高導(dǎo)電雙鋼棒在240 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

鄭永龍

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810010)

高導(dǎo)電雙鋼棒在240 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

鄭永龍

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810010)

通過對鋁電解槽陰極體系的研究，形成了由高導(dǎo)電陰極鋼棒、雙鋼棒、冷搗糊、陰極炭塊組裝工藝優(yōu)化、內(nèi)保溫等組成的高導(dǎo)電雙鋼棒陰極技術(shù)。通過該項技術(shù)可降低鋼棒電阻和陰極組裝壓降，從而降低電解槽爐底壓降，減少電解生產(chǎn)水平電流，提高電流效率，達(dá)到增產(chǎn)降耗的目的。

鋁電解槽； 高導(dǎo)電雙鋼棒陰極； 冷搗糊； 內(nèi)保溫； 陰極組裝工藝

0 前言

電解鋁生產(chǎn)屬于高耗能行業(yè)，對環(huán)境、資源、能源等方面帶來的壓力較大，行業(yè)面臨的經(jīng)濟形勢也日益嚴(yán)峻。為了緩解這種局面，2014年以來，從地方到國家都對電解鋁生產(chǎn)的噸鋁電耗進(jìn)行了指標(biāo)控制，只有生產(chǎn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的企業(yè)才能享受優(yōu)惠政策和相對較低的電價方案。國家發(fā)改委和工信部2013年12月聯(lián)合出臺了對電解鋁企業(yè)用電實行階梯電價的政策。政策明確規(guī)定：“根據(jù)電解鋁企業(yè)上年用電實際水平，分檔確定電價。鋁液電解交流電耗不高于每噸13 700 kW·h的，執(zhí)行正常電價；高于每噸13 700 kW·h但不高于13 800 kW·h的，電價每千瓦時加價0.02元；高于每t 13 800 kW·h的，電價每千瓦時加價0.08元；各地要規(guī)范電解鋁企業(yè)與發(fā)電企業(yè)電力直接交易行為，鋁液電解交流電耗高于每噸13 700 kW·h或未完成節(jié)能考核目標(biāo)的，不得與電力企業(yè)進(jìn)行電力直接交易；不高于每噸13 350 kW·h的，省級人民政府有關(guān)部門應(yīng)優(yōu)先支持其參與電力直接交易”[1]。近幾年來，國內(nèi)應(yīng)用了異形陰極、鋁電解槽電流強化與高效節(jié)能綜合技術(shù)以及異形陰極鋼棒等節(jié)能技術(shù)，取得了一定的節(jié)能效果。如何進(jìn)一步降低噸鋁電耗、節(jié)約生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益，使生產(chǎn)經(jīng)營、技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能降耗走在鋁行業(yè)前列，是企業(yè)追求的目標(biāo)，也是企業(yè)在市場激烈競爭過程中立于不敗之地的根本保障。

1 新型陰極鋼棒的研究方向

近幾年鋁電解科技工作者對陰極鋼棒的研究較多，主要是通過改變傳統(tǒng)陰極鋼棒的尺寸、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、組裝工藝，從而降低鋼棒自身電阻，降低槽平均電壓，同時降低陰極水平電流，達(dá)到節(jié)能降耗和提高電流效率的目的。

目前新型陰極鋼棒有兩種：第一種新型陰極鋼棒是沈陽院設(shè)計研發(fā)的，并在連城、青銅峽等鋁廠應(yīng)用的“新式陰極鋼棒”。其主要原理是增加陰極鋼棒和陰極炭塊的高度(陰極炭塊從450 mm增加到480 mm，陰極鋼棒從180 mm增加到230 mm)，增加陰極導(dǎo)電能力；在陰極方鋼的側(cè)部順鋼棒的方向鑿開一條直線縫隙，然后在縫隙中加入絕緣材料，用絕緣材料減少鋁液水平電流，達(dá)到穩(wěn)定鋁液鏡面的目的，為降電壓提供保障；同時提高了電流效率，達(dá)到增產(chǎn)的效果。

第二種新型陰極鋼棒是鄭州經(jīng)緯科技公司研發(fā)，并在焦作萬方，豫港龍泉等鋁廠應(yīng)用的“高導(dǎo)電陰極鋼棒”。其主要原理是改變陰極方鋼材質(zhì)，減小陰極鋼棒本身的電阻率、降低陰極壓降；同時在陰極鋼棒端頭增加絕緣材料，降低鋁液水平電流密度，提高電流效率；陰極鋼棒的結(jié)構(gòu)由長通式改為分段式。

橋頭鋁電公司聯(lián)合鄭州經(jīng)緯科技公司，結(jié)合上述兩種新型鋼棒的技術(shù)優(yōu)點，對電解槽陰極進(jìn)行了研究，形成了高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)，主要是通過改變陰極鋼棒材質(zhì)、優(yōu)化陰極鋼棒結(jié)構(gòu)、完善鋼棒組裝工藝等一系列措施，降低陰極鋼棒本身的電阻，降低電解槽陰極壓降，減少電解生產(chǎn)的水平電流，達(dá)到鋁電解生產(chǎn)節(jié)能降耗的目的。

圖1 高導(dǎo)電雙鋼棒組裝示意圖

2 高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)

高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)主要是通過改變陰極鋼棒材質(zhì)與結(jié)構(gòu)、鋼棒中間開縫、鋼棒端頭刷絕緣材料來達(dá)到降低電解槽爐底壓降，減少水平電流，提高電流效率和降低電耗的目的。其主要的技術(shù)特點有：

(1)陰極鋼棒采用高導(dǎo)電材料，使鋼棒本體壓降大幅度降低。

(2)采用雙陰極鋼棒技術(shù)，對鋼棒進(jìn)行開縫處理，優(yōu)化電流分布，減少水平電流，提高電流效率。

(3)納米復(fù)合材料絕緣涂層可改善陰極鋼棒的導(dǎo)電接觸面，降低水平電流，改善電解槽磁場，增大極距，減少鋁液二次損失。

(4)優(yōu)化陰極鋼棒尺寸和陰極組裝工藝，使鋼棒和炭塊之間接觸緊密，降低兩種材料間的接觸壓降。

(5)使用專用檢測設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)，對組裝質(zhì)量進(jìn)行檢驗，保證上槽炭塊組裝壓降。

(6)使用配套的高導(dǎo)電鋼棒專用冷搗糊。

(7)該技術(shù)不改變現(xiàn)有陰極炭塊組裝及筑爐工藝，不改變電解槽殼結(jié)構(gòu)，保持了電解槽原有設(shè)計參數(shù)。

3 高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)的實踐應(yīng)用

3.1 高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)的應(yīng)用方案

采用鄭州某公司自行研制的特種合金鋼，鋼棒材質(zhì)的導(dǎo)電性能比普通鋼棒電導(dǎo)率提高40%。高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)已經(jīng)在試驗應(yīng)用中起到了降低電阻的作用。

(1)鋼棒尺寸優(yōu)化。使鋼棒燕尾槽高度小于1～2 mm。燕尾槽的高×寬為200×90 mm，設(shè)計鋼棒的尺寸由原來的180×70 mm改為198×70 mm。高導(dǎo)電雙鋼棒組裝見圖1。

(2)高導(dǎo)電雙鋼棒在結(jié)構(gòu)方面得到進(jìn)一步優(yōu)化。采用專用分析軟件，對電解槽做模擬仿真，作為鋼棒開縫方案和絕緣方案的理論依據(jù)，確定鋼棒開縫位置和配套的局部絕緣方案。該方案中開縫主要是在陰極鋼棒距燕尾槽接觸面80 mm、距鋼棒端頭450 mm處順陰極鋼棒方向切割開2 mm寬、600 mm長的縫隙，阻斷電解槽加工面正投影的電流，降低電解槽水平電流密度，提高了電流效率。高導(dǎo)電雙鋼棒開槽見圖2。

(3)鋼棒端頭涂納米絕緣材料，絕緣涂層長度確定為475 mm，鋼棒伸出陰極490 mm，留出15 mm的余量防止陽極坐偏而影響鋼棒導(dǎo)電；絕緣涂層的位置處于澆筑料里面，理論上該澆筑料位置不導(dǎo)電，但在實際運行過程中，很多不確定因素導(dǎo)致電流從該位置的鋼棒上流過，以便進(jìn)一步優(yōu)化絕緣。傳統(tǒng)鋼棒和高導(dǎo)電鋼棒涂絕緣層后電流分布的仿真見圖3、4[2]。

圖2 高導(dǎo)電雙鋼棒開槽示意圖

圖3 傳統(tǒng)鋼棒電流分布仿真

圖4 高導(dǎo)電鋼棒電流分布仿真

(4)配套的高導(dǎo)電雙鋼棒專用冷搗糊。電阻率大幅降低，常溫電阻率由當(dāng)前的65 μΩ·m降至45μΩ·m以下，為爐底壓降的降低創(chuàng)造了先決條件；通過對高導(dǎo)電雙鋼棒自身性能的研究，采用冷搗糊能提高鋼棒糊與高導(dǎo)電雙鋼棒的結(jié)合力，可以有效減小該環(huán)節(jié)的接觸壓降。

(5)優(yōu)化炭塊組裝工藝。主要是將原先在燕尾槽中扎設(shè)糊墊的工藝改為鋪設(shè)石墨粉的工藝，使鋼棒與炭塊接觸更密實、更均勻。其具體工藝流程為[3]：加熱好的陰極炭塊吊至組裝臺，擺正、固定、吹掃、安裝兩端的擋板，測量炭塊溫度并記錄，保持溫度為80～100 ℃。在炭塊的燕尾槽槽底鋪設(shè)厚度2 mm的石墨粉，用樣板刮平作為鋼棒墊層，炭塊燕尾槽端頭用少量糊料堵住，防止石墨粉在放置鋼棒時流失。預(yù)熱好的鋼棒(溫度為80～100 ℃)以組為單位放在陰極炭塊的燕尾槽中，根據(jù)放置要求，調(diào)整合格后，用鐵楔固定；鋼棒與陰極炭塊組裝后，要求鋼棒中心與炭塊中心吻合；鋼棒長度放置位置偏差不大于15 mm，彎曲度不大于3 mm；鋼棒與炭塊表面應(yīng)平整，若鋼棒高于炭塊表面則要做相應(yīng)處理。炭塊和鋼棒間縫隙分7次扎固，每一層加糊后用層厚樣板進(jìn)行刮平，將多余的糊料從端頭刮出以保證加糊厚度，確保每層厚度均勻。由兩名搗固手在統(tǒng)一指揮下對同一根鋼棒的兩側(cè)縫隙，同時從端頭至中央以每錘不超過20 mm的速度打兩個來回，用層厚樣板檢查，超過厚度的用搗固機再打兩個來回，以此類推打夠4層以后用導(dǎo)向冒板保護炭塊扎固最后2層，增加糊料量和搗固次數(shù)直至打平碳縫后取下冒板，刮去多余糊料，用手錘將縫面壓光。

(6)為控制陰極炭塊組裝質(zhì)量提供技術(shù)手段。采用JW- 180鐵炭壓降專用測試儀，確保鐵炭壓降測量值的準(zhǔn)確性、可參考性，確保組裝質(zhì)量以及后續(xù)應(yīng)用效果。組裝好的陰極溫度降至室溫，測量標(biāo)準(zhǔn)壓降≤60 mV。陰極炭塊組裝后壓降測量見圖5。

圖5 陰極炭塊組裝后壓降測量

(7)全石墨陰極雖然具有良好導(dǎo)電性，但會造成電解槽水平電流增大，目前大多數(shù)鋁廠都不采用。因此，采用了30%的半石墨質(zhì)陰極炭塊，價格上升幅度不大。

(8)在其他條件不變的情況下，槽電壓降低使電解槽總熱量減少。通過模擬電解槽溫度場計算，利用槽大修機會采用內(nèi)保溫，在側(cè)部內(nèi)襯、斜面、底部分別增加20 mm、20 mm、10 mm厚的陶瓷纖維板，其它筑爐工藝不改變，可以彌補電解槽60 mV電壓降低帶來的總熱量減少，從而保持總熱量不變。

3.2 高導(dǎo)電雙鋼棒的應(yīng)用實踐

根據(jù)上述方案，橋頭鋁電公司目前已經(jīng)試驗了10臺高導(dǎo)電雙鋼棒陰極電解槽。通過調(diào)研，豫港龍泉、焦作萬方等企業(yè)也積極應(yīng)用了此技術(shù)，各企業(yè)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

表1 各企業(yè)高導(dǎo)電雙鋼棒陰極電解槽經(jīng)濟指標(biāo)

隨機選擇了10臺傳統(tǒng)鋼棒電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒陰極電解槽進(jìn)行了爐底壓降的測量，每臺被測槽在A、B面出鋁端和煙道段各取2個點測量，并對測量的平均爐底壓降進(jìn)行了對比分析。兩種不同陰極鋼棒電解槽的平均爐底壓降對比分析見表2。

表2 不同陰極鋼棒電解槽爐底壓降對比

從表1、2中可以看出高導(dǎo)電雙鋼棒槽比普通電解槽爐底壓降可降低60～70 mV，并且通過磁場的優(yōu)化，降低水平電流，電解槽的電流效率也會略有上升。綜合統(tǒng)計，直流電耗可降低220 kW·h/t-Al。

3.3 高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽的經(jīng)濟效益分析

3.3.1 高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽投入

高導(dǎo)電雙鋼棒節(jié)能技術(shù)與普通鋼棒技術(shù)相比，筑爐施工成本無任何變化，材料成本只在鋼棒方面有所提高，無其他額外投入。 240 kA單臺電解槽投入成本對比見表3。

3.3.2 效益分析

從表1、2中可以看出，應(yīng)用高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)，提高了電流效率0.5%，電解槽爐底壓降降低了70 mV，噸鋁節(jié)電約220 kW·h，按電費0.35元/kW·h計算，折合節(jié)電費用為77元/t-Al，電解槽在一個運行周期內(nèi)(1 800 d)，共節(jié)電費用約24.95萬元。減去增加投入費用7萬元，單臺槽共節(jié)約成本17.95萬元。

表3 240 kA單臺電解槽投入成本對比

4 結(jié)論

(1)高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)結(jié)合了原有的高導(dǎo)電鋼棒和雙鋼棒的技術(shù)優(yōu)點，極大地降低了電解槽的爐底壓降和水平電流，為鋁電解增產(chǎn)降耗提供了保障。

(2)使用高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)可降低電解槽爐底壓降70 mV，噸鋁可節(jié)約電耗約220 kW·h。

(3)高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)降低了爐底壓降，而沒有造成電解槽壓極距，所以不會降低電流效率。

(4)使用高導(dǎo)電雙鋼棒技術(shù)不會改變電解槽大修工藝和電解槽槽殼結(jié)構(gòu)，不會增加工作量。

[1] 國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部關(guān)于電解鋁企業(yè)用電實行階梯電階政策的通知. http:∥www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12843926/n1397027/15782570.html.

[2] 王旭東.鄭州經(jīng)緯科技. TW-17高導(dǎo)電性陰極鋼棒[P]：ZL 2011 2 0118396.1.

Application of High Conductivity Double Steel Bar in 240 kA Aluminum Reduction Cell

ZHENG Yong-long

By studying aluminum reduction cathode system, high conductive cathode steel bar technology consisted of high conductive cathode steel bar, double steel bar, cold ramming paste, cathode carbon block assembling process optimization and internal insulation is formed. By applying this technology in aluminum reduction cell, the resistance of cathode bar and the voltage drop of cathode assembly are reduced; and then the voltage drop of the cell bottom and the horizontal current of electrolysis production are reduced; finally, the current efficiency and the output of aluminum are increased, achieves energy-saving and cost reducing purpose.

Aluminum electrolysis cell; high conductivity double steel bar; cold ramming paste; internal insulation; cathode assembling process

2014-04-07

鄭永龍(1982—)，男，青?；ブ?，碩士，工程師，主要從事鋁電解生產(chǎn)管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)04-0016-04