NEUl600kA超大容量鋁電解槽技術應用與行業進步

鄧文強

（東北大學設計研究院，沈陽 110166）

在有色金屬中，鋁居首位，2017年占有色金屬總產量的57%，是國民經濟建設不可或缺的基礎原材料。我國原鋁產量已連續多年位居世界第一，據不完全統計，2017年占全球鋁產量的55%以上，特別是進入21世紀以來，年均增速超過12%，鋁產量的快速增長離不開核心裝備大型化技術的支撐。眾所周知，在工業生產中，主體裝備大型化有利于節能、降耗、減排，更為重要的是可帶來項目建設投資和運行成本的大幅降低。因此，裝備大型化一直引領著制造行業的發展方向。對于電解鋁行業而言，其裝備大型化主要體現在鋁電解槽容量的提升上。

我國自20世紀70年代開始鋁電解槽大型化技術開發，相繼開發了200kA、300kA、400kA和500kA級大型鋁電解槽技術。槽容量的歷次大型化都有力推動了行業技術進步，提高了效益，加速了產能提升，奠定了我國鋁工業大國地位。為實現鋁工業強國目標，引領世界鋁電解技術發展方向，有必要開發更大容量的600kA級鋁電解槽技術，這對我國鋁工業技術實現跨越式發展具有重大意義。

1 技術瓶頸與突破

然而，隨著鋁電解槽容量的進一步大型化所帶來的磁流體穩定性、熱平衡、結構穩定性和環保關鍵技術問題越來越突出，是一個極為復雜的系統工程。

東北大學設計研究院采用的“數值模擬+”鋁電解槽大型化技術開發方式，與傳統的“1：1工業試驗”方式相比，開發周期短，開發成本低，并且提高了技術開發的準確性。采用該開發方式，攻克了容量超大型化所帶來的磁流體穩定區間大幅降低、比表面積散熱負荷急劇增加等磁流體穩定性和熱平衡方面的關鍵技術難題，形成如下技術創新成果：

（1）超大容量鋁電解槽磁流體穩定性技術：通過優化控制鋁液中垂直磁場和水平電流兩個關鍵要素，突破了600kA級超大容量鋁電解槽磁流體穩定性技術瓶頸，將磁流體穩定性所需的垂直磁場絕對值平均值的臨界值由3.75Gs提高至6.69Gs，大幅度拓寬了磁流體穩定性區間，為鋁電解槽高效、穩定運行奠定了基礎；

（2）超大容量高產率鋁電解槽熱平衡耦合控制技術：通過對影響鋁電解槽熱平衡全要素的耦合優化控制，實現了鋁電解槽預期的熱平衡狀態；

（3）多階柔性分體式管桁架梁結構技術：解決了鋁電解槽大跨度上部支撐結構的穩定性問題，同時降低了工程造價，其中鋼材節約10%，廠房投資節約5%；

（4）鋁電解槽高位分區集氣結構技術：提高了槽罩內負壓分布的均勻性，集氣效率達到99.6%，污染物總量控制實現了超低排放，超過了國標、歐標排放要求。

2014年在山東魏橋鋁電有限公司成功投運了全球第一個600kA級鋁電解槽系列[1]，整體技術達到國際領先水平。項目的主要技術經濟指標均實現了預期目標，目前該技術已推廣應用了10條生產系列，產能達400萬噸/年以上，已成為國內外電解鋁增量項目的首選技術，在俄羅斯、印度、伊朗等多個“一帶一路”國家的項目建設中被積極采用，為我國開展國際鋁產能合作提供了重要支撐。

2 主要技術創新點

（1）創新點一。鋁電解槽磁流體穩定性“雙補償”技術及其母線裝置，突破了600kA級超大容量鋁電解槽磁流體穩定性技術瓶頸，同時大幅節約了母線用量。

①該創新攻克了600kA級超大容量鋁電解槽磁流體穩定性技術難題，以往鋁電解槽容量大型化技術開發過程中，磁流體穩定性是依據業內公認的挪威專家Sele發明的鋁電解槽磁流體穩定性公式判定的。各容量級別鋁電解槽磁流體穩定性要求的垂直磁場臨界值和實際設計值的對比詳見表1。

表1 各容量級別鋁電解槽磁流體穩定性要求的垂直磁場臨界值和磁場實際設計值對照表

②該創新還大幅節約了母線用量，具有顯著的經濟性優勢，超大容量鋁電解槽磁流體穩定性“雙補償”技術及其母線裝置大幅節約了母線用量，克服了600kA級鋁電解槽母線結構設計的經濟性瓶頸，與傳統的“自補償”相比，母線用量降低12.1%，當量鋁耗與400kA級鋁電解槽相當。

（2）創新點二。超大容量高產率鋁電解槽熱平衡耦合控制技術，使600kA超大容量高產率鋁電解槽實現了預期的電熱平衡狀態。對影響鋁電解槽熱平衡的全要素進行了耦合優化控制，解決了鋁電解槽單位面積產能提高和容量超大型化雙重因素帶來的熱平衡難題，集成開發和應用了低壓降陽極結構、低壓降陰極結構、一體化焊接槽殼（見圖1）和車間導流式高效通風建筑結構（見圖2）等創新技術。

（3）創新點三。大跨度多階柔性分體式管桁架梁結構技術，解決了超大容量鋁電解槽大跨度上部支撐結構的穩定性問題，同時顯著節約了工程造價。

（4）創新點四。鋁電解槽高位分區集氣結構技術，受鋁電解生產系列工藝配置限制，鋁電解槽排煙口處于長方向的一端，隨著600kA級鋁電解槽長度的劇增，需要解決槽罩內負壓分布均勻性以提高集氣效率的技術難題。為此，該項目開發了高位分區集氣結構技術。利用ANSYS軟件進行了模擬計算分析，計算模型和計算結果見圖3和圖4。

模擬結果表明：600kA級超大容量鋁電解槽槽罩內壓力分布均勻，罩板間縫隙呈負壓狀態。生產實踐表明，在工區末端槽罩板打開的情況下仍無煙氣外溢，集氣效率高達99.6%，顯著減少了煙氣的無組織排放，使污染物總量控制實現了超低排放的目標，并滿足國標和歐排標準要求。

圖1 一體化焊接槽殼

圖2 槽間鋼格板導流式通風結構

圖3 集氣結構模型

圖4 集氣罩內部壓力場云圖

表2 該項目實現的主要技術經濟指標與國內外同類技術的對比

3 與同類技術主要參數、效益、市場競爭力的比較

NEUI600kA級鋁電解槽技術于2014年投運了全球第一個600kA級鋁電解槽系列以來已平穩、高效運行近4年。國際上僅力拓加鋁開發了AP60（600kA級鋁電解槽）技術，但目前仍停留于工業試驗階段，未見進一步產業化應用報道。國內也有其他單位開發了同類技術，但其產業化應用時間比該項目滯后2年多，未見其產業化運行方面的報道，目前公開的僅是其12臺工業試驗槽的指標。

由表2可知，NEUI600kA級鋁電解槽技術實現的產業化應用指標優于力拓加鋁AP60技術試驗槽指標，與國內同類技術公布的試驗槽指標相近。該技術產業化應用實現了鋁電解槽容量超大型化的預期目標。以年產2×30萬噸示范工程為例，采用該技術與400kA相比，噸鋁投資降低13.2%，占地減少26.5%，電解槽單位面積產能提高10%，全員勞動生產率提高25%，噸鋁成本降低約8%。如果該技術應用產能規模達1000萬噸/年，則可節約投資70.65億元，節約用地2400畝，減少用工5500人，節約成本112億元，經濟效益顯著。

截止2017年底，該項目開發的600kA級超大容量鋁電解槽技術已應用于10個鋁電解槽系列的建設，產能達400萬噸/年。該技術顯著的技術、經濟優勢，已成為全球鋁行業先進技術的代表，為我國鋁電解技術升級和開展國際鋁產能合作提供了重要支撐。

4 社會效益

NEUI600kA級鋁電解槽技術的成功開發和投運，誕生了全球第一條600kA級超大容量鋁電解生產線，實現了鋁電解槽技術與裝備的跨越式發展。與國內一流技術相比，電解槽單位面積產能提高10%，預期槽壽命提高約500天，全員勞動生產率提高25%，噸鋁投資降低約13.2%，噸鋁成本降低約8%，有力地推動了鋁行業科技進步，顯著提升了我國鋁電解工業的核心競爭力。

由于600kA級高效鋁電解槽具有顯著的技術、經濟優勢，已成為行業先進裝備的代表，成為國內外電解鋁增量項目的首先技術，為促進我國鋁電解技術升級提供了重要支撐，并已成為我國鋁工業開展國際鋁產能合作的一張靚麗名片。

[1]邱芹，朱興芳，黃平義.全球首條全系列600kA鋁電解槽在魏橋鋁電成功運行，《濱州日報》， 2015.6.8