白衛(wèi)國(guó)，焦慶國(guó)，劉彥輝，杜子娟，丁國(guó)臣，王園英

（1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際呼和浩特鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

我國(guó)是世界大型鋁電解槽使用大國(guó)，電解鋁產(chǎn)能連續(xù)15年居世界首位，特別是自2012年以來(lái)，以500kA為代表的大型鋁電解槽的投入運(yùn)行為電解鋁產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)注入了動(dòng)力。目前500kA鋁電解槽在我國(guó)電解鋁的總產(chǎn)能中所占比例已超過(guò)25%以上。在追求產(chǎn)能的同時(shí)，國(guó)家也對(duì)節(jié)能減排工作提出了新的要求，《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中要求新建電解鋁企業(yè)噸鋁直流電耗小于12500kWh。因此，500kA鋁電解槽運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好壞對(duì)未來(lái)電解鋁工業(yè)發(fā)展具有較大影響。

1 500kA鋁電解槽特點(diǎn)

1.1 能量利用率高

電解鋁工業(yè)目前仍采用熔鹽電解法生產(chǎn)，提高電能利用率，減少無(wú)功損耗是節(jié)能減排的有效途徑之一。電解槽散熱量與電流強(qiáng)度雖然并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，但由于電解槽設(shè)計(jì)的原因，隨著電解槽容量的增加，電解槽的單位面積散熱量會(huì)逐漸減?。ㄒ?jiàn)表1）[1]。因此，500kA電解槽能量利用率較高，也為其實(shí)現(xiàn)低電壓下運(yùn)行提供了一定的基礎(chǔ)。

表1 槽容量與單位容量散熱面積比較

1.2 建設(shè)投資小

電解鋁相同產(chǎn)能時(shí)，采用500kA大容量電解槽可以減少電解系列數(shù)量。因此，相應(yīng)的可減少單位容量鋁母線、鋼結(jié)構(gòu)、廠房建設(shè)、供電整流裝置以及配套的公用設(shè)施的投資。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[2]，電解鋁企業(yè)單位投資平均噸鋁為9000元左右，單位投資大小在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)內(nèi)容相同時(shí)與產(chǎn)能和槽型相關(guān)。以50kt/a的電解鋁廠為基準(zhǔn)，規(guī)模每提高1倍，單位產(chǎn)品投資將減少1.5%～3.5%；以160kA到300kA槽型為例，電解槽容量每增加1倍，單位產(chǎn)品投資降低10%，對(duì)比情況見(jiàn)圖1。

1.3 勞動(dòng)生產(chǎn)率高

電解槽容量越大，人均產(chǎn)能就越高，從而可以大大提升勞動(dòng)生產(chǎn)率。以人均看護(hù)8臺(tái)電解槽計(jì)算，500kA系列相比300kA系列人均產(chǎn)能提高30%以上，有利于目前我國(guó)西部人口稀少地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 500kA鋁電解槽設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 陰極母線設(shè)計(jì)

500kA電解槽陰極母線采用非對(duì)稱配置的結(jié)構(gòu)形式，大面六點(diǎn)進(jìn)電，進(jìn)電側(cè)陰極母線經(jīng)電解槽周圍及槽底沿縱向引出，與出電側(cè)母線匯集引入下一臺(tái)電解槽。另外將槽底母線載流比例減少，端部特別是煙道端載流比例增加（見(jiàn)圖2）。此母線設(shè)計(jì)主要考慮大容量電解槽磁場(chǎng)極值主要體現(xiàn)在角部附近，從而以增加端部補(bǔ)償以緩解角部磁場(chǎng)極值問(wèn)題[3]。

圖2 某企業(yè)500kA鋁電解槽母線配置圖

2.2 槽體設(shè)計(jì)

500kA電解槽槽體設(shè)計(jì)考慮到廠房跨度以及槽體長(zhǎng)度，較300kA電解槽槽體寬度增加了400mm～600mm，對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極尺寸由原來(lái)的1550mm＊660mm調(diào)整為1850mm＊700mm或1750mm＊740mm。相對(duì)應(yīng)的500kA電解槽較300kA電解槽的氧化鋁濃度擴(kuò)半徑長(zhǎng)200mm～300mm，單點(diǎn)氧化鋁供給負(fù)擔(dān)增加了的1.12倍。上部下料點(diǎn)在槽容量增大后仍采用6點(diǎn)下料，其下料頻率增加了近40%。因此，500kA電解槽氧化鋁濃度均勻性較差，容易產(chǎn)生閃爍效應(yīng)或局部效應(yīng)。

同時(shí)，隨著大型電解槽容量的增加，單位電流強(qiáng)度的電解質(zhì)量有所減少。具體計(jì)算見(jiàn)表2。以300kA和500kA槽為例，其單位電流強(qiáng)度的電解質(zhì)量降低了13%以上，勢(shì)必影響了氧化鋁在電解質(zhì)中的熔解能力，容易因溶解能力差而帶來(lái)爐底沉淀[4]。

表2 不同容量電解槽單位電流強(qiáng)度電解質(zhì)量對(duì)比表

2.3 內(nèi)襯設(shè)計(jì)

電解槽熱平衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是爐膛內(nèi)形和電解質(zhì)結(jié)晶固相等溫線的位置。500kA電解槽為使其等溫線下移，陰極材料普遍采用高電導(dǎo)率的高石墨質(zhì)炭塊，以使陰極炭塊溫度更為均勻，且陰極炭塊尺寸選擇與陽(yáng)極相同寬度，使得陽(yáng)極與陰極在位置上處于一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于電流垂直下行。

3 500kA鋁電解槽運(yùn)行特點(diǎn)

通過(guò)文獻(xiàn)查閱和實(shí)地調(diào)研對(duì)國(guó)內(nèi)較先投入運(yùn)行的5家500kA系列進(jìn)行了指標(biāo)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了500kA電解槽存在的共性問(wèn)題和個(gè)性問(wèn)題。

3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表3中可以看出，國(guó)內(nèi)5家較先投產(chǎn)的500kA電解槽系列其噸鋁直流電耗均在13000 kWh以上，離“十二五”規(guī)劃目標(biāo)仍有較大差距。從數(shù)據(jù)分析看，其原因主要是電流效率偏低和平均電壓偏高，電流效率在90%左右，平均電壓在3.95V以上，說(shuō)明其仍有進(jìn)一步降低能耗的潛力。

表3 部分500kA系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.2 技術(shù)參數(shù)

從表4中可以看出，國(guó)內(nèi)5家較先投產(chǎn)500kA電解槽系列的技術(shù)條件最大差異為鋁水平控制范圍，最高鋁水平35cm比最低鋁水平25cm差10cm。同時(shí)，其爐幫厚度較差，不足15cm，證明其爐膛建立不夠規(guī)整和完善。而爐底壓降也普遍偏高，這也是槽電壓處于高位仍無(wú)法降低的原因之一。

表4 國(guó)內(nèi)部分500kA系列技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 下一步改進(jìn)思考

4.1 優(yōu)化整體設(shè)計(jì)

（1）適當(dāng)增加上部下料點(diǎn)?？梢詨嚎s原有單個(gè)料箱的空間，將原有6點(diǎn)下料配置，改為8點(diǎn)下料配置，以減少打殼下料頻率，從而保證氧化鋁濃度的有效控制，防止?fàn)t底產(chǎn)生沉淀。

（2）優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。確定系列電解質(zhì)成分，通過(guò)調(diào)整槽底部保溫材料的厚度或材料的導(dǎo)熱性能，增加爐底保溫效果，以適應(yīng)500kA電解槽在高鋁水平狀態(tài)下的熱平衡，并使其底部散熱損失不超過(guò)1.60V，提高能量利用率[5]。

（3）可采用高導(dǎo)電鋼棒技術(shù)與磷生鐵澆注技術(shù)相結(jié)合的方式優(yōu)化陰極組結(jié)構(gòu)，使其初始爐底壓降降低到260 mV以下，減緩陰極鋼棒的滲碳過(guò)程，控制陰極壓降上升速度。

（4）廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可改變槽體側(cè)部的散熱通風(fēng)方式，以促進(jìn)側(cè)部爐幫的形成。

4.2 工藝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的500kA電解槽系列在無(wú)法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，只能從現(xiàn)有的工藝技術(shù)參數(shù)入手，以求達(dá)到更好的節(jié)能降耗的效果。根據(jù)文獻(xiàn)[6，7]以及新型穩(wěn)流保溫節(jié)能技術(shù)在某企業(yè)500kA的實(shí)際運(yùn)用，建議如下工藝優(yōu)化思路：

（1）低工作電壓設(shè)定。對(duì)于高電流密度、單位散熱面積小的500kA電解槽來(lái)講，適當(dāng)降低工作電壓可以減少電解槽的熱收入，防止“熱槽”的發(fā)生。在保證極距在4cm以上的前提下，可在現(xiàn)有工作電壓的基礎(chǔ)上降低30mV～80mV，以促使?fàn)t幫的形成。

（2）高鋁水平保持。鋁水平作為熱平衡的重要條件，是影響電流效率的主要因素之一。因此建議將鋁水平高度設(shè)定在30cm以上，以平衡穩(wěn)定磁場(chǎng)，減少鋁液波動(dòng)，增加電流效率。電解質(zhì)水平直接影響電解槽溫度、氧化鋁熔解能力和陽(yáng)極效應(yīng)的控制效果，因此建議將電解質(zhì)水平保持在17cm～19cm為宜。

（3）高分子比低過(guò)熱度控制。對(duì)于500kA電解槽電解質(zhì)量小氧化鋁熔解能力差的情況可適當(dāng)提高分子比增加其熔解能力，可將分子比控制在2.6～2.7之間，雖然高分子比對(duì)電流效率也有所影響，但對(duì)于500kA電解槽只有在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下才可能取得好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在高分子比狀態(tài)下，降低電解溫度從而降低過(guò)熱度，以促進(jìn)爐幫的形成和長(zhǎng)期保持。

4.3 配套設(shè)置跟進(jìn)

（1）使用陽(yáng)極在線檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)500kA電解槽陽(yáng)極電流分布均勻性差的情況可以投入陽(yáng)極在線檢測(cè)系統(tǒng)，克服人工測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)誤差，時(shí)時(shí)檢測(cè)陽(yáng)極工作狀況及時(shí)處理。

（2）升級(jí)控制系統(tǒng)。目前槽控制系統(tǒng)對(duì)中濃度的氧化鋁控制已經(jīng)做到了相對(duì)精確，而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于低濃度區(qū)域的500kA電解槽來(lái)講，如何更有效的對(duì)應(yīng)氧化鋁濃度與槽電阻變化，需要對(duì)控制系統(tǒng)逐漸優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）投入精準(zhǔn)出鋁和陽(yáng)極自動(dòng)劃線設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

500kA電解槽作為國(guó)內(nèi)最具潛力的槽型，對(duì)未來(lái)電解鋁工業(yè)的發(fā)展必然影響巨大。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升技術(shù)參數(shù)匹配和加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理操作，500kA電解槽各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)定能取得一個(gè)實(shí)質(zhì)性突破。