浅谈750 mm超高阳极在大型铝电解槽上的研究与应用

赵营　刘光勇　戚宗华　李庆新　李恒刚　王晓华　张透方　高效军杜玉峰　潘兴旺　温保森　逯兆深　黄德江（新疆农六师煤电有限公司　五家渠　831508）



浅谈750 mm超高阳极在大型铝电解槽上的研究与应用

赵营刘光勇戚宗华李庆新李恒刚王晓华张透方高效军杜玉峰潘兴旺温保森逯兆深黄德江
（新疆农六师煤电有限公司五家渠831508）

摘要目前随着国内外的预焙铝电解槽的大型化，运行电流增大，阳极电流密度提升，使得阳极消耗速度加快，进而阳极更换周期缩短，电解槽热损失增加，换极干扰频繁，稳定性降低，最终表现为电流效率降低，吨铝能耗居高不下。本文中新疆农六师煤电有限公司技术中心及其铝厂、碳素厂（目前新疆农六师煤电有限公司铝厂产能190万吨，是世界单体产能最大的电解铝企业；新疆农六师煤电有限公司碳素厂年产90万吨碳素。）结合国内外现状及其背景研究与应用超高阳极技术，在大型铝电解槽上采用超高阳极替代高度≤650 mm的阳极炭块的工业化试验，结论表明其减少了换极频率、换极干扰以及换极热损失，真正意义上实现了增效降耗节约成本，为电解铝生产企业提供了一套投资少、见效快的电解铝节能降耗技术新思路。新疆农六师煤电有限公司技术中心及其铝厂，针对国内外通用的大型预焙铝电解槽上因阳极炭块设置高度较低，造成换极使用周期短，换极频率高，对铝电解槽稳定运行干扰大的难题，开展了750 mm超高阳极炭块在大型铝电解槽上的配置应用技术研究。

关键词超高阳极铝电解槽研究应用

1　阳极炭块高度对铝电解生产的影响

1.1阳极炭块的应用

现通用的预焙铝电解槽是用阳极炭块作为阳极导电材料和电解化学反应消耗材料进行电解铝生产，铝电解用阳极炭块与铝导杆、阳极钢爪，用浇注磷铁环的方式组装在一起，构造成阳极炭块钢爪组，与阳极大母线相连接，在电解生产过程中，阳极炭块的底部浸在铝电解槽的电解质液中，参与电化学反应。阳极炭块的高度随着参与电解热电化学反应的时间延长，而不断消耗缩短变薄，平均消耗高度为15 mm/d左右［1］。阳极炭块的高度在铝电解槽生产过程中可以分为两部分，一部分是在电解过程中消耗掉的高度部分，称为阳极净耗高度部分，一部分为从电解槽内更换出的高度部分，简称为残极高度部分［2］。

为保证铝电解槽在生产过程中的设定极距，随着阳极炭块逐渐反应消耗变薄，铝电解槽上部机械传动机构要带动阳极大母线及阳极炭块进行下降调整。当使用一定时间段后，即炭块消耗变薄至140～160 mm左右时［4］，为防止阳极钢爪头被电解质熔化，需将残极组从铝电解槽内取出，更换上一组新阳极炭块组，俗称换极作业。

铝电解槽的换极频率=电解槽配置阳极炭块的块数/阳极炭块的使用换极周期

即：铝电解槽每日更换阳极炭块的块数：块/日。

1.2换极作业对铝电解生产工艺的影响

铝电解槽换极作业，对电解槽稳定性和电流效率的影响极大，主要来源于两个方面，一个是换极热散失，对铝电解热平衡工艺状态的影响；一个是电流密度的频繁调整变异，对铝电解槽磁场稳定性的影响［3］。

在铝电解槽阳极炭块的组数、导电面积和电流强度设定后，铝电解槽所配置的阳极炭块的高度，不仅决定着阳极炭块的换极周期，而且还决定着铝电解槽的换极频率，决定电解铝厂的生产工艺方式。

铝电解槽配置阳极炭块高度设定，不仅影响铝电解的工艺参数的技术指标，而且影响着与阳极炭块作业相关电解铝生产体系的整体工艺配置，决定着整个电解铝企业的生产成本的高低。

电解铝生产工艺系统70%以上的生产工艺配置与阳极炭块有关，如果铝电解槽换极频率增加，电解生产的阳极碳块毛耗、换极作业、阳极组装、残极覆盖料处理等生产成本均会随之增加，企业经济指标则会下降［5］。

1.3大型铝电解槽对阳极炭块配置的要求

近几年来，我国的大型铝电解的容量已扩大到400 kA～600 kA以上。已成为我国电解铝产业的主要槽型，铝电解槽容量的增加，最大的优势是热稳定性增强，无疑为电解铝生产带来许多好处，但是，我国大型铝电解槽容量的增加，走的是增加阳极导电面积的技术路线，即在电流密度基本不变的情况下，靠增加电解槽阳极炭块配置数量的方式来实现的。

这种以增加阳极导电面积、增加阳极炭块组数为特征的技术路线，虽然增加了电解槽容量，但由于阳极炭块的高度未变，铝电解槽换极频率有所加大，换极作业对电解槽的稳定性干扰加大，使大型铝电解槽电流效率和普通铝电解槽几乎没有什么差别，没有显著的提高，大型铝电解槽的优势难以发挥，企业的技术经济效益难以显现［6］。

大型铝电解槽容量的增加，热稳定性增强，但对磁场的稳定性要求则更高，换极作业无疑是破坏磁场稳定性的最大因素，维持大型铝电解槽的磁场平衡的直接手段，就是减少铝电解槽的换极频率，就目前的技术条件而言，延长阳极炭块的使用周期是最好的方式。

2　超高阳极工业试验［7］

2.1前沿技术的特征

铝电解槽阳极炭块配置方式是电解铝企业的核心技术，从自焙槽到预焙槽，电解铝生产技术装备进步都是以阳极构造配置方式为标志。电解铝行业的科研工作者多年来，一直把减少换极作业对铝电解槽稳定性的干扰、提高电流效率、实现节能降耗、节约生产成本作为核心技术问题进行研究。如惰性阳极技术和连续阳极技术。虽然惰性阳极目前是遥不可及，连续阳极技术也由于较多技术障碍难以实现，但是，这两项科研技术却有着一个共同点，都旨在降低铝电解槽换极频率、减少换极作业对铝电解槽的稳定性干扰。

2.2工业试验状况简介

在惰性阳极无望，连续阳极难以实现，在大型铝电解槽生产需求和传统设计理念产生碰撞的大背景下，为解决大型铝电解槽由于炭块配置数量增加，阳极炭块高度设定偏低，换极频率加大，影响电流效率的问题，新疆农六师煤电有限公司技术中心决定自主创新，发扬敢为天下先，舍我其谁的创新担当精神，自2013年起，开展了铝电解槽超高阳极在铝电解槽上配置应用技术课题的研究，在原设计高度620 mm阳极炭块的基础上，一次将炭块加高130 mm；并于2014年，将750 mm超高阳极炭块在400 kA大型铝电解槽上进行了工业应用试验。

2.3工业试验的目的

将阳极炭块在铝电解上的使用周期提高22%以上。使阳极炭块的换极周期由原设计的30天，延长至39天。用减少铝电解槽换极作业频率办法，实现降低换极作业对铝电解生产工艺干扰，提高电流效率，减少阳极炭块毛耗的目的，同时用降低换极作业量的办法，实现整个电解铝企业生产工艺系统的整体节能减排，降本增效的生产，为电解铝生产企业提供一套既节能降耗节约生产成本，又简便易行的铝电解槽生产工艺方案。

3　工业试验槽与比对槽的技术参数

3.1创新设计后工业试验槽主要技术参数

槽型：400 kA；进电方式：6点大面进电。

设定槽压：4 000 MV；电流密度：0.815 A/cm2。

每台阳极炭块配置：48块。

阳极炭块尺寸：1 550×660×750（单位：mm）。

设计换极周期：实际使用换极周期为39 d。

铝电解槽换极作业极限高度1 250 mm。

3.2原设计铝电解槽（对比槽）主要技术参数

槽型：400 kA；进电方式：6点大面进电。

设定槽压：4 000 MV；电流密度：0.815 A/cm2

每台阳极炭块配置：48块。

阳极炭块尺寸：1 550×660×620（单位：mm）。

设计换极周期：30 d。

铝电解槽换极作业极限高度1 250 mm。

3.3创新设计的主要差异

（1）将原设计的阳极炭块的高度由620 mm增高到750 mm，增高了130 mm。

设计目的：同等技术条件下，致使阳极炭块的换极周期，由现在设计的30 d延长到39 d，即铝电解槽两次换极的时间间隔由原设定的30 h，延长至39 h。

（2）将原设计的阳极炭块的碳碗直径由原来的195 mm加大到205 mm，碳碗的深度不变，并且增加一道斜拉槽。

设计目的：增加阳极钢爪与阳极炭块之间的连接强度，降低铁碳电压降。

4　工业试验槽技术分析

4.1工业试验槽与对比槽技术指标比对分析［7］

2015年6月，电解铝厂选取了5台采用750 mm超高阳极炭块配置且运行半年以上的工业试验槽，与50台采用620 mm高度阳极炭块配置且条件优良可比的工业试验比对槽，就其技术参数和技术指标进行了全面的测试和统计分析，其结果表明：在400 kA，配置有48组阳极炭块的铝电解槽上，采用750 mm超高阳极炭块替代原设计高度620 mm高度阳极炭块的工业试验槽，各项技术经济指标均优于对比槽。

4.2工业试验槽的技术优势分析

铝电解槽内的热电化学反应过程是一个极其复杂的工艺生产过程。影响铝电解生产效率变化的因

表1　工业试验槽与对比槽技术指标分析表

素诸多，且关联性极强，互为影响制约。根据对采用750 mm超高阳极炭块的工业试验槽和对比槽的整体的比对分析可以表明，5台工业试验槽的综合数据指标明显优于对比槽各项数据指标。这种优化指标的取得是以下各种技术因素共同叠加作用所显现出来的技术关键点。

4.2.1正面技术优势分析

⑴电解槽换极频率减少，使铝电解槽内由于换极所造成的电流密度分布的平面位移干扰波动减少，即铝电解槽内部的稳定性增加（内部稳定性贡献）。

⑵电解槽换极频率减少，导致换极热散失减少。

⑶阳极炭块增高130 mm，在铝电解内阳极炭块整体高度则增加了65 mm，相当于在铝电解槽内部阳极炭块的上部增加了65 mm的碳素保温层，减少了铝电解槽的上部热散失。

⑷于铝电解槽内上部增加了65 mm的碳素保温层，上部散热减少，导致等温线下移，电解槽内稳定提高，电解质液的分解温度提高，导致沉淀减少，阴极炭块温度提高，导电性能加强，炉底电压降低。

⑸电解质液温度升高2℃，对氧化铝的溶解性能加强。

⑹换极干扰减少，电解质液稳定性提高，铝液的二次反应减少。

⑺电解槽内温度提高，导致阴极炭块温度提高。

⑻阳极炭块加高130 mm，炭块增重210 kg，为了增加铁碳之间的连接强度，对炭块的结构尺寸进行了改造，由于碳碗和炭块之间的导电面积和界面连接强度（铁对碳的径向压力）有所增加，导致阳极导电装置的铁碳连接电压降降低。

4.2.2负面技术因素分析

⑴单体阳极炭块加高130 mm，相当在铝电解槽内加高65 mm。在热负荷工况状态下增加。

⑵铝电解槽等温线下降后，阴极炭块温度提高，有利于阴极炭块压降降低，但也致使阴极钢棒端头提高，散热增加。

⑶电解槽等温线下降后，侧部炉帮平均减薄，会导致侧部炉壳表面温度提高，铝电解的散热增加。

5　 750 mm超高阳极技术效益分析［7］

经半年多的工业试验表明，在400 kA铝电解槽上采用750 mm超高阳极炭块，替代原设计620 mm普通阳极炭块进行配置，并应用于电解铝生产，取得经济效益见表2：

表2　节能降耗量统计表

6　 750 mm超高阳极工业试验结论

新疆农六师煤电有限公司，采用“世界第一高”超高阳极炭块，在400 kA大型铝电解槽上进行的工业试验表明，与原设计配置620 mm普通高度阳极相比。阳极炭块的使用寿命周期可以延长9天，阳极炭块使用周期提高22%以上。使阳极炭块的换极周期由原设计的30天，延长至39天。用减少铝电解槽换极作业频率办法，实现降低换极作业对铝电解生产工艺的干扰，提高电流效率，达到减少阳极炭块毛耗的目的，同时用降低换极作业量的办法，实现整个电解铝企业生产工艺系统的整体节能减排，降本增效的生产，为电解铝生产企业提供一套既能降低消耗节约生产成本，又简便易行的铝电解槽生产工艺方法。

本次工业试验结果表明，在现通用的大型铝电解槽上采用超高阳极替换高度≤650 mm的阳极炭块，用减少换极频率，降低对铝电解槽干扰，增强铝电解槽稳定性的办法，提高铝电解槽电流效率，是一种投资少、见效快的电解铝节能降耗的技术路线。

参考文献

［1］Jay Bruggeman，“Pot Heat Balance Fundamentals”，Proc 6th Aust.Al Smelting Workshop 1998.

［2］陈丽萍.关于铝电解用预焙阳极高度的探讨［J］.有色金属设计，2005，01:25-28.

［3］冯乃祥.大型预焙阳极铝电解槽内热场、电磁场、流场的数值计算［M］.东北工业出版社，2001.

［4］陈肖虎，杨朝红，高利伟.铝电解槽阳极结构参数浅析［J］.贵州工业大学学报（自然科学版），2006，01:18-20.

［5］潘炜，王云强，费征，陈富东，张小满，成志刚，李华.阳极尺寸对电解铝经济效益的影响［J］.炭素技术，2013，06:56-58.

［6］王金融，解正业，张峰，杨利.预焙阳极经济高度的研究及应用［J］.轻金属，2002，08:52-55+61.

［7］科技成果鉴定.750mm超高阳极炭块的制备与铝电解槽应用配置技术的研发.新疆农六师煤电有限公司.

收稿：2016-02-29

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