大型預焙陽極鋁電解槽內襯結構優化

丁吉林 ，張紅亮，劉永強，張大信

(1. 中南大學 冶金科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 云南鋁業股份有限公司，云南 昆明，650502)

鋁是產量最大、用途最為廣泛的有色金屬，長期以來，金屬鋁都采用熔鹽電解法生產。鋁電解工業是重要的基礎材料產業，但同時也是主要的高耗能產業之一。我國作為全球最大的原鋁生產國和消費國，面臨著巨大的節能減排壓力。自21世紀以來，國內鋁行業在基礎理論、大型鋁電解槽開發及工程運用方面取得了一系列成果，成功開發了 240，280，320，350及500 kA特大型鋁電解槽技術，使我國鋁工業面貌發生了根本的改變[1]。當前，我國鋁電解工業在提高效率、降低能耗方面已取得了長足發展，陽極電流密度達0.85 A/cm2以上，電流效率大于95%，部分達96%，噸鋁綜合交流電耗已突破13 500 kW·h，直逼13 000 kW·h[2]。但與國際先進技術相比，我國鋁電解行業還明顯存在一定差距，主要體現在：(1) 槽壽命方面，與國際上高指標2 000～2 500 d相比，差距甚遠，噸鋁大修成本超出國際先進水平 30%左右；(2) 能源綜合利用率比國際上高指標低15%左右[3]；(3) 成本與環保問題突出，新工藝新技術新材料開發運用滯后。產生這些差距的主要原因如下[4-5]：一是優質炭塊研究開發滯后，電解槽還普遍采用半石墨質炭塊；二是槽內襯結構在內應力設計方面還有待完善，內襯材料在滿足熱平衡設計方面還需要加強對一些新材料的使用。電解槽的能量平衡是指單位時間內電解槽中能量的收、支相等。當電解槽輸入的能量等于電解槽支出的能量時，電解槽的能量才能維持平衡狀態。電解槽能量支出包括電解反應消耗的能量、鋁液帶走的熱量、氣體帶走的熱量、換極時散失的熱量及殘極和鋼爪帶走的熱量以及電解槽向周圍環境通過對流、輻射和傳導而損失的熱量。減少電解槽能量損失是最直接的節能方式。為應對國內外嚴峻的市場形勢，尋求鋁企業新的生存空間，首先要尋求成本與槽壽命、能源消耗、環境保護的最佳結合點。從電解槽節能角度講，一是選用優質導電材料，盡可能降低電能空耗[6-8]；二是從陰極內襯結構上進行優化，提高電流分布的均勻性，提高熔體穩定性[9-10]；三是優化生產工藝，加強電解槽保溫，盡可能降低能量損失[11-12]。因此，要實現低耗高效長壽鋁電解生產，必須改進槽內襯結構，優化生產工藝，實現鋁電解的低耗高效長壽生產，達到成本與槽壽命、能源消耗、環保平衡的目的。本文作者對傳統的大型預焙陽極鋁電解槽陰極結構進行優化設計，通過多物理場有限元數值仿真，研究了新型結構槽的熱平衡、物理場分布特征及在低極距下高效運行的穩定性，同時開展為期近2 a的工業電解試驗。

1 傳統鋁電解槽內襯結構剖析

傳統鋁電解槽內襯結構如圖1和圖2所示。陰極炭塊呈四方條形結構，材料多為半石墨質。底部保溫耐火層由1層硅酸鈣板和2層黏土質保溫磚、干式防滲料組成，同等位置周邊用耐火顆?；蚍罎B料填充。側下部大面由輕質保溫磚和低水泥澆注料組成，小面由輕質澆注料澆灌而成，留有寬度為80～120 mm扎固縫，形成整體澆注結構。炭塊中縫及周圍用糊料扎固。熱平衡設計基本能滿足電解生產需求，但從內襯應力設計角度看，違背了所有與陰極碳塊接觸材料強度必須小于陰極底塊耐壓強度原則，是造成部分槽早期破損的主要原因。

鋁液接觸工作面處于一個平整水平面，鋁電解生產中鋁液深度為23～28 cm，生產過程中鋁液由于電磁力作用始終處于一個波動狀態，致使槽電壓一直在一定范圍內上下波動。陰極底部炭塊受氧化燒損、摩擦磨損等因素影響，根據生產控制水平和管理水平不同，槽壽命為 1 500～2 500 d[13-14]。

近年來，我國成功研制石墨含量為30%，50%，75%高石墨質及全石墨質碳塊，綜合質量水平大幅提升，隨著石墨含量增加，膨脹率減小，電阻率變小，磨損指數增大，抗滲透性提高[3,15-16]。石墨含量越高，強度和耐磨性減低?？節B透性、磨損指數是槽壽命的重要理化指標，電阻率是能耗的1個重要理化指標。經過綜合指標比較，選用石墨含量為30%高石墨質底部炭塊，可有效降低能耗，延長槽壽命。美鋁公司和加鋁公司 1997年以來統計數據顯示，槽壽命接近 3 000 d，能源綜合利用率達到國際先進水平。云南鋁業股份有限公司選用石墨含量為30%高石墨質底炭塊，最好水指標為陽極效應系數≤0.05次/(槽·d)，電流效率95%以上，噸鋁直流電耗為13 000 kW·h，槽壽命為2 000～2 500 d。

圖1 傳統鋁電解槽內襯結構主視示意圖Fig.1 Schematic front view of liner structure in traditional aluminum reduction cell

圖2 傳統鋁電解槽內襯結構左視示意圖Fig.2 Schematic left view of liner structure in traditional aluminum reduction cell

2 新型內襯結構電解槽設計

自 2006年開始，在云南鋁業股份有限公司支持下，以槽內襯結構優化為突破口，研發了曲面陰極鋁電解槽。曲面陰極結構槽內襯設計如圖3和圖4所示。通過應用等電位理論，即每個陰極塊表面形成曲面形狀，每個曲面以陰極鋼棒軸心為圓心，由某一曲率半徑的曲面組成。陰極表面至陰極鋼棒的導電距離相等，有效地實現陰極電流分布的均勻性，消除爐底沉淀，減少電解槽鋁液中水平電流的產生，從而減小垂直磁場，減緩電解槽內鋁液的波動，保持穩定的鋁液-電解質界面，減少鋁的溶解損失，達到提高電流效率的目的；同時，大大降低槽內在產鋁量，降低了工作電壓，實現鋁電解的大幅度節能。陰極炭塊選用抗滲透性和綜合指標較好的 30%(質量分數)高石墨質，工作面以陰極方鋼為圓心，提高了電流分布的均勻性。相鄰兩炭塊間形成V型，中部留有溝槽。生產中一部分鋁液進入溝槽，陰極底部炭塊表面僅有10～12 cm高度的鋁液。鋁液在槽內循環流動時，每經過溝槽都形成渦流，從而提高了鋁液面穩定性，有效降低了鋁液面波動造成的附加電壓。此外，鋁液帶走的熱量也得到有效降低，最終為降低電解槽電壓創造了條件。

由于陰極炭塊結構發生了變化，客觀上存在缺陷，強度明顯降低，對內襯結構設計提出了更高要求，必須在確保內應力得到有效釋放的同時，保持適當的壓應力狀態。此外，由于槽電壓降低，客觀上存在電解槽熱收入減少，因此，必須優化內襯結構，使電解槽收支平衡，實現正常生產。為此，對槽內襯結構進行以下優化：

(1) 底部保溫耐火層由1層陶瓷纖維板和2層黏土質保溫磚、干式防滲料組成，同等位置周邊用50 mm厚陶瓷纖維板砌筑，形成貫通槽四周保溫隔熱層。

(2) 側下部大面由輕質保溫磚和低水泥澆注料組成，澆注料與陰極底部炭塊之間留有80 mm扎固縫，小面和角部緊貼槽殼砌筑側部保溫磚，延伸至小頭及角部，形成貫通槽四周保溫隔熱層(厚度115 mm)，再用輕質澆注料澆灌而成，留有80～120 mm扎固縫，小面側部炭塊背縫用石棉絨或硅酸鋁纖維毯填充，炭塊中縫及周圍用糊料扎固。這從客觀上提高槽底部、側下部、小面和角部保溫效果，實現熱輸入和熱輸出的平衡。

(3) 大面側下部澆注料與陰極底部炭塊之間留有扎固縫，確保啟動初期內應力得到有效釋放，焙燒后保持適當的壓應力狀態，以滿足電解生產需求。

圖3 曲面陰極鋁電解槽內襯結構主視示意圖Fig.3 Schematic front view of liner structure in aluminum reduction cell with bend surface cathode

圖4 曲面陰極鋁電解槽內襯結構左視示意圖Fig.4 Schematic left view of liner structure in aluminum reduction cell with bend surface cathode

3 新型內襯結構電解槽熱場仿真

新型內襯結構電解槽加強了槽下部保溫，改變了電解槽熱平衡狀況。為全面了解新型內襯的保溫性能，對其在低電壓的工藝條件、采用現行電解質組成的溫度場進行數值仿真計算。主要對以下情況進行分析：

(1) 槽內及槽殼各主要工藝點的溫度分析(電解質溫度、鋁水溫度、槽殼大小面中間點溫度、槽殼四角溫度、方鋼頭溫度)；(2) 槽底900 ℃等溫位線分布情況；

(3) 爐幫和伸腿形狀模擬。

根據傳熱學的原理，電解槽各組成內的熱傳導服從帶有內熱源的不穩定熱傳導控制方程。對三維來說，控制方程為：

式中：T為節點溫度；t為時間；kx，ky和kz為熱傳導系數；ρ為密度；c為比熱容；qs為熱源強度，即單位體積的熱產生率，對非導電部分，qs=0。

在計算槽幫時，所采用的模型為二維切片模型，對于熱平衡的計算，則采用單體半陽極散熱模型和1/4槽陰極散熱模型進行組合計算，根據槽體周圍的外部散熱環境，在槽體表面施加對流和輻射換熱系數，使用有限元法對槽體進行 2D熱傳導方程離散獲得有限元模型。模型計算時，在陽極頂部施加電流載荷，在陽極底面施加電位邊界，在電解質包裹或接觸的陽極、覆蓋料周圍施加對流換熱邊界條件，在與空氣接觸的陽極導桿、覆蓋料等位置施加復合換熱邊界條件，在鋼爪與陽極接觸的部位施加電接觸邊界條件。二維槽體截面溫度和槽幫形狀分別如圖5和6所示，電解槽各部分熱場分布如圖7～10所示。

圖5 二維槽截面溫度分布Fig.5 2D temperature field of cell cross section

圖6 二維槽幫形狀及溫度分布Fig.6 2D temperature field and profile of side-ledge

圖7 1/4槽陰極與內襯溫度場分布Fig.7 Cathode and liner structure temperature field of quarter cell

圖8 曲面陰極溫度分布Fig.8 Temperature field of bend surface cathode

圖9 槽殼溫度分布Fig.9 Temperature field of steel shell

圖10 方鋼頭溫度分布Fig.10 Temperature field of the end of collector bars

圖11 陰極電壓分布Fig.11 Voltage field of bend surface cathode

由熱場仿真結果可以看出：改進的內襯結構能得到穩定的槽幫形狀，槽幫厚度約為15 cm。電解槽整體溫度分布及各局部(鋼棒頭、陰極炭塊、內襯及槽殼等)是比較合理的，除端部的陰極外，其他陰極內襯中900 ℃等溫線分布基本位于陰極下方，說明電解槽內襯優化后的保溫效果得到了改善。從圖11可見：炭塊各部分距離陰極鋼棒呈現有規律的分布，所設計的基于等電位的曲面陰極設計思路合理。在設定電壓為3.8 V時，電解槽計算的實際熱損失為533.541 kW，對應的理論熱損失為538.165 kW，此時熱損失差值約占理論熱損失的1.26 %，即在這種工藝及電解槽保溫結構下，電解槽能夠維持自身的熱平衡，但電解槽仍然需要加強保溫尤其是上部的保溫。

4 工業試驗及結果分析

通過以上設計及仿真分析，選擇了若干臺195 kA系列鋁電解槽作為試驗槽，采用全新設計的曲面陰極及新型內襯結構。該試驗電解槽自實施以來，在降低電能消耗、保持高電流效率、延長電解槽壽命等方面取得顯著成效。

4.1 消耗分析

95 kA系列608號槽于2007-08進入正常生產期，由于槽內鋁液高度的降低，減少了散熱和電能空耗，使槽工作電壓比傳統陰極電解槽降低了約200 mV，直流電耗明顯降低。表1所示為608號槽自2007-08以來月平均直流電單耗的。

表1 608號槽月直流電單耗Table 1 Monthly average direct current consumption of cell No.608

從表1可以看出，608號曲面陰極電解槽正常生產期的噸鋁平均直流電耗達到12 331 kW·h，與國內傳統陰極電解槽最好指標(13 000 kW·h)相比，降低了669 kW·h，節能效果非常顯著。

4.2 電流效率分析

608號槽進入正常生產期后，雖然降低槽電壓使極距有所降低，但鋁液在曲面陰極電解槽中流動緩慢，二次反應減少，抵消了由于極距降低導致的電流效率下降量。表2所示為608號槽自2007-08以來的電流效率。

表2 608號槽月電流效率Table 2 Monthly average current efficiency of cell No.608

從表2可以看出：608#曲面陰極電解槽正常生產期的平均電流效率為95.56%，達到國內傳統陰極電解槽領先水平。

4.3 槽壽命分析

曲面陰極電解槽在陰極上實現了開槽，可能會增加陰極破損的概率，但陰極開槽也可以有效防止爐底隆起，減少陰極破損。此外，曲面陰極電解槽的爐幫比傳統平面陰極電解槽的厚約15 cm，大大降低了側部漏槽的風險。表3所示為608號槽與同期啟動的傳統平面陰極電解槽在2009-04測量的槽殼溫度和爐底溫度。

表3 608號槽與同期啟動的傳統平面陰極電解槽溫度對比Table 3 Temperature contrast between cell No.608 and traditional cathode cell started at the same period

從表3可以看出：曲面陰極電解槽的槽殼溫度比傳統平面陰極電解槽低約 90 ℃，爐底溫度也降低10 ℃以上。這從實踐上證明曲面陰極電解槽的壽命將得到延長。

5 結論

(1) 通過提高電流分布的均勻性，提高熔體穩定性，優化生產工藝，盡可能降低能量損失，能有效實現大型預焙陽極鋁電解槽的低耗高效平穩生產。

(2) 曲面陰極結構電解槽打破了爐膛要求保持平整設計理念，從提高鋁液面穩定性、降低極距和提高電流分布均勻性角度，使噸鋁直流電耗達到 12 300 kW·h，具有良好的經濟效益和社會效益。

(3) 通過長時間工業試驗，新型結構槽能在保持高電流效率的前提下穩定在低電壓運行，實現了噸鋁電解直流電耗12 331 kW·h，并可有效延長電解槽使用壽命。

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