李承山

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

鋁電解槽用陽(yáng)極爪能效分析與優(yōu)化

李承山

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有鋁電解槽陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形、電流密度計(jì)算和熱應(yīng)力分析，指出了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的一些不足之處。最后針對(duì)原結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，從受力狀態(tài)、電流分布方面確定了更為合理的陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)。

陽(yáng)極爪； 電解槽； 結(jié)構(gòu)計(jì)算； 電流密度； 有限元

0 前言

鋁是現(xiàn)代社會(huì)各行業(yè)中應(yīng)用最廣的有色輕金屬材料，而世界上幾乎所有鋁都是由電解法生產(chǎn)的。眾所周之，現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)普遍采用冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法。經(jīng)整流車間出來(lái)的強(qiáng)直流電流由陽(yáng)極爪導(dǎo)入，通過(guò)消耗與陽(yáng)極爪連接的碳素材料，在陰極產(chǎn)生純態(tài)鋁液，隨著電解的不斷進(jìn)行，鋁液通過(guò)真空抬包周期性地從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間經(jīng)凈化澄清之后，澆注成鋁錠，或直接加工成線坯、型材等。作為導(dǎo)電用途的陽(yáng)極爪，自從電解鋁行業(yè)采用預(yù)焙槽技術(shù)以來(lái)，便一直沿用至今。陽(yáng)極的大量使用，使得整個(gè)鋁電解項(xiàng)目或車間的陽(yáng)極爪消耗和電耗成為鋁產(chǎn)品一項(xiàng)不容忽視的成本，更是鋁電解過(guò)程的一項(xiàng)重大隱性能耗。此外，陽(yáng)極爪在使用過(guò)程中的內(nèi)彎現(xiàn)象普遍，修復(fù)設(shè)備、人力、再利用消耗周期等再投入也是一項(xiàng)重大支出。

隨著近年來(lái)節(jié)能環(huán)保等政策的不斷推行，“十二五”規(guī)劃著力支持節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化布局，加快推進(jìn)節(jié)能技術(shù)改造。陽(yáng)極節(jié)能降耗技術(shù)研究已經(jīng)提上日程，也進(jìn)行了較多持續(xù)陽(yáng)極或永久陽(yáng)極的研究，但普遍試驗(yàn)成功和大范圍推廣還有距離。為加快高效陽(yáng)極的大規(guī)模投產(chǎn)應(yīng)用，本文將以陽(yáng)極金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)——陽(yáng)極爪為研究對(duì)象，從陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)和力學(xué)狀態(tài)、導(dǎo)電效率等方面進(jìn)行分析與計(jì)算，探索長(zhǎng)壽命、低損耗、成本低廉、適應(yīng)于大批量生產(chǎn)的陽(yáng)極爪。

下文首先從陽(yáng)極爪及其使用工藝過(guò)程入手進(jìn)行分析。

1 陽(yáng)極爪一般結(jié)構(gòu)

目前鋁電解行業(yè)均采用預(yù)焙槽技術(shù)，在此僅介紹預(yù)焙槽用陽(yáng)極爪的一般結(jié)構(gòu)。

“十二五”節(jié)能環(huán)保政策提出后，目前各企業(yè)電解電流在160 kA～600 kA，其中，新建項(xiàng)目基本均在400 kA～500 kA，而600 kA為設(shè)計(jì)院與甘肅某電解廠聯(lián)合試驗(yàn)項(xiàng)目。陽(yáng)極是電解槽完成電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)施，根據(jù)鋁電解年產(chǎn)量及電流效率等關(guān)鍵參數(shù)，可以計(jì)算電解車間配備的電解槽數(shù)量及其面積等參數(shù)，從而確定陽(yáng)極的布置方式和數(shù)量。其中，陽(yáng)極的金屬導(dǎo)電部分即為陽(yáng)極爪。經(jīng)過(guò)各大鋁電解廠實(shí)際應(yīng)用需求、工藝需要及最終效果驗(yàn)證，現(xiàn)今在用的陽(yáng)極爪的結(jié)構(gòu)主要有單排三爪、單排四爪、雙排三爪和雙排四爪結(jié)構(gòu)。由此而組裝成型的陽(yáng)極分別為單陽(yáng)極和雙陽(yáng)極，本文將以現(xiàn)階段500 kA電解槽普遍應(yīng)用的單排四爪陽(yáng)極進(jìn)行探討和分析。

2 陽(yáng)極爪循環(huán)使用及過(guò)程分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]所述，結(jié)合陽(yáng)極在電解工藝過(guò)程中的使用情況，可得到陽(yáng)極爪的具體使用過(guò)程。

鋁電解就是在強(qiáng)直流電作用下，使得溶解在熔融冰晶石電解質(zhì)中的氧化鋁不斷在陰極附近發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，析出液態(tài)純鋁的過(guò)程。陽(yáng)極爪上端與鋁導(dǎo)桿焊接在一起，而下端爪頭則設(shè)置在碳?jí)K凹槽內(nèi)，通過(guò)澆鑄磷鐵環(huán)使陽(yáng)極爪與碳?jí)K結(jié)合成一體，形成導(dǎo)電陽(yáng)極。電解槽是發(fā)生電解反應(yīng)和產(chǎn)生純態(tài)鋁液的設(shè)備，直流電通過(guò)鋁排導(dǎo)入至電解槽鋁母線上，再通過(guò)與母線連接的鋁導(dǎo)桿流經(jīng)陽(yáng)極，通過(guò)失去電子方式消耗陽(yáng)極，使鋁離子得到電子形成純金屬鋁。這一過(guò)程中，陽(yáng)極碳?jí)K底部是浸入熔融電解質(zhì)之中并保持一定深度，隨著陽(yáng)極的不斷消耗，電解槽上鋁母線不斷下降以保持碳?jí)K在電解質(zhì)中的浸入深度始終為恒定值，以保證鋁電解過(guò)程的連續(xù)和穩(wěn)定。當(dāng)陽(yáng)極碳?jí)K消耗至極限時(shí)，此時(shí)的陽(yáng)極稱為殘極。為了保證電解過(guò)程連續(xù)，新的陽(yáng)極將替換殘極繼續(xù)進(jìn)行上述反應(yīng)過(guò)程。而殘極更換下來(lái)后，轉(zhuǎn)運(yùn)至組裝車間，進(jìn)行清理、再組裝新陽(yáng)極工藝過(guò)程。因此，在整個(gè)電解反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極碳?jí)K是不斷消耗的，而陽(yáng)極爪按新陽(yáng)極——?dú)垬O——新陽(yáng)極循環(huán)過(guò)程使用，直至陽(yáng)極爪報(bào)廢。

圖1 原陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

新陽(yáng)極在吊運(yùn)至電解槽過(guò)程中，陽(yáng)極爪首先承受的是碳?jí)K重量；在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)至形成殘極過(guò)程中，陽(yáng)極爪不但承受碳?jí)K重量，也承受高溫引起的熱應(yīng)變；更換殘極過(guò)程中，由于電解質(zhì)結(jié)殼的作用，陽(yáng)極爪承受最大拉力(約8000 kg)；此外，在組裝車間，陽(yáng)極承受壓脫力、矯正力等。上述工藝過(guò)程使得陽(yáng)極爪消耗或損壞較為嚴(yán)重，而作為主要功用的電流傳輸方面，電流均勻穩(wěn)定更需要得到重視和研究。為了更清晰了解陽(yáng)極爪在使用過(guò)程中的狀態(tài)，下面從結(jié)構(gòu)受力、電流密度兩方面進(jìn)行分析。

3 陽(yáng)極爪分析

根據(jù)單排四爪陽(yáng)極爪實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使用過(guò)程中主要夾持陽(yáng)極導(dǎo)桿起固定約束作用，外力主要由陽(yáng)極爪底部的碳?jí)K傳遞。通過(guò)計(jì)算現(xiàn)有陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)，結(jié)合普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3.1 原結(jié)構(gòu)計(jì)算

原陽(yáng)極爪結(jié)構(gòu)變形位移、應(yīng)力分布、電流密度分布、電流流向分別見圖1。圖1a展示了在吊運(yùn)、換極等過(guò)程中陽(yáng)極爪受力變化情況，可以看出，兩端爪頭外側(cè)變形量最大(約0.23 mm)，向陽(yáng)極爪中部彎曲，即內(nèi)彎變形現(xiàn)象。需要注意的是，該計(jì)算僅是結(jié)構(gòu)受力引起內(nèi)彎變形，實(shí)際使用時(shí)，除了受力，陽(yáng)極爪橫梁在高溫下伸長(zhǎng)變形，而陽(yáng)極爪爪頭受變形量小的碳?jí)K約束，同樣會(huì)加劇內(nèi)彎變形。在此不詳細(xì)分析受熱變形情況。圖1b顯示，陽(yáng)極爪為兩端懸臂結(jié)構(gòu)，由于發(fā)生內(nèi)彎變形，中部固定過(guò)渡截面出現(xiàn)最大應(yīng)力(約25 MPa，過(guò)渡位置未圓滑處理，比實(shí)際受力略大，但總體應(yīng)力分布及趨勢(shì)合理)。圖1c和圖1d顯示了陽(yáng)極爪電解過(guò)程電流分布和密度情況，顯然，該結(jié)構(gòu)由于橫梁為等截面形式，陽(yáng)極爪兩端爪頭通過(guò)的電流密度與中間兩爪頭相差較大，從而電流分布不夠均勻，在一定程度上會(huì)影響電解效率。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化

針對(duì)上述計(jì)算結(jié)果及分析情況，從結(jié)構(gòu)受力、電流傳導(dǎo)兩方面入手，在基本不改變陽(yáng)極爪重量的前提下對(duì)陽(yáng)極爪進(jìn)行改進(jìn)。最后采用與原結(jié)構(gòu)相同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

圖2a中優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)與原結(jié)構(gòu)相同，這是兩端懸臂結(jié)構(gòu)必然趨勢(shì)。但優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)采用變截面梁形式，加強(qiáng)了應(yīng)力集中位置的截面尺寸，并減小兩端對(duì)應(yīng)力影響不大的截面尺寸。通過(guò)計(jì)算兩端爪頭變形量最大約為0.10 mm(見圖2a)，最大應(yīng)力約為13 MPa(見圖2b)，與原結(jié)構(gòu)相比，相同重量結(jié)構(gòu)，變形量成倍減小。同時(shí)，圖2b與圖1b相比較，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)橫梁整體參與受力，結(jié)構(gòu)更為合理。此外，從圖2c和圖2d可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)四個(gè)爪頭通過(guò)的電流密度相差較小，更加均勻。

圖2 陽(yáng)極爪優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

國(guó)家雖從“十二五”開始大力出擊環(huán)保節(jié)能，強(qiáng)令對(duì)大污染、高能耗企業(yè)的治理，但作為我國(guó)鋁電解行業(yè)現(xiàn)狀，十年甚至二十年內(nèi)，現(xiàn)有電解工藝方法不會(huì)被取代。同時(shí)，在連續(xù)陽(yáng)極或永久陽(yáng)極全面試驗(yàn)成功并全國(guó)范圍推廣開來(lái)之前，現(xiàn)有陽(yáng)極將一直運(yùn)作下去。因此，在研究更先進(jìn)電解工藝和設(shè)備的同時(shí)，更應(yīng)該將現(xiàn)有電解工藝更加優(yōu)化，朝著高效、低能耗、自動(dòng)化等方向發(fā)展。作為電解反應(yīng)的核心——陽(yáng)極，也應(yīng)當(dāng)朝著長(zhǎng)壽命、低損耗、電流平穩(wěn)均勻等方向前進(jìn)。

[1] 馮乃祥.鋁電解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 王平甫，宮振等.鋁電解炭陽(yáng)極生產(chǎn)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

Energy Efficiency Analysis and Optimization of Anode Claw
for Aluminum Electrolyzer

LI Cheng-shan

Based on calculation and analysis of the existing anode claw, within the deformation, stress, current density and thermal stress, some shortcomings of the existing structure are pointed out. Finally, according to the calculated results for the original structure, improvement and optimization are carried out, and compared with the original structure, the more reasonable anode claw structure is put forward in the aspects of stress, current distribution.

anode claw； electrolyzer； structure calculation； current density； finite element

2015-01-06

李承山(1982-)，男，四川岳池人，工程師，碩士研究生，主要從事制鋁設(shè)備研發(fā)和設(shè)計(jì)工作、制鋁設(shè)備和冶礦設(shè)備的電算分析工作，現(xiàn)任中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科帶頭人。

TF821

B

1003-8884(2015)02-0016-03