1、高导电双钢棒铝电解槽生产实践李贤（青海桥头铝电股份有限公司，西宁 810100）摘要：高导电双钢棒铝电解槽可有效降低铝液水平电流、炉底压降和电解槽的工作极距，同时使电解槽由原来的散热型改为保温型来维持电解槽的热平衡，提高了电解槽低电压运行的稳定性，实现了平均槽电压 3.78 V和吨铝直流电耗 12 270 kWh 的技术经济指标。关键词：高导电双钢棒；铝电解槽；保温；低电压；节能中图分类号：TF821 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2015）02-0000-00Plant Practice of High Conductivity Double Steel Bar Alumin
2、um Electrolysis CellLI Xian（Qinghai Qiaotou Aluminium aluminum electrolyzer; heat preservation; low voltage; energy saving铝电解企业是属于高能耗、高污染、低能效、依赖于资源的行业，是目前国家宏观调控的重点，国家提出了更高要求的节能目标政策，电解铝行业面临着新的挑战。虽然国内外学者开发与应用了各种节能新技术，并取得了非常显著的节能效果 1-2，其能量效率却达不到 50%。为了实现更好的经济指标，我们开发出了高导电双钢棒电解槽。高导电双钢棒电解槽改变了钢棒自身的材质和结构，提高
3、钢棒自身的导电率，降低铝液水平电流，降低工作电压，实现节能降耗目的；将电解槽由原来的散热型改为保温型，以维持电解槽在低电压下的能量平衡，提高电解槽的运行稳定。本文简要介绍了 30 台高导电双钢棒电解槽投入生产后取得的各项技术经济指标，并进行了总结分析。1 高导电双钢棒电解槽高导电双钢棒电解槽是公司利用槽大修的机会改变了阴极内衬结构后的一种新型节能保温型电解槽。目前国内有好多种异型阴极钢棒 3-11。我公司的高导电双钢棒是由传统的通长型阴极钢棒优化为分段式阴极钢棒；阴极钢棒尺寸由 4 330 mm65 mm180 mm 优化为 2 065 mm70 mm198 mm，并且阴极钢棒沿长度方向在靠近
4、出电端的一段开一道分割缝（长度 795 mm，沟槽宽度 6 mm） ，将这一段分割成上下两部分，从而改变阴极钢棒的导电结构。由于阴极钢棒厚度的增加影响着阴极组装质量和操作，故公司与贵阳铝镁设计研究院研究论证后加大了阴极碳块燕尾槽的尺寸，将阴极碳块燕尾槽宽度原设计 90 mm 调整到 95 mm，阴极碳块燕尾槽中心线不变，这样便于阴极炭块组装。侧部增加导热系数低、抗拉强度较好的陶瓷纤维板，增加陶瓷纤维板的厚度大面 20 mm、小面 30 mm、底部 15 mm。传统阴极钢棒和高导电双钢棒的阴极剖面示意图见图 1。高导电双钢棒的具体实施情况：分隔缝用绝缘糊填充满，开槽最近端钢棒端头涂纳米绝缘材料，
5、绝缘涂层长度约 405 mm，钢棒上表面采用石墨粉与阴极炭块连接，两段钢棒中间 200 mm 的间距采用碳糊连接，对钢棒未分割的一段，其侧面采用碳糊与阴极炭块相连，对钢棒被分割的一段，其侧面上半部分用碳糊与阴极炭块相连，下半部分用电绝缘材料与阴极炭块相连。对两种阴极钢棒的铝液电流分布进行了仿真计算 12，结果见图 2图 3。收稿日期：2014-09-28基金项目：青海省重大科技专项计划项目（2011-G-A3A） ；青海省高新技术研究与发展计划项目（2013-J-206）作者简介：李贤（1980-），男，青海民和人，工程师 .doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015
6、.02.005（a）传统阴极钢棒；（b）高导电双钢棒图 1 阴极结构示意图Fig.1 Schematic diagrams of cathode structure图 2 传统阴极钢棒对铝液电流分布仿真情况Fig.2 Simulation result of current distribution of liquid aluminum of traditional cathode steel bar图 3 高导电双钢棒阴极对铝液电流分布仿真情况Fig.3 Simulation result of current distribution of liquid aluminum of high
7、conductive double steel bar根据图 2 和图 3 可以得到二者水平电流、阴极压降及电阻率的对比结果如下。普通阴极钢棒：水平电流平均值 0.638 A/cm2、炉底压降 325 mV、800 电阻率 118 cm，普通阴极钢棒：水平电流平均值 0.592 A/cm2、炉底压降 280 mV、800 电阻率 57 cm。2 电解槽焙烧启动及后期生产工艺技术管理2.1 焙烧高导电双钢棒电解槽焙烧方法与普通电解槽一样，均采用了行业内技术最成熟、安全可靠、操作熟练的焦粒焙烧方法，为了减少电解槽通电时的热冲击，采用了不停电开槽及双分流技术。高导电双钢棒电解槽为了增大分流量，降低热
8、冲击对阴极内衬的损害程度，减少阴极和阳极电流分布不均，避免局部过热的现象，增加了2 组分流片，分流量控制在 50%左右。根据碳素材料的特性确定焙烧升温设定曲线，最初升温速度控制在 20 /h，当温度达到 200 后升温速度控制在 1015 /h，焙烧期间最大升温速度控制在 30 /h，保证电解槽均匀升温。通电焙烧时冲击电压控制在了 4.5 V 以下，阳极电流分布非常均匀。从实际焙烧升温曲线看，升温速度与设定升温速度存在一定的差异，但焙烧期间阳极电流分布非常均匀，保证了焙烧温度均匀，从根本上排除了电流分布不均和焙烧温度不均而引起的局部过热，避免了阴极热应力集中造成阴极早期破损。焙烧升温曲线见图
9、4。图 4 焙烧升温曲线Fig.4 Heating curves of roasting2.2 启动采用湿法无效应启动，焙烧温度达到 930 后，向电解槽内灌入 12 t 电解质，边抬阳极边灌入电解质，同时测量并保证阳极电流分布正常，这样有利于保证电解质在全槽贯通，阳极电流分布均匀，电解质灌完后电压保持 56 V。启动后请注意几点事项：1）必须加强对电解槽的巡检力度，重点测量炉底温度、炉帮温度、阴极钢棒温度、阴极电流分布等关键数据，所测量数据必须及时、真实、准确。2)当启动后炉帮温度和端部散热孔温度350 时，要及时用风管吹风冷却，并加大巡检频次。3)当启动后炉底温度150 时，要及时用风管吹
10、风冷却，并加大巡检频次。4)启动后严格控制电解质水平，保持在 2830 cm，在侧部炭块上沿 2 cm 以下，灌铝后液体总高严禁超过50 cm。5)启动后电解质温度最高不得超过 1 010 ，当电解质温度达到 1 000 时，应考虑提前灌铝。2.3 启动后期及正常生产工艺技术管理电解槽启动后期管理核心目的就是快速建立稳定的炉帮，形成规整的炉膛内形，使电解槽进入正常稳定生产阶段。启动后期管理是建立炉帮的关键时期，严格控制各项工艺技术参数，确保建立坚固规整的炉膛。电解槽启动后期各项工艺技术参数控制见表 1。表 1 启动后期各项技术参数Table 1 Various technology param
11、eters of starting in the late项目 设定电压/V 分子比 槽温/ 电解质水平/cm 铝水平/cm 阳极效应系数/(次槽 -1日 -1)第 1 周 4.053.98 3 以上 980970 2730 1719 0.50第 2 周 3.953.90 3 以上 975965 2528 1921 0.30第 1 个月 3.883.85 3 以上 965955 1820 2426 0.10第 2 个月 3.823.80 2.52.7 955945 1820 2628 0.05第 3 个月 3.753.77 2.352.55 935945 1820 2729 0.05高导电双钢
12、棒电解槽在启动初期、启动后期均采取快速降电压，快速建立炉膛的工艺管理理念。启动后期实施“高槽温、高分子比、高电解质水平、高阳极效应系数”的技术条件、保证电解质的流动性、炉底干净，避免形成沉淀、结壳，有利于促进建立坚固、厚实、规整炉膛的形成。该类电解槽属于保温型结构，启动后严格控制电解质温度、阳极效应系数和时间，避免阳极效应在短时间内给电解槽输入巨大的能量，减少对内衬的热冲击，有利于提高槽寿命，保持良好的炉膛内形，有利于提高电解槽各项经济指标。3 实施效果分析3.1 保温效果对比在系列电解槽中抽取 30 台普通电解槽测量了炉帮和炉底温度，并与高导电双钢棒电解槽的炉帮和炉底温度进行对比，测定结果为
13、：普通电解槽和高导电双钢棒电解槽的炉帮平均温度分别为 280 和 255 ；普通电解槽和高导电双钢棒电解槽的炉底平均温度分别为 125 和 75 。可以看出，电解槽内衬结构优化后炉帮温度降低了 25 ，炉底温度降低了 50 ，电解槽保温效果较为显著。3.2 炉膛内形对比在系列电解槽中抽取 30 台普通电解槽测量了炉帮厚度，并与高导电双钢棒电解槽的炉帮厚度进行对比，测量位置在 A 面 A2-A3，A4-A5 ，A6-A7 处、出铝端（TA 端） 、B 面 B2-B3，B4-B5 ，B6-B7 处、烟道端（DE端）进行了测量，各类电解槽的平均炉帮厚度测定结果如下。普通槽：A 面炉帮 156 mm、
14、TA 端 205 mm、B面炉帮 160 mm、DE 端 211 mm；高导电双钢棒槽：A 面炉帮 154 mm、TA 端 187 mm、B 面炉帮 158 mm、DE 端 190 mm。结果表明，高导电双钢棒电解槽与普通槽相比，平均侧部炉帮厚度和端部炉帮厚度稍薄，虽然电解槽增加了内保温材料，但是在同样的工艺技术条件下，进一步降低槽电压，炉帮形成得仍然较为理想，在电解槽启动初期炉帮形成得较慢，启动一个月后炉帮厚度与普通槽无明显区别。3.3 技术经济指标对比高导电双钢棒电解槽启动 3 个月后进入考核期，在考核期近一年的技术经济指标与普通电解槽进行了统计对比，各技术经济指标平均值统计结果如下。普通
15、槽：电流效率 91.35%、平均电压 3.92 V、吨铝直流电耗 12 787 kWh、炉底压降 346 mV；高导电双钢棒槽：电流效率 91.80%、平均电压 3.78 V、吨铝直流电耗 12 270 kWh、炉底压降 268 mV。可以看出，高导电双钢棒电解槽与普通电解槽相比，平均电压降低了 140 mV、平均电流效率提高了 0.45个百分点、吨铝直流电耗降低了 517 kWh，炉底压降降低了 78 mV，节能效果非常显著。4 结论高导电双钢棒电解槽减少了槽内铝液水平电流，降低了电解槽炉底压降，在低电压生产条件下大幅提高了电解槽的运行稳定性，并且电流效率提高了 0.45 个百分点，吨铝直流
16、电耗达到了 12 270 kWh。参考文献1 邹智勇. 新式阴极钢棒结构在 SY300 电解槽上的应用 J. 轻金属，2014（1)：24-27.2 王富强，张国斌，赵冰祥，等. 数值模拟技术在电解槽节能减排中的应用 J. 轻金属，2013（7)：30-32.3 杨帅，李劼，徐宇杰，等. 铝电解槽钢棒加高型阴极对铝液中水平电流的优化J. 中国有色金属学报，2012，22(10)：2951-2959.4 沈阳铝镁设计研究院有限公司. 一种大幅降低铝电解槽铝液中水平电流的结构：中国， 201020566373.2P. 2011-06-15.5 中南大学. 一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结
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