摘要：
通过应用分段式高导电率阴极钢棒、电解槽内衬结构优化升级、预焙阳极外观结构改进，从而使240kA电解槽运行更加稳定运行，实现电解槽节能降耗的目的。
关键词：
铝电解槽；分段式高导电率阴极钢棒；优化；节能
目前电解铝企业基本都是微利或无利。铝电解研究工作者开发与应用了各种节能新技术，节能效果虽然也较显著［1－2］，但电能效率仍达不到50％。某公司应用了分段式高导电率阴极钢棒、优化电解槽内衬保温结构，同时对预焙阳极外观结构进行了改进。主要是：降低铝液水平电流、降低炉底压降；进一步探究低电压生产工艺，在低电压下能量平衡优化电解槽内衬结构；降低阳极毛耗和降低阳极气膜电阻，延长阳极使用周期，对阳极的外观结构进行了改进，提高电解槽运行稳定，实现节能降耗的目的。本文主要对某公司240kA铝电解槽上应用了铝电解综合节能技术后取得的各项技术经济指标进行总结分析。
1新型内衬结构的研究应用
新型阴极内衬结构主要应用了分段式高导电率阴极钢棒技术、电解槽内保温技术、冷捣糊技术、30％石墨化阴极炭块。
1．1分段式高导电率阴极钢棒
近年来，为提高电解槽稳定性的途径，国内研究者从改变阴极钢棒的配置或结构来减小铝液中的水平电流，开发了多种异型阴极钢棒［3－11］。某公司应用特种合金钢棒作为分段式高导电率阴极钢棒，调整材质导电性能，改善铝液水平电流，调整电解槽的炉底电阻、电流分布，以及调整材质与阴极的接触性能，实现低电压生产，最终实现电解槽直流电耗的降低。分段式高导电率阴极钢棒为分段式阴极钢棒（2065mm×70mm×230mm），该阴极钢棒沿长度方向在靠近出电端开一道长855mm、宽5mm的分割缝，分割段成上厚下薄两部分，沟槽下高度为90mm。由于阴极钢棒厚度和高度的增加，在不影响阴极炭块寿命和组装质量的情况下，公司与设计研究院共同研究论证后，将阴极炭块的厚度由原设计的450mm调整到480mm，阴极碳块燕尾槽宽度进行了调整，在中心线不变的情况下由原设计的90mm调整到95mm。分段式高导电率阴极钢棒分隔缝用绝缘糊填充满，钢棒与阴极炭块用石墨粉连接，两段钢棒之间用冷捣糊连接。钢棒未分割的一段侧面用冷捣糊相连，钢棒被分割的一段侧面上半部分用冷捣糊相连，下半部分用SiC捣打料相连。对两种阴极钢棒的铝液水平电流、炉底压降、不同温度下的电阻率进行了仿真计算［12］，结果表明，传统阴极钢棒的水平电流平均值、炉底压降和800℃的电阻率分别为0．638A／cm2、350mV、118μΩ•cm，而分段式高导电率阴极钢棒对应的指标分别为0．560A／cm2、290mV、52μΩ•cm。可知，分段式高导电率阴极钢棒比传统阴极钢棒的水平电流降低了0．078A／cm2，电阻率降低了66μΩ•cm，阴极压降降低了60mV，电解槽的稳定性也得到了提高。
1．2电解槽内保温技术
近几年公司随着电解槽低电压生产工艺的不断实施，槽电压逐步降低，电解槽能量平衡逐渐失去平衡，导致氧化铝溶解度的降低，炉底出现了不同程度的沉淀和结壳，降低了电解槽的稳定运行，阻碍了继续低电压生产工艺的探索，为配合低电压生产工艺的进一步试验研究，公司应用分段式高导电率阴极钢棒技术，同时解决以上存在的问题，对电解槽内衬结构进行优化设计。底部内衬结构自下而上依次为，一层65mm的硅酸钙板；两层65mm蛭石保温砖，两层42mm蛭石防渗隔热砖，缝隙均用氧化铝填充，一层69mm干式防渗料，前四层为干砌，最上层的蛭石防渗隔热砖湿砌（粘接剂为蛭石防渗隔热砖专用粘接剂）。蛭石保温砖、蛭石防渗隔热砖与槽底斜面硅酸钙板接触处空隙部位使用蛭石防渗隔热砖粉碎料填充。侧部内衬结构大、小面均采用一层6mm纳米板、侧部的保温材料纳米板在斜面以上。侧下部斜面采用两种不同的保温材料，一层20mm陶瓷纤维板和一层80mm硅酸钙板。普通电解槽和内保温电解指标对比结果表明，与普通槽相比，内保温试验槽钢棒温度从普通槽的286℃降低到245℃，炉帮温度从普通槽的352℃降低到274℃，炉底温度从普通槽的147℃降低到82℃，说明阴极内衬保温结构优化后电解槽保温效果非常显著。
1．330％石墨阴极炭块
石墨阴极炭块的优点是高电导率、较好的抗侵蚀性和抗钠性［13］。普遍使用的高石墨阴极炭块主要有30％和50％石墨两种。根据行业内应用效果来看，后者在初期炉底压降降低效果明显，但是对炉底影响较大，炉底偏冷，形成较多的炉底沉淀和结壳，而且会增大水平电流，使得电解槽电压偏高［14］。所有我们最终选择30％石墨阴极炭块。
1．4冷捣糊技术
冷捣糊具有糊料主要特性［15－16］，几乎无挥发，可以在常温下施工，而且施工环境整洁，可以大幅降低工人的劳动强度；另外还具有优良的捣实性能，常温下施工温度波动较小，焙烧收缩率低，克服了糊料焙烧和阴极炭块之间产生大的收缩缝的难题。
2预焙阳极外观结构改进
近几年国内许多研究人员从阳极结构入手，进行了许多研究［17－21］，主要从几个方面考虑：1）去掉炭阳极本身在电解过程中不起作用的部分，降低阳极毛耗；2）炭块底部进行改进，有效排除电解过程的阳极气体，避免阳极气体富集于阳极底面形成气膜，降低槽电压；3）增加阳极高度，延长换极周期，减少因换极对铝电解槽生产带来的影响；4）低电压工艺生产过程中阳极保温覆盖料作用较大，较好的堆积阳极保温覆盖料可以对阳极起到覆盖保护的作用。基于上述几点考虑，公司先后开展了阳极底部四周倒角、阳极开槽、阳极上部凸台外观结构改进、阳极加高等外观技术改进。1）阳极底部四周倒角，主要减少电解质冲刷生成炭渣，稳定电解槽工艺参数，提高电解槽的稳定性；保持阳极使用周期不变的情况下，减少生产炭块糊料的单耗。经过研究确定将阳极底部的四个棱角倒角成尺寸为50mm×50mm的等腰三角形。2）阳极底部开槽，开槽后能够有效排除电解过程的阳极气体，避免阳极气体富集于阳极底面形成气膜，降低槽电压，减少生产炭块糊料的单耗。将阳极底掌分为三等分，以靠近阳极外侧的两条等分线为槽中心，沿阳极的长度方向进行开槽，阳极开槽深度在270mm，开槽宽度为18mm。3）阳极上部凸台改造，主要减少炭块上部不起作用的部分，减少生产炭块糊料的单耗，降低阳极的生产成本。根据数学知识，球形的表面积是最大的原理，将上部凸台改为圆弧状，保持原阳极凸台斜边高度75mm、长度91mm不变，以圆半径为～93mm，圆心角为79°的圆弧。阳极上部凸台改造后，生产每块阳极降低糊料单耗8～12kg［22］。4）加高阳极高度，增加阳极高度主要是延长阳极使用周期，减少换极对电解槽生产带来的影响，将阳极高度由原来的570mm加高至610mm。
3应用效果
试验槽启动3个月后进入考核期，试验槽与普通槽的各技术经济指标平均值统计结果。综合节能技术应用前后相比，平均电压降低了50mV，电流效率提高了0．78个百分点，吨铝电解直流电耗降低了270kWh，阳极毛耗降低了10kg，炉底压降降低了70mV，综合节能技术应用后节能效果非常显著。在铝电解实际生产中阳极使用周期已达到了35d。
4结论
应用铝电解综合节能技术减少了槽内铝液水平电流，降低了电解槽炉底压降，阳极使用周期已达到35d，在低电压生产工艺下实现了电解槽的稳定运行，吨铝电解直流电耗降低了270kWh，电流效率提高了0．78个百分点。
作者：王刚 李贤 单位：青海正益检测技术有限公司 青海桥头铝电股份有限公司
参考文献
［1］邹智勇．新式阴极钢棒结构在SY300电解槽上的应用［J］．轻金属，2014（1）：24－27．
［2］王富强，张国斌，赵冰祥，等．数值模拟技术在电解槽节能减排中的应用［J］．轻金属，2013（7）：30－32．
［3］杨帅，李劼，徐宇杰，等．铝电解槽钢棒加高型阴极对铝液中水平电流的优化［J］．中国有色金属学报，2012，22（10）：2951－2959．
［4］沈阳铝镁设计研究院有限公司．一种大幅降低铝电解槽铝液中水平电流的结构：201020566373．2［P］．2011－06－15．
［5］中南大学．一种可控调节铝液中水平电流的铝电解槽阴极结构：201110089796．9［P］．2011－09－14．
［6］湖南中大业翔科技有限公司．一种非均匀导电的铝电解槽阴极结构：2011201113203．2［P］．2011－11－23．
［7］中国铝业股份有限公司．一种减少铝电解水平电流的方法：201110221902．4［P］．2011－11－09．
［8］尹诚刚，李劼，徐宇杰，等．新型阴极钢棒对铝电解电热场的影响［J］．中国有色金属学报，2014，24（1）：246－253．
［9］赵应彬，王平，陈谦．300kA新式异型阴极双钢棒铝电解槽生产实践［J］．有色金属（冶炼部分），2014（2）：28－30．
［10］李劼，尹诚刚，张红亮，等．铝电解槽异型阴极钢棒的对比方正研究［J］．轻金属，2013（1）：40－47．
［11］李勇，刘升，王有来，等．全保温型内衬配置在300kA铝电解槽上的应用［J］．有色金属（冶炼部分），2012（10）：20－22．
［12］郑州经纬科技实业有限公司．高导电性阴极钢棒应用的技术交流报告［R］．郑州：郑州经纬科技实业有限公司，2011．
［13］罗钟生，罗英涛，杨宏杰．高石墨质阴极生产新技术研究［J］．轻金属，2011（3）：34－38．
［14］李清，崔金水．400kA石墨化阴极电解槽技术条件的优化［J］．有色金属（冶炼部分），2016（1）：14－17．
［15］王宁．冷捣糊在石墨化阴极炭块上的应用［J］．材料与冶金学报，2010（增刊1）：150－151．
［16］廖先安，段学良，赵忠明．我国阴极炭素材料发展中的若干问题［J］．轻金属，2004（10）：6－8．
［17］任必军，王兆文，石忠宁，等．大型铝电解槽阳极开槽试验的研究［J］．矿冶工程，2007，7（3）：61－63．
［18］焦庆国，史志荣．开槽阳极在铝电解槽上的应用与研究［J］．铝镁通讯，2009（3）：12－14．
［19］李贺松，曹曦，田应甫．低能耗下铝电解槽阳极结构的优化［J］．中国有色金属学报，2012，22（10）：2960－2969．
［20］陈国兵．穿孔阳极技术在铝电解中的工业试验［J］．有色冶金节能，2012（5）：22－26．
［21］张友禧，李贤，刘民章．浅谈预焙阳极外观结构的改进［J］．有色冶金节能，2014（5）：14－17．
［22］乐雪梅，戴威然，郭峻，等．铝电解用预焙阳极外形结构优化的摸索及生产实践［J］．云南冶金，2011，39（增刊1）：90－92
