1、240 kA 铝电解槽内衬结构优化杨小华 1，李贤 2（1.青海物通集团百通高纯材料开发有限公司，西宁 810100；2.青海桥头铝电股份有限公司，西宁 810100）摘要：对 240 kA 铝电解槽内衬结构进行优化，开发一种新型内衬结构电解槽，并对新型内衬结构进行了电热场仿真计算。生产实践表明，新型内衬结构电解槽解决了低电压下能量不平衡的问题，提高了电解槽在低电压下运行的稳定性，实现了平均槽电压 3.80 V 和吨铝直流电耗 12 282 kWh 的技术经济指标。关键词：240 kA 铝电解槽；内衬结构；优化；节能中图分类号：TF821 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2014
2、）09-0000-00Optimization of Lining Structure of 240 kA Aluminium Reduction CellYANG Xiao-hua1，LI Xian 2（1. Baitong High Purity Materials Development Co., Ltd., Qinghai Wutong Group, Xining 810100, China;2. Qinghai Qiaotou Aluminium lining structure; optimization; energy saving近年来我国铝电解工业无论生产规模还是工艺技术水平
3、都取得了突飞猛进的发展，部分电解铝企业已跨入了世界先进行列。但是，电解铝生产的高能耗、低能效与我国有限的电力资源的矛盾仍很突出。各企业由原来的单纯追求电解铝的产量转变到重点关注节能技术的研究与开发上来，先后研发出了新型阴极结构 1-2、铝电解槽电流强化 3-4与高效节能综合技术 5等，目前国内最低槽电压已降低到3.75 V以下 6。我公司采取强化阳极保温料厚度，增加电解槽角部、底部、阴极钢棒导出部位（钢棒头） 、电解槽的炉底钢板边部的保温，以及提高换极操作质量，缩短换极时间等措施，普通内衬电解槽槽电压已降低到3.903.92 V，电解槽运行相对稳定。电解槽节能的措施，一是选用优质导电材料，尽可
4、能降低槽电压和电能空耗；二是从阴极内衬结构上进行优化，提高电流分布的均匀性，提高电解槽稳定性；三是优化生产工艺，加强电解槽保温，尽可能降低能量损失 7。本文针对240 kA铝电解槽内衬结构进行了优化设计，对新型内衬结构进行了电热场仿真计算。同时，在10台大修电解槽上进行了试验，现已在低电压下能够稳定运行。1 240 kA 铝电解槽原内衬结构分析我公司240 kA系列电解槽内衬设计基于传统的“四低一高”生产工艺，电解槽散热方式也是采取底部保温，侧部散热的设计思路。电解槽阴极内衬结构和阴极下部内衬材料分布自下而上依次为：第一层为80 mm厚的硅酸钙板；第二层为2层65 mm厚的硅藻土保温砖；第三层
5、为 163 mm厚的捣实干式防渗料。阴极周围是捣实耐火浇注料，电解槽大面采用轻质浇注料，小面采用高强浇注料，炭间糊与周围糊均采用一般的热导糊。240 kA电解槽原内衬结构示意图见图1。1-侧部炭块；2-周围糊料；3- 阴极炭块；4-耐火砖；5- 浇注料6-阴极钢棒； 7-干式防渗料；8-硅藻土保温砖；9-硅酸钙板图 1 电解槽原内衬结构示意图Fig.1 Sketch map of lining structure of original celldoi：10.3969/j.issn.1007-7545.2014 .09.008收稿日期：2014-04-06基金项目：青海省重大科技专项计划项目（
6、2011-G-A3A）作者简介：杨小华（1964-），男，贵州道真县人，工程师.在普通内衬电解槽上采取了外保温、强化操作质量等一系列措施后，将槽电压降低到了3.903.92 V，电解槽虽然能够稳定运行，但存在一些干扰电解槽稳定运行的问题，如电解槽角部伸腿肥大、电解质水平偏低、换极后电压摆动偏多等。2 240 kA 铝电解槽内衬结构优化设计目前国内外都在寻求铝电解新技术的开发与应用，在200 kA(电流强化至220 kA)电解槽上进行节能改造，完成吨铝直流电耗为12 010 kWh，电流效率较对比槽提高0.725个百分点 8-9。普通内衬结构电解槽运行指标与国内较好的经济指标相比，还存在一定的差
7、距，我公司以电解槽内衬结构优化为突破口，研发了一种新型内衬结构的铝电解槽，其示意图如图2所示。1-侧部炭块；2-高导冷捣糊；3- 浇注料；4-硅酸钙板；5-30%石墨阴极炭块6-高导阴极钢棒；7-干式防渗料；8- 高导阴极钢棒糊；9-保温砖；10- 陶瓷纤维板图 2 新型内衬结构电解槽示意图Fig.2 Sketch map of aluminium cell with new lining structure该内衬结构的设计主要考虑以下几方面：1)减少电解槽铝液水平电流，减缓电解槽铝液波动，减少铝的二次损失，提高电流效率；2)改善阴极炭块和阴极钢棒的材质，提高阴极导电率，降低电解槽炉底压降；3
8、)克服焙烧后造成电解槽早期破损的阴极炭块和阴极炭块之间、炭块与浇注料之间产生较大的收缩缝；4)在低电压下运行时，能够保证电解槽能量平衡，解决电解槽角部伸腿肥大、电解质水平偏低以及炉底沉淀较多等问题，最终使电解槽在低电压下能够稳定运行，实现电解槽能够高效、节能、环保的生产目的。基于上述几点考虑，在铝电解槽大修重新砌筑时，选用了高导电性阴极钢棒、高石墨含量的阴极炭块、高石墨冷捣糊。高导电性阴极钢棒具有减少水平电流、改善电解槽磁场与阴极钢棒导电性能、降低阴极压降的效果 10；高石墨含量的阴极炭块具有较好的抗钠性、侵蚀性、较高的电导率 11；高石墨冷捣糊具有环保性能、优良的捣实性能、较小的焙烧收缩率
9、12；电解槽内保温技术可以减少电解槽散热量；人造伸腿高度由24 cm提高到28 cm，宽度保持不变，在不影响阳极正常工作的条件下，对低电压高铝水平的保温以及形成规整炉膛有积极作用。随着槽电压降低，电解槽热收入明显减少，为了满足电解槽热支出平衡，对电解槽采取内保温措施。通过电解槽内衬仿真计算 13，设计并建造了10台内衬结构优化的 240 kA试验电解槽。电解槽内保温结构如下：1)大、小面保温结构在炭块和槽壳之间增加了一层陶瓷纤维板，大面采用20 mm厚陶瓷纤维板、小面采用30 mm厚的陶瓷纤维板、侧下部斜面采用10 mm厚陶瓷纤维板和80 mm厚的硅酸钙板，四周的保温材料陶瓷纤维板在斜面以上。
10、2)炉底保温结构自下而上依次为：第一层为10 mm陶瓷纤维板；第二层为65 mm的硅酸钙板；第三层为2层65 mm保温砖，缝隙均用氧化铝填充，该层的第二层保温砖四周用陶瓷纤维板代替保温砖，烟道端和出铝端第二层保温砖由厚65 mm、宽600 mm的陶瓷纤维板代替、大面第二层保温砖由厚65 mm、宽300 mm的陶瓷纤维板代替；第四层为168 mm厚的防渗料。根据文献报道 13：50% 石墨质阴极炭块降电压效果有限，从经济效益和槽大修成本的角度考虑，建议采用30%石墨质阴极炭块。同时根据同行业企业对50% 石墨质阴极的试验效果来看，应用 50%石墨质阴极的电解槽炉底压降较低，炉底偏冷，炉底沉淀及结
11、壳较多，电解槽的稳定性较差，导致电解槽槽电压偏高的现象。因此我公司采用30%石墨质阴极炭块。3 设计内衬结构的仿真计算 13良好的能量平衡、合理的温度场分布是保证电解槽平稳高效运行的关键因素之一。从改善稳定性、减小生产能耗和提高槽寿命的角度出发，铝电解槽的合理热平衡状态应具备以下基本特征：侧部炉帮要具有一定的厚度，但底部伸腿尽量不超过阳极投影区；电解质的初晶温度等温线尽量在阴极炭块以下，阴极炭块整体应保证在900 等温线内；800 等温线在保温砖以上。为了便于计算槽帮形状，取电解槽大面的一块切片模型进行建模并划分成规整的六面体网格，基于有限元法进行电热场耦合计算。模型计算时，在确定基本工艺参数
12、的基础上，结合实际情况，在阳极导杆顶端施加均匀的电流，电边界条件为设置阴极钢棒外端面为零电势面，不预设定熔体温度，直接耦合电场计算所得焦耳热、在电解槽外表面各个区域分别施加相应的综合换热系数，与环境进行换热为热边界条件。主要工艺参数：初晶温度937 、极距42 mm、铝水平260 mm、覆盖料厚度150 mm、阳极高度340 mm。针对高导电阴极钢棒、30%石墨质阴极和电解槽内衬结构优化后，计算所得槽温度分布及槽帮形状如图3及图4所示、槽各部分的散热比如表1所示。图 3 槽温分布Fig.3 Temperature distribution in cell图 4 槽帮形状Fig.4 Shape
13、of ledge表 1 各区域散热分布Table 1 Heat dissipation in various zones项目 散热量/kW 散热比例 /%覆盖料 6.937 1 29.291 4钢爪及导杆 7.639 9 32.258 8熔体区 3.565 1 15.053 4阴极区 2.227 3 9.404 5钢棒区 1.052 7 4.445 0保温区 1.061 0 5.560 5底部区 1.199 7 5.065 8合计 25.792 4 100.0由电热场仿真结果可以看出，整体上阴极结构保温尚可，从内衬结构温度分布来看，内衬中等温线分布合理，体现出侧部陡峭、底部较平滑的特点，炉帮厚
14、度在135 mm左右。从表1可以看出，各部分散热比例基本合理，采用高导电阴极钢棒、30% 石墨质阴极和电解槽内衬结构优化后能够实现槽电压3.8 V以下的目标。在该保温结构及工艺条件下，在正常的电解温度下电解槽侧部都能形成稳固的槽帮，电解槽能维持正常的热平衡状态，但电解槽仍然需要加强保温尤其是角部保温。4 试验效果分析通过以上设计及仿真分析，在10台大修槽上进行了内衬结构优化，形成了新型内衬结构试验电解槽。该试验电解槽自实施以来，在降低炉底压降、电能消耗，提高电流效率等方面取得显著成效。4.1 保温效果分析在系列电解槽中随机选择了10台普通内衬结构电解槽测量了炉帮和炉底温度，并与新型内衬结构电解
15、槽的炉帮和炉底温度进行对比，测定结果为：普通内衬结构和新型内衬结构电解槽的炉帮平均温度分别为279 和256 ；普通内衬结构和新型内衬结构电解槽的炉底平均温度分别为122 和78 。可以看出，电解槽内衬结构优化后炉帮温度降低了23 ，炉底温度降低了48 ，电解槽保温效果较为显著。4.2 炉底压降测量电解槽内衬结构优化前后，分别选择10台电解槽对炉底压降进行了测量。对于每台被测槽，在A、B面出铝端和烟道段各取两个点测量，测得数据的平均值见表2。表 2 阴极改造前后炉底压降测量结果Table 2 Measurement results of bottom voltage drop before a
16、nd after cathode structure optimization /mV项目 槽号与炉底压降 平均111# 127# 138# 230# 238# 536# 522# 211# 637# 426#内衬结构优化前 351 344 350 352 350 348 347 342 351 355 349610# 613# 606# 239# 209# 229# 312# 310# 319# 323#内衬结构优化后 289 290 302 290 289 287 285 292 295 291 291由表2可见，电解槽内衬结构优化后炉底压降降低了58 mV，炉底压降降低的效果显著。4.3
17、 240 kA 铝电解槽的技术经济指标统计240 kA铝电解槽内衬结构优化前后，各技术经济指标平均值统计结果见表3。表 3 内衬结构优化前后技术经济指标对比Table 3 Comparison for technical economic indicators before and after lining structure optimization经济指标 电流效率/% 平均电压/V 吨原铝直流电耗/kWh普通内衬结构电解槽 92.0 3.915 12 681新型内衬结构电解槽 92.2 3.800 12 282从表3可知，电解槽内衬结构优化后平均电压降低了115 mV，平均电流效率提高了
18、0.2个百分点，吨铝直流电耗降低了399 kWh，节能效果非常显著。通过电解槽内衬结构优化，减少了槽内铝液水平电流，降低了电解槽炉底压降，提高了电解槽在低电压下的运行稳定性，解决了电解槽在低电压存在的角部伸腿肥大、电解质水平偏低等问题，目前已安全稳定运行了900多天，阴极内衬未出现异常现象，现已在大修电解槽上逐步推广应用保温型结构。5 结论通过电解槽内衬结构优化，减少了槽内铝液水平电流，降低了电解槽炉底压降，阴极内衬安全稳定运行了900多天仍未出现异常现象，并且电流效率提高了0.2个百分点，吨铝直流电耗达到了12 282 kWh。参考文献1 赵应彬，王平，陈谦. 300 kA 新式异型阴极双钢
19、棒铝电解槽生产实践J. 有色金属（冶炼部分） ，2014(2)：28-30.2 李勇，刘升，王有来，等. 全保温型内衬配置在 300 kA 铝电解槽上的应用J. 有色金属（冶炼部分） ，2012(10)：20-22.3 王维，薛济来，朱骏，等. 大型铝电解槽强化电流条件下槽帮形成规律的研究 J. 有色金属（冶炼部分） ，2012(6)：28-31.4 秦卫中，王有来，李勇，等. 大型铝电解槽低电压物料与能量双平衡控制技术 J. 有色金属（冶炼部分） ，2013(4)：27-31.5 王轩，赵仁涛，王永良，等. 350 kA 铝电解槽焙烧自动分流装置的设计与实现J. 有色金属（冶炼部分） ，20
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