330kA柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的應用張開躍;林琳;閆飛【摘要】介紹了柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的節(jié)能原理及工業(yè)化應用中遇到的電解槽熱平衡和焙燒問題.通過電解槽內(nèi)外保溫改造，減少了電解槽的散熱量;通過結合使用全焦粒焙燒和雙介質焙燒，解決了焙燒中遇到的問題.改進后的柱形凸起斜面陰極鋁電解槽順利投入生產(chǎn).【期刊名稱】《有色冶金節(jié)能》【年(卷)，期】2014(030)004【總頁數(shù)】4頁(P3-6)【關鍵詞】鋁電解槽;柱形凸起斜面陰極;熱平衡;焙燒【作者】張開躍;林琳;閆飛【作者單位】廣西投資集團銀海鋁業(yè)有限公司，廣西南寧530028;廣西投資集團銀海鋁業(yè)有限公司，廣西南寧530028;廣西投資集團銀海鋁業(yè)有限公司，廣西南寧530028【正文語種】中文【中圖分類】TF821近年來我國電解鋁行業(yè)在節(jié)能減排方面取得了令人矚目的成就。然而，隨著國家對電解鋁行業(yè)節(jié)能減排要求的進一步提高以及原鋁市場行情的持續(xù)低迷，電解鋁行業(yè)的節(jié)能減排工作依然面臨著嚴峻考驗。廣西某電解鋁生產(chǎn)企業(yè)為了進一步降低生產(chǎn)成本、減少廢棄物的排放，引入了東北大學馮乃祥教授的最新節(jié)能電解槽研究成果〃柱形凸起斜面陰極鋁電解槽”，由于該槽型特殊的陰極結構及低電壓生產(chǎn)的要求，在投產(chǎn)過程中進行了一系列革新。柱形凸起斜面陰極是將陰極表面改造成具有一定角度的斜面，同時在斜面上安裝一定規(guī)格和數(shù)量的柱形凸起結構。斜面陰極通過改變其表面的電阻起到降低水平電流的作用，而柱形凸起對鋁液具有較好的阻流作用，兩者結合可共同減少電解鋁生產(chǎn)過程中鋁液面的波動，從而降低電解槽生產(chǎn)電壓，減少電解槽電解消耗和污染物排放。斜面陰極降低水平電流的技術原理如圖1所示。由圖1可以看出：若電解槽中部鋁液中的電流從中部垂直向下(路線①)進入陰極鋼棒，然后從陰極鋼棒導出，則該電流流經(jīng)路徑的電阻R1為：如果該電流通過鋁液經(jīng)由路線②從陰極炭塊的端部垂直走向陰極鋼棒，則該電流流經(jīng)路徑的電阻R2為：由此可以推斷，只有R1<R2時，電流才有可能垂直向下進入陰極炭塊，沒有或只有較小水平電流分量。要求R2>R1，即：因此，在鋁電解槽陰極炭塊的設計中，只要滿足了在陰極炭塊上表面的電流流經(jīng)不同部位電阻的上述關系式，則設計的陰極炭塊就能夠使電解槽在鋁電解生產(chǎn)過程中具有較小的沿陰極炭塊的縱向方向的水平電流分量。而斜面陰極結構只要角度合適就能很好的滿足以上要求。2.1電解槽的熱平衡問題柱形凸起斜面陰極電解槽的設計初衷是進行3.80V左右的超低電壓生產(chǎn)，生產(chǎn)電壓過低必然會造成電解槽的熱收入減少，而生產(chǎn)實踐中電解槽的熱收入減少會出現(xiàn)以下較為嚴重的生產(chǎn)問題。2.1.1電解槽角部伸腿肥大角部伸腿肥大主要產(chǎn)生機理是電解槽熱收入減少，角部處散熱面積大、散熱速度快，電解質和沉積的氧化鋁便會在電解槽角部處凝固。如果處理不及時，凝固層會逐漸增厚，并向槽內(nèi)沿伸，直至頂住角部陽極底掌，使爐膛畸形、電解槽病變，嚴重時造成裝陽極困難，陽極導桿被頂裂，給生產(chǎn)造成很大影響，如圖2所示。2.1.2電解槽電流效率降低在低電壓生產(chǎn)條件下，為了維持電解槽的熱平衡，必須要減少電解槽的散熱量，主要途徑是減少電解槽的在產(chǎn)鋁量。電解槽在產(chǎn)鋁量大幅度減少后，電解槽的穩(wěn)定性減弱，控制難度增加，發(fā)熱區(qū)下移，如控制不當，電流效率會出現(xiàn)明顯降低，對電解槽的經(jīng)濟指標產(chǎn)生不利的影響。綜上所述，為了保持電解槽平穩(wěn)高效生產(chǎn)，有必要對電解槽進行保溫改造，以減少電解槽的散熱量。2.2電解槽的焙燒問題2.2.1傳統(tǒng)焙燒方案介紹2.2.1.1全焦粒焙燒全焦粒焙燒是在陽極和陰極表面炭塊的窄縫之間鋪設炭粉(石墨粉)或炭粒，使陽極和陰極之間實現(xiàn)連接，然后通電，借助于陽極、炭粉層和陰極的電阻產(chǎn)生的焦耳熱，加熱焙燒電解槽。2.2.1.2雙層介質焙燒雙層介質焙燒主要是在新型陰極的凹槽之間先用碎電解質塊鋪滿，再在電解質塊及陰極凸臺的表面鋪設一定厚度的焦粒層作為焙燒發(fā)熱介質，然后掛極。裝爐時用碎電解質塊將陽極中縫及四周全部填滿(見圖3)，在焙燒初期，需要增大陽極的分流量，減少通過陰極的電流。實踐證明，如果陰極導電面積不小于35%對整個焙燒過程影響不大。雙層介質焙燒技術有下列優(yōu)點：減少了焦粒的使用量。在中縫和陰極上鋪設有電解質，當電解質熔化后，高度超過了陰極凸臺的高度，此時，電解質參與導電，增加了焙燒的均勻性，不會出現(xiàn)陰極溫度過高的現(xiàn)象。電解質熔化后，直接進入焙燒期間產(chǎn)生的陰極和內(nèi)襯裂縫中，可有效地堵塞焙燒期間形成的滲漏通道。2.2.2傳統(tǒng)焙燒方法出現(xiàn)的問題2.2.2.1全焦粒焙燒全焦粒焙燒如果應用于柱形斜面凸起陰極電解槽會出現(xiàn)下列問題：焦粒使用量太大，經(jīng)過初步計算每臺槽用量在7t左右，啟動結束后需要投入大量的人力進行碳渣打撈，工作量大。炭渣打撈時將帶出大量電解質，造成電解質損失。如果炭渣打撈不干凈，存留在電解質中，容易引進電解質含炭、甚至出現(xiàn)陽極長包現(xiàn)象。⑷由于凸起之間間距太小，很容易造成炭渣卡在陰極凸起之間長時間排不出來，對生產(chǎn)造成長時間不利影響。(5)焦粒鋪設高度高，必然會造成焙燒電阻過大，沖擊電壓太高。2.2.2.2雙層介質焙燒由于柱形凸起斜面陰極電解槽凸起上表面積太小(只有17.6%)，凸起鑲在陰極表面導致整個導電性能減弱，這樣必會出現(xiàn)焙燒過程中電解槽陰極導電面積太小，電阻太大，如果繼續(xù)加焊分流片焙燒時間會大大延長，不僅增加焙燒成本而影響槽晝夜。不加分流片，經(jīng)過凸起的電流密度過大，必會對凸起產(chǎn)生較大的熱沖擊，容易造成柱形凸起早期破損甚至脫落。電阻過大造成沖擊電壓高，焙燒安全性也得不到保障。由上可得，已有的裝爐焙燒方式均不能很好的滿足柱形凸起斜面陰極鋁電解槽的焙燒需要，如果強行使用，會花費大量的人力、物力、財力，且可能造成陰極的早期破損，甚至出現(xiàn)危險狀況，對電解槽的壽命和節(jié)能效果都會產(chǎn)生較大的影響。3.1熱平衡問題解決方案為了保證在低電壓生產(chǎn)過程中電解槽的熱平衡，經(jīng)過對330kA電解槽的散熱情況進行分析后，決定對其同時進行內(nèi)保溫和外保溫改造。3.1.1內(nèi)保溫改造從電解槽區(qū)域散熱分布來看，散熱比例較大的區(qū)域依次為爐面、側面、鋼爪表面和爐底。爐面可以通過保溫料的厚度調(diào)整其散熱量，為了防止鋼爪脫落必須保持一定的散熱度，而側面和爐底是進行電解槽內(nèi)保溫的絕好地帶。經(jīng)過對保溫材料進行比對，發(fā)現(xiàn)石棉板、陶瓷纖維板、硅酸鈣板成本低、隔熱效果較好且操作方便，整個保溫工作可以在筑爐過程中完成，且保溫效果可以長時間持續(xù)。保溫方式如下：側面從陰極鋼棒下沿開始，在側部炭塊和槽殼之間鋪一層10mm厚的石棉板。在爐底用50mm厚的陶瓷纖維板代替靠近陰極方向的保溫磚。在電解槽的小面沿陰極下沿靠鋼殼立一層250mm的硅酸鈣板代替澆注料。3.1.2夕卜保溫改造由于電解槽角部散熱面積較大，低電壓生產(chǎn)易造成角部伸腿肥大，有必要在角部側壁采取進一步的保溫措施。玻璃纖維保溫棉具有良好的保溫效果，將其塞入角部散熱孔后用鋁皮固定，方法簡單易行。3.2焙燒問題解決方案新焙燒方案既要經(jīng)濟、便捷又要保證焙燒效果好、安全系數(shù)高。全焦粒焙燒效果較好，但是焦粒用量太大，雙層介質焙燒可以有效減少焦粒的用量，但是如果陰極導電面積太小的話，危險系數(shù)會升高。如果把兩者結合起來，揚長避短，便可以達到較好的效果。3.2.1全焦粒焙燒結合雙層介質焙燒原理把全焦粒焙燒和雙層介質焙燒結合起來的原理是：用焦粒來增加焙燒過程中陰極的導電面積，以消除雙層介質焙燒的隱患。具體實現(xiàn)方式是用鐵框把柱形凸起圍起來，在圍起的鐵框中填滿焦粒，這樣只要調(diào)整鐵框的面積便可以同時調(diào)節(jié)陽極和陰極之間的導電面積，從而在使用最少焦粒的情況下，解決柱形凸起陰極導電面積不足的問題，如圖4所示。當正方形的邊與圓柱的距離為a=20mm，焙燒導電面積占陰極總面積的比例為：達到要求。式中：n——柱形凸起電解槽導電面積約占總面積百分比；S導——導電面積，m2;S總一一陰極垂直投影總面積，m2。此時需要的焦粒量：式中：m焦——全焦粒焙燒焦粒使用質量，kg;P焦 所使用焦粒密度，kg/m3;V——所使用焦粒體積，m3。因此，采用正方形的邊與圓柱的距離為20mm較為合適。根據(jù)陰極的傾斜度以及柱形凸起的排布方式，設計鋪焦粒時的專用工具如圖5所示。3.2.2實施方法掛極：凸臺以下全部用電解質細塊填滿鋪平，電解質塊上面鋪設焦粒，焦粒厚度高出凸臺10-15mm。鋪焦粒由煙道端開始鋪設，采用鋪一組掛一組極的方式，每組陽極炭塊與焦粒的接觸面積不小于陽極底面積的90%。陰極中縫用純電解質填充。分流片焊接：為了保證焙燒安全，安裝雙層分流片進行電流分流。柱形凸起斜面陰極電解槽，目前已投入生產(chǎn)一個月，槽況穩(wěn)定，各項指標正順利向正常生產(chǎn)期過渡。運行曲線如圖6。廣西某公司在引進運用柱形凸起斜面陰極電解槽的過程中，為了實現(xiàn)電解槽平穩(wěn)、安全、高效投入生產(chǎn)，根據(jù)槽型的特點對其保溫和掛極等工藝進行了一系列地研究