350KA雙鋼棒陰極電解槽技術(shù)研究與應(yīng)用

摘" 要：電解鋁企業(yè)生產(chǎn)中降低能耗、節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，一直都是企業(yè)追求的目標，并以此為研究方向，開展各項生產(chǎn)工作。該文以科學(xué)的理論知識為基礎(chǔ)結(jié)合生產(chǎn)中的實際經(jīng)驗，以350KA電解槽槽型結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)管理為研究重點，取得以下實驗結(jié)果。依據(jù)350KA系列現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題，對槽型結(jié)構(gòu)和母線實施改造，補償電流的安裝平衡槽周邊磁場，穩(wěn)定鋁液的流動。槽型結(jié)構(gòu)的改造使電解槽能量輸入、支出達到動態(tài)平衡，槽溫控制在適宜范圍內(nèi)，合理的槽型設(shè)計能有效抵消因內(nèi)襯膨脹產(chǎn)生的推動力，減少槽體發(fā)生偏移和變形的機率。

關(guān)鍵詞：電解鋁；物理場；石墨化陰極；工藝參數(shù)；磁場

中圖分類號：TF821" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）20-0166-04

Abstract： It has always been the goal of electrolytic aluminum enterprises to reduce energy consumption， save costs and improve production efficiency， and take this as the research direction to carry out various production work. Based on scientific theoretical knowledge and practical experience in production， this paper focuses on the cell structure and production management of 350KA electrolytic cell， and obtains the following experimental results. According to the problems existing in the production of 350KA series， the groove structure and busbar are reformed， and the compensation current is installed to balance the magnetic field around the tank to stabilize the flow of molten aluminum. The transformation of the cell structure makes the energy input and expenditure of the electrolytic cell reach a dynamic balance， the cell temperature is controlled within a suitable range， and the reasonable design of the cell can effectively offset the driving force caused by the expansion of the lining and reduce the probability of deviation and deformation of the cell.

Keywords： electrolytic aluminum; physical field; graphitized cathode; process parameter; magnetic field

寧東鋁業(yè)分公司350 kA電解系列自2009年投產(chǎn)以來，存在鋁水平和電壓高，槽殼變形、偏移，能耗大的問題，因電解槽鋁液中垂直磁場分布不均，各象限數(shù)值大，導(dǎo)致槽況不穩(wěn)定，鋁液流速快鏡面隆起高。為了提高電解槽的穩(wěn)定性，在原有惡劣磁場分布的條件下，只能通過提高鋁水平、減少水平電流，從而使電解槽保持穩(wěn)定。鋁水平升高，陽極與陰極距離增加，電壓升高電能耗損增多。

寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團有限公司自主研發(fā)出了350 KA雙鋼棒陰極電解槽，該型號電解槽改變了鋼棒與陰極的連接方式，減少了熔體中水平電流的分布，對槽周母線重新布置，平衡了磁場和溫度。

1" 雙鋼棒陰極電解槽技術(shù)特點及設(shè)計

電解鋁生產(chǎn)中，母線電流產(chǎn)生的磁場對工藝指標有著深遠的影響。流經(jīng)母線的電流會與槽內(nèi)熔體電流和槽殼產(chǎn)生雙重磁場。影響槽內(nèi)流動體的穩(wěn)定，為了獲得盡可能低的槽電壓，一個非常有效的措施就是設(shè)法降低流動體速度和擾動。

電解槽中的熔體，在電流和磁場的作用下會產(chǎn)生洛侖茲力推動熔體移動。熔體的運動使極距發(fā)生變化，引起槽壓的不穩(wěn)定。

電磁力可用公式（1）表述為

F=J×B=（JyBz-JzBy）i+（JzBx-JxBz）j+（JxBy-JyBx）k，（1）

式中：J為電流密度，A/m2；B為磁感應(yīng)強度，Gs；F為電磁力，N/m3；i、j、k為向量。

By、Bz在y方向梯度，By、Jy值最小。

By、Bz和水平電流產(chǎn)生的電磁力對槽內(nèi)磁流體運動影響最大，而規(guī)整爐膛和優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)能減小Jy。因此，減少電磁力可以通過補償磁場、穩(wěn)定槽膛和改變陰極來實現(xiàn)。

當(dāng)今鋁電解技術(shù)通過合理設(shè)計槽結(jié)構(gòu)和母線布局，減小水平電流對稱垂直磁場，來穩(wěn)定磁流體并由此產(chǎn)生了多種多樣的母線進電方式。

其中，兩點式進電母線兩側(cè)Bz的值較大，多點式進電因相鄰立柱母線間磁場可以相互抵消，磁場波峰分散且數(shù)值較小。350 KA電解槽進電為大面橫向六點式，減小槽內(nèi)水平和垂直磁場變化梯度，避免水平電流受磁場影響造成磁流體傾斜和擾動。

350 KA電解槽分別對考慮臨列磁場影響和未考慮臨列磁場影響2種情況進行了磁場仿真計算。

建立坐標系如圖1所示。

將坐標原點取在母線斷面的中心，取一截面為dx′dy′的細絲形成一平行Z軸的線形電流，長度為l，線電流I′。根據(jù)畢奧-薩伐定律

式中：ro為p′點指向p點的矢徑r方向上的單位矢量；μo為真空中的磁導(dǎo)率，μo=4π×10-7 H/m；r為ro的長度。

采用數(shù)值積分，運用有限元軟件ANSYS求得3個分量Bx、By、Bz。計算點P（x，y，z）的磁感應(yīng)強度時，將坐標原點沿Z軸上移z，P點坐標變換為P（x，y，0），計算出截流母線的磁場。

計算結(jié)果見表1。

數(shù)據(jù)顯示，臨列對電解槽第一、四象限（即出鋁端）有4 Gs的影響，而對第二、三象限（即煙道端）有7 Gs的影響。因此，電解槽磁場補償需考慮臨列的影響。1—4象限Bz為8.013、19.152、20.997和9.708 Gs，其中第二、三象限均值很大，磁場在各象限分布不均且峰值較高，最大值為34.965 Gs。

磁場分布不均數(shù)值過大，將會導(dǎo)致鋁液流速過大、界面波動劇烈、電解槽的穩(wěn)定性差，很難達到良好的工藝操作要求。

電解槽磁場的補償，可通過改變母線走向來實現(xiàn)，350 KA電解系列分別從高壓配電柜引出直流額定電壓為30 V，電流為80、30 kA的2條母線，流經(jīng)電解廠房的兩側(cè)，以改善磁場。同時在電解槽B面B1、B30增加導(dǎo)流母線，對大面端和煙道端鋁液的磁場力進行削弱，從而均衡磁場減小熔體擾動。

增加補償電流后Bz的比較見表2。

通過加裝補償母線，電解槽各區(qū)域Bz顯著減小，特別是二、三象限，平均值分別從19.152 Gs和20.997 Gs降到了4.395 Gs和7.218 Gs，效果非常明顯；另外垂直磁感應(yīng)強度的最大值也降到了20 Gs以內(nèi)。優(yōu)化后的磁場，分布比較均勻、數(shù)值較小，絕大部分磁感應(yīng)強度都在10 Gs以下，呈現(xiàn)出良好的反對稱性。

優(yōu)化母線技術(shù)有效改善了電解槽鋁液中的垂直磁場分布不均現(xiàn)象，電解質(zhì)與鋁液界面變形減少、縮短了極距、降低了槽電壓和鋁水平。

1.1" 熱場的設(shè)計

電解槽熱場的研究，主要是研究槽內(nèi)溫度的梯度變化。溫度場分布的合理性，影響到電解槽的生產(chǎn)指標和使用周期。

電解槽中經(jīng)集氣煙道散失的熱量占25%～35%，維持槽熱平衡和密閉效率的關(guān)鍵點之一，就是控制好煙氣的散熱量，調(diào)節(jié)煙道集氣量及散熱能力的大小取決于煙氣凈化系統(tǒng)。

電解槽煙道采用自平衡無隔板式兩段集氣下煙道結(jié)構(gòu)，其中靠近煙道端的第二段煙道可通過垂直煙管的閥門予以調(diào)節(jié)，增加出鋁端的集氣量。煙氣最快流動速度27 m/s，阻力360 Pa。強化了電解槽在下料點附近的煙氣收集能力，第一段煙道內(nèi)集氣孔的最大進風(fēng)量與最小值相差約2.5倍，能更有效地吸收從火眼中散發(fā)出的高溫污染物。

為了減少電解槽上部散熱，調(diào)節(jié)排煙管閥門，將工況煙氣流量控制在11 000 m3/h左右，降低排煙量，減少煙氣熱量散失。同時對陽極U型口和槽罩進行密封，提高煙氣回收率。

電解槽單槽煙氣排出量為5 500～7 000 Nm3/h，溫度約126 ℃，煙氣帶走熱平均值約576 mV，槽上部散熱量減少約230 mV。槽膛密封良好，冒煙現(xiàn)象較少，由此可知，良好的煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以保證槽膛內(nèi)風(fēng)壓平衡，還能根據(jù)電解槽熱平衡需要靈活調(diào)節(jié)排煙量，在不降低電解槽密閉效率的前提下起到槽上保溫的作用。

求解非穩(wěn)態(tài)方程的邊界條件。

1）電解質(zhì)與鋁液區(qū)視為等溫區(qū)，并根據(jù)外界擾動引起熱平衡的變化來自行調(diào)節(jié)電解質(zhì)和鋁液溫度。它們同槽襯（包括槽幫）的傳熱量通過牛頓換熱公式來計算。

2）上部結(jié)殼與陽極間的接觸面視為絕熱面。

3）槽體周圍的環(huán)境溫度按車間平均氣溫給定。

4）槽體外表面的散熱系數(shù)為

式中：σo為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；εw為槽體表面的黑度；φ為角度系數(shù)；Tw為槽體表面溫度；Ta為空氣介質(zhì)溫度；α對為對流換熱系數(shù)。

為了實現(xiàn)在槽膛內(nèi)均勻集氣、均勻散熱的目標，我公司在電解槽原設(shè)計上，進行了如下改動。

1）槽內(nèi)襯：適當(dāng)增加角部炭塊組的電導(dǎo)率，減少伸腿長度；增加大面陰極區(qū)域的保溫，在陰極原澆注料區(qū)域使用2層保溫磚，3層平砌硅藻土保溫磚，減少伸腿長度，提高側(cè)部可壓縮量，防止側(cè)塊上拱。

2）集氣罩：集氣裝置，均衡集氣效率，改善原先煙氣吸收不均衡的問題，還可以減少HF的逸出，減少氟化鹽的投入量。

3）散熱片：增加電解槽側(cè)壁散熱量，達到均衡熱量的效果。

模擬結(jié)果顯示，陰極炭塊中900 ℃以上的等溫線分布與傳統(tǒng)槽類似，無熱集中現(xiàn)象；在陰極炭塊下面的耐火材料中等溫線平直，900 ℃溫度線絕大部分在陰極炭塊以下；800 ℃溫度線在保溫磚之上的干防滲料的下部，等溫線分布合理。

1.2" 流動場優(yōu)化

電解槽流場是指槽內(nèi)熔體的流動，影響熔體界面曲率和流速的因素有洛侖茲力、陽極氣體流動產(chǎn)生的力、溫差對流浮力、重力等作用在熔體上使熔體發(fā)生波動、變形和環(huán)流。其實，流動場的實質(zhì)就是電解質(zhì)和鋁液在各個方向上受力不均勻，驅(qū)動流體運動。流場中流動狀態(tài)呈現(xiàn)出大、小不同的漩渦形狀。

熔體的運動加速了電解質(zhì)中氧化鋁的分散，鋁液中的溫度向側(cè)壁傳導(dǎo)。但流速增大會造成熔體液面震動劇烈，槽電壓擺動幅度大，鋁的溶解損失增多，降低了電流效率，同時熔體的運動還可對側(cè)部炭塊施以沖刷，加快陰極破損。

熔體的三維湍流運動可用納維-斯托可斯（Navier-Stocks）方程來描述。鋁液運動對電解鋁過程影響大，因此主要研究鋁液流動，并對研究對象進行簡化。

1）鋁液流動視為單相流。

2）鋁液流動視為不可壓縮流，并且在本模型迭代求解的時間段內(nèi)視為穩(wěn)態(tài)流。

3）鋁液密度較大，電解質(zhì)密度較小，電解槽內(nèi)鋁液在下層，電解質(zhì)在上層，可視鋁液為自由面。

4）鋁液具有良好的導(dǎo)熱性，可視為等溫流動。

測算結(jié)果見表3。

運用有限元分析軟件計算，結(jié)果顯示熔體在煙道端流速較快，對破損電解槽漏爐原因進行分析，可能是破損部位鋁液流動快對槽內(nèi)襯沖刷溶蝕造成漏爐。

改進措施：

1）加裝補償電流，平衡垂直磁場；

2）采用雙鋼棒分段式與炭塊組合，減少熔體中的水平電流，使流動體趨于平穩(wěn)。

1.3" 壓接器升級

公司對各區(qū)域電壓降進行了測算，發(fā)現(xiàn)鋼棒與軟連接處壓降較高，造成單槽電能消耗高，分公司將電解槽陰極鋼棒與軟帶由螺栓連接升級為爆炸焊連接。由于鋼和鋁的合金很脆且電阻率高，在常規(guī)的焊接連接中不能共存。因此，采用第三種鈦金屬通過爆炸焊技術(shù)導(dǎo)電連接。具有鈦中間層的連接電阻在600 ℃以上很穩(wěn)定，需要的操作費用低，鋁接頭可以通過鋁熱焊焊接到母線上。

爆炸焊壓降平均值比壓接器壓降平均值降低了約4倍，為電解槽低壓生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1.4" 350 KA基建槽與雙鋼棒槽技術(shù)條件對比

由表4可知，雙鋼棒槽運行電壓比基建槽低0.28 V，溫度低10 ℃，直流電單耗降低了300 kW·h/t，電流效率提高了1.55%。

2" 雙鋼電解槽存在問題及建議

1）2016年雙鋼棒槽平均效率為91.54%，存在上半年偏高，下半年偏低情況，分公司根據(jù)技術(shù)條件情況適當(dāng)將鋁水平保持在23～26 cm，增加了在產(chǎn)鋁量，從2017年一月份開始雙鋼棒槽效率提升較明顯。

2）2016年雙鋼棒槽綜合交流電單耗13 379 kW·h/t-Al，2017年技術(shù)條件優(yōu)化后綜合交流電單耗下降明顯，相對于350普通槽下降600 kW·h/t-Al，與目標值相比略偏高。

3）350 KA電解系列針對雙鋼棒槽效率提升的同時，電解槽略顯偏涼的情況，適當(dāng)增加保溫料厚度，加強保溫。使槽壓控制在3.90 V以內(nèi)，電耗下降到13 250 kW·h/t-Al，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3" 結(jié)束語

1）為改變現(xiàn)350 KA電解槽生產(chǎn)指標低的被動局面，從優(yōu)化物理場入手，分別進行了磁場補償、降電壓、應(yīng)力設(shè)計、流動場、熱場和母線的設(shè)計改造，實驗結(jié)果證明物理場的影響，維穩(wěn)了電解槽的生產(chǎn)運行。

2）要想獲得好的工藝指標，需要做到2點。一是合理設(shè)計電解槽結(jié)構(gòu)，二是做好生產(chǎn)期間的管理。寧夏能源鋁業(yè)寧東鋁業(yè)分公司在設(shè)計院提供的科學(xué)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實際生產(chǎn)經(jīng)驗制定了適合本槽型的作業(yè)管理制度。

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