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1、1新型阴极钢棒结构铝电解槽生产实践杨丹丹（中电投宁夏青铜峡能源铝业集团青铝股份有限公司，宁夏 青铜峡 751603）摘要：以375kA系列新型阴极钢棒结构铝电解槽为实践对象，通过低电压低分子比工艺控制模式，探索合适的工艺控制条件，在强化过程控制能力的基础上实现了电解槽低耗高效安全稳定运行。关键词：新型阴极钢棒结构铝电解槽技术；工艺控制技术；节能降耗Production practice of new cathode steel bar structure for aluminium electrolysis Yang Dan-Dan(China Power Investment Corpora
2、tion NingXia QTX Energy-AL group co.,LTD.,QingTongXia 751603,NingXia)Abstract:In t By taking 375kA new structure of aluminium electrolytic cell cathode steel bar as a practice object，the author try to explore the probable process control conditions through the exploration of low voltage low molecula
3、r ratio process control model.And finally realizes the stable operation of electrolyzer of high efficiency and low consumption safety based on strengthening the process control ability.Key words: New cathode steel bar structure of aluminum electrolytic cell technology; Process control technology; en
4、ergy saving1 前言铝冶金工业的能耗和污染问题，使其发展长期受到能源和环保政策的制约。电解铝工业节能减排技术一直成为国内外铝行业技术工作者的重点主攻目标和行业发展趋势，对我国实现节能减排目标、促进国民经济可持续发展意义和作用重大。尤其是在世界金融危机、能源危机、经济形势和环保政策的多重压力下，电解铝行业面临着严峻的考验。特别是近年来为了铝电解降低电耗低成本控制模式，各大研究机构或设计院在降低阴极的水平电流和改进熔体流场在阴极材质与结构等方面进行了潜心地研究和工业试验，为节能型大型电解槽发展提供了新的基础研究和工业技术支撑 1，同时也促进了各铝业公司为追求良好的经济技术指标，降低生产成
5、本所采取的工艺控制理念地深入转变。本文阐述了某厂375kA系列新型阴极钢棒结构铝电解槽在低电压低分子比工艺控制模式下的生产实践。22 新型阴极钢棒结构铝电解槽设计基本概况目前铝电解槽的阳极电流通过铝液层传递到阴极，同时铝电解槽周围母线的电流在内衬熔体区也形成一了个磁场，铝液中的水平电流和垂直磁场相互共同作用产生电磁力，从而推动铝液的波动，波动越大，铝电解槽极距保持就较高。新型阴极钢棒结构铝电解槽通过改变阴极钢棒的结构及与阴极炭块的组合形式 2（如图 1 所示） ，减少水平电流以减小槽内铝液流体的流动和波动性，提高电解槽的有效极距，提高了电解槽的稳定性，也减少了对阴极炭块的冲刷，提高了阴极使用寿
6、命。计算模拟的结果表明 3，铝液层中的水平电流减少 20（如图 2 所示） ，电解槽内铝液流速与铝液界面的变形得到明显改善，从而达到大幅降低槽电压，提高电流效率的目的。为保持低电压控制模式下，电解槽槽内衬内保温设计和槽壳都得到了进一步的优化，以保证电解槽能量平衡提高能量的利用率。图 1. 电解槽阴极炭块设计图 2. 电解槽水平电流对比3 电解槽焙烧启动由于新型阴极钢棒结构铝电解槽阴极结构表面未作改变，电解槽的焙烧方式依旧采取具有熟练经验、升温梯度可控的焦粉焙烧方式。为了充分发挥焦粒焙烧法的优势，尽可能避免其缺点，技术团队考虑电解槽内保温的特性采用了 96h 焙烧时间，介质选择电阻率为 150-
7、180 粒度控制在 2mm-5mm 的电煅石油焦，通过严守电解槽焙烧启动规程，强化铺焦粉、挂极、软连接安装、装炉等各个环节操作质量的监督，专人负责-专人检查。电解槽焙烧升温梯度受控（如图 3 所示） ，焙烧效果良好。由于电解槽内衬保温性能增强的特性，电解槽启动均采用湿法无效应启动，启动过程中不仅有效的对炉膛进行了二次预热，同时也避免了高温对阴极炉膛的热冲击，为后续电解槽技术条件低电压优化运行提供了坚实的基础。3图 3. 电解槽焙烧升温曲线4 电解槽低电压低分子比工艺控制电解槽启动 24 小时后，一次灌入 12t 铝水，铝水平达到 16cm 时开始出铝。为了有序规整电解槽炉膛和保证电解槽正常生产
8、技术条件优化有效进行，以建立炉膛为核心，通过电压管理其它技术条件与之匹配，槽电压逐步降至 3.85V。图 4 为电解槽后期管理过程中电压管理曲线。图 4. 电解槽电压管理曲线经过电解槽后期管理技术的摸索实践，电解槽后期管理中逐步形成了以下技术要点：（1）灌铝后的前 10 天，每天对电解质试样进行分析，确保分子比保持在 2.850 以上，钙含量保持在 4%左右(电解质成份中 Li 盐和 K 盐总含量维持在 5%左右)。（2）分子比管理：启动后前 20 天分子比应保持在 2.85 以上，启动后 45 天后开始降分子比，90 天分子比 2.452.50。（3）效应系数管理：第一个月内控制在 0.5
9、次/槽.日以下，第二个月后控制在 0.3 次/槽.日以内。（4）电解质水平管理：灌铝后 24 小时电解质高度不低于 30cm，48 小时电解质水平不得低于 28cm，电解槽各项技术条件到位后保持在 1618cm。 （5）铝水平管理：灌铝后第一周 16cm，第二、三周 1618cm，第四、五周 1719cm，电解槽各项技术条件到位后保持在 1821cm。 （6）电解质温度管理：启动后前 20 天电解质温度控制在 985970。（7）电解槽稳定性管理：针振15mV；摆动5mV。正常生产阶段电解工艺技术条件具有相互关联性，电解槽物料和能量平衡成为控制的主线。在低电压低分子控制模式下，形成了“条件是基
10、础，稳定是前提，炉膛是根本，操作是保障”的管理思路。表-3 为新型阴极钢棒结构铝电解槽主要技术条件实际控制情况。4表-3 新型阴极钢棒结构电解槽主要技术条件保持情况电解槽 设定电压/V平均电压/V针振值/mV摆动值/mV铝水平/ mm电解质水平/mm 分子比电解质温度/技术要求 3.88 3.89 15 5 180-210 150-180 2.45-2.50 935-945实际控制情况 3.891 3.896 13 3 206.6 168.7 2.492 937在电解槽运行过程中技术人员积极通过强化过程控制，优化各项技术条件的保持，电解槽实现了低耗高效稳定运行。新型阴极钢棒结构铝电解槽在 3.
11、896V 的平均槽电压下，实现了 93.39%的高电流效率以及 12434kWh/t 的低直流电耗。当然，由于新型阴极钢棒结构铝电解槽现最高运行天数在 196 天，炉膛状况良好、在产铝量较为稳定，电解槽实际电流效率评估时间较短，因此需要通过较长时间的跟踪和对电解槽槽况的监测给出电解槽一个周期性客观评定。就目前来说，新型阴极钢棒结构铝电解槽稳定运行中取得的节能降耗的效果是显著的。5 工艺控制问题探讨5.1 技术条件的优化在电解槽各项技术条件的优化过程中保持一个较为稳态的外部环境条件也是有必要的。其中电流强度稳定在 3750.1kA，净化负压保持在-950 至-1050Pa，烟气流量控制在 120
12、00m3/h 左右，覆盖料结构为破碎料加氧化铝，总厚度为 20cm 其中氧化铝厚度在 3-5cm 保证上部槽热量损失，达到良好的热量平衡。前期探索中电解槽后期管理中工艺技术条件电压保持 3.850V 时，铝水平撤到 150mm 以下时电解槽稳定性变差；在电解槽正常生产阶段为保证分子比、电解质温度有序到位，铝水平保持到 180mm 左右时，电解槽电压 3.850V 维持不住，因为降低分子比过程中也是一个压缩极距的过程，所以最终的电压保持到3.880V，电解槽各项技术条件有序到位，工艺过程控制能力也得到加强。5.2 低电压状况下经济技术指标的综合考虑生产实践证明，其它条件不变的情况下极距压缩到临界
13、点时必然会给电解槽带来不稳定状态，而且电流效率的损失也将大大增加。为此电解槽保持低电压运行，要综合考虑低电压状态和电流效率的相关性，在确保电解槽稳定的条件下，如何保持一个合理的低电压、低温低分子比状态取得较高的电流效率是我们一直探索的重要课题。5.3 槽况的监控电解槽低电压运行时，要依据新型阴极钢棒结构电解槽内保温特性，维持合适的炉帮和伸腿大小并监控电解槽炉底沉淀状况是过程控制的一个重要监测点。在保持较低极距情况下电解槽电解质总量减少和该结构电解槽中缝不走电流、水平电流减小电解质流速减慢双重作用都能影响到氧化铝的溶解性，若把控不好槽内氧化铝浓度易形成浓度差而影响电解槽稳定性和炉膛状况。所以掌控
14、槽况的变化应更加注重条件的把控，并适时监控炉膛状况、在产铝量变化、槽体温度及阴极压降变化。5.4 操作质量的提升电解槽低电压运行时，由于铝水平高度维持较低水平，换极布料、出铝等操作对电解槽的稳定性产生较大影响，这也是电压摆、闪烁效应较多的重要原因之一。因此更加精细化的操作，减少电解槽人为干扰一直是追寻的目标。通过车间-工区-班组培训和考核激励措施形成操作规范化、标准化是提升操作质量的一个很好的手段。56 结语通过 375kA 系列新型阴极钢棒结构铝电解槽的生产实践，技术人员在低电压低分子比工艺控制模式下，探索出来了适合该类槽型下的工艺控制条件，电解槽稳定运行中取得了槽平均电压 3.896V 下
15、，完成电流效率 93.39%以及 12434kWh/t 的低直流电耗，节能降耗效果显著。参考文献1姚世焕.500kA 铝电解槽改成 600kA 的设计J.有色冶金节能,2012,6(3):10.2杨晓东,刘雅锋,周东方.一种降低铝电解槽铝液中水平电流的方法P.中国:ZL200810010800.6,2010.09.01.3铝电解槽磁流体稳定技术与新式阴极钢棒结构研究M.内部交流材料,2011.杨丹丹 男 1984 年出生，籍贯安徽，毕业于中南大学 冶炼助理工程师 现工作于中电投宁夏青铜峡能源铝业集团青铝股份有限公司宁东铝业分公司电解三车间，电子邮箱：，手机号码：18395139878，邮编：751603。
