丁吉林 ，張紅亮，劉永強(qiáng)，張大信

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

鋁是產(chǎn)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(chǎn)。鋁電解工業(yè)是重要的基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)，但同時也是主要的高耗能產(chǎn)業(yè)之一。我國作為全球最大的原鋁生產(chǎn)國和消費(fèi)國，面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。自21世紀(jì)以來，國內(nèi)鋁行業(yè)在基礎(chǔ)理論、大型鋁電解槽開發(fā)及工程運(yùn)用方面取得了一系列成果，成功開發(fā)了 240，280，320，350及500 kA特大型鋁電解槽技術(shù)，使我國鋁工業(yè)面貌發(fā)生了根本的改變[1]。當(dāng)前，我國鋁電解工業(yè)在提高效率、降低能耗方面已取得了長足發(fā)展，陽極電流密度達(dá)0.85 A/cm2以上，電流效率大于95%，部分達(dá)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(jìn)技術(shù)相比，我國鋁電解行業(yè)還明顯存在一定差距，主要體現(xiàn)在：(1) 槽壽命方面，與國際上高指標(biāo)2 000～2 500 d相比，差距甚遠(yuǎn)，噸鋁大修成本超出國際先進(jìn)水平 30%左右；(2) 能源綜合利用率比國際上高指標(biāo)低15%左右[3]；(3) 成本與環(huán)保問題突出，新工藝新技術(shù)新材料開發(fā)運(yùn)用滯后。產(chǎn)生這些差距的主要原因如下[4-5]：一是優(yōu)質(zhì)炭塊研究開發(fā)滯后，電解槽還普遍采用半石墨質(zhì)炭塊；二是槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在內(nèi)應(yīng)力設(shè)計(jì)方面還有待完善，內(nèi)襯材料在滿足熱平衡設(shè)計(jì)方面還需要加強(qiáng)對一些新材料的使用。電解槽的能量平衡是指單位時間內(nèi)電解槽中能量的收、支相等。當(dāng)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(tài)。電解槽能量支出包括電解反應(yīng)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(huán)境通過對流、輻射和傳導(dǎo)而損失的熱量。減少電解槽能量損失是最直接的節(jié)能方式。為應(yīng)對國內(nèi)外嚴(yán)峻的市場形勢，尋求鋁企業(yè)新的生存空間，首先要尋求成本與槽壽命、能源消耗、環(huán)境保護(hù)的最佳結(jié)合點(diǎn)。從電解槽節(jié)能角度講，一是選用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材料，盡可能降低電能空耗[6-8]；二是從陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，提高電流分布的均勻性，提高熔體穩(wěn)定性[9-10]；三是優(yōu)化生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)電解槽保溫，盡可能降低能量損失[11-12]。因此，要實(shí)現(xiàn)低耗高效長壽鋁電解生產(chǎn)，必須改進(jìn)槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)鋁電解的低耗高效長壽生產(chǎn)，達(dá)到成本與槽壽命、能源消耗、環(huán)保平衡的目的。本文作者對傳統(tǒng)的大型預(yù)焙陽極鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過多物理場有限元數(shù)值仿真，研究了新型結(jié)構(gòu)槽的熱平衡、物理場分布特征及在低極距下高效運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時開展為期近2 a的工業(yè)電解試驗(yàn)。

1 傳統(tǒng)鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)剖析

傳統(tǒng)鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。陰極炭塊呈四方條形結(jié)構(gòu)，材料多為半石墨質(zhì)。底部保溫耐火層由1層硅酸鈣板和2層黏土質(zhì)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(cè)下部大面由輕質(zhì)保溫磚和低水泥澆注料組成，小面由輕質(zhì)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(jié)構(gòu)。炭塊中縫及周圍用糊料扎固。熱平衡設(shè)計(jì)基本能滿足電解生產(chǎn)需求，但從內(nèi)襯應(yīng)力設(shè)計(jì)角度看，違背了所有與陰極碳塊接觸材料強(qiáng)度必須小于陰極底塊耐壓強(qiáng)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(chǎn)中鋁液深度為23～28 cm，生產(chǎn)過程中鋁液由于電磁力作用始終處于一個波動狀態(tài)，致使槽電壓一直在一定范圍內(nèi)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(jù)生產(chǎn)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(zhì)及全石墨質(zhì)碳塊，綜合質(zhì)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(shù)增大，抗?jié)B透性提高[3,15-16]。石墨含量越高，強(qiáng)度和耐磨性減低。抗?jié)B透性、磨損指數(shù)是槽壽命的重要理化指標(biāo)，電阻率是能耗的1個重要理化指標(biāo)。經(jīng)過綜合指標(biāo)比較，選用石墨含量為30%高石墨質(zhì)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，槽壽命接近 3 000 d，能源綜合利用率達(dá)到國際先進(jìn)水平。云南鋁業(yè)股份有限公司選用石墨含量為30%高石墨質(zhì)底炭塊，最好水指標(biāo)為陽極效應(yīng)系數(shù)≤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(tǒng)鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)主視示意圖Fig.1 Schematic front view of liner structure in traditional aluminum reduction cell

圖2 傳統(tǒng)鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)左視示意圖Fig.2 Schematic left view of liner structure in traditional aluminum reduction cell

2 新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽設(shè)計(jì)

自 2006年開始，在云南鋁業(yè)股份有限公司支持下，以槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化為突破口，研發(fā)了曲面陰極鋁電解槽。曲面陰極結(jié)構(gòu)槽內(nèi)襯設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示。通過應(yīng)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(dǎo)電距離相等，有效地實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生，從而減小垂直磁場，減緩電解槽內(nèi)鋁液的波動，保持穩(wěn)定的鋁液-電解質(zhì)界面，減少鋁的溶解損失，達(dá)到提高電流效率的目的；同時，大大降低槽內(nèi)在產(chǎn)鋁量，降低了工作電壓，實(shí)現(xiàn)鋁電解的大幅度節(jié)能。陰極炭塊選用抗?jié)B透性和綜合指標(biāo)較好的 30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高石墨質(zhì)，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(chǎn)中一部分鋁液進(jìn)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(nèi)循環(huán)流動時，每經(jīng)過溝槽都形成渦流，從而提高了鋁液面穩(wěn)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(chuàng)造了條件。

由于陰極炭塊結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，客觀上存在缺陷，強(qiáng)度明顯降低，對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求，必須在確保內(nèi)應(yīng)力得到有效釋放的同時，保持適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力狀態(tài)。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(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，使電解槽收支平衡，實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。為此，對槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化：

(1) 底部保溫耐火層由1層陶瓷纖維板和2層黏土質(zhì)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(cè)下部大面由輕質(zhì)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(cè)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(zhì)澆注料澆灌而成，留有80～120 mm扎固縫，小面?zhèn)炔刻繅K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(cè)下部、小面和角部保溫效果，實(shí)現(xiàn)熱輸入和熱輸出的平衡。

(3) 大面?zhèn)认虏繚沧⒘吓c陰極底部炭塊之間留有扎固縫，確保啟動初期內(nèi)應(yīng)力得到有效釋放，焙燒后保持適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力狀態(tài)，以滿足電解生產(chǎn)需求。

圖3 曲面陰極鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)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(nèi)襯結(jié)構(gòu)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(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽熱場仿真

新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽加強(qiáng)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(nèi)襯的保溫性能，對其在低電壓的工藝條件、采用現(xiàn)行電解質(zhì)組成的溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。主要對以下情況進(jìn)行分析：

(1) 槽內(nèi)及槽殼各主要工藝點(diǎn)的溫度分析(電解質(zhì)溫度、鋁水溫度、槽殼大小面中間點(diǎn)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(jù)傳熱學(xué)的原理，電解槽各組成內(nèi)的熱傳導(dǎo)服從帶有內(nèi)熱源的不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)控制方程。對三維來說，控制方程為：

式中：T為節(jié)點(diǎn)溫度；t為時間；kx，ky和kz為熱傳導(dǎo)系數(shù)；ρ為密度；c為比熱容；qs為熱源強(qiáng)度，即單位體積的熱產(chǎn)生率，對非導(dǎo)電部分，qs=0。

在計(jì)算槽幫時，所采用的模型為二維切片模型，對于熱平衡的計(jì)算，則采用單體半陽極散熱模型和1/4槽陰極散熱模型進(jìn)行組合計(jì)算，根據(jù)槽體周圍的外部散熱環(huán)境，在槽體表面施加對流和輻射換熱系數(shù)，使用有限元法對槽體進(jìn)行 2D熱傳導(dǎo)方程離散獲得有限元模型。模型計(jì)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(zhì)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(dǎo)桿、覆蓋料等位置施加復(fù)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(nèi)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(jié)果可以看出：改進(jìn)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)能得到穩(wěn)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(nèi)襯及槽殼等)是比較合理的，除端部的陰極外，其他陰極內(nèi)襯中900 ℃等溫線分布基本位于陰極下方，說明電解槽內(nèi)襯優(yōu)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(xiàn)有規(guī)律的分布，所設(shè)計(jì)的基于等電位的曲面陰極設(shè)計(jì)思路合理。在設(shè)定電壓為3.8 V時，電解槽計(jì)算的實(shí)際熱損失為533.541 kW，對應(yīng)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(jié)構(gòu)下，電解槽能夠維持自身的熱平衡，但電解槽仍然需要加強(qiáng)保溫尤其是上部的保溫。

4 工業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

通過以上設(shè)計(jì)及仿真分析，選擇了若干臺195 kA系列鋁電解槽作為試驗(yàn)槽，采用全新設(shè)計(jì)的曲面陰極及新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)電解槽自實(shí)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(jìn)入正常生產(chǎn)期，由于槽內(nèi)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(tǒng)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(chǎn)期的噸鋁平均直流電耗達(dá)到12 331 kW·h，與國內(nèi)傳統(tǒng)陰極電解槽最好指標(biāo)(13 000 kW·h)相比，降低了669 kW·h，節(jié)能效果非常顯著。

4.2 電流效率分析

608號槽進(jìn)入正常生產(chǎn)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(yīng)減少，抵消了由于極距降低導(dǎo)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(chǎn)期的平均電流效率為95.56%，達(dá)到國內(nèi)傳統(tǒng)陰極電解槽領(lǐng)先水平。

4.3 槽壽命分析

曲面陰極電解槽在陰極上實(shí)現(xiàn)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?fàn)t底隆起，減少陰極破損。此外，曲面陰極電解槽的爐幫比傳統(tǒng)平面陰極電解槽的厚約15 cm，大大降低了側(cè)部漏槽的風(fēng)險(xiǎn)。表3所示為608號槽與同期啟動的傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)平面陰極電解槽低約 90 ℃，爐底溫度也降低10 ℃以上。這從實(shí)踐上證明曲面陰極電解槽的壽命將得到延長。

5 結(jié)論

(1) 通過提高電流分布的均勻性，提高熔體穩(wěn)定性，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，盡可能降低能量損失，能有效實(shí)現(xiàn)大型預(yù)焙陽極鋁電解槽的低耗高效平穩(wěn)生產(chǎn)。

(2) 曲面陰極結(jié)構(gòu)電解槽打破了爐膛要求保持平整設(shè)計(jì)理念，從提高鋁液面穩(wěn)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(dá)到 12 300 kW·h，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

(3) 通過長時間工業(yè)試驗(yàn)，新型結(jié)構(gòu)槽能在保持高電流效率的前提下穩(wěn)定在低電壓運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)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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