降低鋁電解水平電流的專利技術(shù)綜述

陳德皓

摘 要

鋁電解槽中，電流從陽極導(dǎo)桿流入槽內(nèi)，經(jīng)過陽極炭塊、電解質(zhì)、鋁液及陰極炭塊與鋼棒后從槽側(cè)部流出，由于電流的流出方向與流入方向成90°角，并且鋁液的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電解質(zhì)以及陰極炭塊，因此電流的轉(zhuǎn)向大部分發(fā)生在鋁液層中，形成了鋁液中的水平電流，水平電流與垂直磁場共同作用引起電解質(zhì)？鋁液界面的波動，從而影響到槽內(nèi)磁流體的穩(wěn)定性，降低電流效率，增大電能損耗，影響電解槽的熱傳導(dǎo)，槽內(nèi)襯的完整和槽子壽命，以及能耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。本文闡述了降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段，并從專利的角度分析國外和國內(nèi)降低鋁電解水平電流的發(fā)展脈絡(luò)，對于該領(lǐng)域的專利審查以及相關(guān)行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)具有一定的借鑒指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞

鋁電解;陰極;鋼棒;水平電流

中圖分類號： TF821文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.059

0 引言

1）鋁電解介紹。

熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁的技術(shù)是1886年由法國人Heroult和美國人Hall同時申請專利發(fā)明的，至今已有一百多年。

鋁電解是高能耗產(chǎn)業(yè)[1]，鋁電解的成本主要包括電力、氧化鋁、預(yù)焙陽極、財務(wù)及人工、其他輔料，其中，電力的成本最多，占據(jù)40%左右。在電解鋁方面，我國依舊是全球第一大生產(chǎn)國，并且近年來一直保持高速增長態(tài)勢，2010-2015年年均復(fù)合增長率為14.45%，而同期全球其他地區(qū)年均復(fù)合增長率為-0.31%。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2017年1-2月中國電解鋁累計產(chǎn)量達(dá)到600萬噸，同比增長19%。

2）水平電流產(chǎn)生原因。

鋁液中的水平電流按其形成的原因基本上可分為三種類型：

（1）沿橫向流動的水平電流? 電解槽的電流進(jìn)入鋁液后經(jīng)陰極碳塊，由陰極鋼棒橫向引出，會引起橫向水平電流。

（2）槽內(nèi)縱向水平電流? 由于各陰極母線的電阻不均而引起沿電解槽長邊流動的縱向水平電流。

（3）端部縱向水平電流 由于在電解槽長邊兩端，從鋁液導(dǎo)出電流的陰極碳塊位于陽極邊緣以外，則有水平電流沿縱軸流向槽的端部。

3）水平電流的危害。

眾所周知，在鋁電解生產(chǎn)過程中，鋁液中的水平電流與垂直磁場相互作用而產(chǎn)生水平電磁力，這個電磁力在電解槽鋁液的角部和中部，上部和下部均不相等。由于力的不均衡，使鋁液產(chǎn)生復(fù)雜的渦旋運(yùn)動，鋁液面發(fā)生波動，傾斜和隆起。當(dāng)這種電磁干擾超過一定的限度時，電解槽就不能正常生產(chǎn)。這是由于在電解溫度下，電解質(zhì)和鋁液的密度僅相差0.2g/cm3，（電解質(zhì)為2.1g/cm3，鋁液為2.3g/cm3），鋁液的劇烈波動使已電解的金屬鋁又重新返回到電解質(zhì)中被氧化;陽極中心部分的鋁液隆起會引起極距縮小，電流密度增大，從而使陽極消耗加快和電流密度分布不均，引起電流效率下降;鋁液隆起中心可能觸及陽極造成局部短路，增大電耗;當(dāng)鋁液環(huán)流超過某一數(shù)值時，可使陰極槽殼變形，槽幫層次被熔融金屬破壞。

總之，由于電磁干擾而引起的鋁液擾動，降低電流效率，增大電能損耗，影響電解槽的熱傳導(dǎo)，槽內(nèi)襯的完整和槽子壽命，以及能耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。這就是電磁干擾或者說鋁液中水平電流對鋁電解產(chǎn)生的不良影響。

1 專利技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 降低鋁電解水平電流的策略

鋁液中水平電流對鋁電解產(chǎn)生的不良影響，降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段主要包括陰極鋼棒、陰極炭塊、母線配置、在線調(diào)整等方面。且降低鋁電解水平電流的技術(shù)手段主要集中在調(diào)整鋼棒和陰極炭塊方面，分別占據(jù)55%和27%。

1.2 陰極鋼棒

降低水平電流的措施中，改變現(xiàn)有陰極鋼棒的形狀是簡單易行投入少的方法，并且適合已有配置好的鋁電解槽陰極改造。電解槽陰極中的鋼棒可分為水平放置和豎直放置。

1.2.1 水平鋼棒

傳統(tǒng)的電解槽陰極結(jié)構(gòu)中，在縱向陰極鋼棒截面是一樣大小的，由于槽中間鋁液比槽兩側(cè)鋁液距陰極鋼棒頭遠(yuǎn)，且電流從在陽極中的豎直向下到鋼棒的橫向?qū)С觯虚g需要一個轉(zhuǎn)向過程，因此鋁液層中電流有從中間向兩邊流的趨勢，即從槽中間向外的水平電流，它是由電解槽的出電方式?jīng)Q定的。為了減小水平電流，通常的做法就是想辦法增加陰極鋼棒頭處的電阻，迫使電流往垂直方向流動。

貴陽鋁鎂設(shè)計研究院（CN102925925A 20130213、CN202246901U 20120530、CN2892888Y）公開了改善鋁電解槽陰極電流密度的鋼棒結(jié)構(gòu)，陰極鋼棒（2）由傳統(tǒng)的等截面形狀改為變截面形狀，陰極鋼棒（2）在槽中軸線處截面面積最大，向兩端逐漸收縮，出電口處其截面面積最小。以貴陽鋁鎂設(shè)計研究院設(shè)計的420kA電解槽為例，在電解槽陰極結(jié)構(gòu)不做任何處理的情況下，鋁液層水平電流最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，采用該陰極結(jié)構(gòu)以后，水平電流明顯降低，平均值由傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)下的2721A/m2降低至了1451A/m2，降幅達(dá)到47%，這就意味著變相地把垂直磁場優(yōu)化了47%。

1.2.2 豎直鋼棒

為了消除鋁電解槽陰極的水平電流，東北大學(xué)設(shè)計研究院（CN200964442Y 20071024）提供了一種鋁電解槽母線配置結(jié)構(gòu)，一種鋁電解預(yù)焙槽的母線配置結(jié)構(gòu)，包括陰極炭塊、陰極鋼棒、陰極母線和軟鋁母線，其特征在于：陰極鋼棒完全垂直安放在陰極炭塊中，并整體垂直安置在槽底板上，在電解槽底部導(dǎo)出電流。由于將傳統(tǒng)的電解陰極和鋼棒的水平排列改為垂直排布的配置，結(jié)果槽內(nèi)電流在鋁液中主要產(chǎn)生水平方向的磁場，鋁液中水平電流分量將大大減小，對電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定大為有利。同時，槽底母線配置也將大為簡化，還能大大節(jié)省母線的用量。

1.2.3 高導(dǎo)電性陰極鋼棒

造成鋁液中存在較大水平電流的主要原因是鋁液的電導(dǎo)率顯著優(yōu)于電解質(zhì)和陰極碳塊，也優(yōu)于高溫下的陰極鋼棒。針對現(xiàn)行鋁電解槽在結(jié)構(gòu)上的這一缺陷，中南大學(xué)（CN102268695A20111207）提供了一種板式陰極集流方式鋁電解槽，以銅或銅合金板取代鋼棒的陰極集流方式鋁電解槽，由于銅或銅合金導(dǎo)電性優(yōu)于鋁液，故可將水平電流由鋁液層轉(zhuǎn)移至陰極碳塊底部的銅或銅合金板，另外，銅板和鋁液導(dǎo)熱性良好，使得陰極碳塊頂面和底面近似為等溫面，從而減小碳塊中水平溫度梯度。銅或銅合金熔點(diǎn)高于鋁電解工作溫度，機(jī)械性能和焊接性能良好，可滿足鋁電解槽選材要求。

1.2.4 調(diào)整陰極鋼棒的局部電阻

中國鋁業(yè)股份有限公司（CN102234820A 20111109）提供了一種減少鋁電解槽鋁液水平電流的方法，在陰極炭塊（1）或鋼棒（2）或其連接材料陰極糊或磷生鐵（4）處鋪設(shè)部分電流導(dǎo)流材料（3），使鋁液中電流相對較均勻的進(jìn)入陰極炭塊，通過鋼棒，從電解槽側(cè)部出來。該導(dǎo)流材料（3）根據(jù)需要在陰極不同部位鋪設(shè)至少一種電阻率不同于炭塊或鋼棒的材料或絕緣材料組合，可以替代部分炭塊材料、鋼棒材料，或與其組合在一起，同時可通過調(diào)整電流導(dǎo)流材料（3）形狀，其寬度、高度或厚度階梯狀或漸變式逐漸變化，所述的電流導(dǎo)流材料，可根據(jù)需要在不同位置采用不同阻值的材料，從而改變陰極電阻分布，調(diào)整陰極電流分布，使鋁液中水平電流減少，增加電解槽磁流體穩(wěn)定性，提高電流效率和槽壽命。

1.3 陰極炭塊

湖南晟通科技集團(tuán)有限公司（CN101942676A 20110112、CN101949033A20110119、CN101949037A 20110119）提供了一種異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽，括槽殼、設(shè)置在底部的耐火保溫材料、陽極和陰極碳塊，在陰極碳塊底部裝設(shè)有陰極鋼棒，其特征在于，所述陰極碳塊上端沿縱向?yàn)閳A角或者弧形角，陰極碳塊頂部開設(shè)有橫向凹槽。該異型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽能夠大大降低鋁液中水平電流、使陰極碳塊和陰極鋼棒電流密度更均勻、陰極碳塊和陰極鋼棒中磁場分布更均勻、能夠有效減緩鋁液流速和鋁液波動幅度，大大延長了電解槽的使用壽命。

1.4 母線配置

河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司（CN101838826A 20100922）提供了一種垂直出電鋁電解槽周圍母線的配置方法及配置系統(tǒng)，包括：在進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)分別設(shè)置24根陰極軟母線，使進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)的電流對稱分配，另外，將進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)分別設(shè)置的24根陰極軟母線分別分成八組，并且，每一組陰極軟母線從電解槽陰極鋼棒向下連接到一個槽底橫母線上，每一個槽底橫母線均由一根陰極母線作為引出線，在出電側(cè)設(shè)置六根立柱母線，每根立柱母線上均與八根陰極母線連接，該八根陰極母線分別由進(jìn)電側(cè)陰極母線和出電側(cè)陰極母線組成。本發(fā)明使鋁電解槽鋁液層的水平電流極小，保證了鋁電解槽在生產(chǎn)過程中鋁液層的平穩(wěn)，能大幅度提高電流效率，增加原鋁產(chǎn)量，節(jié)省電能。

1.5 在線調(diào)整

中南大學(xué)（CN1974864A 20070606）提供了一種基于節(jié)能的鋁電解槽單陽極極距調(diào)整方法，包括以下步驟：整體降低陽極橫梁母線，直到槽電壓波動超過80mV為止;測量陽極電流;測量鋁電解槽單陽極極距;根據(jù)陽極電流波動大小和極距大小選擇關(guān)鍵極進(jìn)行調(diào)整。其根據(jù)實(shí)時測量的極距分布和陽極電流對單陽極極距進(jìn)行調(diào)整，可減少區(qū)域性和局部水平電流、降低平均極距、減少鋁液波動，最后在槽況整體優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)提高電流效率、降低能耗、同時提高槽壽命的目的。

1.6 其它

云南云鋁潤鑫鋁業(yè)有限公司（CN103668331A 20140326）提供了一種有效延長鋁電解槽使用壽命的方法，在陰極炭塊表面涂覆硼化鈦-炭膠涂層后，有效提高鋁液與曲面陰極炭塊的濕潤性，減少槽底沉淀，大幅度降低槽底壓降，減少水平電流，延長電解槽使用壽命。

2 總結(jié)

熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁的技術(shù)已有100多年，電解槽從最初的每噸鋁幾萬度電，發(fā)展到現(xiàn)在的噸鋁電耗1萬多度，電解槽的結(jié)構(gòu)也幾經(jīng)變化。然而鋁電解技術(shù)發(fā)展最快的還是最近30年，其顯著的有代表性的特征與標(biāo)志是電解槽的容量，即電流強(qiáng)度從100KA發(fā)展到現(xiàn)在500KA。鋁電解是高能耗產(chǎn)業(yè)，其中，電力的成本最多，占據(jù)40%左右，電解鋁被納入國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要領(lǐng)域，明確化解電解鋁產(chǎn)能過剩為當(dāng)前和今后一個時期推進(jìn)電解鋁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的工作重點(diǎn)。可以預(yù)見未來，如何調(diào)整電解槽結(jié)構(gòu)，例如調(diào)整陰極炭塊或鋼棒的結(jié)構(gòu)與組成，以降低能耗，達(dá)到節(jié)能減排的要求，是科研工作者的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]馮乃祥，彭建平，王耀武，狄躍忠，王紫千.鋁電解高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].材料與冶金學(xué)報，2010，S1：1-7.