铝电解槽预焙阳极独立提升工艺设计研究

2020-07-20贺国念李红飞陈建宏吴其荣刘舒巍

世界有色金属 2020年7期

舒斌，贺国念，毛霖，李红飞，陈建宏，吴其荣，刘舒巍

（国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401120）

据国家统计局数据，2019年我国原铝产量为3504万吨，约占世界的60%以上，已是名副其实的电解铝第一大国。同时也已建成电流达660kA、单槽产能1800吨/年的新一代大型电解槽。电解铝技术近几十年的总体发展主要体现在电解电流（或槽型）的不断变大，如电流经历了180kA、200kA、280kA、300kA、350kA、400kA、500kA、600kA、660kA的发展，并在吨铝生产能耗、物耗下降及环保方面也取得了显著成效[1]，但是对于预焙槽的生产工艺却没有较大突破或创新性变革[2，3]，其中之一即是电解槽上部阳极提升系统。

电解槽阳极提升当前采用的是集中框架式结构，即所有阳极导杆被夹持在槽体两侧水平大母线上，水平母线向导杆供电的同时还通过支吊点与升降器联结，升降器再通过传动轴由电机统一驱动水平母线运动，除换极过程外每个阳极的升降运动均同步。阳极集中升降工艺自预焙槽型发明以来就一直沿用，其工艺结构除因槽型和载荷变大而对母线吊点数量和升降器结构进行过优化设计研究[4-6]外，其他并未有明显改进。

随着产业技术水平的不断进步，电解铝工艺已朝着“低电压、低温度、高电流效率、低极距、低排放、智能化”的方向发展[7-9]，越来越多的生产实践表明电解槽阳极集中提升工艺已不适应铝电解技术的发展需要和趋势，主要表现在以下几个方面：

①无法实现极距的“按需”调整，即每个阳极可能因碳素材料、加工制造、新旧极差异或槽底状况不同等原因消耗速度始终存在偏差，阳极底掌并非很好的处于同一平面而无法更好控制极距，不利于降低电解电压、提升电流效率；②无法实现阳极电流在线测量并掌握实时分布情况[10-12]，不能及时判断槽内电解质浓度状态，对氧化铝、氟盐等下料无法起到优化控制作用，不利于降低阳极效应发生频次；③抬升母线作业强度大，每次抬升母线需要利用天车并通过提升框架进行辅助操作既费时又费力；④电解槽智能化控制精度水平较弱，槽控系统能直接获得的参数输入为系列电流值“I”和槽平均电压值“U”，槽控机在仅靠“I”、“U”和相关经验数据设定输入再作模糊解析判断并控制电解槽操作，智能化程度低且精度不高。

本文针对预焙铝电解槽阳极集中提升工艺存在的不足，设计一种新型的阳极独立提升工艺并作相应技术分析以期抛砖引玉，使电解生产能够获得更优的极距和电流效率、更低的降低阳极效应频次等技术指标，并提升电解槽智能化控制水平等，实现电解铝的深度节能降耗并推动技术进步。

1 工艺关键构成

相对阳极整体框架式提升方式，要实现独立提升需要先解列导杆与水平母线的联结，即将每组阳极变成可独立运动的个体，再针对单组阳极配置独立的驱动电机和传动机构，同时调整水平母线布置再从母线上引出单独的供电软联结带为导杆供电，并利用供电连接带设置电流测量装置实现阳极电流的在线检测。

图1 阳极独立提升工艺简图

工艺包括独立驱动装置、导杆提升综合系统、母线及阳极供电联结、电流在线检测及控制几个关键方面。图1为阳极独立升降系统工艺简图。

1.1 独立驱动系统

所谓独立驱动系统，即针对每组阳极设置一套单独的驱动装置以实现自由升降运动，图2为独立驱动系统装置示意图（图1中A的侧视放大图），系统设置有微型驱动电机、减速装置以及连轴器，驱动系统布置在电解槽顶部平面并靠近导杆一侧。

减速装置出力轴通过联轴器与丝杆起重器的蜗杆联结并输出动力，经减速机后电机输出扭矩得到较大提升可以驱动更大的阳极载荷作升降运动。

1.2 导杆提升综合系统

如图3所示（图1中B的放大图），导杆提升综合系统包括丝杆起重器、丝杆联结件、过渡件、夹具、滑动导轨等。

丝杆起重器接受动力输入后驱动蜗轮带动丝杆作竖直方向运动，丝杆下端通过联结件与过渡件相连，过渡件外侧面安装有夹具夹持导杆，内侧面与滑块相连并在导轨上滑动，导轨固定在槽体壁面，滑动导轨的作用在于使阳极在提升过程不发生水平方向位移，过渡件另一侧面则设置导杆供电软连接带接入点。

1.3 母线及阳极供电联结

如图4所示（并结合图1），独立提升工艺仍保留电解槽左右两根水平母线，但需固定布置在靠近槽罩板上边沿与壁面位置的交接处，并只供电而不再承担阳极载荷。从水平母线上引出供电软联结带与阳极导杆一一对应，并接至过渡件上为导杆供电，利用过渡件还设置有可实时检测电流的测量装置。

图2 阳极独立驱动系统简图

1.4 电流在线检测及控制

结合图3、图4所示工艺结构，首先在水平母线上设置一段母排并在母排上固定安装电流检测装置，软联结带从母排上再引至过渡件。

图3 导杆提升综合系统简图

图4 母线布置及供电软联结简图

利用电流检测装置可以获得阳极电流实时分布数据，再通过槽控机对电流分布数据计算和解析，将给判断槽况和生产控制带来积极作用，图5为增加阳极电流分布数据后电解槽控制方案示意图。

图5 增加实时电流in后电解槽控制方案

2 技术特点分析

2.1 实现阳极电流在线测量

掌握阳极电流实时分布一直是业内人士追求的技术突破之一，但因阳极提升工艺结构和操作的限制一直没有实现，尽管研究人员相继提出了诸如测量横梁母线等距电压计算阳极电流分布法[13]、利用导杆温度与电流相关性原理计算阳极电流分布法[14]、阳极导杆等距电压测量法等方法来检测阳极电流，但这些技术方法都存在的一个普遍问题即无法实现电流在线测量和数据实时反馈并且数据误差较大。

在本文提出的工艺中，因阳极提升结构的变化，设置了软联结带为阳极导杆供电，并利用软联结带设置电流测量装置，电流测量装置体积小、安装简便、精度可靠，在空间平均磁场不高于200Gs条件下测量精度可达0.05%，通过测量装置可以实时获得阳极电流数据并转换成数据信号传递至槽控机，为电解槽的分析控制提供直接的数据支撑。

2.2 提升电解槽自动化水平

铝电解槽生产是一个具有多变量耦合、时变和大滞后的工业过程对象[15]，槽况特征多变且缺乏精确数学模型和解析算法无法形成闭环控制，目前电解槽的生产控制可以认为是“人-机”配合下得到的一种模糊解。在当前技术条件下，槽控机作为自动控制设备通过采集槽平均电压“U”和系列电流“I”再结合预设的经验参数和算法来综合解析判断，以实现对阳极升降、打壳下料、出铝等操作。但因槽控机获得的数据仅为系列电流“I”和槽平均电压“U”两个宏观数据，缺少能够直接反应生产现状的客观数据，因而自动化控制水平实际并不高。

获得阳极电流实时生产数据“in”后，槽控机通过解析运算对槽内生产状态掌握更加准确、物料平衡控制趋于完善，可使阳极效应发生频次下降乃至消除；另一方面由于每个阳极组采用独立电机驱动如伺服控制，根据槽况的调整需要可以实现阳极“按需”分布式升降，对优化电解槽极距、提高电流效率非常有利。因此阳极独立提升工艺有助于提升电解槽自动化水平乃至为进一步的智能化生产提供基础。

2.3 简化生产作业过程

对于阳极生产作业而言，独立提升工艺最显著的优点是可以取消母线抬升作业，而只需针对单个阳极因换极、极距调整时的行程控制无需操作水平母线，与现有阳极框架式提升方式相比可以大大降低多功能天车、运行人员的作业强度和操作时间，同时更进一步的还可以省略阳极辅助提升框架简化设备需求；另一方面，现有母线抬升作业存在因带电摩擦而导致的母线与导杆“打火”现象，不仅易损坏母线和导杆还带来极大的生产安全隐患，而独立提升工艺则可以完全杜绝该问题使生产过程更安全。

2.4 降低生产能耗

大型预焙电解槽的能量利用率仍不足50%[16]，大量的热能通过烟气、槽体、上部结构等途径散失，据相关文献和大量调研数据，我国电解槽能耗水平与世界先进水平存在不小的差距[17]，以400kA电流槽型为例，目前我国电解槽电解电压大多在3.9V～4.0V（部分老槽型甚至高于4.0V）、平均电流效率91%～92%，而先进水平的电解电压在3.8V～3.9V、电流效率可达95%～96%，因此电解槽具有较大的节能潜力。

通过前文分析，采用阳极独立提升工艺后可以起到优化极距、提高电流效率乃至降低阳极效应频次的效果，具体可体现在电解能耗下降上，独立提升工艺实施后预期可以获得电解电压降低0.1V、电流效率提升2%以上的节能效果，根据电解槽能耗计算公式[18]，生产1吨铝可产生的直接节能量约为560kWh/t-Al，同时阳极效应发生频次可以降至0.01次/槽·日以下，若全国暂按3500万吨/年产量计算每年可节省约68.6亿元能耗成本（其中电价暂按0.35元/kWh计）；除此之外在设备运行方面亦可产生节能效果，以350kA槽双炭素阳极为例（24组阳极），阳极集中提升工艺电机功率配置为9kW，而采用独立升降系统驱动功率配置总计约7.5kW，且升降控制更灵活运行能耗更低。