侯金龍，李 俊，王進錄，寸躍祖，劉雅鋒，胡紅武

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽110001;2.云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司，云南 曲靖 655000)

近年來，隨著國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的提出和逐步實施，電解鋁行業(yè)面臨的“能耗雙控”壓力也愈發(fā)增大。據中國有色金屬工業(yè)協(xié)會初步統(tǒng)計，2020年我國電解鋁行業(yè)二氧化碳排放占到有色金屬工業(yè)總排放量的近64%[1]，其中電能消耗造成的二氧化碳排放占到電解鋁總排放量的80%以上，進一步降低電解鋁噸鋁電耗是有色金屬工業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的重點。

開展鋁電解綠色低碳技術研究與開發(fā)，降低電解鋁能源消耗是踐行國家“雙碳”政策、提升我國電解鋁行業(yè)國際競爭力的必由之路，更是電解鋁企業(yè)降低生產成本、實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

在此背景下，本文提出了采用石墨化炭塊、加銅鋼棒結合生鐵澆鑄組裝陰極的鋁電解節(jié)能技術路線，并在某400 kA系列電解槽上進行了工業(yè)試驗，大幅降低電解鋁的噸鋁能耗。該技術可簡稱為深度節(jié)能低碳復合陰極技術。

1 深度節(jié)能低碳復合陰極技術節(jié)能途徑

在某鋁廠400 kA電解槽上進行了深度節(jié)能低碳復合陰極技術的針對性開發(fā)和工業(yè)試驗，并將傳統(tǒng)鋁電解槽扎糊石墨質陰極技術(傳統(tǒng)GS技術)、全鋼鋼棒深度節(jié)能低碳復合陰極技術(CompoGX技術)以及加銅鋼棒深度節(jié)能低碳復合陰極技術(CompoGX+技術)在400 kA鋁電解槽上進行了對比研究。

1.1 水平電流和陰極壓降優(yōu)化設計

根據筆者所在團隊早期的研究[2]，鋁電解槽內鋁液的磁流體穩(wěn)定性是影響鋁液波動和流動的根源因素。實踐也證明，降低鋁液中水平電流是提高鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性的有效手段之一，可有效釋放鋁電解槽極距[3]，實現(xiàn)節(jié)能目標。與此同時，降低鋁電解槽物理壓降，也是業(yè)界公認的降耗增效主要途徑[4]。

將降低鋁液中水平電流的設計理念融入到澆鑄陰極組結構設計之中，通過改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式，并結合加銅鋼棒技術，優(yōu)化陰極導電結構，從而實現(xiàn)電解槽鋁液中水平電流與陰極壓降雙重大幅降低。

一方面，采用電阻率和鈉膨脹系數更低、理化性能更均勻的石墨化陰極材質，有效降低陰極炭塊的原始物理壓降和因生產吸鈉等因素導致的陰極膨脹和壓降升高[5-7]。另一方面，采用比傳統(tǒng)搗固炭糊電阻率低一個數量級的生鐵連接鋼棒和陰極炭塊的同時，通過結構設計和澆鑄工藝優(yōu)化，降低不同材料間接觸壓降。此外，采用導電率更低的加銅鋼棒、優(yōu)化嵌銅結構設計，進一步降低物理壓降和鋁液水平電流。

通過對某400 kA鋁電解槽陰極組的循環(huán)優(yōu)化設計，圖1模擬計算結果顯示，采用CompoGX技術的電解槽陰極壓降為201 mV，鋁液水平電流為5745 A/m2；采用CompoGX+技術的電解槽陰極壓降為151 mV，鋁液水平電流為3173 A/m2。相比于傳統(tǒng)GS電解槽285 mV的陰極壓降和8233 A/m2的鋁液水平電流有了大幅度的降低，電解槽磁流體穩(wěn)定性和極距空間得到顯著提升。

圖1 不同陰極技術的400 kA電解槽鋁液水平電流和陰極壓降對比

1.2 長壽命、抗?jié)B透陰極組結構優(yōu)化設計

對陰極組結構的電-熱-應力多維耦合模型仿真研究，優(yōu)化陰極炭塊燕尾槽結構，有效消除澆鑄組裝過程中局部熱應力集中，抵抗高溫鐵水熱沖擊。陰極組電-熱-應力模型如圖2所示。

陰極是阻擋電解質滲透的第一道防線[8]，而防滲層是關鍵防線。為了增加陰極組抗?jié)B透性，本技術在陰極炭塊下部新增防滲層，位于傳統(tǒng)防滲層以上，阻止電解質向下滲漏。該設計既保證電解槽具有極高的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降，又保證電解槽陰極組和內襯的長壽命。

1.3 內襯熱平衡優(yōu)化設計

本研究選定的400 kA電解系列日常生產采用較為純凈的電解質體系和國內西南地區(qū)較為優(yōu)質的原料氧化鋁和炭素陽極，應用深度節(jié)能低碳復合陰極技術進行優(yōu)化設計后，主要的電熱平衡設計結果如表1和圖3～圖4所示。

圖3 CompoGX電解槽溫度分布云圖及爐幫形狀

圖4 CompoGX+電解槽溫度分布云圖及爐幫形狀

表1 工業(yè)化試驗槽電熱平衡設計參數表

出于進一步降低電解槽物理壓降的目的，本技術設計的陰極壓降值較低，陰極區(qū)域局部產熱較少；另一方面，由于采用了導熱更好的陰極材料，形成陰極區(qū)域散熱較大的客觀條件；第三方面，設計的鋁電解槽運行電壓偏低，更加劇了電解槽陰極區(qū)域局部易偏冷的情況。

在此情況下，該技術的配套內襯設計必須盡量減少電解反應區(qū)域以下的散熱以保障電解槽在超低電壓下的熱平衡要求，并選擇具有良好保溫性能、耐熱沖擊、機械性能穩(wěn)定、耐電解質及蒸汽腐蝕的新型保溫材料，以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀，并實現(xiàn)更長“健康壽命”。

熱平衡優(yōu)化設計后的模擬結果顯示，運行電流為400 kA時，CompoGX電解槽在3.908 V的電壓下，CompoGX+電解槽在3.858 V的電壓下，通過合適的工藝條件調節(jié)，電解槽均可獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀，并未出現(xiàn)伸腿較長的情況，且陰極內襯可得到有效的保護。

1.4 輔助技術

本技術進一步優(yōu)化團隊多年來自主開發(fā)的先進的配套陰極組燃氣預熱裝置，開發(fā)了匹配陰極結構與材質的非線性升溫、澆鑄工藝和多溫度帶協(xié)同強化精準控制技術(如圖5)，形成一整套成熟的生鐵澆鑄組裝工藝及配套管控技術。在陰極組裝過程節(jié)能的同時，保證陰極組澆鑄成品率≥99.9%。

圖5 多溫度帶協(xié)同強化精準控制系統(tǒng)

此外，為了進一步降低鋁液直流電耗，該鋁廠還在400 kA試驗槽和對比槽上同步使用了新材質鋼爪、無碳渣陽極、陽極涂層等相關輔助技術。

2 技術應用效果

2臺采用CompoGX技術400 kA試驗槽和2臺采用CompoGX+技術400 kA試驗槽以及采用傳統(tǒng)GS技術的對比槽于2022年1月先后完成內襯砌筑和啟動運行，進入正常生產穩(wěn)定期后，結合電解槽電熱平衡的設計要求和現(xiàn)場實際與鋁廠共同商定并嚴格執(zhí)行精細化、標準化、數字化管理方案，4臺試驗槽和對比槽的主要生產運行工藝條件如表2所示。

表2 試驗槽和對比槽正常生產穩(wěn)定期工藝條件窗口

截止到目前，4臺400 kA試驗槽槽齡均超過280天，考察期(近3個月)內試驗槽和對比槽主要工藝技術指標均值數據如表3所示，陰極壓降和電流效率跟蹤對比如圖6～圖7所示。

圖7 考察期內試驗槽和對比槽電流效率跟蹤對比

表3 考察期(近3個月)內試驗槽主要工藝技術指標均值

圖6 啟動后試驗槽和對比槽陰極壓降跟蹤對比

采用CompoGX和CompoGX+技術試驗槽配合該鋁廠較為優(yōu)質的原料氧化鋁和炭素陽極，400 kA試驗槽取得了良好的工藝技術指標。考察期內，同電解系列采用傳統(tǒng)高石墨質扎糊陰極技術對比槽的平均陰極壓降約為273 mV、平均電流效率93.37%、平均鋁液直流電耗約為12，450 kWh/t-Al。而CompoGX和CompoGX+試驗槽展現(xiàn)出了明顯的節(jié)能優(yōu)勢，平均鋁液直流電耗與傳統(tǒng)對比槽相比分別降低298 kWh/t-Al和429 kWh/t-Al。

3 結 語

(1)通過采用石墨化陰極材質結合加銅鋼棒，深挖陰極組結構設計和生鐵澆鑄工藝管控優(yōu)化潛能、有針對性的升級配套內襯熱平衡設計，可在鋁液水平電流和陰極壓降雙重大幅降低的情況下，為電解槽在超低極距和超低電壓下穩(wěn)定運行、實現(xiàn)更長“健康壽命”創(chuàng)造條件。

(2)通過超低能耗條件下可維持長“健康壽命”的鋁電解槽內襯熱平衡優(yōu)化設計，并選擇與之相匹配的新型內襯材料，可以實現(xiàn)超低電壓、超低極距下電解槽良好熱平衡和穩(wěn)定運行。

(3)深度節(jié)能低碳復合陰極技術在400 kA鋁電解試驗槽上取得了良好的工藝技術指標，表現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)GS電解槽，CompoGX和CompoGX+試驗槽平均鋁液直流電耗分別降低298 kWh/t-Al和429 kWh/t-Al。