240 kA 鋁電解槽新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

（青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100）

0 前言

中國鋁工業(yè)正處于重要的歷史時期，電解鋁產(chǎn)能“天花板”已經(jīng)形成，許多電解鋁企業(yè)承受著高電價或環(huán)保政策的巨大壓力，部分電解鋁企業(yè)面臨著關(guān)閉或產(chǎn)能置換的風(fēng)險。電解鋁企業(yè)的工程技術(shù)人員不斷進行技術(shù)創(chuàng)新，主要從陰極鋼棒的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電率，內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)及材料的性能等方面進行研究，確保電解槽在低電壓下能夠維持能量平衡和平穩(wěn)運行，使各項技術(shù)指標(biāo)得到改善，從而提高企業(yè)核心競爭力。

1 傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)存在的問題

某公司系列電解槽傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯設(shè)計采取底部保溫、側(cè)部散熱的設(shè)計思路。隨著低電壓生產(chǎn)工藝的逐步實施，槽電壓降至3.95 V 左右時，電解槽出現(xiàn)角部伸腿肥大、電解質(zhì)水平偏低、換極后電壓擺動偏多等現(xiàn)象[1]。分析電解槽的運行情況可知，原有的能量平衡狀態(tài)已經(jīng)打破了。通過采取外保溫、強化操作質(zhì)量等一系列措施進行彌補，電解槽還是達不到能量平衡。因此，為了進一步實施低電壓生產(chǎn)工藝，必須優(yōu)化電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要從以下幾方面考慮：

1)減少鋁液水平電流，減緩鋁液波動，減少鋁的二次反應(yīng)，提高電解槽穩(wěn)定性。

2)改善陰極鋼棒的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，增大陰極面積及導(dǎo)電率，降低爐底壓降。

3)保證電解槽在低電壓下的能量平衡，解決制約低電壓生產(chǎn)工藝實施的因素，確保電解槽在低電壓下能夠穩(wěn)定運行，采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

基于以上幾個問題，利用電解槽大修機會，選用異型陰極鋼棒、高石墨冷搗糊，改進人造伸腿，優(yōu)化陰極組裝工藝，采用新型內(nèi)保溫材料，對電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。異型陰極鋼棒可降低爐底壓降，減少水平電流；高石墨冷搗糊具有環(huán)保性能、搗實性能及較小的焙燒收縮率；人造伸腿改造對加強側(cè)部陶瓷纖維板保護及形成規(guī)整爐膛有積極作用；磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)可以降低爐底壓降；內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計在低電壓生產(chǎn)工藝中可確保電解槽能量平衡。

2 新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

2.1 異型陰極鋼棒

自低電壓生產(chǎn)工藝實施以來，隨著槽電壓的逐步降低，電解槽運行穩(wěn)定性慢慢變差。為了提高電解槽穩(wěn)定性，國內(nèi)外諸多鋁行業(yè)技術(shù)研究人員通過改變陰極鋼棒的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和提高導(dǎo)電率等措施研制了多種異型陰極鋼棒[2-9]，以降低鋁液的水平電流及爐底壓降，進一步實現(xiàn)低電壓生產(chǎn)，降低鋁電解槽的直流電耗。

某公司研究應(yīng)用的異型陰極鋼棒將傳統(tǒng)的通長型陰極鋼棒改為分段式、加寬、加高的陰極鋼棒，陰極鋼棒尺寸由4 330 mm×65 mm×180 mm 調(diào)整為2 065 mm×70 mm×230 mm。分段式結(jié)構(gòu)可減少鋼棒的熱變形，有效延長陰極炭塊的使用壽命；增加鋼棒高度和寬度可增大鋼棒導(dǎo)電面積，降低爐底壓降，減少水平電流。

由于陰極鋼棒結(jié)構(gòu)、尺寸發(fā)生了變化，從陰極組裝、生產(chǎn)安全等技術(shù)角度考慮，對陰極炭塊也作了相應(yīng)的調(diào)整，將陰極炭塊高度由450 mm 調(diào)整到480 mm，將陰極炭塊的燕尾槽寬度由90 mm 調(diào)整到95 mm，將陰極炭塊燕尾槽深度由200 mm 調(diào)整到230 mm。

2.2 高石墨冷搗糊

高石墨冷搗糊施工前，不需要對炭塊、鋼棒及糊料進行加熱，施工溫度為17～42 ℃，因為在該溫度范圍內(nèi)施工高石墨冷搗糊極少有揮發(fā)，施工現(xiàn)場環(huán)境良好，有利于施工人員的身體健康，同時可大幅度降低勞動強度。焙燒啟動期間，糊料與陰極炭塊、糊料與異型炭塊之間易產(chǎn)生大的收縮縫，人造伸腿易被沖掉，高石墨冷搗糊可有效解決上述難題。在溫度20～950 ℃內(nèi)，冷搗糊的焙燒收縮率≤0.15%。

2.3 人造伸腿的改造

為了避免在高鋁水平生產(chǎn)工藝下出現(xiàn)爐幫沖刷、侵蝕問題，形成完整的爐膛內(nèi)型，減少鋁液水平電流，將人造伸腿高度由240 mm 提高到275 mm。此外，在電解槽砌筑時，碳化硅磚、人造伸腿及陶瓷纖維板之間的間隙用氧化鋁填充滿，確保電解槽啟動初期的安全運行。

2.4 磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝

磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)能有效降低陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降，提高陰極鋼棒耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能，保證電解槽的磁流體穩(wěn)定性和爐底壓降，提高電解槽內(nèi)襯的使用壽命，同時為鋁電解生產(chǎn)節(jié)能提供空間[10]。

采用磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)，鋼棒加熱溫度應(yīng)控制在600～700 ℃，陰極炭塊加熱溫度應(yīng)控制在450～550 ℃，使炭塊適應(yīng)高溫熔化磷生鐵澆鑄的熱震，防止預(yù)熱溫差過大產(chǎn)生的強烈熱沖擊導(dǎo)致陰極塊出現(xiàn)裂紋。

磷生鐵具有良好的流動性、導(dǎo)電性能、冷脆性、膨脹性。采用磷生鐵澆鑄鋼棒炭塊組裝技術(shù)，需要科學(xué)合理地調(diào)配磷生鐵的成分。磷生鐵成分直接影響澆鑄鋼棒炭塊的組裝質(zhì)量及后期電解槽運行過程的爐底壓降，故對澆鑄磷生鐵的常規(guī)五大元素C、Si、Mn、P、S 進行了優(yōu)化調(diào)整，磷生鐵優(yōu)化前后成分見表1。

表1 磷生鐵優(yōu)化前后各元素含量

2.5 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著電解槽低電壓生產(chǎn)工藝的進一步推進，如何確保電解槽具有穩(wěn)定的能量平衡、合理的溫度分布以及形成理想的爐膛內(nèi)型，成為技術(shù)研發(fā)的重要課題。

根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)特點，將電解槽分為4 個區(qū)域：側(cè)部熔體區(qū)、側(cè)部陰極區(qū)、側(cè)下部保溫區(qū)、底部保溫區(qū)。按區(qū)域?qū)﹄娊獠劢Y(jié)構(gòu)及熱平衡設(shè)計進行分析，電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進如圖1 所示。

圖1 鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

1)側(cè)部熔體區(qū)：鋁液和電解質(zhì)直接接觸的側(cè)部炭塊及人造伸腿區(qū)域。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)及熱平衡設(shè)計，決定了電解槽對應(yīng)的工作電壓及爐幫的形成狀態(tài)，影響電解槽的安全穩(wěn)定生產(chǎn)及各項技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計該區(qū)域結(jié)構(gòu)時，采用了側(cè)部異形炭塊，在炭塊與槽殼之間加厚度為10 mm 的陶瓷纖維板保溫層。

之所以選擇側(cè)部異形炭塊，是因為側(cè)部異形炭塊整體燒制成型，其上槽施工較扎糊便捷，不會在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生扎糊分層的情況，整體性優(yōu)于扎糊。

2)側(cè)部陰極區(qū)：熔體區(qū)以下，陰極炭塊與槽殼間的區(qū)域。電解槽生產(chǎn)過程中，陰極炭塊吸鈉，最終會導(dǎo)致槽殼變形和炭塊中部隆起甚至折斷，所以側(cè)部陰極區(qū)的設(shè)計采用陶瓷纖維板、低強保溫磚、高強澆注料的結(jié)構(gòu)。陶瓷纖維板抗壓性能低，受力后容易收縮，是緩沖應(yīng)力的理想材料，但是陶瓷纖維板受潮后，性能將大打折扣，所以在含水澆注料與陶瓷纖維板之間添加低強保溫磚，起隔潮、保溫和進一步緩沖膨脹的作用。

3)側(cè)下部保溫區(qū)：側(cè)部陰極區(qū)以下，船型槽殼斜面區(qū)域。該區(qū)域的保溫對于陰極炭塊內(nèi)部的溫度分布及爐底壓降會產(chǎn)生一定的影響。因此，側(cè)下部保溫區(qū)的設(shè)計采用20 mm 厚陶瓷纖維板和80 mm厚硅酸鈣保溫板的結(jié)構(gòu)。

4)底部保溫區(qū)：陰極底部至槽殼底部的區(qū)域。該區(qū)域底部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的耐壓強度，能夠抵御重力、內(nèi)應(yīng)力引起的變形；同時，底部保溫區(qū)還應(yīng)具有較好的保溫性能，以減少陰極表面沉淀。所以底部保溫區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計自下而上采用65 mm 厚硅酸鈣保溫板、130 mm(2×65 mm)厚蛭石保溫磚、84 mm(2×42 mm)厚蛭石防滲隔熱磚、69 mm 厚干式防滲料。

電解槽砌筑時要注意：所有縫隙均用氧化鋁粉填充；蛭石防滲隔熱磚采用專用粘接劑濕砌；蛭石保溫磚、蛭石防滲隔熱磚與槽底斜面的硅酸鈣保溫板接觸處的縫隙使用蛭石防滲隔熱磚粉碎料填充。

3 新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果

3.1 爐底壓降

某公司在10 臺240 kA 鋁電解槽上完成了新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改造，目前電解槽已安全運行了657 d。對同期焙燒啟動的10 臺新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的爐底壓降進行統(tǒng)計、分析，結(jié)果見表2。

表2 兩種電解槽的爐底壓降測量結(jié)果

從表2 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，爐底壓降平均降低了39 mV，這表明新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的爐底壓降降低效果比較明顯。

3.2 保溫效果

電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后，隨機抽取幾臺傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽，測量分析鋼棒溫度、槽幫溫度、爐底溫度，結(jié)果見表3。

表3 兩種電解槽的各項溫度測量結(jié)果

從表3 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，鋼棒溫度、槽幫溫度、爐底溫度分別降低了41 ℃、78 ℃、65 ℃，這表明新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)保溫效果比較明顯。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

電解槽陰極的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后，統(tǒng)計分析了傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，結(jié)果見表4。

從表4 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，電流效率有所損失，但是平均電壓降低了90 mV，鋁液電解直流電耗降低了249 kWh/t-Al，這表明電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后節(jié)能效果非常顯著。

表4 兩種電解槽的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)統(tǒng)計分析結(jié)果

4 結(jié)束語

利用電解槽大修機會，通過選用異型陰極鋼棒、高石墨冷搗糊，改進人造伸腿，采用磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)和新型內(nèi)保溫材料，對電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，解決了電解槽在低電壓生產(chǎn)工藝下角部伸腿肥大、電解質(zhì)水平偏低、換極后電壓擺動偏多等問題，確保電解槽在低電壓下的長期穩(wěn)定運行，也取得了顯著的節(jié)能效果，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高鋁行業(yè)的核心競爭力。