趙營　劉光勇　戚宗華　李慶新　李恒剛　王曉華　張透方　高效軍杜玉峰　潘興旺　溫保森　逯兆深　黃德江（新疆農(nóng)六師煤電有限公司　五家渠　831508）

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淺談750 mm超高陽極在大型鋁電解槽上的研究與應(yīng)用

趙營劉光勇戚宗華李慶新李恒剛王曉華張透方高效軍杜玉峰潘興旺溫保森逯兆深黃德江
（新疆農(nóng)六師煤電有限公司五家渠831508）

摘要目前隨著國內(nèi)外的預(yù)焙鋁電解槽的大型化，運行電流增大，陽極電流密度提升，使得陽極消耗速度加快，進(jìn)而陽極更換周期縮短，電解槽熱損失增加，換極干擾頻繁，穩(wěn)定性降低，最終表現(xiàn)為電流效率降低，噸鋁能耗居高不下。本文中新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心及其鋁廠、碳素廠（目前新疆農(nóng)六師煤電有限公司鋁廠產(chǎn)能190萬噸，是世界單體產(chǎn)能最大的電解鋁企業(yè)；新疆農(nóng)六師煤電有限公司碳素廠年產(chǎn)90萬噸碳素。）結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀及其背景研究與應(yīng)用超高陽極技術(shù)，在大型鋁電解槽上采用超高陽極替代高度≤650 mm的陽極炭塊的工業(yè)化試驗，結(jié)論表明其減少了換極頻率、換極干擾以及換極熱損失，真正意義上實現(xiàn)了增效降耗節(jié)約成本，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供了一套投資少、見效快的電解鋁節(jié)能降耗技術(shù)新思路。新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心及其鋁廠，針對國內(nèi)外通用的大型預(yù)焙鋁電解槽上因陽極炭塊設(shè)置高度較低，造成換極使用周期短，換極頻率高，對鋁電解槽穩(wěn)定運行干擾大的難題，開展了750 mm超高陽極炭塊在大型鋁電解槽上的配置應(yīng)用技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞超高陽極鋁電解槽研究應(yīng)用

1　陽極炭塊高度對鋁電解生產(chǎn)的影響

1.1陽極炭塊的應(yīng)用

現(xiàn)通用的預(yù)焙鋁電解槽是用陽極炭塊作為陽極導(dǎo)電材料和電解化學(xué)反應(yīng)消耗材料進(jìn)行電解鋁生產(chǎn)，鋁電解用陽極炭塊與鋁導(dǎo)桿、陽極鋼爪，用澆注磷鐵環(huán)的方式組裝在一起，構(gòu)造成陽極炭塊鋼爪組，與陽極大母線相連接，在電解生產(chǎn)過程中，陽極炭塊的底部浸在鋁電解槽的電解質(zhì)液中，參與電化學(xué)反應(yīng)。陽極炭塊的高度隨著參與電解熱電化學(xué)反應(yīng)的時間延長，而不斷消耗縮短變薄，平均消耗高度為15 mm/d左右［1］。陽極炭塊的高度在鋁電解槽生產(chǎn)過程中可以分為兩部分，一部分是在電解過程中消耗掉的高度部分，稱為陽極凈耗高度部分，一部分為從電解槽內(nèi)更換出的高度部分，簡稱為殘極高度部分［2］。

為保證鋁電解槽在生產(chǎn)過程中的設(shè)定極距，隨著陽極炭塊逐漸反應(yīng)消耗變薄，鋁電解槽上部機械傳動機構(gòu)要帶動陽極大母線及陽極炭塊進(jìn)行下降調(diào)整。當(dāng)使用一定時間段后，即炭塊消耗變薄至140～160 mm左右時［4］，為防止陽極鋼爪頭被電解質(zhì)熔化，需將殘極組從鋁電解槽內(nèi)取出，更換上一組新陽極炭塊組，俗稱換極作業(yè)。

鋁電解槽的換極頻率=電解槽配置陽極炭塊的塊數(shù)/陽極炭塊的使用換極周期

即：鋁電解槽每日更換陽極炭塊的塊數(shù)：塊/日。

1.2換極作業(yè)對鋁電解生產(chǎn)工藝的影響

鋁電解槽換極作業(yè)，對電解槽穩(wěn)定性和電流效率的影響極大，主要來源于兩個方面，一個是換極熱散失，對鋁電解熱平衡工藝狀態(tài)的影響；一個是電流密度的頻繁調(diào)整變異，對鋁電解槽磁場穩(wěn)定性的影響［3］。

在鋁電解槽陽極炭塊的組數(shù)、導(dǎo)電面積和電流強度設(shè)定后，鋁電解槽所配置的陽極炭塊的高度，不僅決定著陽極炭塊的換極周期，而且還決定著鋁電解槽的換極頻率，決定電解鋁廠的生產(chǎn)工藝方式。

鋁電解槽配置陽極炭塊高度設(shè)定，不僅影響鋁電解的工藝參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，而且影響著與陽極炭塊作業(yè)相關(guān)電解鋁生產(chǎn)體系的整體工藝配置，決定著整個電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)成本的高低。

電解鋁生產(chǎn)工藝系統(tǒng)70%以上的生產(chǎn)工藝配置與陽極炭塊有關(guān)，如果鋁電解槽換極頻率增加，電解生產(chǎn)的陽極碳塊毛耗、換極作業(yè)、陽極組裝、殘極覆蓋料處理等生產(chǎn)成本均會隨之增加，企業(yè)經(jīng)濟指標(biāo)則會下降［5］。

1.3大型鋁電解槽對陽極炭塊配置的要求

近幾年來，我國的大型鋁電解的容量已擴大到400 kA～600 kA以上。已成為我國電解鋁產(chǎn)業(yè)的主要槽型，鋁電解槽容量的增加，最大的優(yōu)勢是熱穩(wěn)定性增強，無疑為電解鋁生產(chǎn)帶來許多好處，但是，我國大型鋁電解槽容量的增加，走的是增加陽極導(dǎo)電面積的技術(shù)路線，即在電流密度基本不變的情況下，靠增加電解槽陽極炭塊配置數(shù)量的方式來實現(xiàn)的。

這種以增加陽極導(dǎo)電面積、增加陽極炭塊組數(shù)為特征的技術(shù)路線，雖然增加了電解槽容量，但由于陽極炭塊的高度未變，鋁電解槽換極頻率有所加大，換極作業(yè)對電解槽的穩(wěn)定性干擾加大，使大型鋁電解槽電流效率和普通鋁電解槽幾乎沒有什么差別，沒有顯著的提高，大型鋁電解槽的優(yōu)勢難以發(fā)揮，企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟效益難以顯現(xiàn)［6］。

大型鋁電解槽容量的增加，熱穩(wěn)定性增強，但對磁場的穩(wěn)定性要求則更高，換極作業(yè)無疑是破壞磁場穩(wěn)定性的最大因素，維持大型鋁電解槽的磁場平衡的直接手段，就是減少鋁電解槽的換極頻率，就目前的技術(shù)條件而言，延長陽極炭塊的使用周期是最好的方式。

2　超高陽極工業(yè)試驗［7］

2.1前沿技術(shù)的特征

鋁電解槽陽極炭塊配置方式是電解鋁企業(yè)的核心技術(shù)，從自焙槽到預(yù)焙槽，電解鋁生產(chǎn)技術(shù)裝備進(jìn)步都是以陽極構(gòu)造配置方式為標(biāo)志。電解鋁行業(yè)的科研工作者多年來，一直把減少換極作業(yè)對鋁電解槽穩(wěn)定性的干擾、提高電流效率、實現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)約生產(chǎn)成本作為核心技術(shù)問題進(jìn)行研究。如惰性陽極技術(shù)和連續(xù)陽極技術(shù)。雖然惰性陽極目前是遙不可及，連續(xù)陽極技術(shù)也由于較多技術(shù)障礙難以實現(xiàn)，但是，這兩項科研技術(shù)卻有著一個共同點，都旨在降低鋁電解槽換極頻率、減少換極作業(yè)對鋁電解槽的穩(wěn)定性干擾。

2.2工業(yè)試驗狀況簡介

在惰性陽極無望，連續(xù)陽極難以實現(xiàn)，在大型鋁電解槽生產(chǎn)需求和傳統(tǒng)設(shè)計理念產(chǎn)生碰撞的大背景下，為解決大型鋁電解槽由于炭塊配置數(shù)量增加，陽極炭塊高度設(shè)定偏低，換極頻率加大，影響電流效率的問題，新疆農(nóng)六師煤電有限公司技術(shù)中心決定自主創(chuàng)新，發(fā)揚敢為天下先，舍我其誰的創(chuàng)新?lián)?dāng)精神，自2013年起，開展了鋁電解槽超高陽極在鋁電解槽上配置應(yīng)用技術(shù)課題的研究，在原設(shè)計高度620 mm陽極炭塊的基礎(chǔ)上，一次將炭塊加高130 mm；并于2014年，將750 mm超高陽極炭塊在400 kA大型鋁電解槽上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗。

2.3工業(yè)試驗的目的

將陽極炭塊在鋁電解上的使用周期提高22%以上。使陽極炭塊的換極周期由原設(shè)計的30天，延長至39天。用減少鋁電解槽換極作業(yè)頻率辦法，實現(xiàn)降低換極作業(yè)對鋁電解生產(chǎn)工藝干擾，提高電流效率，減少陽極炭塊毛耗的目的，同時用降低換極作業(yè)量的辦法，實現(xiàn)整個電解鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的整體節(jié)能減排，降本增效的生產(chǎn)，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供一套既節(jié)能降耗節(jié)約生產(chǎn)成本，又簡便易行的鋁電解槽生產(chǎn)工藝方案。

3　工業(yè)試驗槽與比對槽的技術(shù)參數(shù)

3.1創(chuàng)新設(shè)計后工業(yè)試驗槽主要技術(shù)參數(shù)

槽型：400 kA；進(jìn)電方式：6點大面進(jìn)電。

設(shè)定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2。

每臺陽極炭塊配置：48塊。

陽極炭塊尺寸：1 550×660×750（單位：mm）。

設(shè)計換極周期：實際使用換極周期為39 d。

鋁電解槽換極作業(yè)極限高度1 250 mm。

3.2原設(shè)計鋁電解槽（對比槽）主要技術(shù)參數(shù)

槽型：400 kA；進(jìn)電方式：6點大面進(jìn)電。

設(shè)定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2

每臺陽極炭塊配置：48塊。

陽極炭塊尺寸：1 550×660×620（單位：mm）。

設(shè)計換極周期：30 d。

鋁電解槽換極作業(yè)極限高度1 250 mm。

3.3創(chuàng)新設(shè)計的主要差異

（1）將原設(shè)計的陽極炭塊的高度由620 mm增高到750 mm，增高了130 mm。

設(shè)計目的：同等技術(shù)條件下，致使陽極炭塊的換極周期，由現(xiàn)在設(shè)計的30 d延長到39 d，即鋁電解槽兩次換極的時間間隔由原設(shè)定的30 h，延長至39 h。

（2）將原設(shè)計的陽極炭塊的碳碗直徑由原來的195 mm加大到205 mm，碳碗的深度不變，并且增加一道斜拉槽。

設(shè)計目的：增加陽極鋼爪與陽極炭塊之間的連接強度，降低鐵碳電壓降。

4　工業(yè)試驗槽技術(shù)分析

4.1工業(yè)試驗槽與對比槽技術(shù)指標(biāo)比對分析［7］

2015年6月，電解鋁廠選取了5臺采用750 mm超高陽極炭塊配置且運行半年以上的工業(yè)試驗槽，與50臺采用620 mm高度陽極炭塊配置且條件優(yōu)良可比的工業(yè)試驗比對槽，就其技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了全面的測試和統(tǒng)計分析，其結(jié)果表明：在400 kA，配置有48組陽極炭塊的鋁電解槽上，采用750 mm超高陽極炭塊替代原設(shè)計高度620 mm高度陽極炭塊的工業(yè)試驗槽，各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)均優(yōu)于對比槽。

4.2工業(yè)試驗槽的技術(shù)優(yōu)勢分析

鋁電解槽內(nèi)的熱電化學(xué)反應(yīng)過程是一個極其復(fù)雜的工藝生產(chǎn)過程。影響鋁電解生產(chǎn)效率變化的因

表1　工業(yè)試驗槽與對比槽技術(shù)指標(biāo)分析表

素諸多，且關(guān)聯(lián)性極強，互為影響制約。根據(jù)對采用750 mm超高陽極炭塊的工業(yè)試驗槽和對比槽的整體的比對分析可以表明，5臺工業(yè)試驗槽的綜合數(shù)據(jù)指標(biāo)明顯優(yōu)于對比槽各項數(shù)據(jù)指標(biāo)。這種優(yōu)化指標(biāo)的取得是以下各種技術(shù)因素共同疊加作用所顯現(xiàn)出來的技術(shù)關(guān)鍵點。

4.2.1正面技術(shù)優(yōu)勢分析

⑴電解槽換極頻率減少，使鋁電解槽內(nèi)由于換極所造成的電流密度分布的平面位移干擾波動減少，即鋁電解槽內(nèi)部的穩(wěn)定性增加（內(nèi)部穩(wěn)定性貢獻(xiàn)）。

⑵電解槽換極頻率減少，導(dǎo)致?lián)Q極熱散失減少。

⑶陽極炭塊增高130 mm，在鋁電解內(nèi)陽極炭塊整體高度則增加了65 mm，相當(dāng)于在鋁電解槽內(nèi)部陽極炭塊的上部增加了65 mm的碳素保溫層，減少了鋁電解槽的上部熱散失。

⑷于鋁電解槽內(nèi)上部增加了65 mm的碳素保溫層，上部散熱減少，導(dǎo)致等溫線下移，電解槽內(nèi)穩(wěn)定提高，電解質(zhì)液的分解溫度提高，導(dǎo)致沉淀減少，陰極炭塊溫度提高，導(dǎo)電性能加強，爐底電壓降低。

⑸電解質(zhì)液溫度升高2℃，對氧化鋁的溶解性能加強。

⑹換極干擾減少，電解質(zhì)液穩(wěn)定性提高，鋁液的二次反應(yīng)減少。

⑺電解槽內(nèi)溫度提高，導(dǎo)致陰極炭塊溫度提高。

⑻陽極炭塊加高130 mm，炭塊增重210 kg，為了增加鐵碳之間的連接強度，對炭塊的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改造，由于碳碗和炭塊之間的導(dǎo)電面積和界面連接強度（鐵對碳的徑向壓力）有所增加，導(dǎo)致陽極導(dǎo)電裝置的鐵碳連接電壓降降低。

4.2.2負(fù)面技術(shù)因素分析

⑴單體陽極炭塊加高130 mm，相當(dāng)在鋁電解槽內(nèi)加高65 mm。在熱負(fù)荷工況狀態(tài)下增加。

⑵鋁電解槽等溫線下降后，陰極炭塊溫度提高，有利于陰極炭塊壓降降低，但也致使陰極鋼棒端頭提高，散熱增加。

⑶電解槽等溫線下降后，側(cè)部爐幫平均減薄，會導(dǎo)致側(cè)部爐殼表面溫度提高，鋁電解的散熱增加。

5　 750 mm超高陽極技術(shù)效益分析［7］

經(jīng)半年多的工業(yè)試驗表明，在400 kA鋁電解槽上采用750 mm超高陽極炭塊，替代原設(shè)計620 mm普通陽極炭塊進(jìn)行配置，并應(yīng)用于電解鋁生產(chǎn)，取得經(jīng)濟效益見表2：

表2　節(jié)能降耗量統(tǒng)計表

6　 750 mm超高陽極工業(yè)試驗結(jié)論

新疆農(nóng)六師煤電有限公司，采用“世界第一高”超高陽極炭塊，在400 kA大型鋁電解槽上進(jìn)行的工業(yè)試驗表明，與原設(shè)計配置620 mm普通高度陽極相比。陽極炭塊的使用壽命周期可以延長9天，陽極炭塊使用周期提高22%以上。使陽極炭塊的換極周期由原設(shè)計的30天，延長至39天。用減少鋁電解槽換極作業(yè)頻率辦法，實現(xiàn)降低換極作業(yè)對鋁電解生產(chǎn)工藝的干擾，提高電流效率，達(dá)到減少陽極炭塊毛耗的目的，同時用降低換極作業(yè)量的辦法，實現(xiàn)整個電解鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的整體節(jié)能減排，降本增效的生產(chǎn)，為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供一套既能降低消耗節(jié)約生產(chǎn)成本，又簡便易行的鋁電解槽生產(chǎn)工藝方法。

本次工業(yè)試驗結(jié)果表明，在現(xiàn)通用的大型鋁電解槽上采用超高陽極替換高度≤650 mm的陽極炭塊，用減少換極頻率，降低對鋁電解槽干擾，增強鋁電解槽穩(wěn)定性的辦法，提高鋁電解槽電流效率，是一種投資少、見效快的電解鋁節(jié)能降耗的技術(shù)路線。

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［7］科技成果鑒定.750mm超高陽極炭塊的制備與鋁電解槽應(yīng)用配置技術(shù)的研發(fā).新疆農(nóng)六師煤電有限公司.

收稿：2016-02-29

DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.03.030