降低鋁電解水平電流的專(zhuān)利技術(shù)綜述

陳德皓

摘 要

鋁電解槽中，電流從陽(yáng)極導(dǎo)桿流入槽內(nèi)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極炭塊、電解質(zhì)、鋁液及陰極炭塊與鋼棒后從槽側(cè)部流出，由于電流的流出方向與流入方向成90°角，并且鋁液的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電解質(zhì)以及陰極炭塊，因此電流的轉(zhuǎn)向大部分發(fā)生在鋁液層中，形成了鋁液中的水平電流，水平電流與垂直磁場(chǎng)共同作用引起電解質(zhì)？鋁液界面的波動(dòng)，從而影響到槽內(nèi)磁流體的穩(wěn)定性，降低電流效率，增大電能損耗，影響電解槽的熱傳導(dǎo)，槽內(nèi)襯的完整和槽子壽命，以及能耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。本文闡述了降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段，并從專(zhuān)利的角度分析國(guó)外和國(guó)內(nèi)降低鋁電解水平電流的發(fā)展脈絡(luò)，對(duì)于該領(lǐng)域的專(zhuān)利審查以及相關(guān)行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)具有一定的借鑒指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞

鋁電解;陰極;鋼棒;水平電流

中圖分類(lèi)號(hào)： TF821文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.059

0 引言

1）鋁電解介紹。

熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁的技術(shù)是1886年由法國(guó)人Heroult和美國(guó)人Hall同時(shí)申請(qǐng)專(zhuān)利發(fā)明的，至今已有一百多年。

鋁電解是高能耗產(chǎn)業(yè)[1]，鋁電解的成本主要包括電力、氧化鋁、預(yù)焙陽(yáng)極、財(cái)務(wù)及人工、其他輔料，其中，電力的成本最多，占據(jù)40%左右。在電解鋁方面，我國(guó)依舊是全球第一大生產(chǎn)國(guó)，并且近年來(lái)一直保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2010-2015年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為14.45%，而同期全球其他地區(qū)年均復(fù)合增長(zhǎng)率為-0.31%。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2017年1-2月中國(guó)電解鋁累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到600萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)19%。

2）水平電流產(chǎn)生原因。

鋁液中的水平電流按其形成的原因基本上可分為三種類(lèi)型：

（1）沿橫向流動(dòng)的水平電流? 電解槽的電流進(jìn)入鋁液后經(jīng)陰極碳?jí)K，由陰極鋼棒橫向引出，會(huì)引起橫向水平電流。

（2）槽內(nèi)縱向水平電流? 由于各陰極母線的電阻不均而引起沿電解槽長(zhǎng)邊流動(dòng)的縱向水平電流。

（3）端部縱向水平電流 由于在電解槽長(zhǎng)邊兩端，從鋁液導(dǎo)出電流的陰極碳?jí)K位于陽(yáng)極邊緣以外，則有水平電流沿縱軸流向槽的端部。

3）水平電流的危害。

眾所周知，在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，鋁液中的水平電流與垂直磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生水平電磁力，這個(gè)電磁力在電解槽鋁液的角部和中部，上部和下部均不相等。由于力的不均衡，使鋁液產(chǎn)生復(fù)雜的渦旋運(yùn)動(dòng)，鋁液面發(fā)生波動(dòng)，傾斜和隆起。當(dāng)這種電磁干擾超過(guò)一定的限度時(shí)，電解槽就不能正常生產(chǎn)。這是由于在電解溫度下，電解質(zhì)和鋁液的密度僅相差0.2g/cm3，（電解質(zhì)為2.1g/cm3，鋁液為2.3g/cm3），鋁液的劇烈波動(dòng)使已電解的金屬鋁又重新返回到電解質(zhì)中被氧化;陽(yáng)極中心部分的鋁液隆起會(huì)引起極距縮小，電流密度增大，從而使陽(yáng)極消耗加快和電流密度分布不均，引起電流效率下降;鋁液隆起中心可能觸及陽(yáng)極造成局部短路，增大電耗;當(dāng)鋁液環(huán)流超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，可使陰極槽殼變形，槽幫層次被熔融金屬破壞。

總之，由于電磁干擾而引起的鋁液擾動(dòng)，降低電流效率，增大電能損耗，影響電解槽的熱傳導(dǎo)，槽內(nèi)襯的完整和槽子壽命，以及能耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。這就是電磁干擾或者說(shuō)鋁液中水平電流對(duì)鋁電解產(chǎn)生的不良影響。

1 專(zhuān)利技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 降低鋁電解水平電流的策略

鋁液中水平電流對(duì)鋁電解產(chǎn)生的不良影響，降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段主要包括陰極鋼棒、陰極炭塊、母線配置、在線調(diào)整等方面。且降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段主要集中在調(diào)整鋼棒和陰極炭塊方面，分別占據(jù)55%和27%。

1.2 陰極鋼棒

降低水平電流的措施中，改變現(xiàn)有陰極鋼棒的形狀是簡(jiǎn)單易行投入少的方法，并且適合已有配置好的鋁電解槽陰極改造。電解槽陰極中的鋼棒可分為水平放置和豎直放置。

1.2.1 水平鋼棒

傳統(tǒng)的電解槽陰極結(jié)構(gòu)中，在縱向陰極鋼棒截面是一樣大小的，由于槽中間鋁液比槽兩側(cè)鋁液距陰極鋼棒頭遠(yuǎn)，且電流從在陽(yáng)極中的豎直向下到鋼棒的橫向?qū)С?，中間需要一個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程，因此鋁液層中電流有從中間向兩邊流的趨勢(shì)，即從槽中間向外的水平電流，它是由電解槽的出電方式?jīng)Q定的。為了減小水平電流，通常的做法就是想辦法增加陰極鋼棒頭處的電阻，迫使電流往垂直方向流動(dòng)。

貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院（CN102925925A 20130213、CN202246901U 20120530、CN2892888Y）公開(kāi)了改善鋁電解槽陰極電流密度的鋼棒結(jié)構(gòu)，陰極鋼棒（2）由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀，陰極鋼棒（2）在槽中軸線處截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小。以貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的420kA電解槽為例，在電解槽陰極結(jié)構(gòu)不做任何處理的情況下，鋁液層水平電流最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，采用該陰極結(jié)構(gòu)以后，水平電流明顯降低，平均值由傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下的2721A/m2降低至了1451A/m2，降幅達(dá)到47%，這就意味著變相地把垂直磁場(chǎng)優(yōu)化了47%。

1.2.2 豎直鋼棒

為了消除鋁電解槽陰極的水平電流，東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（CN200964442Y 20071024）提供了一種鋁電解槽母線配置結(jié)構(gòu)，一種鋁電解預(yù)焙槽的母線配置結(jié)構(gòu)，包括陰極炭塊、陰極鋼棒、陰極母線和軟鋁母線，其特征在于：陰極鋼棒完全垂直安放在陰極炭塊中，并整體垂直安置在槽底板上，在電解槽底部導(dǎo)出電流。由于將傳統(tǒng)的電解陰極和鋼棒的水平排列改為垂直排布的配置，結(jié)果槽內(nèi)電流在鋁液中主要產(chǎn)生水平方向的磁場(chǎng)，鋁液中水平電流分量將大大減小，對(duì)電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定大為有利。同時(shí)，槽底母線配置也將大為簡(jiǎn)化，還能大大節(jié)省母線的用量。

1.2.3 高導(dǎo)電性陰極鋼棒

造成鋁液中存在較大水平電流的主要原因是鋁液的電導(dǎo)率顯著優(yōu)于電解質(zhì)和陰極碳?jí)K，也優(yōu)于高溫下的陰極鋼棒。針對(duì)現(xiàn)行鋁電解槽在結(jié)構(gòu)上的這一缺陷，中南大學(xué)（CN102268695A20111207）提供了一種板式陰極集流方式鋁電解槽，以銅或銅合金板取代鋼棒的陰極集流方式鋁電解槽，由于銅或銅合金導(dǎo)電性優(yōu)于鋁液，故可將水平電流由鋁液層轉(zhuǎn)移至陰極碳?jí)K底部的銅或銅合金板，另外，銅板和鋁液導(dǎo)熱性良好，使得陰極碳?jí)K頂面和底面近似為等溫面，從而減小碳?jí)K中水平溫度梯度。銅或銅合金熔點(diǎn)高于鋁電解工作溫度，機(jī)械性能和焊接性能良好，可滿足鋁電解槽選材要求。

1.2.4 調(diào)整陰極鋼棒的局部電阻

中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司（CN102234820A 20111109）提供了一種減少鋁電解槽鋁液水平電流的方法，在陰極炭塊（1）或鋼棒（2）或其連接材料陰極糊或磷生鐵（4）處鋪設(shè)部分電流導(dǎo)流材料（3），使鋁液中電流相對(duì)較均勻的進(jìn)入陰極炭塊，通過(guò)鋼棒，從電解槽側(cè)部出來(lái)。該導(dǎo)流材料（3）根據(jù)需要在陰極不同部位鋪設(shè)至少一種電阻率不同于炭塊或鋼棒的材料或絕緣材料組合，可以替代部分炭塊材料、鋼棒材料，或與其組合在一起，同時(shí)可通過(guò)調(diào)整電流導(dǎo)流材料（3）形狀，其寬度、高度或厚度階梯狀或漸變式逐漸變化，所述的電流導(dǎo)流材料，可根據(jù)需要在不同位置采用不同阻值的材料，從而改變陰極電阻分布，調(diào)整陰極電流分布，使鋁液中水平電流減少，增加電解槽磁流體穩(wěn)定性，提高電流效率和槽壽命。

1.3 陰極炭塊

湖南晟通科技集團(tuán)有限公司（CN101942676A 20110112、CN101949033A20110119、CN101949037A 20110119）提供了一種異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽，括槽殼、設(shè)置在底部的耐火保溫材料、陽(yáng)極和陰極碳?jí)K，在陰極碳?jí)K底部裝設(shè)有陰極鋼棒，其特征在于，所述陰極碳?jí)K上端沿縱向?yàn)閳A角或者弧形角，陰極碳?jí)K頂部開(kāi)設(shè)有橫向凹槽。該異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽能夠大大降低鋁液中水平電流、使陰極碳?jí)K和陰極鋼棒電流密度更均勻、陰極碳?jí)K和陰極鋼棒中磁場(chǎng)分布更均勻、能夠有效減緩鋁液流速和鋁液波動(dòng)幅度，大大延長(zhǎng)了電解槽的使用壽命。

1.4 母線配置

河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司（CN101838826A 20100922）提供了一種垂直出電鋁電解槽周?chē)妇€的配置方法及配置系統(tǒng)，包括：在進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)分別設(shè)置24根陰極軟母線，使進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)的電流對(duì)稱分配，另外，將進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)分別設(shè)置的24根陰極軟母線分別分成八組，并且，每一組陰極軟母線從電解槽陰極鋼棒向下連接到一個(gè)槽底橫母線上，每一個(gè)槽底橫母線均由一根陰極母線作為引出線，在出電側(cè)設(shè)置六根立柱母線，每根立柱母線上均與八根陰極母線連接，該八根陰極母線分別由進(jìn)電側(cè)陰極母線和出電側(cè)陰極母線組成。本發(fā)明使鋁電解槽鋁液層的水平電流極小，保證了鋁電解槽在生產(chǎn)過(guò)程中鋁液層的平穩(wěn)，能大幅度提高電流效率，增加原鋁產(chǎn)量，節(jié)省電能。

1.5 在線調(diào)整

中南大學(xué)（CN1974864A 20070606）提供了一種基于節(jié)能的鋁電解槽單陽(yáng)極極距調(diào)整方法，包括以下步驟：整體降低陽(yáng)極橫梁母線，直到槽電壓波動(dòng)超過(guò)80mV為止;測(cè)量陽(yáng)極電流;測(cè)量鋁電解槽單陽(yáng)極極距;根據(jù)陽(yáng)極電流波動(dòng)大小和極距大小選擇關(guān)鍵極進(jìn)行調(diào)整。其根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的極距分布和陽(yáng)極電流對(duì)單陽(yáng)極極距進(jìn)行調(diào)整，可減少區(qū)域性和局部水平電流、降低平均極距、減少鋁液波動(dòng)，最后在槽況整體優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)提高電流效率、降低能耗、同時(shí)提高槽壽命的目的。

1.6 其它

云南云鋁潤(rùn)鑫鋁業(yè)有限公司（CN103668331A 20140326）提供了一種有效延長(zhǎng)鋁電解槽使用壽命的方法，在陰極炭塊表面涂覆硼化鈦-炭膠涂層后，有效提高鋁液與曲面陰極炭塊的濕潤(rùn)性，減少槽底沉淀，大幅度降低槽底壓降，減少水平電流，延長(zhǎng)電解槽使用壽命。

2 總結(jié)

熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁的技術(shù)已有100多年，電解槽從最初的每噸鋁幾萬(wàn)度電，發(fā)展到現(xiàn)在的噸鋁電耗1萬(wàn)多度，電解槽的結(jié)構(gòu)也幾經(jīng)變化。然而鋁電解技術(shù)發(fā)展最快的還是最近30年，其顯著的有代表性的特征與標(biāo)志是電解槽的容量，即電流強(qiáng)度從100KA發(fā)展到現(xiàn)在500KA。鋁電解是高能耗產(chǎn)業(yè)，其中，電力的成本最多，占據(jù)40%左右，電解鋁被納入國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要領(lǐng)域，明確化解電解鋁產(chǎn)能過(guò)剩為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期推進(jìn)電解鋁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的工作重點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)，如何調(diào)整電解槽結(jié)構(gòu)，例如調(diào)整陰極炭塊或鋼棒的結(jié)構(gòu)與組成，以降低能耗，達(dá)到節(jié)能減排的要求，是科研工作者的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]馮乃祥，彭建平，王耀武，狄躍忠，王紫千.鋁電解高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2010，S1：1-7.