李南誼

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

鋁電解槽是電解鋁生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，因此，在某種意義上說(shuō)，鋁電解槽技術(shù)實(shí)際上也代表著電解鋁的技術(shù)水平。大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽是一個(gè)集熱場(chǎng)、力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)為一體，且互相制約、互相影響，最終達(dá)到均衡的復(fù)雜體系。隨著我國(guó)鋁工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展和國(guó)家對(duì)環(huán)保節(jié)能的更高要求，同時(shí)也為了降低噸鋁投資，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，電解槽容量也隨之不斷增大，電磁場(chǎng)對(duì)槽內(nèi)熔體流動(dòng)、波動(dòng)產(chǎn)生的影響以及槽內(nèi)的電熱狀況也更加復(fù)雜，因此，能夠準(zhǔn)確地建立電解槽熱、電、流及槽結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，定量的模擬出大型電解槽的工作狀態(tài)，已成為促進(jìn)大容量電解槽設(shè)計(jì)成功和生產(chǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，對(duì)獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，有著尤為重要的指導(dǎo)意義。

1 600 kA鋁電解槽技術(shù)配置

1.1 采用大面7點(diǎn)進(jìn)電和56組陽(yáng)極配置

槽電壓是電解槽進(jìn)電端與出電端之間的電壓降，一般由4個(gè)部分組成：

ΔV槽=ΔV極間+ΔV陽(yáng)+ΔV陰+ΔV外母(1)

其中極間電壓降(ΔV極間)由反電動(dòng)勢(shì)(E反)和電解質(zhì)電壓降(ΔV質(zhì))組成，而一般認(rèn)為E反為經(jīng)驗(yàn)值，則ΔV極間主要與ΔV質(zhì)有關(guān)。

(2)

式中：

D—極距；

Ta—附著在陽(yáng)極表面的單層氣泡厚度；

δ—?dú)馀輰涌偤穸龋?/p>

AB—電解質(zhì)的有效面積；

K—電解質(zhì)電導(dǎo)率；

ε—自由氣泡內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)；

fc—陽(yáng)極表面氣泡覆蓋率；

AA—陽(yáng)極有效面積。

從式(2)可知，電解質(zhì)電阻主要由電解質(zhì)有效面積、陽(yáng)極有效面積以及陽(yáng)極表面氣泡覆蓋率決定。電解質(zhì)有效面積與陽(yáng)極有效面積越大，電解質(zhì)的電阻越??；陽(yáng)極表面氣泡覆蓋率越小，電解質(zhì)由氣泡引起的電阻也越小。

AA=AB=(LA+2F)×(WA+2F)×NA

(3)

式中：

LA—新陽(yáng)極及殘極長(zhǎng)度平均值；

WA—新陽(yáng)極及殘極寬度平均值；

NA—陽(yáng)極組數(shù)。

從式(3)可知，電解質(zhì)有效面積與陽(yáng)極有效面積均與陽(yáng)極長(zhǎng)寬和陽(yáng)極組數(shù)有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，增加單組陽(yáng)極長(zhǎng)寬可增加電解質(zhì)及陽(yáng)極有效面積，但是過(guò)長(zhǎng)過(guò)寬的陽(yáng)極不利于陽(yáng)極底面氣泡逸出，導(dǎo)致陽(yáng)極表面氣泡覆蓋率增加。因此，采用相對(duì)較小的陽(yáng)極尺寸而增加陽(yáng)極組數(shù)的方式在增大電解質(zhì)和陽(yáng)極有效面積的同時(shí)還可減少陽(yáng)極氣泡覆蓋率，從而達(dá)到整體降低電解質(zhì)電阻的目的，減少電解槽工作電壓。

通過(guò)仿真計(jì)算，陽(yáng)極長(zhǎng)寬尺寸與水平電流的大小密切相關(guān)，陽(yáng)極長(zhǎng)度越大寬度越寬，其水平電流越大，對(duì)電解槽鋁液層及電解質(zhì)層擾動(dòng)就會(huì)越大，不利用生產(chǎn)穩(wěn)定性的控制。見(jiàn)圖1。

圖1 各種陽(yáng)極尺寸在鋁液中層X(jué)方向水平電流分布對(duì)比表

綜上所述，陽(yáng)極長(zhǎng)度寬度較小，組數(shù)較多時(shí)，電解質(zhì)電阻較小壓降較低同時(shí)水平電流也較小。單組陽(yáng)極底面積越大，每次更換陽(yáng)極時(shí)對(duì)陽(yáng)極電流密度分布的沖擊很大，對(duì)電解槽的正常生產(chǎn)干擾幅度也越大。

通過(guò)計(jì)算分析并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，目前認(rèn)為，在0.8 A/cm2陽(yáng)極電流密度下，陽(yáng)極炭塊長(zhǎng)寬比為2.25～2.35時(shí)，電流密度的分布最為合理均勻。但就目前國(guó)內(nèi)的陽(yáng)極炭塊生產(chǎn)現(xiàn)狀，500 kA以上的電解槽陽(yáng)極炭塊尺寸一般為1750 mm。因此，600 kA電解槽采用大面7點(diǎn)進(jìn)電和56組陽(yáng)極，陽(yáng)極長(zhǎng)寬尺寸為1 750 mm ×760 mm的配置模式是最佳匹配模式，此時(shí)陽(yáng)極的長(zhǎng)寬比為2.30，為陽(yáng)極炭塊的最佳長(zhǎng)寬比。見(jiàn)圖2。

圖2 大面7點(diǎn)進(jìn)電和配置56組陽(yáng)極電解槽配置圖

1.2 合理的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的選用

1.2.1 采用先進(jìn)的鋁電解槽電熱仿真模型技術(shù)

考慮電解槽中部區(qū)域和邊部區(qū)域不同環(huán)境的特點(diǎn)，筆者對(duì)槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析和研究，認(rèn)為目前400 kA級(jí)以上的大型鋁電解槽通常采用緊湊的窄爐膛操作面是合理的。這種結(jié)構(gòu)不僅能提高電解槽單位面積的產(chǎn)能，降低建設(shè)投資，而且還能使電解槽的陰極鋁液鏡面縮小，減小水平電流，提高電流效率，同時(shí)還能減少散熱損失，因此600 kA鋁電解槽也選用緊湊的窄爐膛操作面的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，除此以外，600 kA鋁電解槽還采用了如下先進(jìn)技術(shù)。

(1)等溫線優(yōu)化技術(shù)：根據(jù)國(guó)際先進(jìn)的電熱仿真模型軟件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)合，對(duì)600 kA鋁電解槽進(jìn)行了等溫線優(yōu)化，針對(duì)電解槽中部和邊部不同區(qū)域采取了不同的設(shè)計(jì)思路，有效地抑制了伸腿，形成了合理的爐膛結(jié)構(gòu)；

(2)新型陰極組裝技術(shù)：采用磷生鐵澆鑄抑制水平電流技術(shù)，不僅有效地降低了電解槽的陰極壓降，而且也有效地降低了電解槽的水平電流，從而降低了電解槽的生產(chǎn)能耗；

(3)高石墨質(zhì)陰極：采用50 %石墨質(zhì)陰極炭塊，不僅有效地降低了電解槽的陰極壓降，而且還提高了陰極炭素材料的抗熱震性能，有利于提高磷生鐵澆鑄的安全性，保證了電解槽的使用壽命和保持了電解槽的熱平衡。

1.2.2 電解槽加工面寬度與槽熔體流速成反比

在上面的論述中曾提到為了提高鋁電解槽的單位面積產(chǎn)能，600 kA鋁電解槽采用了較小的加工面，從電解槽熔體流速與加工面的關(guān)系式式(1)中可以看出，即加工面越小，邊部熔體的流速越大，側(cè)部受沖刷程度也會(huì)越大，因此，為了保證電解槽的安全生產(chǎn)，內(nèi)襯側(cè)部材料必須要求具有較高的技術(shù)性能。

v=1.94×10-2×GF0.458×AI0.717×ALD-0.508×v0.004×(σ/P)-0.105

(4)

式中：

V——?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

σ/P——表面張力；

ALD——加工面寬度。

綜上所述，側(cè)部塊必須具有熱傳導(dǎo)率高，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，抗氧化型好、抗熱震性好、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的中小型電解槽設(shè)計(jì)中，由于陽(yáng)極電流密度較低，熱容量較低，側(cè)部塊一般選用普通碳?jí)K。但普通炭塊抗腐蝕性和抗沖刷性等性能較差，當(dāng)電解槽的工藝技術(shù)條件控制不好時(shí)，爐邦很難形成，電解質(zhì)會(huì)直接沖刷碳?jí)K，造成側(cè)部漏爐，大大降低了槽壽命。對(duì)于目前陽(yáng)極電流密度較高的大型及超大型鋁電解槽，為了解決上述問(wèn)題，內(nèi)襯側(cè)部通常選用碳氮化硅側(cè)塊，不僅使?fàn)t邦迅速形成，而且也大大提高了電解槽側(cè)部的抗沖刷及抗腐蝕能力，為提高槽壽命創(chuàng)造了有利條件，因此600 A鋁電解槽選用碳氮化硅側(cè)塊。

1.3 槽殼結(jié)構(gòu)

電解槽槽殼的剛度強(qiáng)度和電解槽的槽壽命及安全生產(chǎn)密切相關(guān)，為了保證600 A鋁電解槽槽殼具有足夠的剛度強(qiáng)度且投資成本低，設(shè)計(jì)應(yīng)用電解槽槽殼力學(xué)仿真模型對(duì)600 A鋁電解槽進(jìn)行了仿真分析比較，見(jiàn)圖3。槽殼結(jié)構(gòu)最終選用焊接式單圍帶直角槽殼，此種結(jié)構(gòu)的槽殼具有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖3 槽殼及搖籃架大面變形云圖

(1)底梁為整體焊接形式，槽殼圍板為單圍板，此結(jié)構(gòu)槽殼具有變形小，外形尺寸小、投資低等優(yōu)點(diǎn)；

(2)槽殼上設(shè)置了2道豎圍帶以抑制槽殼的上拱變形；

(3)為了降低能耗，目前設(shè)計(jì)的電解槽的運(yùn)行槽電壓都比較低，在此種工作條件下，若槽殼角部保溫處理不好，極易出現(xiàn)角部頂極現(xiàn)象，因此，為了能更好地實(shí)施角部保溫，600 kA電解槽槽殼角部應(yīng)采用直角結(jié)構(gòu)；

(4)角部采用小船型結(jié)構(gòu)形式，目的是減小下角部的應(yīng)力集中。

1.4 單驅(qū)整體螺旋提升及分段式陽(yáng)極母線配置

600 A鋁電解槽由于配置56組單陽(yáng)極，因此陽(yáng)極母線較長(zhǎng)，約為22 m。為了在滿足受力合理的前提下節(jié)省投資，600 A鋁電解槽選用單驅(qū)整體螺旋提升及分段式陽(yáng)極母線配置形式，此種結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)將單側(cè)整體式陽(yáng)極母線設(shè)計(jì)為2段，中間用鋁帶進(jìn)行連接。該配置的陽(yáng)極母線受力更加合力，對(duì)陽(yáng)極母線的強(qiáng)度要求將會(huì)減少，從而不需要采用包裹鋼板或增大母線截面的措施來(lái)滿足母線梁的受力需要，大大節(jié)省了材料成本，是一個(gè)受力和經(jīng)濟(jì)合理的陽(yáng)極母線結(jié)構(gòu)；

(2)采用8吊點(diǎn)單驅(qū)整體提升的方法來(lái)提升分段陽(yáng)極母線。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅設(shè)置一個(gè)，提升過(guò)程是一次完成，因此這種傳動(dòng)形式不僅具有較好的同步性，而且大大節(jié)省了抬母線所需的時(shí)間；

(3)采用螺旋起重器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于三角板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生很大的分力，因此無(wú)需對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)，螺旋起重器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降速度是線性的，向槽控機(jī)輸出的升降信號(hào)也是線性的，因此更加適合大型鋁電解槽先進(jìn)的控制方式。

1.5 上部結(jié)構(gòu)

1.5.1板梁式支承梁

支承梁是位于槽殼之上的上部結(jié)構(gòu)金屬承重梁，其工作環(huán)境是高溫強(qiáng)磁場(chǎng)。為了保證電解生產(chǎn)正常安全運(yùn)行，在符合電解槽配置的前提下，要求其應(yīng)力和撓度變形必須控制在允許范圍內(nèi)。目前，電解槽支承梁一般存在2種結(jié)構(gòu)形式，即板梁式結(jié)構(gòu)和桁架式結(jié)構(gòu)，600 kA電解槽對(duì)2種支承梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析對(duì)比，最終認(rèn)為板梁式支承梁是最穩(wěn)妥可靠，最經(jīng)濟(jì)合理的，此種結(jié)構(gòu)形式與桁架式結(jié)構(gòu)比較有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)板梁式支承梁承載能力強(qiáng)，梁高較低，制作成本低。

(2)在滿足同樣的強(qiáng)度和剛度下，若600 A鋁電解槽支承梁采用板梁式結(jié)構(gòu)，則電解車(chē)間廠房標(biāo)高比采用桁架式結(jié)構(gòu)低約600 m，從而電解廠房標(biāo)高會(huì)降低約1 200 mm，大大減少了電解廠房的投資。但個(gè)別選用桁架式支承梁的電解系列通常為了不增加電解廠房標(biāo)高而將陽(yáng)極提升機(jī)放置在支承梁內(nèi)部，如此做法雖控制了電解廠房的投資，但卻會(huì)導(dǎo)致支承梁上的設(shè)備檢修空間大幅縮小，從而增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.5.2 上位煙道集氣技術(shù)

電解槽煙道集氣系統(tǒng)是電解槽正常生產(chǎn)的必要系統(tǒng)，其運(yùn)行的正常與否關(guān)系到電解槽的能耗高低和對(duì)環(huán)境的污染程度。目前，電解槽用煙道主要分為槽上集氣和槽下集氣系統(tǒng)，600 kA電解槽在對(duì)槽上集氣和槽下集氣系統(tǒng)建立全槽煙道仿真模型，見(jiàn)圖3。最終認(rèn)為槽上集氣系統(tǒng)(也稱上位集氣系統(tǒng))集氣更均勻，集氣效率更高，單槽排煙量和凈化系統(tǒng)能耗更低，為最優(yōu)配置。

1.6 智能下料技術(shù)

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能降耗要求的不斷提高，與電解槽匹配的智能下料技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，并取得了一定成效，為了響應(yīng)市場(chǎng)需要，600 kA鋁電解槽采用了智能下料技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能智能識(shí)別下料點(diǎn)的卡堵，根據(jù)下料點(diǎn)暢通狀況控制打殼錘頭動(dòng)作時(shí)間，避免了許多不必要的打殼，減少了打擊頭和氣缸的磨損，節(jié)約了壓縮空氣的用量；

圖4 上位集氣系統(tǒng)仿真模擬

(2)降低了電解質(zhì)粘附在打擊頭上的機(jī)率，從而減少了人工處理粘塊的工作量，減少了進(jìn)行處理工作時(shí)電解槽所受的干擾；

(3)根據(jù)需要智能控制下料，從而保證了氧化鋁濃度分布的均勻性，降低了效應(yīng)系數(shù)，降低了電耗，提高了電流效率；

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上仿真計(jì)算和理論分析，600 kA電解槽槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 600 kA電解槽配置情況

與近年來(lái)電解系列采用的500 kA槽型相比，一個(gè)年產(chǎn)電解鋁40 萬(wàn)噸的電解系列采用600 kA槽型后的效果對(duì)比如表2所列。

表2 500 kA與600 kA槽型技術(shù)特點(diǎn)比較

因此，600 kA槽型具有噸鋁投資省、勞動(dòng)生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方案先進(jìn)合理、經(jīng)濟(jì)可行。