王志謙，溫鐵軍，2，張洪濤，2

（1伊電控股集團(tuán)有限公司 2河南省鋁電解工程技術(shù)中心；河南 伊川 471300）

鋁電解生產(chǎn)由強(qiáng)大電流電經(jīng)陽極碳塊通過鋁液層傳遞到陰極碳塊，由陰極型鋼(陰極鋼棒)導(dǎo)入電解槽槽周母線，連入下一臺(tái)電解槽，電解槽周圍母線的直流電在內(nèi)襯熔體區(qū)形成磁場，鋁液中的水平電流和垂直磁場相互共同作用產(chǎn)生電磁力，使鋁液的產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)越大，電解槽能耗和槽況越差。本研究項(xiàng)目在300KA電解槽采用新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)，加寬陰極鋼棒和炭塊燕尾槽寬度，將陰極鋼棒和炭塊燕尾槽按照一定加寬，配套優(yōu)化保溫材料，從而改變陰極鋼棒的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，降低鋁液中的水平電流，提高電解槽的穩(wěn)定性、優(yōu)化熱場，降低爐底壓降、降低能耗、提高電流效率[2]。

1 電解槽新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)、保溫結(jié)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 電解槽新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)

電解槽新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)采用對陰極鋼棒和炭塊燕尾槽寬度，將陰極鋼棒和炭塊燕尾槽按照一定比例加寬，從而改變陰極鋼棒的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，減少水平電流，減小槽內(nèi)鋁液流體的流動(dòng)和波動(dòng)性，適用匹配電解低溫低電壓節(jié)能生產(chǎn)。提高電解槽的有效極距，提高電解槽的穩(wěn)定性、降低爐底壓降、降低槽電壓，提高電流效率。從而達(dá)到大幅降低電解生產(chǎn)能耗。

電解槽保溫結(jié)構(gòu)升級是配套陰極加寬鋼棒技術(shù)，對電解槽槽內(nèi)襯內(nèi)保溫設(shè)計(jì)進(jìn)一步的優(yōu)化，減少槽體散熱損失。保持電解槽熱平衡，利于電解生產(chǎn)形成穩(wěn)定規(guī)整的槽膛，保證電解生產(chǎn)平穩(wěn)高效生產(chǎn)運(yùn)行。①實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重點(diǎn)：研究新型鋼棒及內(nèi)襯改變對電解槽三場的影響程度。后的工藝技術(shù)控制條件，利于形成規(guī)整穩(wěn)定的爐幫。②電解槽新式鋼棒和保溫的生產(chǎn)環(huán)境下的電解工藝技術(shù)控制管理。③電解槽低溫低電壓節(jié)能生產(chǎn)技術(shù)的運(yùn)行空間。

1.2 電解陰極鋼棒和內(nèi)存的優(yōu)化改變

試驗(yàn)采用普通鋼材陰極鋼棒，對電解槽陰極鋼棒、陰極炭塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)及保溫方案進(jìn)行改造，鋼棒尺寸要由原來的198mm×70mm改為198mm×90mm，陰極燕尾槽的尺寸原來的200mm×90mm改為200mm×110mm。對保溫材料進(jìn)行升級研發(fā)：側(cè)部為10mm厚納米保溫層，底部為10mm厚納米保溫層，端頭部位為15mm厚納米保溫層；需改進(jìn)加厚為：側(cè)部為12mm厚納米保溫層，底部為15mm厚納米保溫層，端頭部位為20mm厚納米保溫層[3]。

1.3 電解槽陰極鋼棒變化模擬仿真計(jì)算

（1）原陰極鋼棒及內(nèi)襯電解槽。計(jì)算電解槽運(yùn)行平均電壓3.902V，對應(yīng)極距為5.0cm。其中陽極電壓0.346V,電解質(zhì)電壓1.394V，陰極電壓0.290V。電解槽等溫線分布如圖2所示，900℃等溫線基本在炭塊底部，這是由于槽溫較低所致。800℃等溫線在保溫磚層上部，整體850℃等溫線在防滲層中，能夠保證電解槽的防滲性能。結(jié)果顯示電解槽側(cè)壁平均溫度304℃，槽底平均溫度64℃。

圖1 70×198mm鋼棒電解槽等溫線分布

圖2 電解槽鋼棒頭溫度

（2）新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)電解槽模擬仿真。計(jì)算電解槽運(yùn)行平均電壓3.877V，對應(yīng)極距為5.0cm。其中陽極電壓0.349V,電解質(zhì)電壓1.394V，陰極電壓0.261V。電解槽等溫線分布如圖5所示，圖中顯示槽底等溫線位置與鋼棒截面70×198mm時(shí)類似，但側(cè)壁等溫線變化很大。側(cè)部800℃等溫線在70×198mm鋼棒時(shí)基本在陰極外側(cè)，但鋼棒截面修改為90×198mm后，800℃等溫線進(jìn)入炭塊以內(nèi)，導(dǎo)致電解質(zhì)可能在炭塊區(qū)域凝固。電解槽爐幫形狀如圖6所示，圖6說明了鋼棒由70×198mm修改為90×198mm后，維持內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式和極距不變，爐幫厚度由11.9cm增加到14.9cm，伸腿長度由11.3cm增加到15.1cm[4]。

圖3 新式鋼棒截面修改后電解槽等溫線分布

圖4 電解槽鋼棒頭溫度

2 電解槽新式陰極型鋼保溫技術(shù)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)選取300KA電解槽#42XXH和24XX#兩臺(tái)，在2017年大修應(yīng)用并啟動(dòng)生產(chǎn)。為了科學(xué)的準(zhǔn)確的對比試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果，在同期同工區(qū)選取兩臺(tái)大修啟動(dòng)的4XX9和4X1X普通電解槽對比驗(yàn)證

（1）在2017年電解槽大修中，我們在兩臺(tái)電解槽采用鋁電解槽新式陰極型鋼保溫技術(shù)，陰極碳塊采用50%石墨質(zhì)，加寬燕尾槽陰極碳塊，鋼棒采用普通加寬鋼棒，配套電解槽內(nèi)襯保溫技術(shù)。兩臺(tái)對比電解槽陰極碳塊采用50%石墨質(zhì)，鋼棒采用普通鋼棒，電解槽普通保溫技術(shù)。

（2）試驗(yàn)電解槽一年的生產(chǎn)運(yùn)行情況。①#2XXX槽：工作電壓3.935V，鋁水平32cm，電解質(zhì)水平16cm。槽溫917℃，爐底壓降309mV，鋼棒溫度平均250℃，鋼窗溫度平均263℃。#42XX槽：工作電壓3.92V，鋁水平32cm，電解質(zhì)水平16.5cm。槽溫916℃，爐底壓降270mV，鋼棒溫度平均245℃，鋼窗溫度平均255℃。②試驗(yàn)槽啟動(dòng)爐底壓降情況。

表1 電解槽生產(chǎn)運(yùn)行1年技術(shù)指標(biāo)

（3）試驗(yàn)電解槽3年的生產(chǎn)運(yùn)行情況。

表2 電解槽生產(chǎn)運(yùn)行3年技術(shù)指標(biāo)[5]

（4）試驗(yàn)結(jié)論。電解槽新式陰極型鋼保溫技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，隨著電解生產(chǎn)周期的延長，試驗(yàn)較高爐底壓降電解槽明顯下降，從焙燒啟動(dòng)初期的302.5mv生產(chǎn)運(yùn)行3年降低到271.25mv，正常電解槽生產(chǎn)運(yùn)行隨時(shí)間的延長，爐底壓降緩慢增高。這種現(xiàn)象值得研究。兩臺(tái)試驗(yàn)槽爐底壓降和對比槽降低了29.8Mv，直流電單耗降低86.96Kwh/t.Al，對電解槽生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)明顯的改善。

3 結(jié)語

鋁電解槽采用普通鋼材對陰極鋼棒尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改變陰極鋼棒的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，對電解槽內(nèi)襯材料保溫進(jìn)行同步優(yōu)化，改善電解槽磁場、電場和熱場，降低鋁液中的水平電流，提高電解槽的穩(wěn)定性、降低爐底壓降、降低能耗、提高電流效率，利于保持電解生產(chǎn)熱量、物料平衡。我國電解鋁產(chǎn)能占據(jù)全球的55%，電解新技術(shù)應(yīng)用節(jié)能規(guī)模和效益巨大，電解槽陰極型鋼和保溫配置的技術(shù)研究前景廣闊。