淺談鋁電解槽陽極保溫及防氧化技術

關永軍

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

1 技術背景

在傳統鋁電解生產中，為了陽極保溫并且防止氧化，需要在陽極組的上方及周邊覆蓋一層150～250mm覆蓋料，覆蓋料通常由破碎電解質和氧化鋁粉按一定比例配置而成。殘極處理包括電解質的清理和殘極壓脫，電解質在清理及其后續處理過程中的工作量很大，電解質要通過人工或機械設備進行清理，清理下來的塊狀料經過輸送、破碎、篩分、倉儲，再返回電解車間使用，整個生產過程及多種設備的運行需要消耗大量能源。電解質在輸送、破碎、篩分、使用的整個循環過程中均有揚塵，即使增加了除塵凈化系統，也難免對周邊環境造成影響，除塵凈化系統的運行需要消耗大量的電能，再次增加運行成本。電解生產中使用電解質及氧化鋁粉作為覆蓋料，無論是車間建設投資還是運行成本都很高。為了降低生產成本，有的電解鋁廠在單塊陽極借助保溫裝置進行保溫，但這種做法，增加了工序，綜合成本未降反增。

2 問題分析

鋁電解槽的保溫須適度，過分的保溫將妨礙槽側部結殼的形成，容易導致側部腐蝕和槽的早期破損。但如果保溫效果太差將導致槽幫結殼過厚，則容易造成壓槽等生產事故。無論是覆蓋料還是保溫裝置，都起到保持電解槽能量平衡、防止陽極被氧化，減少電解質揮發等諸多作用。覆蓋料的成分、粒度、厚度、導熱系數和安息角等參數決定了覆蓋料的性能。因此，覆蓋料的后續處理包括清理、破碎、篩分、儲存、轉運等工序，對其中的破碎、篩分存儲等工序要求比較嚴格，對相關設備的選型，設備的性能要求也非常嚴格。探索覆蓋料的替代產品成為諸多鋁廠及相關工作人員一直努力的目標，但因各種因素，均未獲得成功。

3 解決方法

為解決上文所述覆蓋料存在的諸多問題，設計一種保溫蓋板來替代覆蓋料成為解決問題的核心。保溫蓋板系統的設計，涉及兩方面內容：一方面保溫蓋板設計，另一方面是自動控制系統設計。保溫蓋板設計，需要借助ANSYS軟件對保溫材料理化性能、厚度和保溫蓋板的結構進行優化設計。目前，我院與某保溫材料廠家合作，經過多方面努力，最終研究出一種耐高溫，保溫效果好的保溫材料，現處于工業試驗階段。這種保溫蓋板具有如下特征：①體積小、重量輕、方便抓取；②保溫效果好、耐高溫，抗腐蝕；③在高溫下，要有一定的力學強度。

電解槽生產中產生大量的煙氣，傳統的電解槽的上部結構，電解槽上部結構框架內設計一個較大的集氣腔體，用于對煙氣進行回收，經煙道匯集至電解煙氣凈化系統進行凈化處理。為了替代覆蓋料，采用保溫蓋板結構，將目前的單腔體-集氣腔體調整為雙腔體，即在原來的單一集氣腔的下方增設保溫腔。保溫腔和集氣腔間由保溫蓋板進行隔離，為減輕單件重量，方便抓取操作，將保溫蓋板設計成多塊蓋板。保溫蓋板分蓋板框架、耐高溫保溫蓋板、絕緣件、導桿密封件等組成。保溫蓋板分兩大部分：固定部分和可拆卸的活動部分，在電解槽的中心區域為固定部分，電解槽的兩側和電解槽的兩個端頭為可拆卸的活動部分，可拆卸的活動蓋板一端搭在固定部分的蓋板上，另一端搭在電解槽殼上，可拆卸的活動部分的蓋板安裝有絕緣件，使其與槽殼和固定部分蓋板間處于絕緣狀態。可拆卸的活動蓋板有導桿穿過處，設有導桿密封件。

圖1 電解槽側視圖

自動控制系統設計，主要涉及PLC和相關控制元件組成的系統涉及。相關控制元件包括：壓差開關、溫度傳感器、控制器等。固定的保溫蓋板上安裝有耐高溫溫度傳感器，保溫腔和集氣腔間安裝有壓差開關。保溫腔內因溫度較高，加之電解鋁化學反應中要產生大量的氣體，保溫腔的壓力很大。集氣腔通過煙管與電解車間煙氣凈化系統連接，集氣腔對外界顯負壓，保溫腔對集氣腔顯正壓，外界的氧氣很難進入保溫腔，阻止了陽極組被氧化。固定部分的保溫蓋板上設有氣動泄壓閥，當保溫腔的壓力太大時，壓差也將隨之增加，當壓差達到某一設定值，氣動泄壓閥開啟，泄壓，當壓力降為某一設定值時，泄壓閥關閉，完成泄壓。安裝于固定的保溫蓋板上的溫度傳感器，將時時監測保溫腔的溫度，并將溫度數據發送給槽控機，電解車間監控中心可隨時了解保溫腔溫度情況，進而了解保溫效果。當壓差值或溫度值異常，則保溫蓋板沒蓋嚴密或有損壞，需要操作人員進行巡檢，排除故障。兩個腔體間設壓差傳感器，壓差傳感器與控制器連接，由控制器對氣動泄壓閥的動作進行自動控制，不需人為干預。

由上文所述可以看出，保溫腔外側的保溫蓋板的增設和機電一體化技術的引入，大幅度降低了電解生產成本，也大幅度降低了工人的勞動強度。電解槽雙腔體的上部結構，已申請實用新型專利。

4 結語

機電一體化技術在鋁電解槽陽極保溫及防氧化技術中的應用，必將為電解槽覆蓋料替代品的探索與研究起到積極的推動作用。覆蓋料替代品的研究與應用對提高企業和社會綜合經濟效益起到積極促進作用，尤其是電解槽覆蓋料被替代后，電解車間和陽極組裝車間的相關工人的勞動強度將大幅度降低，也大幅度減少環境污染。該保溫蓋板以及保溫自控系統，結構簡單、加工、運行成本低，維護方便，具有巨大社會效益和經濟效益，具有很好的推廣價值。