淺析鋁電槽槽體結(jié)構(gòu)節(jié)能降耗技術(shù)策略

劉君鵬

（新疆生產(chǎn)建設兵團第八師天山鋁業(yè)股份有限公司，新疆石河子 832000）

1 引言

鋁電解工業(yè)主要槽型是200～500 kA 等不同容量的預焙槽型，目前最大槽型已經(jīng)達到600kA。隨著經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的需要，鋁電解槽向著大型化、智能化方向發(fā)展，高產(chǎn)出、低能耗、低排放是整個電解鋁行業(yè)的發(fā)展趨勢。眾所周知，電解鋁工業(yè)是有色冶煉行業(yè)中的耗能大戶，電解鋁生產(chǎn)的耗電量占全國總發(fā)電量的7%～8%。根據(jù)相關數(shù)據(jù)，在大型預焙鋁電解槽的能量耗損中主要包括電流效率損失、電壓降和熱量損耗，電耗是一個非常重要的技術(shù)經(jīng)濟指標[1]。因此探究電解鋁生產(chǎn)節(jié)能減排技術(shù)顯得尤為重要。如何大幅度降低鋁電解生產(chǎn)能耗及排放指標是電解鋁企業(yè)面臨的首要問題。

2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在鋁電解生產(chǎn)實踐中，能耗與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及材料密切相關。電解槽的內(nèi)襯設計需要考慮側(cè)部有效散熱與建立穩(wěn)定的、合理形狀的爐幫即正常槽槽幫非冷槽、熱槽槽幫。內(nèi)襯中等溫線分布：900℃等溫線應在陰極碳塊層下面，避免電解質(zhì)在炭塊中凝固結(jié)晶，造成炭塊損壞；800℃等溫線應在保溫磚層以上，以免保溫磚受高溫作用而破壞[2]。根據(jù)鋁電解槽結(jié)構(gòu)特性，電解槽可劃分為三個區(qū)，它們分別是:側(cè)部區(qū)、陰極區(qū)、保溫隔熱區(qū)。

2.1 側(cè)部設計有序散熱

適宜的爐幫形狀和槽底保溫既是電解槽長壽命的基礎，也是實現(xiàn)高指標的必要條件。要實現(xiàn)這一點，就要求電解槽的散熱必須是有序的。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的槽型，角部易發(fā)冷，伸腿過長，整體的熱平衡調(diào)節(jié)能力差，槽幫不易形成且不規(guī)整，這些因素均與側(cè)部散熱息息相關，歸根結(jié)底散熱與側(cè)部結(jié)構(gòu)設計和材料使用有關。采用整體燒制成型的側(cè)部異形炭塊，其上槽施工較扎糊更為便捷，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。

2.2 陰極區(qū)優(yōu)化導電性能

2.2.1 陰極鋼棒材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）異型陰極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有序內(nèi)部電流場。異型陰極技術(shù)[3]可以降低熔體流速和波動，減弱電解槽內(nèi)鋁液中的水平電流，提高鋁液液面穩(wěn)定性，提高有效極距，可以降低槽工作電壓，提高電流效率，實現(xiàn)節(jié)能。實踐表明，異型陰極技術(shù)在電解槽上確實取得了比較顯著的節(jié)電效果。

（2）石墨化陰極。石墨化陰極具有更優(yōu)的導熱、導電性能，有利于降低陰極壓降，有利于提高陰極區(qū)的散熱能力，利于形成良好熱平衡，有利于提高陽極電流密度。石墨化陰極具有更低的鈉膨脹率、更高的體積密度和較低的灰分，使其具有更優(yōu)的抗電解質(zhì)腐蝕和滲透性能，有利于延長槽壽命。

2.2.2 陰極炭塊-鋼棒組裝

根據(jù)電解槽大修統(tǒng)計資料[4]，90%以上的鋁電解槽停槽大修均是由于陰極底部破損所致。主要原因是陰極炭塊間縫滲入電解質(zhì)和鋁液導致電解槽發(fā)生早期破損。根據(jù)實踐經(jīng)驗表明，陰極炭塊間縫是整個槽體結(jié)構(gòu)的最為薄弱的部分。組裝扎固質(zhì)量決定著炭塊與鋼棒的整體性，直接影響著陰極炭塊電流分布。

目前，國外電解鋁行業(yè)已普遍采用磷生鐵澆鑄設備進行陰極鋼棒組裝，而我國電解鋁企業(yè)采用人工進行布料及扎固作業(yè)，每次扎固作業(yè)存在施工人員多、施工人員能力有差別、施工環(huán)境差、勞動強度大、扎固質(zhì)量參差不齊的問題。為此，提升自動化扎固水平，研究自動化扎固設備和磷生鐵澆鑄工藝與設備意義深遠。

2.2.3 保溫隔熱區(qū)優(yōu)化

該區(qū)域底部結(jié)構(gòu)應具有足夠的耐壓強度，能夠抵御重力、內(nèi)應力引起的變形，另一方面，此區(qū)域還應具有較好的保溫性能，以減少陰極表面沉淀。從陰極底部至槽殼底部的區(qū)域，自下而上采用氧化鋁、電解質(zhì)、混合料粉分層構(gòu)筑陰極炭塊保溫隔熱層，會獲得良好的保溫隔熱效果。

2.3 陽極鋼爪優(yōu)化

目前，絕大多數(shù)電解鋁企業(yè)采用中頻爐煉鋼與消失模鑄造生產(chǎn)的陽極鋼爪。由于鑄造工藝自身的缺陷，鑄造鋼爪中的鑄態(tài)組織晶粒十分粗大，存在夾雜、氣孔等缺陷，由于這些缺陷的存在造成鋼爪導電性和力學性能較差，在正常電解生產(chǎn)使用過程中，鑄造鋼爪在熱狀態(tài)下形變內(nèi)彎嚴重，嚴重時甚至發(fā)生斷裂。

結(jié)構(gòu)型節(jié)能鋼爪選用熱軋鋼通過焊接成型，組織致密，機械性能高于鑄鐵，不存在氣孔等缺陷，綜合性能明顯優(yōu)于鑄造鋼爪。因而結(jié)構(gòu)型鋼爪替代鑄造鋼爪有利于實現(xiàn)節(jié)能目的。

3 結(jié)束語

在世界能源日趨緊張的環(huán)境下，作為高能耗的電解鋁企業(yè)應做好節(jié)能降耗工作。從鋁電解槽節(jié)能角度講，一是以內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設計作為突破口，改變?nèi)垠w非穩(wěn)流特性，二是選用高質(zhì)量導電材料，如石墨化陰極和結(jié)構(gòu)型節(jié)能鋼爪，提高各組成部件的導電性，降低電能損耗，三是優(yōu)化電解槽施工工藝，提升相關設備及工藝自動化水平。努力尋求電解槽周期壽命、能耗、環(huán)境之間的最佳結(jié)合點。