淺析鋁電槽槽體結構節能降耗技術策略

劉君鵬

（新疆生產建設兵團第八師天山鋁業股份有限公司，新疆石河子 832000）

1 引言

鋁電解工業主要槽型是200～500 kA 等不同容量的預焙槽型，目前最大槽型已經達到600kA。隨著經濟技術發展的需要，鋁電解槽向著大型化、智能化方向發展，高產出、低能耗、低排放是整個電解鋁行業的發展趨勢。眾所周知，電解鋁工業是有色冶煉行業中的耗能大戶，電解鋁生產的耗電量占全國總發電量的7%～8%。根據相關數據，在大型預焙鋁電解槽的能量耗損中主要包括電流效率損失、電壓降和熱量損耗，電耗是一個非常重要的技術經濟指標[1]。因此探究電解鋁生產節能減排技術顯得尤為重要。如何大幅度降低鋁電解生產能耗及排放指標是電解鋁企業面臨的首要問題。

2 內襯結構優化

在鋁電解生產實踐中，能耗與內襯結構及材料密切相關。電解槽的內襯設計需要考慮側部有效散熱與建立穩定的、合理形狀的爐幫即正常槽槽幫非冷槽、熱槽槽幫。內襯中等溫線分布：900℃等溫線應在陰極碳塊層下面，避免電解質在炭塊中凝固結晶，造成炭塊損壞；800℃等溫線應在保溫磚層以上，以免保溫磚受高溫作用而破壞[2]。根據鋁電解槽結構特性，電解槽可劃分為三個區，它們分別是:側部區、陰極區、保溫隔熱區。

2.1 側部設計有序散熱

適宜的爐幫形狀和槽底保溫既是電解槽長壽命的基礎，也是實現高指標的必要條件。要實現這一點，就要求電解槽的散熱必須是有序的。傳統結構的槽型，角部易發冷，伸腿過長，整體的熱平衡調節能力差，槽幫不易形成且不規整，這些因素均與側部散熱息息相關，歸根結底散熱與側部結構設計和材料使用有關。采用整體燒制成型的側部異形炭塊，其上槽施工較扎糊更為便捷，不會在生產過程中產生扎糊分層的情況，整體性優于扎糊。

2.2 陰極區優化導電性能

2.2.1 陰極鋼棒材質與結構優化

（1）異型陰極結構，實現有序內部電流場。異型陰極技術[3]可以降低熔體流速和波動，減弱電解槽內鋁液中的水平電流，提高鋁液液面穩定性，提高有效極距，可以降低槽工作電壓，提高電流效率，實現節能。實踐表明，異型陰極技術在電解槽上確實取得了比較顯著的節電效果。

（2）石墨化陰極。石墨化陰極具有更優的導熱、導電性能，有利于降低陰極壓降，有利于提高陰極區的散熱能力，利于形成良好熱平衡，有利于提高陽極電流密度。石墨化陰極具有更低的鈉膨脹率、更高的體積密度和較低的灰分，使其具有更優的抗電解質腐蝕和滲透性能，有利于延長槽壽命。

2.2.2 陰極炭塊-鋼棒組裝

根據電解槽大修統計資料[4]，90%以上的鋁電解槽停槽大修均是由于陰極底部破損所致。主要原因是陰極炭塊間縫滲入電解質和鋁液導致電解槽發生早期破損。根據實踐經驗表明，陰極炭塊間縫是整個槽體結構的最為薄弱的部分。組裝扎固質量決定著炭塊與鋼棒的整體性，直接影響著陰極炭塊電流分布。

目前，國外電解鋁行業已普遍采用磷生鐵澆鑄設備進行陰極鋼棒組裝，而我國電解鋁企業采用人工進行布料及扎固作業，每次扎固作業存在施工人員多、施工人員能力有差別、施工環境差、勞動強度大、扎固質量參差不齊的問題。為此，提升自動化扎固水平，研究自動化扎固設備和磷生鐵澆鑄工藝與設備意義深遠。

2.2.3 保溫隔熱區優化

該區域底部結構應具有足夠的耐壓強度，能夠抵御重力、內應力引起的變形，另一方面，此區域還應具有較好的保溫性能，以減少陰極表面沉淀。從陰極底部至槽殼底部的區域，自下而上采用氧化鋁、電解質、混合料粉分層構筑陰極炭塊保溫隔熱層，會獲得良好的保溫隔熱效果。

2.3 陽極鋼爪優化

目前，絕大多數電解鋁企業采用中頻爐煉鋼與消失模鑄造生產的陽極鋼爪。由于鑄造工藝自身的缺陷，鑄造鋼爪中的鑄態組織晶粒十分粗大，存在夾雜、氣孔等缺陷，由于這些缺陷的存在造成鋼爪導電性和力學性能較差，在正常電解生產使用過程中，鑄造鋼爪在熱狀態下形變內彎嚴重，嚴重時甚至發生斷裂。

結構型節能鋼爪選用熱軋鋼通過焊接成型，組織致密，機械性能高于鑄鐵，不存在氣孔等缺陷，綜合性能明顯優于鑄造鋼爪。因而結構型鋼爪替代鑄造鋼爪有利于實現節能目的。

3 結束語

在世界能源日趨緊張的環境下，作為高能耗的電解鋁企業應做好節能降耗工作。從鋁電解槽節能角度講，一是以內襯結構設計作為突破口，改變熔體非穩流特性，二是選用高質量導電材料，如石墨化陰極和結構型節能鋼爪，提高各組成部件的導電性，降低電能損耗，三是優化電解槽施工工藝，提升相關設備及工藝自動化水平。努力尋求電解槽周期壽命、能耗、環境之間的最佳結合點。