420KA保溫節能型電解槽應用實踐

陳應斌

（廣西百礦鋁業有限公司，廣西 田陽 533615）

1 大型預焙鋁電解槽發展現狀

現代大型預焙鋁電解槽在磁場、熱場和流場等方面的設計愈加完善，特別是雙鋼棒技術的應用，使得大型預焙鋁電解槽的水平電流大幅度降低，電解槽的穩定性顯著增強，工作電壓也隨之降低，因此大型預焙鋁電解槽在陽極電流密度不斷增大的情況下，亦能取得良好的經濟指標。

2 大型預焙鋁電解槽發展遇到的瓶頸

大型預焙鋁電解槽發展迅速，但電能利用率卻很難突破50%，其主要原因有三個方面。

2.1 鋁電解槽散損失

鋁電解工藝實際生產溫度高達920℃～960℃，爐面蓋板平均溫度高達60℃，槽殼側部散熱孔溫度達到300℃～420℃，即使是槽殼底部鋼板的溫度也達到80℃～120℃，電解槽外殼與外部環境存在大量熱能交換，由對流換熱公式Q=α＊（tw-tf）＊F可測算出鋁電解槽各部位散熱損失的能量如表1所示；

表1 鋁電解槽散熱量計算表

2.2 鋁電解槽煙氣損失熱量

鋁電解排放的煙氣溫度高達120℃～140℃，被收塵系統吸收并排放到空氣中，根據熱熔公式Q=C＊m＊(t2-t1)可以測算出煙氣帶走的熱量如表2所示，另根據陽極燃燒的放熱特性和鋁還原反應吸熱的特性可測算出，陽極燃燒放熱量如表3所示；

2.3 鋁的二次反應增加電耗及電能利用率

鋁電解過程中存在二次反應，取電流效率為93%，則理論直流電耗應為6796 kwh/t.Al，綜上表1、表2表3可得直流電耗W=W1+W2-W3+6796=12979 kwh/t.Al。而實際生產中普通電解槽的平均電壓為4.05V，電流效率為93%，則直流電耗為12977 kwh/t-Al，取整流效率為98%，則交流電耗為13235kwh/t.Al，則鋁電解的電能利用率為47.72%。

3 鋁電解提高電能利用率的探索

3.1 低電解質溫度生產的探索

鋁電解槽低溫生產的溫度仍高到920℃～940℃，各個散熱渠道的溫度并沒有明顯的降低，因此節能效果并不理想。

3.2 外保溫方式的嘗試

外保溫即使用保溫棉等材料對電解槽的槽蓋板和散熱孔進行密封，槽電壓可降低10mv～20mv，噸鋁電耗可降低30kwh～60kwh，但效果有限。

3.3 內保溫技術應用實踐

采用內保溫技術即在電解槽槽殼內側與內襯材料之間的不同位置嵌入相應的保溫材料。根據實際測量，內保溫槽側部的溫度可降低20℃～50℃，底部鋼板的溫度可降低10℃～30℃，根據表1的計算方法測算出W1= 3846 kwh/t-Al，而w2、w3不變，電耗可降低至12651 kwh/t.Al，電耗降低327 kwh/t.Al，電能利用率提高到48.95%。實踐表明，內保溫槽相對普通槽的電壓低100mv，按照93%的電流效率測算，直流電耗降低至12657 kwh/t-Al，電耗降低320.4 kwh/t-Al，電能利用率為48.93%，實踐與理論測算吻合。

4 內保溫技術推廣應用遇到的問題及原因分析

內保溫技術的應用存在兩方面問題，一是內保溫槽在焙燒、啟動過程中易造成陰極橫向斷裂，導致電解槽出現早期破損；二是內保溫槽啟動后容易出現長期的高溫，易出現畸形爐膛，所遇問題的影響因素分析如下兩點。

4.1 槽殼設計的影響

傳統搖籃架槽型在未應用內保溫技術時，早期破損率為5%～10%，應用內保溫技術后，早期破損率達到30%～50%。采用搖籃架槽殼的電解槽啟動后槽殼中間在水平方向上出現了4cm～6cm不等的變形量。通過圖1的受力分析可知，假設陰極炭塊端頭F1和F2箭頭所在位置即其受力點，且槽殼側部鋼板變形量為0，如果F1=F2，則陰極炭塊受力均勻，陰極炭塊垂直方向不產生作用力，只有F1=F2＞4841200N時才會產生碎裂性的損壞。但據相關資料顯示（詳見表4）,澆注料和陰極搗固糊的耐壓強度不同，當陰極炭塊所受應力F2超過2793000N時，陰極搗固糊即發生形變，而澆注料未發生形變，即F1＞F2，此時陰極炭在垂直方向上產生作用力，當垂直方向受力大于17130400N時，陰極炭塊便會斷裂，可以肯定F1與F2的差值越大，陰極炭塊受到垂直方向作用力也越大；由于電解槽上下部溫度的差異和槽殼設計決定了上部比下部更容易發現形變，特別是普通搖籃架槽殼更是如此，因此當F2受力點對應槽殼往上部位發生形變時，F2的力更小，F1與F2受力大小的差值增大。

圖1 陰極炭塊受力分析

圖2 側部改善后的陰極炭塊受力分析

表4 電解槽各材料耐壓強度和受力表

4.2 保溫材料性能的影響

陰極炭塊所受到的力F1和F2由陰極炭塊受熱膨脹而產生，陰極炭塊溫度越高膨脹量越大，熱應力也就越大，這就是普通搖籃架槽殼應用內保溫技術后早期破損率高的原因。由此保溫材料的保溫性過強是導致電解槽出現早期破損的原因之一。

5 鋁電解槽內保溫技術應用的改善

鋁電解槽內保溫技術應用的改善，需要解決陰極炭塊熱應力均勻釋放這個核心問題，即完善鋁電解槽側部的設計，以改善陰極所受到的各向作用力。

5.1 內保溫槽型槽殼設計的改善

采用整體焊接技術，使槽殼更加堅固，上下部的形變量差距不大，沒有放大F1與F2受力大小的差值。

5.2 內保溫槽型側部設計的改善

在陰極炭塊端頭預留5cm寬度的陰極搗固縫，陰極的端頭只與陰極搗固糊一種物質直接接觸，其耐壓強度相等，各部位受力均勻，陰極炭塊所受到的合力F與炭塊的水平中心線重合，使陰極炭塊垂直方向的變形量減小，解決了內保溫技術應用于各類型槽殼的電解槽出現早期破損的問題。

5.3 保溫性能要適中

應用內保溫技術時，保溫強度要適中，不能為了追求經濟指標而無限制的加強保溫，避免出現能量調節失控導致陰極受熱應力過大而出現擠壓斷裂的問題。

6 結語

提高鋁電解槽電能利用率是今后發展的主要方向，內保溫技術的應用極大的提高了電能的利用率，但應用過程中也出現了嚴重的問題。本文完善了420KA保溫節能型電解槽的相關設計，同時成功應用于生產實踐，使420KA保溫節能型電解槽技術的應用趨于成熟。