淺談750 mm超高陽極在大型鋁電解槽上的研究與應用

趙營　劉光勇　戚宗華　李慶新　李恒剛　王曉華　張透方　高效軍杜玉峰　潘興旺　溫保森　逯兆深　黃德江（新疆農六師煤電有限公司　五家渠　831508）

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淺談750 mm超高陽極在大型鋁電解槽上的研究與應用

趙營劉光勇戚宗華李慶新李恒剛王曉華張透方高效軍杜玉峰潘興旺溫保森逯兆深黃德江
（新疆農六師煤電有限公司五家渠831508）

摘要目前隨著國內外的預焙鋁電解槽的大型化，運行電流增大，陽極電流密度提升，使得陽極消耗速度加快，進而陽極更換周期縮短，電解槽熱損失增加，換極干擾頻繁，穩定性降低，最終表現為電流效率降低，噸鋁能耗居高不下。本文中新疆農六師煤電有限公司技術中心及其鋁廠、碳素廠（目前新疆農六師煤電有限公司鋁廠產能190萬噸，是世界單體產能最大的電解鋁企業；新疆農六師煤電有限公司碳素廠年產90萬噸碳素。）結合國內外現狀及其背景研究與應用超高陽極技術，在大型鋁電解槽上采用超高陽極替代高度≤650 mm的陽極炭塊的工業化試驗，結論表明其減少了換極頻率、換極干擾以及換極熱損失，真正意義上實現了增效降耗節約成本，為電解鋁生產企業提供了一套投資少、見效快的電解鋁節能降耗技術新思路。新疆農六師煤電有限公司技術中心及其鋁廠，針對國內外通用的大型預焙鋁電解槽上因陽極炭塊設置高度較低，造成換極使用周期短，換極頻率高，對鋁電解槽穩定運行干擾大的難題，開展了750 mm超高陽極炭塊在大型鋁電解槽上的配置應用技術研究。

關鍵詞超高陽極鋁電解槽研究應用

1　陽極炭塊高度對鋁電解生產的影響

1.1陽極炭塊的應用

現通用的預焙鋁電解槽是用陽極炭塊作為陽極導電材料和電解化學反應消耗材料進行電解鋁生產，鋁電解用陽極炭塊與鋁導桿、陽極鋼爪，用澆注磷鐵環的方式組裝在一起，構造成陽極炭塊鋼爪組，與陽極大母線相連接，在電解生產過程中，陽極炭塊的底部浸在鋁電解槽的電解質液中，參與電化學反應。陽極炭塊的高度隨著參與電解熱電化學反應的時間延長，而不斷消耗縮短變薄，平均消耗高度為15 mm/d左右［1］。陽極炭塊的高度在鋁電解槽生產過程中可以分為兩部分，一部分是在電解過程中消耗掉的高度部分，稱為陽極凈耗高度部分，一部分為從電解槽內更換出的高度部分，簡稱為殘極高度部分［2］。

為保證鋁電解槽在生產過程中的設定極距，隨著陽極炭塊逐漸反應消耗變薄，鋁電解槽上部機械傳動機構要帶動陽極大母線及陽極炭塊進行下降調整。當使用一定時間段后，即炭塊消耗變薄至140～160 mm左右時［4］，為防止陽極鋼爪頭被電解質熔化，需將殘極組從鋁電解槽內取出，更換上一組新陽極炭塊組，俗稱換極作業。

鋁電解槽的換極頻率=電解槽配置陽極炭塊的塊數/陽極炭塊的使用換極周期

即：鋁電解槽每日更換陽極炭塊的塊數：塊/日。

1.2換極作業對鋁電解生產工藝的影響

鋁電解槽換極作業，對電解槽穩定性和電流效率的影響極大，主要來源于兩個方面，一個是換極熱散失，對鋁電解熱平衡工藝狀態的影響；一個是電流密度的頻繁調整變異，對鋁電解槽磁場穩定性的影響［3］。

在鋁電解槽陽極炭塊的組數、導電面積和電流強度設定后，鋁電解槽所配置的陽極炭塊的高度，不僅決定著陽極炭塊的換極周期，而且還決定著鋁電解槽的換極頻率，決定電解鋁廠的生產工藝方式。

鋁電解槽配置陽極炭塊高度設定，不僅影響鋁電解的工藝參數的技術指標，而且影響著與陽極炭塊作業相關電解鋁生產體系的整體工藝配置，決定著整個電解鋁企業的生產成本的高低。

電解鋁生產工藝系統70%以上的生產工藝配置與陽極炭塊有關，如果鋁電解槽換極頻率增加，電解生產的陽極碳塊毛耗、換極作業、陽極組裝、殘極覆蓋料處理等生產成本均會隨之增加，企業經濟指標則會下降［5］。

1.3大型鋁電解槽對陽極炭塊配置的要求

近幾年來，我國的大型鋁電解的容量已擴大到400 kA～600 kA以上。已成為我國電解鋁產業的主要槽型，鋁電解槽容量的增加，最大的優勢是熱穩定性增強，無疑為電解鋁生產帶來許多好處，但是，我國大型鋁電解槽容量的增加，走的是增加陽極導電面積的技術路線，即在電流密度基本不變的情況下，靠增加電解槽陽極炭塊配置數量的方式來實現的。

這種以增加陽極導電面積、增加陽極炭塊組數為特征的技術路線，雖然增加了電解槽容量，但由于陽極炭塊的高度未變，鋁電解槽換極頻率有所加大，換極作業對電解槽的穩定性干擾加大，使大型鋁電解槽電流效率和普通鋁電解槽幾乎沒有什么差別，沒有顯著的提高，大型鋁電解槽的優勢難以發揮，企業的技術經濟效益難以顯現［6］。

大型鋁電解槽容量的增加，熱穩定性增強，但對磁場的穩定性要求則更高，換極作業無疑是破壞磁場穩定性的最大因素，維持大型鋁電解槽的磁場平衡的直接手段，就是減少鋁電解槽的換極頻率，就目前的技術條件而言，延長陽極炭塊的使用周期是最好的方式。

2　超高陽極工業試驗［7］

2.1前沿技術的特征

鋁電解槽陽極炭塊配置方式是電解鋁企業的核心技術，從自焙槽到預焙槽，電解鋁生產技術裝備進步都是以陽極構造配置方式為標志。電解鋁行業的科研工作者多年來，一直把減少換極作業對鋁電解槽穩定性的干擾、提高電流效率、實現節能降耗、節約生產成本作為核心技術問題進行研究。如惰性陽極技術和連續陽極技術。雖然惰性陽極目前是遙不可及，連續陽極技術也由于較多技術障礙難以實現，但是，這兩項科研技術卻有著一個共同點，都旨在降低鋁電解槽換極頻率、減少換極作業對鋁電解槽的穩定性干擾。

2.2工業試驗狀況簡介

在惰性陽極無望，連續陽極難以實現，在大型鋁電解槽生產需求和傳統設計理念產生碰撞的大背景下，為解決大型鋁電解槽由于炭塊配置數量增加，陽極炭塊高度設定偏低，換極頻率加大，影響電流效率的問題，新疆農六師煤電有限公司技術中心決定自主創新，發揚敢為天下先，舍我其誰的創新擔當精神，自2013年起，開展了鋁電解槽超高陽極在鋁電解槽上配置應用技術課題的研究，在原設計高度620 mm陽極炭塊的基礎上，一次將炭塊加高130 mm；并于2014年，將750 mm超高陽極炭塊在400 kA大型鋁電解槽上進行了工業應用試驗。

2.3工業試驗的目的

將陽極炭塊在鋁電解上的使用周期提高22%以上。使陽極炭塊的換極周期由原設計的30天，延長至39天。用減少鋁電解槽換極作業頻率辦法，實現降低換極作業對鋁電解生產工藝干擾，提高電流效率，減少陽極炭塊毛耗的目的，同時用降低換極作業量的辦法，實現整個電解鋁企業生產工藝系統的整體節能減排，降本增效的生產，為電解鋁生產企業提供一套既節能降耗節約生產成本，又簡便易行的鋁電解槽生產工藝方案。

3　工業試驗槽與比對槽的技術參數

3.1創新設計后工業試驗槽主要技術參數

槽型：400 kA；進電方式：6點大面進電。

設定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2。

每臺陽極炭塊配置：48塊。

陽極炭塊尺寸：1 550×660×750（單位：mm）。

設計換極周期：實際使用換極周期為39 d。

鋁電解槽換極作業極限高度1 250 mm。

3.2原設計鋁電解槽（對比槽）主要技術參數

槽型：400 kA；進電方式：6點大面進電。

設定槽壓：4 000 MV；電流密度：0.815 A/cm2

每臺陽極炭塊配置：48塊。

陽極炭塊尺寸：1 550×660×620（單位：mm）。

設計換極周期：30 d。

鋁電解槽換極作業極限高度1 250 mm。

3.3創新設計的主要差異

（1）將原設計的陽極炭塊的高度由620 mm增高到750 mm，增高了130 mm。

設計目的：同等技術條件下，致使陽極炭塊的換極周期，由現在設計的30 d延長到39 d，即鋁電解槽兩次換極的時間間隔由原設定的30 h，延長至39 h。

（2）將原設計的陽極炭塊的碳碗直徑由原來的195 mm加大到205 mm，碳碗的深度不變，并且增加一道斜拉槽。

設計目的：增加陽極鋼爪與陽極炭塊之間的連接強度，降低鐵碳電壓降。

4　工業試驗槽技術分析

4.1工業試驗槽與對比槽技術指標比對分析［7］

2015年6月，電解鋁廠選取了5臺采用750 mm超高陽極炭塊配置且運行半年以上的工業試驗槽，與50臺采用620 mm高度陽極炭塊配置且條件優良可比的工業試驗比對槽，就其技術參數和技術指標進行了全面的測試和統計分析，其結果表明：在400 kA，配置有48組陽極炭塊的鋁電解槽上，采用750 mm超高陽極炭塊替代原設計高度620 mm高度陽極炭塊的工業試驗槽，各項技術經濟指標均優于對比槽。

4.2工業試驗槽的技術優勢分析

鋁電解槽內的熱電化學反應過程是一個極其復雜的工藝生產過程。影響鋁電解生產效率變化的因

表1　工業試驗槽與對比槽技術指標分析表

素諸多，且關聯性極強，互為影響制約。根據對采用750 mm超高陽極炭塊的工業試驗槽和對比槽的整體的比對分析可以表明，5臺工業試驗槽的綜合數據指標明顯優于對比槽各項數據指標。這種優化指標的取得是以下各種技術因素共同疊加作用所顯現出來的技術關鍵點。

4.2.1正面技術優勢分析

⑴電解槽換極頻率減少，使鋁電解槽內由于換極所造成的電流密度分布的平面位移干擾波動減少，即鋁電解槽內部的穩定性增加（內部穩定性貢獻）。

⑵電解槽換極頻率減少，導致換極熱散失減少。

⑶陽極炭塊增高130 mm，在鋁電解內陽極炭塊整體高度則增加了65 mm，相當于在鋁電解槽內部陽極炭塊的上部增加了65 mm的碳素保溫層，減少了鋁電解槽的上部熱散失。

⑷于鋁電解槽內上部增加了65 mm的碳素保溫層，上部散熱減少，導致等溫線下移，電解槽內穩定提高，電解質液的分解溫度提高，導致沉淀減少，陰極炭塊溫度提高，導電性能加強，爐底電壓降低。

⑸電解質液溫度升高2℃，對氧化鋁的溶解性能加強。

⑹換極干擾減少，電解質液穩定性提高，鋁液的二次反應減少。

⑺電解槽內溫度提高，導致陰極炭塊溫度提高。

⑻陽極炭塊加高130 mm，炭塊增重210 kg，為了增加鐵碳之間的連接強度，對炭塊的結構尺寸進行了改造，由于碳碗和炭塊之間的導電面積和界面連接強度（鐵對碳的徑向壓力）有所增加，導致陽極導電裝置的鐵碳連接電壓降降低。

4.2.2負面技術因素分析

⑴單體陽極炭塊加高130 mm，相當在鋁電解槽內加高65 mm。在熱負荷工況狀態下增加。

⑵鋁電解槽等溫線下降后，陰極炭塊溫度提高，有利于陰極炭塊壓降降低，但也致使陰極鋼棒端頭提高，散熱增加。

⑶電解槽等溫線下降后，側部爐幫平均減薄，會導致側部爐殼表面溫度提高，鋁電解的散熱增加。

5　 750 mm超高陽極技術效益分析［7］

經半年多的工業試驗表明，在400 kA鋁電解槽上采用750 mm超高陽極炭塊，替代原設計620 mm普通陽極炭塊進行配置，并應用于電解鋁生產，取得經濟效益見表2：

表2　節能降耗量統計表

6　 750 mm超高陽極工業試驗結論

新疆農六師煤電有限公司，采用“世界第一高”超高陽極炭塊，在400 kA大型鋁電解槽上進行的工業試驗表明，與原設計配置620 mm普通高度陽極相比。陽極炭塊的使用壽命周期可以延長9天，陽極炭塊使用周期提高22%以上。使陽極炭塊的換極周期由原設計的30天，延長至39天。用減少鋁電解槽換極作業頻率辦法，實現降低換極作業對鋁電解生產工藝的干擾，提高電流效率，達到減少陽極炭塊毛耗的目的，同時用降低換極作業量的辦法，實現整個電解鋁企業生產工藝系統的整體節能減排，降本增效的生產，為電解鋁生產企業提供一套既能降低消耗節約生產成本，又簡便易行的鋁電解槽生產工藝方法。

本次工業試驗結果表明，在現通用的大型鋁電解槽上采用超高陽極替換高度≤650 mm的陽極炭塊，用減少換極頻率，降低對鋁電解槽干擾，增強鋁電解槽穩定性的辦法，提高鋁電解槽電流效率，是一種投資少、見效快的電解鋁節能降耗的技術路線。

參考文獻

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［2］陳麗萍.關于鋁電解用預焙陽極高度的探討［J］.有色金屬設計，2005，01:25-28.

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［4］陳肖虎，楊朝紅，高利偉.鋁電解槽陽極結構參數淺析［J］.貴州工業大學學報（自然科學版），2006，01:18-20.

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［6］王金融，解正業，張峰，楊利.預焙陽極經濟高度的研究及應用［J］.輕金屬，2002，08:52-55+61.

［7］科技成果鑒定.750mm超高陽極炭塊的制備與鋁電解槽應用配置技術的研發.新疆農六師煤電有限公司.

收稿：2016-02-29

DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.03.030