大型鋁電解槽新式陰極型鋼保溫技術生產應用研究

王志謙，溫鐵軍，2，張洪濤，2

（1伊電控股集團有限公司 2河南省鋁電解工程技術中心；河南 伊川 471300）

鋁電解生產由強大電流電經陽極碳塊通過鋁液層傳遞到陰極碳塊，由陰極型鋼(陰極鋼棒)導入電解槽槽周母線，連入下一臺電解槽，電解槽周圍母線的直流電在內襯熔體區形成磁場，鋁液中的水平電流和垂直磁場相互共同作用產生電磁力，使鋁液的產生波動，波動越大，電解槽能耗和槽況越差。本研究項目在300KA電解槽采用新式陰極鋼棒結構技術，加寬陰極鋼棒和炭塊燕尾槽寬度，將陰極鋼棒和炭塊燕尾槽按照一定加寬，配套優化保溫材料，從而改變陰極鋼棒的導電結構，降低鋁液中的水平電流，提高電解槽的穩定性、優化熱場，降低爐底壓降、降低能耗、提高電流效率[2]。

1 電解槽新式陰極鋼棒結構、保溫結技術特點

1.1 電解槽新式陰極鋼棒結構

電解槽新式陰極鋼棒結構技術采用對陰極鋼棒和炭塊燕尾槽寬度，將陰極鋼棒和炭塊燕尾槽按照一定比例加寬，從而改變陰極鋼棒的導電結構，減少水平電流，減小槽內鋁液流體的流動和波動性，適用匹配電解低溫低電壓節能生產。提高電解槽的有效極距，提高電解槽的穩定性、降低爐底壓降、降低槽電壓，提高電流效率。從而達到大幅降低電解生產能耗。

電解槽保溫結構升級是配套陰極加寬鋼棒技術，對電解槽槽內襯內保溫設計進一步的優化，減少槽體散熱損失。保持電解槽熱平衡，利于電解生產形成穩定規整的槽膛，保證電解生產平穩高效生產運行。①實驗技術的重點：研究新型鋼棒及內襯改變對電解槽三場的影響程度。后的工藝技術控制條件，利于形成規整穩定的爐幫。②電解槽新式鋼棒和保溫的生產環境下的電解工藝技術控制管理。③電解槽低溫低電壓節能生產技術的運行空間。

1.2 電解陰極鋼棒和內存的優化改變

試驗采用普通鋼材陰極鋼棒，對電解槽陰極鋼棒、陰極炭塊進行結構及保溫方案進行改造，鋼棒尺寸要由原來的198mm×70mm改為198mm×90mm，陰極燕尾槽的尺寸原來的200mm×90mm改為200mm×110mm。對保溫材料進行升級研發：側部為10mm厚納米保溫層，底部為10mm厚納米保溫層，端頭部位為15mm厚納米保溫層；需改進加厚為：側部為12mm厚納米保溫層，底部為15mm厚納米保溫層，端頭部位為20mm厚納米保溫層[3]。

1.3 電解槽陰極鋼棒變化模擬仿真計算

（1）原陰極鋼棒及內襯電解槽。計算電解槽運行平均電壓3.902V，對應極距為5.0cm。其中陽極電壓0.346V,電解質電壓1.394V，陰極電壓0.290V。電解槽等溫線分布如圖2所示，900℃等溫線基本在炭塊底部，這是由于槽溫較低所致。800℃等溫線在保溫磚層上部，整體850℃等溫線在防滲層中，能夠保證電解槽的防滲性能。結果顯示電解槽側壁平均溫度304℃，槽底平均溫度64℃。

圖1 70×198mm鋼棒電解槽等溫線分布

圖2 電解槽鋼棒頭溫度

（2）新式陰極鋼棒結構技術電解槽模擬仿真。計算電解槽運行平均電壓3.877V，對應極距為5.0cm。其中陽極電壓0.349V,電解質電壓1.394V，陰極電壓0.261V。電解槽等溫線分布如圖5所示，圖中顯示槽底等溫線位置與鋼棒截面70×198mm時類似，但側壁等溫線變化很大。側部800℃等溫線在70×198mm鋼棒時基本在陰極外側，但鋼棒截面修改為90×198mm后，800℃等溫線進入炭塊以內，導致電解質可能在炭塊區域凝固。電解槽爐幫形狀如圖6所示，圖6說明了鋼棒由70×198mm修改為90×198mm后，維持內襯結構形式和極距不變，爐幫厚度由11.9cm增加到14.9cm，伸腿長度由11.3cm增加到15.1cm[4]。

圖3 新式鋼棒截面修改后電解槽等溫線分布

圖4 電解槽鋼棒頭溫度

2 電解槽新式陰極型鋼保溫技術試驗情況

試驗選取300KA電解槽#42XXH和24XX#兩臺，在2017年大修應用并啟動生產。為了科學的準確的對比試驗項目結果，在同期同工區選取兩臺大修啟動的4XX9和4X1X普通電解槽對比驗證

（1）在2017年電解槽大修中，我們在兩臺電解槽采用鋁電解槽新式陰極型鋼保溫技術，陰極碳塊采用50%石墨質，加寬燕尾槽陰極碳塊，鋼棒采用普通加寬鋼棒，配套電解槽內襯保溫技術。兩臺對比電解槽陰極碳塊采用50%石墨質，鋼棒采用普通鋼棒，電解槽普通保溫技術。

（2）試驗電解槽一年的生產運行情況。①#2XXX槽：工作電壓3.935V，鋁水平32cm，電解質水平16cm。槽溫917℃，爐底壓降309mV，鋼棒溫度平均250℃，鋼窗溫度平均263℃。#42XX槽：工作電壓3.92V，鋁水平32cm，電解質水平16.5cm。槽溫916℃，爐底壓降270mV，鋼棒溫度平均245℃，鋼窗溫度平均255℃。②試驗槽啟動爐底壓降情況。

表1 電解槽生產運行1年技術指標

（3）試驗電解槽3年的生產運行情況。

表2 電解槽生產運行3年技術指標[5]

（4）試驗結論。電解槽新式陰極型鋼保溫技術應用試驗，隨著電解生產周期的延長，試驗較高爐底壓降電解槽明顯下降，從焙燒啟動初期的302.5mv生產運行3年降低到271.25mv，正常電解槽生產運行隨時間的延長，爐底壓降緩慢增高。這種現象值得研究。兩臺試驗槽爐底壓降和對比槽降低了29.8Mv，直流電單耗降低86.96Kwh/t.Al，對電解槽生產技術指標明顯的改善。

3 結語

鋁電解槽采用普通鋼材對陰極鋼棒尺寸進行結構優化，改變陰極鋼棒的導電結構，對電解槽內襯材料保溫進行同步優化，改善電解槽磁場、電場和熱場，降低鋁液中的水平電流，提高電解槽的穩定性、降低爐底壓降、降低能耗、提高電流效率，利于保持電解生產熱量、物料平衡。我國電解鋁產能占據全球的55%，電解新技術應用節能規模和效益巨大，電解槽陰極型鋼和保溫配置的技術研究前景廣闊。