淺談750 mm超高陽(yáng)極在大型鋁電解槽上的研究與應(yīng)用

趙營(yíng)　劉光勇　戚宗華　李慶新　李恒剛　王曉華　張透方　高效軍杜玉峰　潘興旺　溫保森　逯兆深　黃德江（新疆農(nóng)六師煤電有限公司　五家渠　831508）

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淺談750 mm超高陽(yáng)極在大型鋁電解槽上的研究與應(yīng)用

趙營(yíng)劉光勇戚宗華李慶新李恒剛王曉華張透方高效軍杜玉峰潘興旺溫保森逯兆深黃德江
（新疆農(nóng)六師煤電有限公司五家渠831508）

摘要目前隨著國(guó)內(nèi)外的預(yù)焙鋁電解槽的大型化，運(yùn)行電流增大，陽(yáng)極電流密度提升，使得陽(yáng)極消耗速度加快，進(jìn)而陽(yáng)極更換周期縮短，電解槽熱損失增加，換極干擾頻繁，穩(wěn)定性降低，最終表現(xiàn)為電流效率降低，噸鋁能耗居高不下。本文中新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心及其鋁廠、碳素廠（目前新疆農(nóng)六師煤電有限公司鋁廠產(chǎn)能190萬(wàn)噸，是世界單體產(chǎn)能最大的電解鋁企業(yè)；新疆農(nóng)六師煤電有限公司碳素廠年產(chǎn)90萬(wàn)噸碳素。）結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其背景研究與應(yīng)用超高陽(yáng)極技術(shù)，在大型鋁電解槽上采用超高陽(yáng)極替代高度≤650 mm的陽(yáng)極炭塊的工業(yè)化試驗(yàn)，結(jié)論表明其減少了換極頻率、換極干擾以及換極熱損失，真正意義上實(shí)現(xiàn)了增效降耗節(jié)約成本，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供了一套投資少、見(jiàn)效快的電解鋁節(jié)能降耗技術(shù)新思路。新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心及其鋁廠，針對(duì)國(guó)內(nèi)外通用的大型預(yù)焙鋁電解槽上因陽(yáng)極炭塊設(shè)置高度較低，造成換極使用周期短，換極頻率高，對(duì)鋁電解槽穩(wěn)定運(yùn)行干擾大的難題，開(kāi)展了750 mm超高陽(yáng)極炭塊在大型鋁電解槽上的配置應(yīng)用技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞超高陽(yáng)極鋁電解槽研究應(yīng)用

1　陽(yáng)極炭塊高度對(duì)鋁電解生產(chǎn)的影響

1.1陽(yáng)極炭塊的應(yīng)用

現(xiàn)通用的預(yù)焙鋁電解槽是用陽(yáng)極炭塊作為陽(yáng)極導(dǎo)電材料和電解化學(xué)反應(yīng)消耗材料進(jìn)行電解鋁生產(chǎn)，鋁電解用陽(yáng)極炭塊與鋁導(dǎo)桿、陽(yáng)極鋼爪，用澆注磷鐵環(huán)的方式組裝在一起，構(gòu)造成陽(yáng)極炭塊鋼爪組，與陽(yáng)極大母線相連接，在電解生產(chǎn)過(guò)程中，陽(yáng)極炭塊的底部浸在鋁電解槽的電解質(zhì)液中，參與電化學(xué)反應(yīng)。陽(yáng)極炭塊的高度隨著參與電解熱電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間延長(zhǎng)，而不斷消耗縮短變薄，平均消耗高度為15 mm/d左右［1］。陽(yáng)極炭塊的高度在鋁電解槽生產(chǎn)過(guò)程中可以分為兩部分，一部分是在電解過(guò)程中消耗掉的高度部分，稱為陽(yáng)極凈耗高度部分，一部分為從電解槽內(nèi)更換出的高度部分，簡(jiǎn)稱為殘極高度部分［2］。

為保證鋁電解槽在生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)定極距，隨著陽(yáng)極炭塊逐漸反應(yīng)消耗變薄，鋁電解槽上部機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要帶動(dòng)陽(yáng)極大母線及陽(yáng)極炭塊進(jìn)行下降調(diào)整。當(dāng)使用一定時(shí)間段后，即炭塊消耗變薄至140～160 mm左右時(shí)［4］，為防止陽(yáng)極鋼爪頭被電解質(zhì)熔化，需將殘極組從鋁電解槽內(nèi)取出，更換上一組新陽(yáng)極炭塊組，俗稱換極作業(yè)。

鋁電解槽的換極頻率=電解槽配置陽(yáng)極炭塊的塊數(shù)/陽(yáng)極炭塊的使用換極周期

即：鋁電解槽每日更換陽(yáng)極炭塊的塊數(shù)：塊/日。

1.2換極作業(yè)對(duì)鋁電解生產(chǎn)工藝的影響

鋁電解槽換極作業(yè)，對(duì)電解槽穩(wěn)定性和電流效率的影響極大，主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一個(gè)是換極熱散失，對(duì)鋁電解熱平衡工藝狀態(tài)的影響；一個(gè)是電流密度的頻繁調(diào)整變異，對(duì)鋁電解槽磁場(chǎng)穩(wěn)定性的影響［3］。

在鋁電解槽陽(yáng)極炭塊的組數(shù)、導(dǎo)電面積和電流強(qiáng)度設(shè)定后，鋁電解槽所配置的陽(yáng)極炭塊的高度，不僅決定著陽(yáng)極炭塊的換極周期，而且還決定著鋁電解槽的換極頻率，決定電解鋁廠的生產(chǎn)工藝方式。

鋁電解槽配置陽(yáng)極炭塊高度設(shè)定，不僅影響鋁電解的工藝參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，而且影響著與陽(yáng)極炭塊作業(yè)相關(guān)電解鋁生產(chǎn)體系的整體工藝配置，決定著整個(gè)電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)成本的高低。

電解鋁生產(chǎn)工藝系統(tǒng)70%以上的生產(chǎn)工藝配置與陽(yáng)極炭塊有關(guān)，如果鋁電解槽換極頻率增加，電解生產(chǎn)的陽(yáng)極碳?jí)K毛耗、換極作業(yè)、陽(yáng)極組裝、殘極覆蓋料處理等生產(chǎn)成本均會(huì)隨之增加，企業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)則會(huì)下降［5］。

1.3大型鋁電解槽對(duì)陽(yáng)極炭塊配置的要求

近幾年來(lái)，我國(guó)的大型鋁電解的容量已擴(kuò)大到400 kA～600 kA以上。已成為我國(guó)電解鋁產(chǎn)業(yè)的主要槽型，鋁電解槽容量的增加，最大的優(yōu)勢(shì)是熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，無(wú)疑為電解鋁生產(chǎn)帶來(lái)許多好處，但是，我國(guó)大型鋁電解槽容量的增加，走的是增加陽(yáng)極導(dǎo)電面積的技術(shù)路線，即在電流密度基本不變的情況下，靠增加電解槽陽(yáng)極炭塊配置數(shù)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這種以增加陽(yáng)極導(dǎo)電面積、增加陽(yáng)極炭塊組數(shù)為特征的技術(shù)路線，雖然增加了電解槽容量，但由于陽(yáng)極炭塊的高度未變，鋁電解槽換極頻率有所加大，換極作業(yè)對(duì)電解槽的穩(wěn)定性干擾加大，使大型鋁電解槽電流效率和普通鋁電解槽幾乎沒(méi)有什么差別，沒(méi)有顯著的提高，大型鋁電解槽的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益難以顯現(xiàn)［6］。

大型鋁電解槽容量的增加，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，但對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定性要求則更高，換極作業(yè)無(wú)疑是破壞磁場(chǎng)穩(wěn)定性的最大因素，維持大型鋁電解槽的磁場(chǎng)平衡的直接手段，就是減少鋁電解槽的換極頻率，就目前的技術(shù)條件而言，延長(zhǎng)陽(yáng)極炭塊的使用周期是最好的方式。

2　超高陽(yáng)極工業(yè)試驗(yàn)［7］

2.1前沿技術(shù)的特征

鋁電解槽陽(yáng)極炭塊配置方式是電解鋁企業(yè)的核心技術(shù)，從自焙槽到預(yù)焙槽，電解鋁生產(chǎn)技術(shù)裝備進(jìn)步都是以陽(yáng)極構(gòu)造配置方式為標(biāo)志。電解鋁行業(yè)的科研工作者多年來(lái)，一直把減少換極作業(yè)對(duì)鋁電解槽穩(wěn)定性的干擾、提高電流效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)約生產(chǎn)成本作為核心技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。如惰性陽(yáng)極技術(shù)和連續(xù)陽(yáng)極技術(shù)。雖然惰性陽(yáng)極目前是遙不可及，連續(xù)陽(yáng)極技術(shù)也由于較多技術(shù)障礙難以實(shí)現(xiàn)，但是，這兩項(xiàng)科研技術(shù)卻有著一個(gè)共同點(diǎn)，都旨在降低鋁電解槽換極頻率、減少換極作業(yè)對(duì)鋁電解槽的穩(wěn)定性干擾。

2.2工業(yè)試驗(yàn)狀況簡(jiǎn)介

在惰性陽(yáng)極無(wú)望，連續(xù)陽(yáng)極難以實(shí)現(xiàn)，在大型鋁電解槽生產(chǎn)需求和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生碰撞的大背景下，為解決大型鋁電解槽由于炭塊配置數(shù)量增加，陽(yáng)極炭塊高度設(shè)定偏低，換極頻率加大，影響電流效率的問(wèn)題，新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心決定自主創(chuàng)新，發(fā)揚(yáng)敢為天下先，舍我其誰(shuí)的創(chuàng)新?lián)?dāng)精神，自2013年起，開(kāi)展了鋁電解槽超高陽(yáng)極在鋁電解槽上配置應(yīng)用技術(shù)課題的研究，在原設(shè)計(jì)高度620 mm陽(yáng)極炭塊的基礎(chǔ)上，一次將炭塊加高130 mm；并于2014年，將750 mm超高陽(yáng)極炭塊在400 kA大型鋁電解槽上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。

2.3工業(yè)試驗(yàn)的目的

將陽(yáng)極炭塊在鋁電解上的使用周期提高22%以上。使陽(yáng)極炭塊的換極周期由原設(shè)計(jì)的30天，延長(zhǎng)至39天。用減少鋁電解槽換極作業(yè)頻率辦法，實(shí)現(xiàn)降低換極作業(yè)對(duì)鋁電解生產(chǎn)工藝干擾，提高電流效率，減少陽(yáng)極炭塊毛耗的目的，同時(shí)用降低換極作業(yè)量的辦法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電解鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的整體節(jié)能減排，降本增效的生產(chǎn)，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供一套既節(jié)能降耗節(jié)約生產(chǎn)成本，又簡(jiǎn)便易行的鋁電解槽生產(chǎn)工藝方案。

3　工業(yè)試驗(yàn)槽與比對(duì)槽的技術(shù)參數(shù)

3.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)后工業(yè)試驗(yàn)槽主要技術(shù)參數(shù)

槽型：400 kA；進(jìn)電方式：6點(diǎn)大面進(jìn)電。

設(shè)定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2。

每臺(tái)陽(yáng)極炭塊配置：48塊。

陽(yáng)極炭塊尺寸：1 550×660×750（單位：mm）。

設(shè)計(jì)換極周期：實(shí)際使用換極周期為39 d。

鋁電解槽換極作業(yè)極限高度1 250 mm。

3.2原設(shè)計(jì)鋁電解槽（對(duì)比槽）主要技術(shù)參數(shù)

槽型：400 kA；進(jìn)電方式：6點(diǎn)大面進(jìn)電。

設(shè)定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2

每臺(tái)陽(yáng)極炭塊配置：48塊。

陽(yáng)極炭塊尺寸：1 550×660×620（單位：mm）。

設(shè)計(jì)換極周期：30 d。

鋁電解槽換極作業(yè)極限高度1 250 mm。

3.3創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主要差異

（1）將原設(shè)計(jì)的陽(yáng)極炭塊的高度由620 mm增高到750 mm，增高了130 mm。

設(shè)計(jì)目的：同等技術(shù)條件下，致使陽(yáng)極炭塊的換極周期，由現(xiàn)在設(shè)計(jì)的30 d延長(zhǎng)到39 d，即鋁電解槽兩次換極的時(shí)間間隔由原設(shè)定的30 h，延長(zhǎng)至39 h。

（2）將原設(shè)計(jì)的陽(yáng)極炭塊的碳碗直徑由原來(lái)的195 mm加大到205 mm，碳碗的深度不變，并且增加一道斜拉槽。

設(shè)計(jì)目的：增加陽(yáng)極鋼爪與陽(yáng)極炭塊之間的連接強(qiáng)度，降低鐵碳電壓降。

4　工業(yè)試驗(yàn)槽技術(shù)分析

4.1工業(yè)試驗(yàn)槽與對(duì)比槽技術(shù)指標(biāo)比對(duì)分析［7］

2015年6月，電解鋁廠選取了5臺(tái)采用750 mm超高陽(yáng)極炭塊配置且運(yùn)行半年以上的工業(yè)試驗(yàn)槽，與50臺(tái)采用620 mm高度陽(yáng)極炭塊配置且條件優(yōu)良可比的工業(yè)試驗(yàn)比對(duì)槽，就其技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了全面的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果表明：在400 kA，配置有48組陽(yáng)極炭塊的鋁電解槽上，采用750 mm超高陽(yáng)極炭塊替代原設(shè)計(jì)高度620 mm高度陽(yáng)極炭塊的工業(yè)試驗(yàn)槽，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)比槽。

4.2工業(yè)試驗(yàn)槽的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

鋁電解槽內(nèi)的熱電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的工藝生產(chǎn)過(guò)程。影響鋁電解生產(chǎn)效率變化的因

表1　工業(yè)試驗(yàn)槽與對(duì)比槽技術(shù)指標(biāo)分析表

素諸多，且關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，互為影響制約。根據(jù)對(duì)采用750 mm超高陽(yáng)極炭塊的工業(yè)試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的整體的比對(duì)分析可以表明，5臺(tái)工業(yè)試驗(yàn)槽的綜合數(shù)據(jù)指標(biāo)明顯優(yōu)于對(duì)比槽各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)。這種優(yōu)化指標(biāo)的取得是以下各種技術(shù)因素共同疊加作用所顯現(xiàn)出來(lái)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

4.2.1正面技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

⑴電解槽換極頻率減少，使鋁電解槽內(nèi)由于換極所造成的電流密度分布的平面位移干擾波動(dòng)減少，即鋁電解槽內(nèi)部的穩(wěn)定性增加（內(nèi)部穩(wěn)定性貢獻(xiàn)）。

⑵電解槽換極頻率減少，導(dǎo)致?lián)Q極熱散失減少。

⑶陽(yáng)極炭塊增高130 mm，在鋁電解內(nèi)陽(yáng)極炭塊整體高度則增加了65 mm，相當(dāng)于在鋁電解槽內(nèi)部陽(yáng)極炭塊的上部增加了65 mm的碳素保溫層，減少了鋁電解槽的上部熱散失。

⑷于鋁電解槽內(nèi)上部增加了65 mm的碳素保溫層，上部散熱減少，導(dǎo)致等溫線下移，電解槽內(nèi)穩(wěn)定提高，電解質(zhì)液的分解溫度提高，導(dǎo)致沉淀減少，陰極炭塊溫度提高，導(dǎo)電性能加強(qiáng)，爐底電壓降低。

⑸電解質(zhì)液溫度升高2℃，對(duì)氧化鋁的溶解性能加強(qiáng)。

⑹換極干擾減少，電解質(zhì)液穩(wěn)定性提高，鋁液的二次反應(yīng)減少。

⑺電解槽內(nèi)溫度提高，導(dǎo)致陰極炭塊溫度提高。

⑻陽(yáng)極炭塊加高130 mm，炭塊增重210 kg，為了增加鐵碳之間的連接強(qiáng)度，對(duì)炭塊的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改造，由于碳碗和炭塊之間的導(dǎo)電面積和界面連接強(qiáng)度（鐵對(duì)碳的徑向壓力）有所增加，導(dǎo)致陽(yáng)極導(dǎo)電裝置的鐵碳連接電壓降降低。

4.2.2負(fù)面技術(shù)因素分析

⑴單體陽(yáng)極炭塊加高130 mm，相當(dāng)在鋁電解槽內(nèi)加高65 mm。在熱負(fù)荷工況狀態(tài)下增加。

⑵鋁電解槽等溫線下降后，陰極炭塊溫度提高，有利于陰極炭塊壓降降低，但也致使陰極鋼棒端頭提高，散熱增加。

⑶電解槽等溫線下降后，側(cè)部爐幫平均減薄，會(huì)導(dǎo)致側(cè)部爐殼表面溫度提高，鋁電解的散熱增加。

5　 750 mm超高陽(yáng)極技術(shù)效益分析［7］

經(jīng)半年多的工業(yè)試驗(yàn)表明，在400 kA鋁電解槽上采用750 mm超高陽(yáng)極炭塊，替代原設(shè)計(jì)620 mm普通陽(yáng)極炭塊進(jìn)行配置，并應(yīng)用于電解鋁生產(chǎn)，取得經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表2：

表2　節(jié)能降耗量統(tǒng)計(jì)表

6　 750 mm超高陽(yáng)極工業(yè)試驗(yàn)結(jié)論

新疆農(nóng)六師煤電有限公司，采用“世界第一高”超高陽(yáng)極炭塊，在400 kA大型鋁電解槽上進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)表明，與原設(shè)計(jì)配置620 mm普通高度陽(yáng)極相比。陽(yáng)極炭塊的使用壽命周期可以延長(zhǎng)9天，陽(yáng)極炭塊使用周期提高22%以上。使陽(yáng)極炭塊的換極周期由原設(shè)計(jì)的30天，延長(zhǎng)至39天。用減少鋁電解槽換極作業(yè)頻率辦法，實(shí)現(xiàn)降低換極作業(yè)對(duì)鋁電解生產(chǎn)工藝的干擾，提高電流效率，達(dá)到減少陽(yáng)極炭塊毛耗的目的，同時(shí)用降低換極作業(yè)量的辦法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電解鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的整體節(jié)能減排，降本增效的生產(chǎn)，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供一套既能降低消耗節(jié)約生產(chǎn)成本，又簡(jiǎn)便易行的鋁電解槽生產(chǎn)工藝方法。

本次工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，在現(xiàn)通用的大型鋁電解槽上采用超高陽(yáng)極替換高度≤650 mm的陽(yáng)極炭塊，用減少換極頻率，降低對(duì)鋁電解槽干擾，增強(qiáng)鋁電解槽穩(wěn)定性的辦法，提高鋁電解槽電流效率，是一種投資少、見(jiàn)效快的電解鋁節(jié)能降耗的技術(shù)路線。

參考文獻(xiàn)

［1］Jay Bruggeman，“Pot Heat Balance Fundamentals”，Proc 6th Aust.Al Smelting Workshop 1998.

［2］陳麗萍.關(guān)于鋁電解用預(yù)焙陽(yáng)極高度的探討［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2005，01:25-28.

［3］馮乃祥.大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽內(nèi)熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算［M］.東北工業(yè)出版社，2001.

［4］陳肖虎，楊朝紅，高利偉.鋁電解槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)淺析［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，01:18-20.

［5］潘煒，王云強(qiáng)，費(fèi)征，陳富東，張小滿，成志剛，李華.陽(yáng)極尺寸對(duì)電解鋁經(jīng)濟(jì)效益的影響［J］.炭素技術(shù)，2013，06:56-58.

［6］王金融，解正業(yè)，張峰，楊利.預(yù)焙陽(yáng)極經(jīng)濟(jì)高度的研究及應(yīng)用［J］.輕金屬，2002，08:52-55+61.

［7］科技成果鑒定.750mm超高陽(yáng)極炭塊的制備與鋁電解槽應(yīng)用配置技術(shù)的研發(fā).新疆農(nóng)六師煤電有限公司.

收稿：2016-02-29

DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.03.030