240 kA铝电解槽低电压运行的途径探讨

王 刚 刘民章 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司, 西宁 8101002)

240 kA铝电解槽低电压运行的途径探讨

王 刚 刘民章 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司, 西宁 8101002)

在研究文献的基础上，结合铝电解生产实践，简要总结了实现240kA铝电解槽低电压运行的途径。

铝电解槽； 低电压； 运行； 途径

近年来，随着原铝市场的低迷，原铝冶炼厂纷纷从降低吨铝成本角度探寻提高原铝市场竞争能力的途径。原铝的生产成本主要由能源、原材料、人工工资、设备投入和折旧等构成[1]。目前，在铝电解的生产成本构成中，电力成本占电解铝生产成本的47%以上，导致铝冶炼行业亏损，尤其是没有自备电的电解铝企业严重亏损。在这种情况下，电解铝企业除了从各个方面减少费用支出外，要保持市场竞争的途径有两个，一是进行技术改造，延长产业链，采用短流程工艺，充分利用电解铝液所积蓄的能量生产铝合金产品，如铝合金铸轧板、铝合金扁锭等，增加产品附加值。然而，这种途径需要较大的投入，一般经济实力薄弱的企业是无力承担巨大的投资费用的，因此，要实现起来是很困难的；二是根据企业电解系列设备、工艺及技术指标状况，通过实施节能措施降低吨铝生产成本。目前，国内通过降低铝电解槽工作电压实现节能的工作开展的如火如荼，可以借鉴的节能技术比比皆是，但是，是否能够真正实现有效节能效果，必须根据电解系列设计、安装以及供配电设施的容量的实际情况，采取灵活多样的措施来推进电解系列的节能工作。

某公司有两个240 kA电解系列年产30万t的电解铝生产能力，从2008年以来，一直推行低电压铝电解生产技术，到目前为止，电解槽工作电压已经由4.17 V降低到3.90 V，直流电耗由13 471 kWh 降低到12 632 kWh。现将实现铝电解槽低电压运行的途径介绍如下。

1 采用铝电解槽保温技术，实现低工作电压下的能量收支平衡

在一定的电流强度下，铝电解槽要获得维持正常电解过程所需要的能量，必须使电解槽具有一定的工作电压。当电解槽在较低电压下运行时，无论是理论上还是实践上必定会产生电解槽能量收入减少的问题。而电解槽能量收入的减少，必然会影响正常的电解过程，使电解槽进入冷行程[2]。出现冷行程后，会产生下列问题：电解质粘度增加，阳极气体排除困难，碳渣分离不清楚；铝水平上涨，电解质水平下降，换极时打捞碳渣和角部炭块更为困难；氧化铝溶解性变差，炉底沉淀增多，阳极效应频发，致使阴极电流分布不均匀，导致电解槽磁场受到影响，铝水平波动大，引起槽电压摆动。上述现象的出现，会对电解过程造成很大影响，严重时还会造成停槽。因此，在推行低电压运行时，必须采取相应的技术措施，保持电解槽的能量平衡。目前，最有效的方法有三种：一是对铝电解槽实施外保温；二是优化电解槽内衬结构，对电解槽实施内保温；三是优化覆盖料的成分和粒度组成，强化阳极保温效果。

在具体运用过程中，应根据不同的电解槽运行状况选择不同的措施。对于老龄电解槽，可采用外保温与优化阳极覆盖料组成、粒度的方式；而对于新建和大修启动的电解槽，则可以将上述三种方法综合起来整体运用，会获得良好的能量平衡效果，从而实现铝电解槽平稳、高效的运行。

1.1 加强电解槽外保温，在槽壳外壁粘贴陶瓷纤维板，减少槽壳散热量

在铝电解过程中，通过槽壳散热是电解槽产生热损失的主要途径之一。因此，采取有效措施降低槽壳散热也是保持低电压下电解槽正常运行的有效措施。李贤等人[4]总结了240 kA铝电解槽采取外保温措施后的保温效果，认为通过内外保温可以将槽壳温度控制在200 ℃以下，炉底钢板温度温度可以控制在100 ℃左右，与电解槽高工作电压运行时相比，热量损失大幅下降，有利于电解槽在低电压下正常运行。

1.2 调整阳极覆盖料的成分组成和粒度，降低其导热系数，提高保温性能

在铝电解过程中，阳极覆盖料除了具有保温功能外，还具有一定的防止阳极氧化、降低阳极消耗速度的作用。由于阳极上部不直接参与铝电解反应，因此，阳极上部的氧化属于无功消耗，必须将其降低到最低程度。Hasini Wijayaratne等人[2]研究了成分与粒度对阳极覆盖料热传导率的影响，并得出结论：在覆盖料混合物中，较高比例的粗粒度电解质提高有效热传导率，反之，较高比例的细粒度物料(氧化铝或电解质细粉)降低有效热传导率。因此，控制覆盖料的粒度、特别是细粉料成为关键，因为它有助于降低覆盖料的综合热传导率。借鉴上述研究，当铝电解槽在低工作电压下运行时，通过适当提高阳极覆盖料中细粉料的比例，可以有效降低阳极覆盖料的导热系数，从而减少阳极上部的热量散失，对于保持电解槽的能量平衡有着重要的作用。

1.3 优化电解槽内衬结构，提高电解槽保温性能

在电解槽周围增加导热系数低、抗拉强度较好的陶瓷纤维板，侧部陶瓷纤维板的厚度大面20 mm、小面30 mm，底部15 mm。通过工业试验表明，电解槽内衬结构优化后，钢棒温度由287 ℃降低到256 ℃，炉帮温度由279 ℃降低到256 ℃，炉底温度由122 ℃降低到78 ℃，电解槽内衬结构优化后保温效果非常显著[5]。

2 采用导气式预焙阳极，降低气膜电阻

阳极是铝电解槽的“心脏”，通过阳极将电流导入电解质，并与铝液、阴极形成闭合电路，而且阳极炭块在铝电解过程中参与铝的还原反应。在反应过程中，会产生一氧化碳、二氧化碳气体，由于这些气体不能及时排放出来，在阳极底掌下面形成气膜，由于这种气膜导不导电，使得电解质与阳极隔离，从而形成气膜电阻，导致电解槽工作电压上升。为了解决这一问题，国内许多研究人员从阳极结构入手，进行了许多研究[6-8]，认为采用开槽阳极或穿孔阳极[8,10]能够减少阳极底掌下气体行程距离，加速阳极气体从电解质与阳极界面的易初速度，从而降低阳极底掌下气泡层厚度，减小阳极气膜压降，最终降低电解槽工作电压，达到节能目的。

3 采用高导电阴极钢棒，降低铝电解槽炉底压降

阴极钢棒是连接阴极与阴极母线的导电元件。通常，在铝电解槽中，阴极钢棒是以整体结构镶嵌于阴极炭块的燕尾槽中。然而，生产实践证明，这种整体镶嵌的阴极钢棒有其固有缺点：电解槽底部温度分布不均匀，阴极钢棒两端的温度相对较低，通常只有200 ℃左右，而位于炉底中央的阴极钢棒的中尖部位温度相对偏高。某公司与中南大学合作，对240 kA铝电解槽阴极钢棒的温度分布情况进行测试，阴极钢棒中间部位的温度高达950 ℃[11]。由于阴极钢棒中间部位的温度远远高于其两端的温度，这就导致钢棒中间部位产生一定的蠕变，并且在其重力作用下产生下垂，从而使得该部位阴极钢棒与阴极炭块之间产生一定的间隙，而且随着电解槽运行时间的延长，间隙越来越大。阴极钢棒与阴极炭块之间的这种间隙导致二者之间产生不良的接触，从而使得阴极钢棒的导电性能下降，最终表现为炉底压降上升，能耗增加。因此，目前许多铝冶炼厂在电解槽大修时，普遍采用断开式高导阴极钢棒，同时增加阴极钢棒的高度。这种高导阴极钢棒的材质与普通阴极钢棒(Q235)有着明显的区别，为了克服高温导致的阴极钢棒中间温度偏高、钢棒与阴极炭块之间产生间隙最终导致炉底压降上升的缺陷，在阴极钢棒生产加工时，将其从中间断开分为两部分装配于阴极炭块的沟槽之中，两部分阴极钢棒之间用钢棒糊连接。王跃勇[12]等人对低阻加高阴极钢棒进行了仿真研究并得出结论：钢棒电阻率降低可以大幅降低阴极压降，同时也可以降低铝液中水平电流约20%。某公司在240 kA铝电解槽上进行了断开式阴极钢棒试验应用，平均阴极压降降低了30～60 mV。

4 优化磷生铁配方，降低铝用阳极铁碳压降

阳极炭块与阳极钢爪是通过磷生铁连接在一起的。然而，当磷生铁反复重熔几个循环后，就会造成生铁成分的巨大变化，主要体现在铁液中C、Mn含量下降、S含量上升，并且由于S对Mn的中合作用所形成的高熔点MnS的存在，不但使磷铁的铸造性能下降，而且也使铁液的电阻率增加。冯建国[13]研究了保持良好流动性及低阳极铁碳压降的磷生铁配方为：C 3.0%～3.5%，P 0.8%～1.3%，Si 1.8%～3.0%，Mn 0.5%～0.7%，S <0.15%，并通过对多循环磷生铁实施脱硫和增碳措施，保证磷生铁具有良好的流动性和低的铁碳压降。某公司也通过在阳极组装的熔炼工序开展技术攻关活动，优化磷生铁配方以及对磷生铁进行增碳脱硫，使得阳极铁碳压降由120 mV降低到90 mV。对降低铝电解槽工作电压起到了一定作用。

5 改进铝电解槽压接器连接方式，降低接触压降

在铝电解系列中，压接器是连接阴极钢棒和阴极母线的节点。到目前为止，多数铝电解行业仍然采用压接方式安装压接器。虽然这种安装方式具有安装方便灵活的优点，但是，由于压接器是通过螺栓与阴极钢棒连接在一起的，而安装位置所处的环境比较恶劣，工作温度高(正常情况下均在200 ℃左右)、粉尘大、长期受到打壳震动的影响，从而使得螺栓连接易于松动，并且随着运行时间的延长，铝铜爆炸块压接器通过高温变形和氧化，引起阴极钢棒头和压接器发红，电流分布不均匀，导致压接器压降升高，电耗增加。为了解决这一问题，近年来，一些铝冶炼厂对压接器与阴极钢棒的连接方式进行了改进，将螺栓连接的压接式改为焊接式，通过焊接使得阴极钢棒和压接器紧密地连接在一起，从而有效克服了温度、粉尘及振动因素对压接器连接效果的影响，确保了压接器压降处于稳定而较低的水平，有效降低了压接器压降。

某公司在7台240 kA铝电解槽上进行了压接器连接方式改进试验，分别测量了改进前后的压接器压降，见表1。由表1可以看出，改进前7台压接式电解槽压接器压降都相对较高，最大值可达23.86 mV，平均压接器压降为19.20 mV；改为焊接式连接后，平均压接器压降均小于5 mV，平均压接器压降降低了14.2 mV，而且电解槽的运行状况也比改进前平稳许多。

表1 改进前后的压接器压降比较 单位：%

5 结束语

在铝电解生产过程中，实现铝电解槽低电压运行是一项综合节能的系统工程，它涉及到电解温度、电解质分子比、阳极和阴极结构、各导电部件的结构形式和连接方式等。通过综合节能技术在240 kA铝电解槽上的实施，电解槽工作电压由4.17 V降低到3.90 V，平均吨铝直流电耗降低了839 kWh。因此，铝电解工作者只有在铝电解实践中关注并分析影响铝电解槽工作电压的每一个因素，结合不同电解系列的具体特点，制定相应的对应措施并付诸实施，一定能实现铝电解槽在低电压下能够稳定运行，达到降低吨铝生产成本的目的。只有这样，在铝电解市场低迷的情况下，铝冶炼厂才能在竞争激烈的市场中以较低的生产成本优势利占有一席之地。

[1] 中国有色金属工业协会轻金属部.2012年铝工业发展报告.中国铝加工与铝市场通报.总第二十二期(电子文档).

[2] 杜选科等.铝电解生产(职业技能鉴定教材)[M].兰州铝业股份有限公司编审委员会，2003年11月.

[3] Hasini Wijayaratne, Margaret Hyland, Mark Taylor, Andreea Grama, Tania Groutso. Effects of Composition and Granulometry on Thermal Conductivity of Anode Cover Materials. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2011[C]，399-404.

[4] 李贤，刘民章，杨国锋.240 kA系列预焙铝电解槽低温低电压生产实践[J].有色冶金节能,2103(1):18-21.

[5] 高峰，张友禧，李贤.应用新技术降低240 kA铝电解槽电耗的实践[J]. 轻金属，2104(8):33-37.

[6] 任必军,王兆文,石忠宁,班允刚, 邱竹贤. 大型铝电解槽阳极开槽试验的研究[J].矿冶工程，2007(6)：61-63.

[7] 谢斌兰. 开槽阳极的使用及制造[J].中国有色冶金，2008(5)：79-82.

[8] 焦庆国 史志荣. 开槽阳极在铝电解槽上的应用与研究[J].铝镁通讯，2009(3)：12-14.

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[10] 陈国兵.穿孔阳极技术在铝电解中的工业试验[J].有色冶金节能，2012(5):22-

[11] 中南大学冶金工程学院.青海桥头铝电股份有限公司.240 kA低电压铝电解试验槽电- 热长仿真报告[R]，2012.

[12] 王跃勇 唐新平 邱仕麟.降低铝电解槽阴极压降仿真研究[EB/OL]，极距铝业论坛，http:∥www.alacd.com

[13] 冯建国. 铝用阳极组装磷生铁配方探讨[J].四川有色金属，2010:27-29.

Discussion on Approaches to Achieve Low Voltage Running for 240 kA Aluminum Reduction Cell

WANG Gang， LIU Min-zhang, LI Xian

Based on summarizing the predecessors’ research work， in combination with the production practice of aluminum electrolysis，this paper summarizes briefly the approaches which led to low voltage running of 240 kA aluminum reduction cell.

aluminum reduction cell; low voltage; operation; approach

2014-07-07

王 刚(1981—)， 男， 甘肃酒泉人， 工程师， 大学本科， 现为青海桥头铝电股份有限公司技术中心科技管理主管， 主要从事公司科技管理工作。

TF821

A

1008-5122(2015)02-0022-03