500kA鋁電解槽運行分析與研究

白衛國，焦慶國，劉彥輝，杜子娟，丁國臣，王園英

（1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.內蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

我國是世界大型鋁電解槽使用大國，電解鋁產能連續15年居世界首位，特別是自2012年以來，以500kA為代表的大型鋁電解槽的投入運行為電解鋁產能的快速增長注入了動力。目前500kA鋁電解槽在我國電解鋁的總產能中所占比例已超過25%以上。在追求產能的同時，國家也對節能減排工作提出了新的要求，《節能減排“十二五”規劃》中要求新建電解鋁企業噸鋁直流電耗小于12500kWh。因此，500kA鋁電解槽運行技術經濟指標好壞對未來電解鋁工業發展具有較大影響。

1 500kA鋁電解槽特點

1.1 能量利用率高

電解鋁工業目前仍采用熔鹽電解法生產，提高電能利用率，減少無功損耗是節能減排的有效途徑之一。電解槽散熱量與電流強度雖然并不呈現線性關系，但由于電解槽設計的原因，隨著電解槽容量的增加，電解槽的單位面積散熱量會逐漸減?。ㄒ姳?）[1]。因此，500kA電解槽能量利用率較高，也為其實現低電壓下運行提供了一定的基礎。

表1 槽容量與單位容量散熱面積比較

1.2 建設投資小

電解鋁相同產能時，采用500kA大容量電解槽可以減少電解系列數量。因此，相應的可減少單位容量鋁母線、鋼結構、廠房建設、供電整流裝置以及配套的公用設施的投資。據有關文獻報道[2]，電解鋁企業單位投資平均噸鋁為9000元左右，單位投資大小在技術標準和建設內容相同時與產能和槽型相關。以50kt/a的電解鋁廠為基準，規模每提高1倍，單位產品投資將減少1.5%～3.5%；以160kA到300kA槽型為例，電解槽容量每增加1倍，單位產品投資降低10%，對比情況見圖1。

1.3 勞動生產率高

電解槽容量越大，人均產能就越高，從而可以大大提升勞動生產率。以人均看護8臺電解槽計算，500kA系列相比300kA系列人均產能提高30%以上，有利于目前我國西部人口稀少地區的經濟發展。

2 500kA鋁電解槽設計特點

2.1 陰極母線設計

500kA電解槽陰極母線采用非對稱配置的結構形式，大面六點進電，進電側陰極母線經電解槽周圍及槽底沿縱向引出，與出電側母線匯集引入下一臺電解槽。另外將槽底母線載流比例減少，端部特別是煙道端載流比例增加（見圖2）。此母線設計主要考慮大容量電解槽磁場極值主要體現在角部附近，從而以增加端部補償以緩解角部磁場極值問題[3]。

圖2 某企業500kA鋁電解槽母線配置圖

2.2 槽體設計

500kA電解槽槽體設計考慮到廠房跨度以及槽體長度，較300kA電解槽槽體寬度增加了400mm～600mm，對應的陽極尺寸由原來的1550mm＊660mm調整為1850mm＊700mm或1750mm＊740mm。相對應的500kA電解槽較300kA電解槽的氧化鋁濃度擴半徑長200mm～300mm，單點氧化鋁供給負擔增加了的1.12倍。上部下料點在槽容量增大后仍采用6點下料，其下料頻率增加了近40%。因此，500kA電解槽氧化鋁濃度均勻性較差，容易產生閃爍效應或局部效應。

同時，隨著大型電解槽容量的增加，單位電流強度的電解質量有所減少。具體計算見表2。以300kA和500kA槽為例，其單位電流強度的電解質量降低了13%以上，勢必影響了氧化鋁在電解質中的熔解能力，容易因溶解能力差而帶來爐底沉淀[4]。

表2 不同容量電解槽單位電流強度電解質量對比表

2.3 內襯設計

電解槽熱平衡設計的關鍵是爐膛內形和電解質結晶固相等溫線的位置。500kA電解槽為使其等溫線下移，陰極材料普遍采用高電導率的高石墨質炭塊，以使陰極炭塊溫度更為均勻，且陰極炭塊尺寸選擇與陽極相同寬度，使得陽極與陰極在位置上處于一一對應關系，便于電流垂直下行。

3 500kA鋁電解槽運行特點

通過文獻查閱和實地調研對國內較先投入運行的5家500kA系列進行了指標對比，發現了500kA電解槽存在的共性問題和個性問題。

3.1 經濟指標

從表3中可以看出，國內5家較先投產的500kA電解槽系列其噸鋁直流電耗均在13000 kWh以上，離“十二五”規劃目標仍有較大差距。從數據分析看，其原因主要是電流效率偏低和平均電壓偏高，電流效率在90%左右，平均電壓在3.95V以上，說明其仍有進一步降低能耗的潛力。

表3 部分500kA系列技術經濟指標統計表

3.2 技術參數

從表4中可以看出，國內5家較先投產500kA電解槽系列的技術條件最大差異為鋁水平控制范圍，最高鋁水平35cm比最低鋁水平25cm差10cm。同時，其爐幫厚度較差，不足15cm，證明其爐膛建立不夠規整和完善。而爐底壓降也普遍偏高，這也是槽電壓處于高位仍無法降低的原因之一。

表4 國內部分500kA系列技術參數統計表

4 下一步改進思考

4.1 優化整體設計

（1）適當增加上部下料點。可以壓縮原有單個料箱的空間，將原有6點下料配置，改為8點下料配置，以減少打殼下料頻率，從而保證氧化鋁濃度的有效控制，防止爐底產生沉淀。

（2）優化內襯結構。確定系列電解質成分，通過調整槽底部保溫材料的厚度或材料的導熱性能，增加爐底保溫效果，以適應500kA電解槽在高鋁水平狀態下的熱平衡，并使其底部散熱損失不超過1.60V，提高能量利用率[5]。

（3）可采用高導電鋼棒技術與磷生鐵澆注技術相結合的方式優化陰極組結構，使其初始爐底壓降降低到260 mV以下，減緩陰極鋼棒的滲碳過程，控制陰極壓降上升速度。

（4）廠房結構設計中可改變槽體側部的散熱通風方式，以促進側部爐幫的形成。

4.2 工藝技術參數優化

對于已經投入運行的500kA電解槽系列在無法進行設計優化時，只能從現有的工藝技術參數入手，以求達到更好的節能降耗的效果。根據文獻[6，7]以及新型穩流保溫節能技術在某企業500kA的實際運用，建議如下工藝優化思路：

（1）低工作電壓設定。對于高電流密度、單位散熱面積小的500kA電解槽來講，適當降低工作電壓可以減少電解槽的熱收入，防止“熱槽”的發生。在保證極距在4cm以上的前提下，可在現有工作電壓的基礎上降低30mV～80mV，以促使爐幫的形成。

（2）高鋁水平保持。鋁水平作為熱平衡的重要條件，是影響電流效率的主要因素之一。因此建議將鋁水平高度設定在30cm以上，以平衡穩定磁場，減少鋁液波動，增加電流效率。電解質水平直接影響電解槽溫度、氧化鋁熔解能力和陽極效應的控制效果，因此建議將電解質水平保持在17cm～19cm為宜。

（3）高分子比低過熱度控制。對于500kA電解槽電解質量小氧化鋁熔解能力差的情況可適當提高分子比增加其熔解能力，可將分子比控制在2.6～2.7之間，雖然高分子比對電流效率也有所影響，但對于500kA電解槽只有在穩定運行的前提下才可能取得好的經濟指標。在高分子比狀態下，降低電解溫度從而降低過熱度，以促進爐幫的形成和長期保持。

4.3 配套設置跟進

（1）使用陽極在線檢測系統。針對500kA電解槽陽極電流分布均勻性差的情況可以投入陽極在線檢測系統，克服人工測量的經驗誤差，時時檢測陽極工作狀況及時處理。

（2）升級控制系統。目前槽控制系統對中濃度的氧化鋁控制已經做到了相對精確，而對于長時間處于低濃度區域的500kA電解槽來講，如何更有效的對應氧化鋁濃度與槽電阻變化，需要對控制系統逐漸優化來實現。

（3）投入精準出鋁和陽極自動劃線設備。

5 結語

500kA電解槽作為國內最具潛力的槽型，對未來電解鋁工業的發展必然影響巨大。通過進一步優化設計，提升技術參數匹配和加強現場管理操作，500kA電解槽各項技術經濟指標定能取得一個實質性突破。