陽極保溫箱在電解生產(chǎn)中的應(yīng)用

王君義，阿富林

（中國鋁業(yè)青海分公司，青海 大通 810108）

1 概述

引起電解槽工藝紊亂的三個因素分別是：電解槽結(jié)構(gòu)輔助設(shè)備機(jī)電故障；操作控制合格率不高（換極過程尤為明顯）；電解槽工藝管理不匹配。電解生產(chǎn)中最重要的操作和對電解槽穩(wěn)定性沖擊最大的是更換陽極。陽極保溫箱的使用可以充分利用殘極的熱能對新極進(jìn)行預(yù)熱，以減少換極過程對電解槽技術(shù)條件的干擾，降低生產(chǎn)能耗的目的[1]。

2 換極過程造成電解槽能量損耗

換極過程是大型預(yù)焙電解槽能量損耗的重要環(huán)節(jié)。首先，拔出殘極的溫度平均為650℃～700℃，每組殘極帶出的熱量達(dá)到Q損1=2C炭素m△T=1.29×105KJ；換極過程平均持續(xù)時間為20min～30min，損失的熱量達(dá)到Q損2=a（tw-tf）F=0.04×105KJ；裝入新極時，由于新極的溫度為10℃～25℃，平均三小時后新極溫度達(dá)到350℃時，此時間段裝入槽內(nèi)的新極附近為冷區(qū)，共損耗電能Q損3=2C炭素m△T=3.4×105KJ。以上換極階段電解槽共損耗4.73×105KL能量。按照沈陽鋁鎂設(shè)計院的SAMI型槽控機(jī)的控制原理，換極過程給予150mv的補(bǔ)償電壓在120分鐘內(nèi)分四個階段降至設(shè)定電壓：第一階段附加電壓150mv持續(xù)30分鐘；附加112.5mv持續(xù)30分鐘；附加電壓75mv持續(xù)30分鐘；附加電壓37.5mv持續(xù)30分鐘。此過程共補(bǔ)償能量Q補(bǔ)償=I2R1t1+I2R2t2+I2R2t2=4.8×105KJ。由此可見由于冷態(tài)陽極裝入電解槽匯造成大量能量損耗。

3 陽極保溫箱設(shè)計與使用

2011年初，有色金屬行業(yè)專家提出“鋁電解陽極預(yù)熱技術(shù)”[2]。該技術(shù)理論上采用炭素生產(chǎn)中的煙氣作為熱源來預(yù)熱陽極，以中鋁青海分公司40萬噸鋁產(chǎn)能計算，使陽極溫度增加至300℃，噸鋁直流電耗可降80kwh，但投資需要1200萬以上。而中鋁青海分公司設(shè)計的保溫箱每套價值3.5萬元，推廣到分公司24個工區(qū)共需48個保溫箱即可把所有要更換的陽極進(jìn)行預(yù)熱，全部投入為150萬元。

目前電解槽陽極更換過程不僅破壞了電解槽的熱平衡與穩(wěn)定性，還嚴(yán)重影響著電流效率等諸多技術(shù)指標(biāo)[2]。若全部陽極使用預(yù)熱節(jié)能技術(shù)后，如前所述“鋁電解陽極預(yù)熱技術(shù)”，可以看出降耗工作已成為鋁電解行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。中鋁青海分公司電解廠選擇“雙層陽極預(yù)熱保溫裝置”作為陽極預(yù)熱的最優(yōu)方案。雙層陽極保溫箱實(shí)施對策表，見表1。

表1 雙層陽極保溫箱實(shí)施對策表

3.1 內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：為了節(jié)省用料和占地空間，提高陽極底掌預(yù)熱面積，陽極與高溫殘極分雙層交替擺放。

3.2 總體尺寸計算

計算裝置總體尺寸：①長度：預(yù)熱陽極塊數(shù)×（陽極寬度＋導(dǎo)桿寬度＋預(yù)留空間）（6×（660＋130＋330）=6720mm）。②寬度：陽極長度＋預(yù)留空間＋保溫層（1500＋180+120=1800mm）。③高度：陽極高度×2＋保溫層＋陽極鋼爪高度＋預(yù)留空間（580×2＋200＋340＋200=1900 mm）。

實(shí)現(xiàn)6塊陽極同時預(yù)熱，裝置總體尺寸為：長×寬×高（單位：mm）：6720×1800×1900。

3.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)所選擇的最佳方案，利用CAD軟件繪制《陽極預(yù)熱保溫裝置框架總圖》[3]。

3.4 承重計算

①陽極自重：815kg；極導(dǎo)桿及鋼爪重：302kg；總重量1117kg。②承重架材料：矩形鋼管（60×90×5 Q215）。長度=1600mm壁厚=5mm截面面積A=1400mm2慣性矩I=11600mm4。④可承擔(dān)重量達(dá)到：1450kg。

3.5 保溫箱內(nèi)壁保溫材料

保溫箱內(nèi)壁材料整體用石棉材料覆蓋，既可以起到保溫的作用，又可以避免保溫箱外部鐵皮備高溫陽極炙烤變形。

3.6 保溫箱使用效果

拔出殘極溫度650℃～700℃左右；8小時后預(yù)熱陽極溫度150℃～170℃；中國鋁業(yè)青海分公司電解分廠某工區(qū)使用保溫箱后16h電流分布情況：角極0.8mv～1.0mv，合格率87.6%；非角極1.2mv～2.4mv，合格率88.7%。

使用預(yù)熱陽極減少了電解槽穩(wěn)定性和熱平衡的波動、提高電流效率、縮短陽極導(dǎo)電的時間、減少爐底沉淀、減少換極時的陽極效應(yīng)和針振，為電解槽的運(yùn)行帶來極大的好處。

（1）減小陽極電壓降。潮濕陽極上槽后其表面附著的水分會在短時間內(nèi)進(jìn)行氣化產(chǎn)生許多氣泡，在陽極底掌形成大量的氣膜電阻，增大陽極與電解質(zhì)之間的電壓降。另外，預(yù)熱后的陽極可以減少鋼爪與陽極之間的接觸電壓降。

（2）提前達(dá)到電流滿負(fù)荷。陽極預(yù)熱后因其導(dǎo)電性改良，上槽后陽極表面的電解質(zhì)冷凝層減薄，提前6h～8h陽極電流分布達(dá)到滿負(fù)荷，平衡提高了單位陽極面積的產(chǎn)鋁量。

（3）增強(qiáng)電解槽穩(wěn)定性。預(yù)熱陽極上槽后對新極周圍電解質(zhì)溫度的降低程度要比沒有預(yù)熱的冷陽極相對較小，不會因?yàn)殡娊赓|(zhì)冷縮，槽溫下降太多而導(dǎo)致電解質(zhì)溶解氧化鋁不良的現(xiàn)象出現(xiàn)。

（4）防止溫?fù)p過大。使用預(yù)熱的樣機(jī)減少陽極上槽后電解質(zhì)溫度的降低程度。另外由于預(yù)熱后陽極導(dǎo)電性能改善，使陽極達(dá)滿負(fù)荷電流的時間大大提前，盡快消除剛換陽極在電解槽熔體體系中形成的局部過冷。所以，陽極預(yù)熱后再上槽在一程度上減少了電解槽在換極過程中的溫?fù)p，降低了無功電耗。

4 總結(jié)

新?lián)Q陽極周圍的電解質(zhì)的電阻率是溫度的減函數(shù)，溫度對電解質(zhì)電阻率有顯著的影響。剛換上新極時因陽極本身溫度以及受新極影響的周圍電解質(zhì)溫度降低，加之低溫時鐵～碳結(jié)合緊密性較差，導(dǎo)致新?lián)Q陽極電阻過大，陽極電流分布偏小。保溫箱是利用拔出的熱殘極對新極進(jìn)行烘干和預(yù)熱，使溫度達(dá)到150℃～170℃，減少因陽極潮濕或冷態(tài)造成電解槽技術(shù)條件變化，降低了能量消耗。該型陽極保溫箱結(jié)構(gòu)簡單投資少，操作安全，中鋁青海分公司電解廠24個工區(qū)全部配備陽極保溫箱后，全年更換的75600塊陽極可全部實(shí)現(xiàn)預(yù)熱，以每塊陽極從20℃加熱到150℃時增加耗電量約為30KWh計算，全年共計節(jié)約電費(fèi)196.92萬元。