（青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100）

0 前言

中國(guó)鋁工業(yè)正處于重要的歷史時(shí)期，電解鋁產(chǎn)能“天花板”已經(jīng)形成，許多電解鋁企業(yè)承受著高電價(jià)或環(huán)保政策的巨大壓力，部分電解鋁企業(yè)面臨著關(guān)閉或產(chǎn)能置換的風(fēng)險(xiǎn)。電解鋁企業(yè)的工程技術(shù)人員不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，主要從陰極鋼棒的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電率，內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)及材料的性能等方面進(jìn)行研究，確保電解槽在低電壓下能夠維持能量平衡和平穩(wěn)運(yùn)行，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得到改善，從而提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)存在的問題

某公司系列電解槽傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì)采取底部保溫、側(cè)部散熱的設(shè)計(jì)思路。隨著低電壓生產(chǎn)工藝的逐步實(shí)施，槽電壓降至3.95 V 左右時(shí)，電解槽出現(xiàn)角部伸腿肥大、電解質(zhì)水平偏低、換極后電壓擺動(dòng)偏多等現(xiàn)象[1]。分析電解槽的運(yùn)行情況可知，原有的能量平衡狀態(tài)已經(jīng)打破了。通過采取外保溫、強(qiáng)化操作質(zhì)量等一系列措施進(jìn)行彌補(bǔ)，電解槽還是達(dá)不到能量平衡。因此，為了進(jìn)一步實(shí)施低電壓生產(chǎn)工藝，必須優(yōu)化電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下幾方面考慮：

1)減少鋁液水平電流，減緩鋁液波動(dòng)，減少鋁的二次反應(yīng)，提高電解槽穩(wěn)定性。

2)改善陰極鋼棒的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，增大陰極面積及導(dǎo)電率，降低爐底壓降。

3)保證電解槽在低電壓下的能量平衡，解決制約低電壓生產(chǎn)工藝實(shí)施的因素，確保電解槽在低電壓下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

基于以上幾個(gè)問題，利用電解槽大修機(jī)會(huì)，選用異型陰極鋼棒、高石墨冷搗糊，改進(jìn)人造伸腿，優(yōu)化陰極組裝工藝，采用新型內(nèi)保溫材料，對(duì)電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。異型陰極鋼棒可降低爐底壓降，減少水平電流；高石墨冷搗糊具有環(huán)保性能、搗實(shí)性能及較小的焙燒收縮率；人造伸腿改造對(duì)加強(qiáng)側(cè)部陶瓷纖維板保護(hù)及形成規(guī)整爐膛有積極作用；磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)可以降低爐底壓降；內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在低電壓生產(chǎn)工藝中可確保電解槽能量平衡。

2 新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

2.1 異型陰極鋼棒

自低電壓生產(chǎn)工藝實(shí)施以來，隨著槽電壓的逐步降低，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性慢慢變差。為了提高電解槽穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外諸多鋁行業(yè)技術(shù)研究人員通過改變陰極鋼棒的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和提高導(dǎo)電率等措施研制了多種異型陰極鋼棒[2-9]，以降低鋁液的水平電流及爐底壓降，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低電壓生產(chǎn)，降低鋁電解槽的直流電耗。

某公司研究應(yīng)用的異型陰極鋼棒將傳統(tǒng)的通長(zhǎng)型陰極鋼棒改為分段式、加寬、加高的陰極鋼棒，陰極鋼棒尺寸由4 330 mm×65 mm×180 mm 調(diào)整為2 065 mm×70 mm×230 mm。分段式結(jié)構(gòu)可減少鋼棒的熱變形，有效延長(zhǎng)陰極炭塊的使用壽命；增加鋼棒高度和寬度可增大鋼棒導(dǎo)電面積，降低爐底壓降，減少水平電流。

由于陰極鋼棒結(jié)構(gòu)、尺寸發(fā)生了變化，從陰極組裝、生產(chǎn)安全等技術(shù)角度考慮，對(duì)陰極炭塊也作了相應(yīng)的調(diào)整，將陰極炭塊高度由450 mm 調(diào)整到480 mm，將陰極炭塊的燕尾槽寬度由90 mm 調(diào)整到95 mm，將陰極炭塊燕尾槽深度由200 mm 調(diào)整到230 mm。

2.2 高石墨冷搗糊

高石墨冷搗糊施工前，不需要對(duì)炭塊、鋼棒及糊料進(jìn)行加熱，施工溫度為17～42 ℃，因?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)施工高石墨冷搗糊極少有揮發(fā)，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境良好，有利于施工人員的身體健康，同時(shí)可大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度。焙燒啟動(dòng)期間，糊料與陰極炭塊、糊料與異型炭塊之間易產(chǎn)生大的收縮縫，人造伸腿易被沖掉，高石墨冷搗糊可有效解決上述難題。在溫度20～950 ℃內(nèi)，冷搗糊的焙燒收縮率≤0.15%。

2.3 人造伸腿的改造

為了避免在高鋁水平生產(chǎn)工藝下出現(xiàn)爐幫沖刷、侵蝕問題，形成完整的爐膛內(nèi)型，減少鋁液水平電流，將人造伸腿高度由240 mm 提高到275 mm。此外，在電解槽砌筑時(shí)，碳化硅磚、人造伸腿及陶瓷纖維板之間的間隙用氧化鋁填充滿，確保電解槽啟動(dòng)初期的安全運(yùn)行。

2.4 磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝

磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)能有效降低陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降，提高陰極鋼棒耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能，保證電解槽的磁流體穩(wěn)定性和爐底壓降，提高電解槽內(nèi)襯的使用壽命，同時(shí)為鋁電解生產(chǎn)節(jié)能提供空間[10]。

采用磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)，鋼棒加熱溫度應(yīng)控制在600～700 ℃，陰極炭塊加熱溫度應(yīng)控制在450～550 ℃，使炭塊適應(yīng)高溫熔化磷生鐵澆鑄的熱震，防止預(yù)熱溫差過大產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱沖擊導(dǎo)致陰極塊出現(xiàn)裂紋。

磷生鐵具有良好的流動(dòng)性、導(dǎo)電性能、冷脆性、膨脹性。采用磷生鐵澆鑄鋼棒炭塊組裝技術(shù)，需要科學(xué)合理地調(diào)配磷生鐵的成分。磷生鐵成分直接影響澆鑄鋼棒炭塊的組裝質(zhì)量及后期電解槽運(yùn)行過程的爐底壓降，故對(duì)澆鑄磷生鐵的常規(guī)五大元素C、Si、Mn、P、S 進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，磷生鐵優(yōu)化前后成分見表1。

表1 磷生鐵優(yōu)化前后各元素含量

2.5 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著電解槽低電壓生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步推進(jìn)，如何確保電解槽具有穩(wěn)定的能量平衡、合理的溫度分布以及形成理想的爐膛內(nèi)型，成為技術(shù)研發(fā)的重要課題。

根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將電解槽分為4 個(gè)區(qū)域：側(cè)部熔體區(qū)、側(cè)部陰極區(qū)、側(cè)下部保溫區(qū)、底部保溫區(qū)。按區(qū)域?qū)﹄娊獠劢Y(jié)構(gòu)及熱平衡設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)如圖1 所示。

圖1 鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1)側(cè)部熔體區(qū)：鋁液和電解質(zhì)直接接觸的側(cè)部炭塊及人造伸腿區(qū)域。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)及熱平衡設(shè)計(jì)，決定了電解槽對(duì)應(yīng)的工作電壓及爐幫的形成狀態(tài)，影響電解槽的安全穩(wěn)定生產(chǎn)及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)時(shí)，采用了側(cè)部異形炭塊，在炭塊與槽殼之間加厚度為10 mm 的陶瓷纖維板保溫層。

之所以選擇側(cè)部異形炭塊，是因?yàn)閭?cè)部異形炭塊整體燒制成型，其上槽施工較扎糊便捷，不會(huì)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生扎糊分層的情況，整體性優(yōu)于扎糊。

2)側(cè)部陰極區(qū)：熔體區(qū)以下，陰極炭塊與槽殼間的區(qū)域。電解槽生產(chǎn)過程中，陰極炭塊吸鈉，最終會(huì)導(dǎo)致槽殼變形和炭塊中部隆起甚至折斷，所以側(cè)部陰極區(qū)的設(shè)計(jì)采用陶瓷纖維板、低強(qiáng)保溫磚、高強(qiáng)澆注料的結(jié)構(gòu)。陶瓷纖維板抗壓性能低，受力后容易收縮，是緩沖應(yīng)力的理想材料，但是陶瓷纖維板受潮后，性能將大打折扣，所以在含水澆注料與陶瓷纖維板之間添加低強(qiáng)保溫磚，起隔潮、保溫和進(jìn)一步緩沖膨脹的作用。

3)側(cè)下部保溫區(qū)：側(cè)部陰極區(qū)以下，船型槽殼斜面區(qū)域。該區(qū)域的保溫對(duì)于陰極炭塊內(nèi)部的溫度分布及爐底壓降會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，側(cè)下部保溫區(qū)的設(shè)計(jì)采用20 mm 厚陶瓷纖維板和80 mm厚硅酸鈣保溫板的結(jié)構(gòu)。

4)底部保溫區(qū)：陰極底部至槽殼底部的區(qū)域。該區(qū)域底部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的耐壓強(qiáng)度，能夠抵御重力、內(nèi)應(yīng)力引起的變形；同時(shí)，底部保溫區(qū)還應(yīng)具有較好的保溫性能，以減少陰極表面沉淀。所以底部保溫區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自下而上采用65 mm 厚硅酸鈣保溫板、130 mm(2×65 mm)厚蛭石保溫磚、84 mm(2×42 mm)厚蛭石防滲隔熱磚、69 mm 厚干式防滲料。

電解槽砌筑時(shí)要注意：所有縫隙均用氧化鋁粉填充；蛭石防滲隔熱磚采用專用粘接劑濕砌；蛭石保溫磚、蛭石防滲隔熱磚與槽底斜面的硅酸鈣保溫板接觸處的縫隙使用蛭石防滲隔熱磚粉碎料填充。

3 新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果

3.1 爐底壓降

某公司在10 臺(tái)240 kA 鋁電解槽上完成了新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改造，目前電解槽已安全運(yùn)行了657 d。對(duì)同期焙燒啟動(dòng)的10 臺(tái)新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的爐底壓降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，結(jié)果見表2。

表2 兩種電解槽的爐底壓降測(cè)量結(jié)果

從表2 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，爐底壓降平均降低了39 mV，這表明新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的爐底壓降降低效果比較明顯。

3.2 保溫效果

電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后，隨機(jī)抽取幾臺(tái)傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽，測(cè)量分析鋼棒溫度、槽幫溫度、爐底溫度，結(jié)果見表3。

表3 兩種電解槽的各項(xiàng)溫度測(cè)量結(jié)果

從表3 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，鋼棒溫度、槽幫溫度、爐底溫度分別降低了41 ℃、78 ℃、65 ℃，這表明新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)保溫效果比較明顯。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

電解槽陰極的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后，統(tǒng)計(jì)分析了傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽和新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)果見表4。

從表4 可以看出，新型節(jié)能陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽與傳統(tǒng)陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽相比，電流效率有所損失，但是平均電壓降低了90 mV，鋁液電解直流電耗降低了249 kWh/t-Al，這表明電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后節(jié)能效果非常顯著。

表4 兩種電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

4 結(jié)束語

利用電解槽大修機(jī)會(huì)，通過選用異型陰極鋼棒、高石墨冷搗糊，改進(jìn)人造伸腿，采用磷生鐵澆鑄陰極鋼棒炭塊組裝技術(shù)和新型內(nèi)保溫材料，對(duì)電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決了電解槽在低電壓生產(chǎn)工藝下角部伸腿肥大、電解質(zhì)水平偏低、換極后電壓擺動(dòng)偏多等問題，確保電解槽在低電壓下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，也取得了顯著的節(jié)能效果，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高鋁行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。