铝电解槽阳极炭块顶面结构的对比研究

刘 靖

（1.东北大学，机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

铝用预焙阳极是电解铝上游行业，作为电解生产的原料，成为铝工业生产的主要原料之一。每生产1吨原铝约需要消耗0.5吨预焙阳极，大约占原铝冶炼成本的10%～20%。预焙阳极具有良好的导电性能和抗高温腐蚀性能，被称为电解槽的“心脏”[1]。其中提高单位面积产率和全员劳动生产率的核心需求的实现都与预焙阳极炭块息息相关[2]。

在我国各区域产能协调发展的政府政策下，2017年度全国原铝产量3328.96万吨，国内预焙阳极炭块产量在1970万吨左右，其中出口约101万吨，增长放缓。由于预焙阳极生产采用石油焦和沥青为原料，历经煅烧、焙烧、组装的过程，我国阳极炭块生产企业环保压力不断增大、由于污染带来的限产改造时间不断增长[3]。

1 阳极炭块类型

基于以上阳极炭块的基本尺寸，根据阳极炭块上顶面位置的结构，分为四种研究类型，第一种为直角型（Type 1 Right-angle Type），第二种为棱角型（Type 2 Edge Type），第三种为圆弧型（Type 3 Arc Type），第四种为波浪型（Type 4 Wave Type），按照以上分类进行比较分析，四种结构类型如图1所示。

图1 四种顶面结构的阳极炭块模型

按照典型的生产工艺参数，在其余工况条件都相同的情况下，基于ANSYS物理场软件，建立全槽模型，进行“热-电-机械模型”分析，针对直角式、棱角式、圆弧式、波浪式共四种上顶面结构形式的阳极炭块进行对比性的技术分析，找出其中的差异与规律。

2 阳极炭块电流分布

四种方案阳极炭块的电流分布计算结果如下：

图2 阳极炭块电流密度分布计算结果

从总体电流密度计算结果来看，电流密度在31～42mA/mm2之内，电流方向序列较为一致，没有过多差异。和Y-轴向的电流密度分布情况来看，电流密度在顶面分布形式均围绕炭碗周边分布。

3 阳极炭块电压降

阳极炭块自身质量和相关性能参数将直接相关着电解生产工艺。阳极组电压降由炭块压降、铁碳接触压降、阳极钢爪压降、复合块压降、阳极导杆压降等部分组成。阳极组电压降占电解槽电压的7.5%左右，阳极组装的质量越高，阳极压降越低，即所消耗的电能越少。而阳极炭块本身电压降一般占阳极组压降的50%～65%之间，因此阳极炭块电压降对电解槽能耗有很直接的影响。

表1 阳极炭块电压降计算结果列表

通过计算结果可以看出，第一种类型阳极炭块的电压降最高，为224.62mV；第四种类型阳极炭块电压降最低，约219.10mV，同第一种类型相比较，第四种类型阳极炭块的电压降同比下降2.46%，对整体压降对比降幅明显。

4 阳极炭块温度分布

阳极炭块的温度分布计算结果如下：

图3 阳极炭块温度分布计算结果

四种类型阳极炭块的温度分布趋势和数值基本一致，整体来看阳极顶面温度均在270℃左右，其实际更多的作用是维护电解槽热平衡。

5 阳极炭块应力分布

阳极炭块是通过阳极钢爪与之连接进行传导电流的，那么除了对于热场、电场的对比衡量之外，更重要的是阳极钢爪与阳极炭块之间的接触应力分布是否合理，应力数值是否在阳极炭块材质本身的物理性能承受范围内。根据行业标准《铝电解用预焙阳极》YS/T 285-2012中的要求，阳极炭块的耐压强度在32～35MPa之间，并且要有抗折强度的测定。

各型式阳极炭块热应力分布情况有所不同，最大应力点位置集中在炭碗周边，但整体热应力均在阳极碳素材料的许用承受范围内。

通过基于ansys多物理场耦合软件对不同上顶面结构的阳极炭块进行研究，可以看出阳极炭块顶部的结构形式，对于阳极炭块电流分布和温度分布影响较小。

6 结语

不同上顶面结构阳极炭块模拟分析结果显示，波浪式的上顶面结构在各项因素分布中均匀性为最优，但各形式阳极炭块在温度分布、电流分布、热应力分布及电压降值等方面差异并不明显，那么后续研究就可以将重点放在对比阳极毛耗，以降低阳极毛耗为核心出发点，在单一型式下采用多参数寻优方式，找出最佳的上顶面尺寸参数值，以提高经济效益。