600kA鋁電解槽電流分布的測量與分析

李 揚，毛 宇，班允剛，楊曉玲

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

近些年來，我國電解鋁工業快速發展，據統計，中國鋁產量占據全球供應的55%。巨大的產能需求也促使著中國電解槽設計必須走向大型化，目前，國內新建電解鋁系列已將設計系列電流提升至600kA。

電解槽的穩定生產受多個參數的影響，如槽電壓、槽溫、分子比等，這些參數的有效監控為電解槽的穩定生產提供有效支撐。電解槽不同時期下陽極、陰極電流分布情況可直接反應出電解槽當前的運行狀態，對電解槽做出局部診斷，避免電解槽出現早期破損情況[1,2]。

本研究采用“電壓法”對國內某600kA鋁電解槽的陽極、陰極電流進行測量，研究電流分布的均勻性，分析評價母線系統電平衡設計的合理性，分析評價實際生產中的鋁電解槽電流分布狀態。

1 測量方法及方案

鋁電解槽陽極及陰極電流分布測量包括兩部分內容：一是陽極導桿及陰極軟帶電壓降的直接測量，二是陽極導桿表面溫度及陰極軟帶表面溫度的測量。測量儀器及工、器具包括數字電壓表，表面溫度計，陽極等距壓降鉗以及測量陰極軟帶壓降的銅釬等。

根據測量數據，單陽極導桿和單側陰極軟帶所導電流按以下公式計算：

其中：

Ins—單陽極導桿或單側陰極軟帶電流（A）

U—陽極導桿或鋁軟帶的電壓降 (mV)

R—導桿或鋁軟帶電阻（mΩ）

ρ—導桿或鋁軟帶的電阻率（mΩ/mm）

L—所測導桿位置的距離或鋁軟帶的長度（mm）

S—導桿或鋁軟帶的截面積（mm2）

T—導桿或鋁軟帶的表面溫度 (℃)

把上述公式所計算的各陽極導桿、陰極軟帶電流之和比電解槽系列電流要略大，這是因為在電阻計算中使用導桿外壁及軟帶外壁溫度代替整體溫度而導致電阻較實際電阻小所致，因此在實際數據處理過程中，按計算總電流與實際系列電流比值進行電流修正得到各陽極導桿及陰極軟帶電流，并繪制成電流分布圖。

2 測量結果與分析

測量小 組 分 別 對1098#、1046#、2098#和2045#共4臺600kA級鋁電解槽的陽極電流進行測量，得出如下結果。

2.1 正常槽況下陽極電流分布情況

圖1所示為正常槽況下電解槽陽極電流分布圖。其中電解槽A側陽極總電流為306.96kA，電解槽B側陽極總電流為293.04kA，A、B側陽極電流偏差為2.32%，陽極電流整體均勻性較好。

圖1 正常槽況下電解槽陽極電流分布圖

2.2 更換陽極引起的電流分布變化

電解槽生產過程中炭陽極不斷被消耗，需要定期更換陽極來保持電解槽的正常生產。本系列電解槽的陽極更換周期為33天，因此，電解槽幾乎每天都有陽極需要更換。在更換陽極的過程中，殘極從電解槽中取出，并替換為新的陽極[3]。未經過預熱的新極，其導電效果非常差，因此，更換陽極的過程將破壞局部陽極電流的分布。圖2所示為電解槽更換陽極后其陽極電流分布圖，其中B5和B6位置陽極在測試前四小時更換陽極，A25和A26位置在測試前一天更換陽極。

圖2 更換陽極后電解槽陽極電流分布圖

新陽極上槽后，冷陽極表面迅速形成一層冷凝電解質，1～2h后開始熔化。分析圖2中的陽極電流分布狀態可知，新陽極更換后的4小時內陽極幾乎是不導電的，新陽極更換一天后，其導通的電流也只達到設計值的50%以上，且新陽極相鄰區域的陽極電流均有不同程度的提升。這說明更換陽極對陽極電流分布影響較大，且影響范圍有新陽極區域及鄰近區域。因此，為了避免因更換陽極引起長時間的陽極電流波動，行業內有通過預熱陽極縮短陽極全電流導通時間的做法。

2.3 陰極電流分布

圖3所示為正常槽況下電解槽陰極電流分布圖。對該系列4臺電解槽的陰極電流分布進行了研究，研究結果如圖4所示。

圖3 電解槽陰極電流分布圖

圖4 陰極電流分布比例對比表

分析圖3中的陰極電流分布狀態可知，該電解槽A側陰極總電流為303.74kA，B側陰極總電流為296.26kA，A、B側陰極電流偏差為1.25%，陰極電流分布整體均勻性較好。但是，單側陰極電流分布均勻性一般，其電流最大值較最小值多近6kA，這主要受陰極組裝質量和爐底沉淀產生的影響。

分析圖4可知，所測的4臺電解槽，其A、B側陰極電流偏差均較小，在電解槽穩定生產的可控范圍內。其中3臺電解槽的A側陰極電流略多，B側陰極電流偏少，這與設計值的規律相反，這主要受電解槽爐底沉淀產生的影響。

2.4 電解槽局部沉淀的產生及對陰極電流分布的影響

鋁電解的主要原料為氧化鋁，它是否能夠順暢地溶解進入電解質關系到鋁電解槽的生產能否順利進行、生產過程是否平穩、是否產生沉淀，以及是否產生病槽等問題。氧化鋁的溶解過程是一個強烈的吸熱過程，根據計算，為了溶解1%的氧化鋁，電解質的溫度將會下降14℃，大約有一半的熱量提供給加熱用，另一半則提供給溶解所需的熱量[1]。

現代預焙電解槽要求采用砂狀氧化鋁，因為它的溶解性質和其他的性質更符合現代鋁電解生產的要求。但是，國內鋁廠現階段使用的氧化鋁卻很少能滿足其指標，氧化鋁的溶解性能較差,電解槽爐底局部形成沉淀。沉淀的產生將增加電解槽爐底電阻、使陰極電流分布不均勻并造成局部磁場波動。

陰極電流分布的均勻性是電解槽獲得較好的物理場狀態的重要前提。在電解槽母線系統設計中，會嚴格控制各支路母線電流分布的均勻性以及A、B兩側整體電流偏差范圍，同時為了降低由于設計中A側磁場要整體高于B側所帶來的影響，會控制B側的設計電流略高于A側。但在電解槽實際生產中，隨著電解槽運行時間的增加，由于A、B兩側爐幫厚度及爐底沉淀的差異，對電流分布均勻性產生影響。此次測量的4臺電解槽，其中3臺電解槽的整體沉淀分布情況呈A側少于B側的趨勢，B側因沉淀較多導致其電流減少，與設計值相反。因此，爐底沉淀狀況對陰極電流分布有較大影響，日常需多關注爐底沉淀情況。

3 結束語

本文對國內某600kA鋁電解槽的陽極、陰極電流進行了研究，研究結果表明：600kA鋁電解槽的陽極、陰極電流分布整體比較均勻，且陽極電流分布與陰極電流分布無明顯的對應關系。

更換陽極對電解槽陽極電流分布的影響較大，且影響范圍有新陽極區域及鄰近區域，通過預熱陽極可縮短陽極全電流導通時間。

爐底沉淀的產生對電解槽陰極電流分布的影響較大，日常需多關注爐底沉淀情況。