全石墨質陰極磷生鐵澆鑄鋁電解節能技術工業試驗研究

王俊偉，侯光輝，薛峰平，張旭貴，董鑫秀

（1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，鄭州，450041；2.中鋁山西新材料有限公司，運城，043300）

按照國家碳達峰﹑碳中和戰略部署和能耗雙控限額等政策要求下，國家要求鋁液交流電耗的先進值為<12650kWh/t-Al，折合直流電耗<12300kWh/t-Al。目前鋁行業鋁液綜耗在13500kWh/t-Al左右，差距很大。同時電解鋁的能耗指標直接影響到生產成本，電力成本占到總成本的40%～50%。2021年我國原鋁產量為3850萬噸，約占世界總產量的60%。電解鋁工業屬于嚴重產能過剩產業，大規模新建產能的時期已經過去，優化存量是未來一段時期電解鋁工業發展的主要任務。從電解鋁行業生存發展﹑節能降耗角度，以及提升公司整體競爭力﹑占領世界鋁工業節能減排的制高點，開發電解鋁節能技術意義重大。

實現電解槽節能降耗的途徑一般通過降低電壓和提高電流效率來實現[1]，要實現鋁電解的節能降耗，就需要降低平均電壓，或者提高電流效率。

W=2.980U/η

式中：U—平均電壓，V；

η—電流效率，%；

W—kWh/kg-Al。

而降低陰極壓降對降低電解槽電壓行之有效，傳統電解槽中使用較多的為30%和50%石墨質陰極碳塊，陰極壓降一般在280mV～350mV；而石墨化陰極碳塊受其價格高昂﹑抗熱振性能差和質地較軟抗沖刷性較差導致槽壽命較短等原因制約未能大面積產業化推廣；而全石墨質陰極其價格適中，抗熱振性能相對較好，質地較好抗沖刷能力強可保證電解槽壽命，同時其陰極壓降可降低至200mV～220mV，可大幅降低電解槽電壓，因此開展全石墨質陰極鋁電解節能技術研究很有必要。

而降低電壓后電解槽能量平衡必然發生變化，為匹配全石墨質陰極電解槽低電壓下穩定運行，采用全石墨質陰極后，對電解槽的電壓平衡﹑能量平衡﹑陰極組結構﹑內襯結構﹑側部結構和其他部位結構通過仿真模擬計算進行優化。在國內某企業300kA系列開展了全石墨質陰極鋁電解節能技術集成工業試驗。

1 優化陰極組設計

電解槽中的電磁力是由磁場和電流相互作用產生的，引起鋁電解槽磁流體不穩定的電磁力場主要由垂直磁場﹑水平磁場和水平電流相互作用產生。本次陰極組設計通過熱電耦合模擬仿真技術計算出，具體仿真計算結果如圖1所示。

圖1 全石墨質陰極鋁電解節能技術陰極組合模擬仿真結果

根據模擬仿真結果可知，全石墨質陰極+磷生鐵澆注+高導電鋼棒組合[3]比全石墨質陰極+磷生鐵澆注+普通鋼棒組合在鋁液中水平電流和陰極中水平電流密度分別降低了110%和74%。因此，陰極組合采用全石墨質陰極+磷生鐵澆注+高導電鋼棒結構。

2 優化電壓平衡

通過仿真模擬計算和實際生產經驗可知，采用全石墨質陰極和磷生鐵澆注技術可將陰極壓降降至200mV左右，較傳統使用的30%和50%石墨質糊料搗打組裝陰極，陰極壓降可降低60mV～80mV。通過優化陽極鋼爪材質和結構可降低30mV，優化電解質體系壓降和調整極距使電解質體系壓降降低60mV，經過優化可實現完成電壓3.82V。具體電壓平衡見表1。

表1 電壓平衡優化結果

為保證項目實施，采用的全石墨質陰極炭塊性能必須滿足表2中的各項常規指標和參考指標。

表2 全石墨質陰極性能指標表

同時，建議試驗槽采用砂狀氧化鋁，以保證試驗槽正常平穩生產，砂狀氧化鋁指標要求如下。

3 優化能量平衡

能量平衡是電解槽穩定運行的保障，不同陰極材質的電解槽能量平衡差異較大。為匹配電解槽能量平衡，減少側部散熱，全石墨質陰極電解槽側部設計從傳統的散熱設計轉化為保溫設計，其側部為碳化硅結合氮化硅+蛭石保溫磚結構。

同時，全石墨質陰極電解槽底部設計應加強保溫設計，底部材料結構(由下往上)依次為：納米硬硅鈣石絕熱板﹑納米絕熱板﹑保溫磚﹑干式防滲料。

全石墨質陰極電解槽設計應加強電解槽側下部的保溫，以阻擋全石墨質陰極材料的散熱。

能量平衡設計通過熱電耦合模擬仿真技術對不同內襯材料和結構進行了模擬仿真。結合企業實際生產情況，仿真計算邊界條件為：槽溫925℃，初晶溫度915℃，爐底板溫度80℃，爐幫厚度180mm。為保證低電壓下的能量平衡，除了加強內襯結構保溫外，槽上部保溫也很重要。因此，深度節能技術必須加強槽上部保溫，對槽罩板和上部結構采取密封保溫方式，優化陽極覆蓋料成分。通過研究確定覆蓋料最佳成分為：破碎料粒度0mm～0.25mm占40%，粒度0.25mm～2mm占50%，粒度>2mm占10%，整體厚度為25cm以上[2]。具體仿真結果如下：

圖2 全石墨質陰極鋁電解節能技術能量平衡模擬仿真結果

優化后電解質共晶等溫線位置位于陰極炭塊下面﹑保溫層上面的耐火材料層內，使電解質的凍結破壞作用下降到陰極炭塊以下﹑保溫層以上，使保溫材料避免受到電解質的侵蝕。同時，確保了側襯材料表面形成保護性爐幫和伸腿，減少了側部散熱及漏爐的發生。800℃等溫線在保溫材料以上，可以確保保溫材料的保溫性能，減少電解槽底部散熱。

通過優化后的新能量平衡如表3所示。

表3 某企業300kA深度節能技術能量平衡表

優化后，電解槽總散熱量543.7kW，總散熱電壓1.778V，滿足全石墨質陰極電解槽低電壓下運行的能量平衡需求。

4 側部設計

全石墨質陰極鋁電解節能技術電解槽側部設計從過去的散熱設計轉化為保溫設計，其側部為碳化硅結合氮化硅+蛭石保溫磚結構。

5 底部設計

全石墨質陰極鋁電解節能技術電解槽底部設計加強了保溫設計，底部材料結構(由下往上)：納米硬硅鈣石絕熱板﹑納米絕熱板﹑保溫磚﹑干式防滲料。

6 其他部位設計

全石墨質陰極鋁電解節能技術電解槽設計加強了槽側下部的保溫，以阻擋全石墨質陰極材料的散熱。

7 工業試驗應用

在國內某電解鋁企業300kA系列選擇四臺電解槽開展全石墨質陰極鋁電解節能技術工業試驗，試驗槽按照上述內襯優化方案進行電解槽大修，采用96h焦粒焙燒濕法啟動方案，后期管理階段按照快速降電壓方案，試驗槽電壓32天降至3.82V，36天降至3.80V，后期管理階段和正常生產管理階段試驗槽工藝技術條件按照表4進行調整保持，在生產過程中根據電解槽實際運行情況，匹配全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽的工藝參數控制體系。

表4 全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽工藝技術條件

統計了四臺試驗槽在非正常期（啟動后90天）技術指標，如表5所示。

表5 4臺全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽非正常期技術指標

統計了四臺試驗槽在正常期內累計技術指標，平均槽齡在300天左右，如表6所示。

表6 4臺全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽正常期技術指標

作為對比，同時統計了該系列同期50%石墨質陰極采用其他技術的40臺電解槽（以下簡稱為50%石墨質槽）非正常期平均技術指標，如表7所示。

表7 40臺其他技術槽非正常期技術指標

作為對比，同時統計了該系列同期50%石墨質陰極采用其他技術的40臺電解槽（以下簡稱為50%石墨質槽）正常期累計平均技術指標，平均槽齡同樣在300天左右，如表8所示。

表8 40臺其他槽正常期技術指標

從統計結果來看：

4臺全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽陰極壓降非正常期內平均196mV，運行300天后穩定在200mV～220mV，平均216mV；而50%石墨質槽運行300天后穩定在250mV～270mV，平均260mV，全石墨質陰極槽陰極壓降較50%石墨質槽低40mV～50mV。

統計的正常期范圍內全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽較50%石墨質陰極電解槽平均電壓降低69mV，電流效率提高1.29%，噸鋁直流電耗降低521kwh/t-Al，實現了大幅的節能降耗目的。

5 結論

①全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽陰極壓降可穩定保持在200mV～220mV，較50%石墨質陰極電解槽低40mV～50mV。②采用全石墨質陰極鋁電解節能技術試驗槽可在低電壓下穩定運行，并取得較高的電流效率，噸鋁直流電耗較50%石墨質陰極電解槽降低521kWh，實現了大幅的節能降耗目的。