鋁電解槽陽極炭塊頂面結(jié)構(gòu)的對比研究

劉 靖

（1.東北大學(xué)，機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué)設(shè)計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

鋁用預(yù)焙陽極是電解鋁上游行業(yè)，作為電解生產(chǎn)的原料，成為鋁工業(yè)生產(chǎn)的主要原料之一。每生產(chǎn)1噸原鋁約需要消耗0.5噸預(yù)焙陽極，大約占原鋁冶煉成本的10%～20%。預(yù)焙陽極具有良好的導(dǎo)電性能和抗高溫腐蝕性能，被稱為電解槽的“心臟”[1]。其中提高單位面積產(chǎn)率和全員勞動生產(chǎn)率的核心需求的實現(xiàn)都與預(yù)焙陽極炭塊息息相關(guān)[2]。

在我國各區(qū)域產(chǎn)能協(xié)調(diào)發(fā)展的政府政策下，2017年度全國原鋁產(chǎn)量3328.96萬噸，國內(nèi)預(yù)焙陽極炭塊產(chǎn)量在1970萬噸左右，其中出口約101萬噸，增長放緩。由于預(yù)焙陽極生產(chǎn)采用石油焦和瀝青為原料，歷經(jīng)煅燒、焙燒、組裝的過程，我國陽極炭塊生產(chǎn)企業(yè)環(huán)保壓力不斷增大、由于污染帶來的限產(chǎn)改造時間不斷增長[3]。

1 陽極炭塊類型

基于以上陽極炭塊的基本尺寸，根據(jù)陽極炭塊上頂面位置的結(jié)構(gòu)，分為四種研究類型，第一種為直角型（Type 1 Right-angle Type），第二種為棱角型（Type 2 Edge Type），第三種為圓弧型（Type 3 Arc Type），第四種為波浪型（Type 4 Wave Type），按照以上分類進行比較分析，四種結(jié)構(gòu)類型如圖1所示。

圖1 四種頂面結(jié)構(gòu)的陽極炭塊模型

按照典型的生產(chǎn)工藝參數(shù)，在其余工況條件都相同的情況下，基于ANSYS物理場軟件，建立全槽模型，進行“熱-電-機械模型”分析，針對直角式、棱角式、圓弧式、波浪式共四種上頂面結(jié)構(gòu)形式的陽極炭塊進行對比性的技術(shù)分析，找出其中的差異與規(guī)律。

2 陽極炭塊電流分布

四種方案陽極炭塊的電流分布計算結(jié)果如下：

圖2 陽極炭塊電流密度分布計算結(jié)果

從總體電流密度計算結(jié)果來看，電流密度在31～42mA/mm2之內(nèi)，電流方向序列較為一致，沒有過多差異。和Y-軸向的電流密度分布情況來看，電流密度在頂面分布形式均圍繞炭碗周邊分布。

3 陽極炭塊電壓降

陽極炭塊自身質(zhì)量和相關(guān)性能參數(shù)將直接相關(guān)著電解生產(chǎn)工藝。陽極組電壓降由炭塊壓降、鐵碳接觸壓降、陽極鋼爪壓降、復(fù)合塊壓降、陽極導(dǎo)桿壓降等部分組成。陽極組電壓降占電解槽電壓的7.5%左右，陽極組裝的質(zhì)量越高，陽極壓降越低，即所消耗的電能越少。而陽極炭塊本身電壓降一般占陽極組壓降的50%～65%之間，因此陽極炭塊電壓降對電解槽能耗有很直接的影響。

表1 陽極炭塊電壓降計算結(jié)果列表

通過計算結(jié)果可以看出，第一種類型陽極炭塊的電壓降最高，為224.62mV；第四種類型陽極炭塊電壓降最低，約219.10mV，同第一種類型相比較，第四種類型陽極炭塊的電壓降同比下降2.46%，對整體壓降對比降幅明顯。

4 陽極炭塊溫度分布

陽極炭塊的溫度分布計算結(jié)果如下：

圖3 陽極炭塊溫度分布計算結(jié)果

四種類型陽極炭塊的溫度分布趨勢和數(shù)值基本一致，整體來看陽極頂面溫度均在270℃左右，其實際更多的作用是維護電解槽熱平衡。

5 陽極炭塊應(yīng)力分布

陽極炭塊是通過陽極鋼爪與之連接進行傳導(dǎo)電流的，那么除了對于熱場、電場的對比衡量之外，更重要的是陽極鋼爪與陽極炭塊之間的接觸應(yīng)力分布是否合理，應(yīng)力數(shù)值是否在陽極炭塊材質(zhì)本身的物理性能承受范圍內(nèi)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁電解用預(yù)焙陽極》YS/T 285-2012中的要求，陽極炭塊的耐壓強度在32～35MPa之間，并且要有抗折強度的測定。

各型式陽極炭塊熱應(yīng)力分布情況有所不同，最大應(yīng)力點位置集中在炭碗周邊，但整體熱應(yīng)力均在陽極碳素材料的許用承受范圍內(nèi)。

通過基于ansys多物理場耦合軟件對不同上頂面結(jié)構(gòu)的陽極炭塊進行研究，可以看出陽極炭塊頂部的結(jié)構(gòu)形式，對于陽極炭塊電流分布和溫度分布影響較小。

6 結(jié)語

不同上頂面結(jié)構(gòu)陽極炭塊模擬分析結(jié)果顯示，波浪式的上頂面結(jié)構(gòu)在各項因素分布中均勻性為最優(yōu)，但各形式陽極炭塊在溫度分布、電流分布、熱應(yīng)力分布及電壓降值等方面差異并不明顯，那么后續(xù)研究就可以將重點放在對比陽極毛耗，以降低陽極毛耗為核心出發(fā)點，在單一型式下采用多參數(shù)尋優(yōu)方式，找出最佳的上頂面尺寸參數(shù)值，以提高經(jīng)濟效益。