，進(jìn)而計(jì)算加高后陽極壓降增加8.54 mV。但是實(shí)際中陽極加高后，將保持設(shè)定電壓不變，主要是陽極自身放熱，幾乎不影響電解槽熱量平衡，即使影響也非常小。換句話說8.54 mV將轉(zhuǎn)化為消化極距。理論上每1 cm極距電壓為330 mV，那么增加陽極高度后，其將消化0.02 cm極距。若能量保持平衡，穩(wěn)定性好，極距大于4.5 cm時(shí)，0.02 cm對(duì)電效幾乎不構(gòu)成影響。但如果極距小于4.5 cm，或者電解槽偏冷，則0.02 cm會(huì)有一定的影響，但影響也很有限。

3.2.2 換極電能消耗及損失

換極對(duì)電解槽影響較大，如果沒有換極，電解槽物料平衡和熱平衡波動(dòng)會(huì)非常小。目前，該廠換極后經(jīng)常出現(xiàn)電壓波動(dòng)，電解槽穩(wěn)定性較差。換極的電能消耗和電效損失如下：

(1)換極附加電壓最小電能消耗

W換極=0.43(電價(jià)，元)×2 945(陽極組數(shù))×417(電流，kA)×100(附加電壓量，mV)×1(附加電壓時(shí)間，h)/1 000=52 806.80元

(2)針擺最小電能消耗

W針擺=0.43(電價(jià)，元)×2 945(陽極組數(shù))×417(電流，kA)×30(附加電壓量，mV)×1(針擺最小時(shí)間，h)/1 000=15 842.04元

(3)針擺期間鋁的最小損失

2015年該廠槽日產(chǎn)量為3.079 t，則每小時(shí)產(chǎn)鋁量為128.3 kg。若針擺1 h，電流效率損失2%，則針擺期間鋁量損失為3 kg。更換2 945組陽極，鋁價(jià)為12 000元/t時(shí)，其鋁的損失為：

W鋁損失=2 945×0.003×12 000=106 020元

(4)多功能天車消耗

設(shè)多功能天車換極全過程(包括換極前后的相關(guān)工作)平均功率為150 kW，換極時(shí)間30 min，則每換一組天車耗電75 kW/h，更換2 945組陽極的電費(fèi)為(此項(xiàng)不包括天車自身維護(hù)保養(yǎng))：

W天車=2 945×75×0.43=94 976.25元

綜上，采用加高陽極在電解生產(chǎn)中，特別是換極過程中節(jié)省的費(fèi)用總計(jì)：

∑W電解成本=W換極+W針擺+W鋁損失+W天車=

52 806.80+1 584.04+106 020+94 976.25=

269 645.09元

3.3 陽極運(yùn)輸費(fèi)用

若一年少生產(chǎn)5 890塊(2 945組)陽極，則陽極組裝車費(fèi)用及往返運(yùn)輸費(fèi)用將大大減少。該廠運(yùn)輸陽極組有四輛陽極拖車和兩輛叉車同時(shí)作業(yè)，叉車將成品陽極叉入到大箱車內(nèi)，大箱車將成品陽極運(yùn)送到各電解車間。

運(yùn)輸車每次運(yùn)2組陽極，2 945組陽極減少運(yùn)輸1 472次。陽極拖車、叉車每天(平均)共用柴油448.38 L，每天四個(gè)車間運(yùn)輸陽極總數(shù)為：

Q=84×4=336塊

運(yùn)回的殘極總數(shù)也為336塊(往返運(yùn)輸)。運(yùn)輸每塊極耗油為：

C=448.38/(336+336)=0.67L

每塊極所需的運(yùn)費(fèi)為(目前柴油單價(jià)4.182 5元/L)：

Z1=0.67×4.182 5=2.81元

一年內(nèi)所產(chǎn)生的運(yùn)輸費(fèi)用為：

Z總=5 890×2.81=16 550.9元

綜上，該廠400 kA電解槽采用加高陽極可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益來自三個(gè)部分，炭素生產(chǎn)成本、電解成本及運(yùn)輸成本，總計(jì)1 455 567.26+269 645.09+16 650.9=1 741 763.25元。

4 結(jié)論

(1)采用加高陽極具有重要意義。從電解生產(chǎn)的角度看，陽極保持適當(dāng)高度，可減少電解槽擾動(dòng)，降低工作量，保持平穩(wěn)生產(chǎn)；從經(jīng)濟(jì)效益考慮，加高陽極可節(jié)省生產(chǎn)成本及運(yùn)行費(fèi)用，通過估算每年約174萬元。

(2)理論計(jì)算表明，該電解廠400 kA電解槽若將目前的換極周期調(diào)整為32 d，炭塊高度應(yīng)為620.02 mm。如能將陽極高度由現(xiàn)行值增高到最佳值，將可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張報(bào)清，雷霆，方樹銘等．預(yù)焙槽陽極組節(jié)能降耗研究進(jìn)展[J]．礦冶，2012，(6)：67-70．

[2] 王金融，解正業(yè)，張峰，楊利．預(yù)焙陽極經(jīng)濟(jì)高度的研究及應(yīng)用[J]．輕金屬，2002，(8)：52．

[3] 艾勝朋，呂文斌．淺析加高陽極在鋁電解槽上的應(yīng)用對(duì)節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)[J]．甘肅冶金，2009，(3)：117-119．

[4] 杜智勇，何曉東，鐘向明．200kA 預(yù)焙槽陽極高度的經(jīng)濟(jì)分析[J]. 有色金屬(冶煉部分)，2005，(2)：14-15．

[5] 王躍勇，羅麗芬，張艷芳．陽極尺寸及形狀優(yōu)化的初步研究[J]．輕金屬，2012，(6)：43-46．

澳科學(xué)家開發(fā)出金屬鎂冶煉新技術(shù)

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織宣布，該機(jī)構(gòu)開發(fā)出一種新的金屬鎂冶煉技術(shù)，可使金屬鎂的制備過程節(jié)省多達(dá)80%的能源，并減少多達(dá)60%的一氧化碳排放，有望使金屬鎂制造業(yè)重現(xiàn)活力。

這項(xiàng)新的冶煉技術(shù)被稱作“鎂音速”，它通過碳對(duì)鎂礦的熱還原反應(yīng)以及被稱作“超音速噴嘴”的設(shè)備高效生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬鎂。“超音速噴嘴”是一個(gè)類似火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的裝置，可使熱還原產(chǎn)物鎂蒸氣和一氧化碳以4倍于音速的毫秒級(jí)速度通過其中，令鎂蒸氣瞬間凝結(jié)、固化成為鎂金屬。

傳統(tǒng)制備金屬鎂的方法成本較高，并且是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，限制了對(duì)金屬鎂的應(yīng)用。而“鎂音速”技術(shù)提供了一種在經(jīng)濟(jì)上可行的方法，克服了傳統(tǒng)制備方法的種種問題，使金屬鎂成為一種更便宜、更易獲得的制造業(yè)原材料。

Application of new heightened anode carbon block in 400 kA electrolysis cell

JIANG Hai-tao, ZHOU Ping, TANG Chang-ting

A Shandong electrolytic aluminum enterprise adopts properly heightened anode carbon block in 400 kA electrolysis cell to reduce the anode gross consumption. For the first series with production capacity of 230 000 t in that plant, after the height of anode carbon block is increased from the original 595 mm to 620 mm, the anode change cycle is adjusted from 30 d to 32 d, the anode gross consumption loss is reduced by 4.2 kg/t-Al with the total saved cost of about 1,740,000RMB, which brings good economic benefits to the enterprise.

electrolytic aluminum; anode height; electrolysis cell; anode change cycle; economic benefit

姜海濤(1985—)，男，山東煙臺(tái)人，碩士，助理工程師，從事電解鋁相關(guān)技術(shù)工作。

2015-11-26

2016-09-03

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1672-6103(2016)05-0029-05