陽極保溫箱在電解生產中的應用

王君義，阿富林

（中國鋁業青海分公司，青海 大通 810108）

1 概述

引起電解槽工藝紊亂的三個因素分別是：電解槽結構輔助設備機電故障；操作控制合格率不高（換極過程尤為明顯）；電解槽工藝管理不匹配。電解生產中最重要的操作和對電解槽穩定性沖擊最大的是更換陽極。陽極保溫箱的使用可以充分利用殘極的熱能對新極進行預熱，以減少換極過程對電解槽技術條件的干擾，降低生產能耗的目的[1]。

2 換極過程造成電解槽能量損耗

換極過程是大型預焙電解槽能量損耗的重要環節。首先，拔出殘極的溫度平均為650℃～700℃，每組殘極帶出的熱量達到Q損1=2C炭素m△T=1.29×105KJ；換極過程平均持續時間為20min～30min，損失的熱量達到Q損2=a（tw-tf）F=0.04×105KJ；裝入新極時，由于新極的溫度為10℃～25℃，平均三小時后新極溫度達到350℃時，此時間段裝入槽內的新極附近為冷區，共損耗電能Q損3=2C炭素m△T=3.4×105KJ。以上換極階段電解槽共損耗4.73×105KL能量。按照沈陽鋁鎂設計院的SAMI型槽控機的控制原理，換極過程給予150mv的補償電壓在120分鐘內分四個階段降至設定電壓：第一階段附加電壓150mv持續30分鐘；附加112.5mv持續30分鐘；附加電壓75mv持續30分鐘；附加電壓37.5mv持續30分鐘。此過程共補償能量Q補償=I2R1t1+I2R2t2+I2R2t2=4.8×105KJ。由此可見由于冷態陽極裝入電解槽匯造成大量能量損耗。

3 陽極保溫箱設計與使用

2011年初，有色金屬行業專家提出“鋁電解陽極預熱技術”[2]。該技術理論上采用炭素生產中的煙氣作為熱源來預熱陽極，以中鋁青海分公司40萬噸鋁產能計算，使陽極溫度增加至300℃，噸鋁直流電耗可降80kwh，但投資需要1200萬以上。而中鋁青海分公司設計的保溫箱每套價值3.5萬元，推廣到分公司24個工區共需48個保溫箱即可把所有要更換的陽極進行預熱，全部投入為150萬元。

目前電解槽陽極更換過程不僅破壞了電解槽的熱平衡與穩定性，還嚴重影響著電流效率等諸多技術指標[2]。若全部陽極使用預熱節能技術后，如前所述“鋁電解陽極預熱技術”，可以看出降耗工作已成為鋁電解行業可持續發展的關鍵。中鋁青海分公司電解廠選擇“雙層陽極預熱保溫裝置”作為陽極預熱的最優方案。雙層陽極保溫箱實施對策表，見表1。

表1 雙層陽極保溫箱實施對策表

3.1 內部空間結構設計

內部結構：為了節省用料和占地空間，提高陽極底掌預熱面積，陽極與高溫殘極分雙層交替擺放。

3.2 總體尺寸計算

計算裝置總體尺寸：①長度：預熱陽極塊數×（陽極寬度＋導桿寬度＋預留空間）（6×（660＋130＋330）=6720mm）。②寬度：陽極長度＋預留空間＋保溫層（1500＋180+120=1800mm）。③高度：陽極高度×2＋保溫層＋陽極鋼爪高度＋預留空間（580×2＋200＋340＋200=1900 mm）。

實現6塊陽極同時預熱，裝置總體尺寸為：長×寬×高（單位：mm）：6720×1800×1900。

3.3 整體結構設計

根據所選擇的最佳方案，利用CAD軟件繪制《陽極預熱保溫裝置框架總圖》[3]。

3.4 承重計算

①陽極自重：815kg；極導桿及鋼爪重：302kg；總重量1117kg。②承重架材料：矩形鋼管（60×90×5 Q215）。長度=1600mm壁厚=5mm截面面積A=1400mm2慣性矩I=11600mm4。④可承擔重量達到：1450kg。

3.5 保溫箱內壁保溫材料

保溫箱內壁材料整體用石棉材料覆蓋，既可以起到保溫的作用，又可以避免保溫箱外部鐵皮備高溫陽極炙烤變形。

3.6 保溫箱使用效果

拔出殘極溫度650℃～700℃左右；8小時后預熱陽極溫度150℃～170℃；中國鋁業青海分公司電解分廠某工區使用保溫箱后16h電流分布情況：角極0.8mv～1.0mv，合格率87.6%；非角極1.2mv～2.4mv，合格率88.7%。

使用預熱陽極減少了電解槽穩定性和熱平衡的波動、提高電流效率、縮短陽極導電的時間、減少爐底沉淀、減少換極時的陽極效應和針振，為電解槽的運行帶來極大的好處。

（1）減小陽極電壓降。潮濕陽極上槽后其表面附著的水分會在短時間內進行氣化產生許多氣泡，在陽極底掌形成大量的氣膜電阻，增大陽極與電解質之間的電壓降。另外，預熱后的陽極可以減少鋼爪與陽極之間的接觸電壓降。

（2）提前達到電流滿負荷。陽極預熱后因其導電性改良，上槽后陽極表面的電解質冷凝層減薄，提前6h～8h陽極電流分布達到滿負荷，平衡提高了單位陽極面積的產鋁量。

（3）增強電解槽穩定性。預熱陽極上槽后對新極周圍電解質溫度的降低程度要比沒有預熱的冷陽極相對較小，不會因為電解質冷縮，槽溫下降太多而導致電解質溶解氧化鋁不良的現象出現。

（4）防止溫損過大。使用預熱的樣機減少陽極上槽后電解質溫度的降低程度。另外由于預熱后陽極導電性能改善，使陽極達滿負荷電流的時間大大提前，盡快消除剛換陽極在電解槽熔體體系中形成的局部過冷。所以，陽極預熱后再上槽在一程度上減少了電解槽在換極過程中的溫損，降低了無功電耗。

4 總結

新換陽極周圍的電解質的電阻率是溫度的減函數，溫度對電解質電阻率有顯著的影響。剛換上新極時因陽極本身溫度以及受新極影響的周圍電解質溫度降低，加之低溫時鐵～碳結合緊密性較差，導致新換陽極電阻過大，陽極電流分布偏小。保溫箱是利用拔出的熱殘極對新極進行烘干和預熱，使溫度達到150℃～170℃，減少因陽極潮濕或冷態造成電解槽技術條件變化，降低了能量消耗。該型陽極保溫箱結構簡單投資少，操作安全，中鋁青海分公司電解廠24個工區全部配備陽極保溫箱后，全年更換的75600塊陽極可全部實現預熱，以每塊陽極從20℃加熱到150℃時增加耗電量約為30KWh計算，全年共計節約電費196.92萬元。