大型铝电解槽新式阴极型钢保温技术生产应用研究

王志谦，温铁军，2，张洪涛，2

（1伊电控股集团有限公司 2河南省铝电解工程技术中心；河南 伊川 471300）

铝电解生产由强大电流电经阳极碳块通过铝液层传递到阴极碳块，由阴极型钢(阴极钢棒)导入电解槽槽周母线，连入下一台电解槽，电解槽周围母线的直流电在内衬熔体区形成磁场，铝液中的水平电流和垂直磁场相互共同作用产生电磁力，使铝液的产生波动，波动越大，电解槽能耗和槽况越差。本研究项目在300KA电解槽采用新式阴极钢棒结构技术，加宽阴极钢棒和炭块燕尾槽宽度，将阴极钢棒和炭块燕尾槽按照一定加宽，配套优化保温材料，从而改变阴极钢棒的导电结构，降低铝液中的水平电流，提高电解槽的稳定性、优化热场，降低炉底压降、降低能耗、提高电流效率[2]。

1 电解槽新式阴极钢棒结构、保温结技术特点

1.1 电解槽新式阴极钢棒结构

电解槽新式阴极钢棒结构技术采用对阴极钢棒和炭块燕尾槽宽度，将阴极钢棒和炭块燕尾槽按照一定比例加宽，从而改变阴极钢棒的导电结构，减少水平电流，减小槽内铝液流体的流动和波动性，适用匹配电解低温低电压节能生产。提高电解槽的有效极距，提高电解槽的稳定性、降低炉底压降、降低槽电压，提高电流效率。从而达到大幅降低电解生产能耗。

电解槽保温结构升级是配套阴极加宽钢棒技术，对电解槽槽内衬内保温设计进一步的优化，减少槽体散热损失。保持电解槽热平衡，利于电解生产形成稳定规整的槽膛，保证电解生产平稳高效生产运行。①实验技术的重点：研究新型钢棒及内衬改变对电解槽三场的影响程度。后的工艺技术控制条件，利于形成规整稳定的炉帮。②电解槽新式钢棒和保温的生产环境下的电解工艺技术控制管理。③电解槽低温低电压节能生产技术的运行空间。

1.2 电解阴极钢棒和内存的优化改变

试验采用普通钢材阴极钢棒，对电解槽阴极钢棒、阴极炭块进行结构及保温方案进行改造，钢棒尺寸要由原来的198mm×70mm改为198mm×90mm，阴极燕尾槽的尺寸原来的200mm×90mm改为200mm×110mm。对保温材料进行升级研发：侧部为10mm厚纳米保温层，底部为10mm厚纳米保温层，端头部位为15mm厚纳米保温层；需改进加厚为：侧部为12mm厚纳米保温层，底部为15mm厚纳米保温层，端头部位为20mm厚纳米保温层[3]。

1.3 电解槽阴极钢棒变化模拟仿真计算

（1）原阴极钢棒及内衬电解槽。计算电解槽运行平均电压3.902V，对应极距为5.0cm。其中阳极电压0.346V,电解质电压1.394V，阴极电压0.290V。电解槽等温线分布如图2所示，900℃等温线基本在炭块底部，这是由于槽温较低所致。800℃等温线在保温砖层上部，整体850℃等温线在防渗层中，能够保证电解槽的防渗性能。结果显示电解槽侧壁平均温度304℃，槽底平均温度64℃。

图1 70×198mm钢棒电解槽等温线分布

图2 电解槽钢棒头温度

（2）新式阴极钢棒结构技术电解槽模拟仿真。计算电解槽运行平均电压3.877V，对应极距为5.0cm。其中阳极电压0.349V,电解质电压1.394V，阴极电压0.261V。电解槽等温线分布如图5所示，图中显示槽底等温线位置与钢棒截面70×198mm时类似，但侧壁等温线变化很大。侧部800℃等温线在70×198mm钢棒时基本在阴极外侧，但钢棒截面修改为90×198mm后，800℃等温线进入炭块以内，导致电解质可能在炭块区域凝固。电解槽炉帮形状如图6所示，图6说明了钢棒由70×198mm修改为90×198mm后，维持内衬结构形式和极距不变，炉帮厚度由11.9cm增加到14.9cm，伸腿长度由11.3cm增加到15.1cm[4]。

图3 新式钢棒截面修改后电解槽等温线分布

图4 电解槽钢棒头温度

2 电解槽新式阴极型钢保温技术试验情况

试验选取300KA电解槽#42XXH和24XX#两台，在2017年大修应用并启动生产。为了科学的准确的对比试验项目结果，在同期同工区选取两台大修启动的4XX9和4X1X普通电解槽对比验证

（1）在2017年电解槽大修中，我们在两台电解槽采用铝电解槽新式阴极型钢保温技术，阴极碳块采用50%石墨质，加宽燕尾槽阴极碳块，钢棒采用普通加宽钢棒，配套电解槽内衬保温技术。两台对比电解槽阴极碳块采用50%石墨质，钢棒采用普通钢棒，电解槽普通保温技术。

（2）试验电解槽一年的生产运行情况。①#2XXX槽：工作电压3.935V，铝水平32cm，电解质水平16cm。槽温917℃，炉底压降309mV，钢棒温度平均250℃，钢窗温度平均263℃。#42XX槽：工作电压3.92V，铝水平32cm，电解质水平16.5cm。槽温916℃，炉底压降270mV，钢棒温度平均245℃，钢窗温度平均255℃。②试验槽启动炉底压降情况。

表1 电解槽生产运行1年技术指标

（3）试验电解槽3年的生产运行情况。

表2 电解槽生产运行3年技术指标[5]

（4）试验结论。电解槽新式阴极型钢保温技术应用试验，随着电解生产周期的延长，试验较高炉底压降电解槽明显下降，从焙烧启动初期的302.5mv生产运行3年降低到271.25mv，正常电解槽生产运行随时间的延长，炉底压降缓慢增高。这种现象值得研究。两台试验槽炉底压降和对比槽降低了29.8Mv，直流电单耗降低86.96Kwh/t.Al，对电解槽生产技术指标明显的改善。

3 结语

铝电解槽采用普通钢材对阴极钢棒尺寸进行结构优化，改变阴极钢棒的导电结构，对电解槽内衬材料保温进行同步优化，改善电解槽磁场、电场和热场，降低铝液中的水平电流，提高电解槽的稳定性、降低炉底压降、降低能耗、提高电流效率，利于保持电解生产热量、物料平衡。我国电解铝产能占据全球的55%，电解新技术应用节能规模和效益巨大，电解槽阴极型钢和保温配置的技术研究前景广阔。