420KA保溫節(jié)能型電解槽應(yīng)用實踐

陳應(yīng)斌

（廣西百礦鋁業(yè)有限公司，廣西 田陽 533615）

1 大型預(yù)焙鋁電解槽發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代大型預(yù)焙鋁電解槽在磁場、熱場和流場等方面的設(shè)計愈加完善，特別是雙鋼棒技術(shù)的應(yīng)用，使得大型預(yù)焙鋁電解槽的水平電流大幅度降低，電解槽的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，工作電壓也隨之降低，因此大型預(yù)焙鋁電解槽在陽極電流密度不斷增大的情況下，亦能取得良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 大型預(yù)焙鋁電解槽發(fā)展遇到的瓶頸

大型預(yù)焙鋁電解槽發(fā)展迅速，但電能利用率卻很難突破50%，其主要原因有三個方面。

2.1 鋁電解槽散損失

鋁電解工藝實際生產(chǎn)溫度高達(dá)920℃～960℃，爐面蓋板平均溫度高達(dá)60℃，槽殼側(cè)部散熱孔溫度達(dá)到300℃～420℃，即使是槽殼底部鋼板的溫度也達(dá)到80℃～120℃，電解槽外殼與外部環(huán)境存在大量熱能交換，由對流換熱公式Q=α＊（tw-tf）＊F可測算出鋁電解槽各部位散熱損失的能量如表1所示；

表1 鋁電解槽散熱量計算表

2.2 鋁電解槽煙氣損失熱量

鋁電解排放的煙氣溫度高達(dá)120℃～140℃，被收塵系統(tǒng)吸收并排放到空氣中，根據(jù)熱熔公式Q=C＊m＊(t2-t1)可以測算出煙氣帶走的熱量如表2所示，另根據(jù)陽極燃燒的放熱特性和鋁還原反應(yīng)吸熱的特性可測算出，陽極燃燒放熱量如表3所示；

2.3 鋁的二次反應(yīng)增加電耗及電能利用率

鋁電解過程中存在二次反應(yīng)，取電流效率為93%，則理論直流電耗應(yīng)為6796 kwh/t.Al，綜上表1、表2表3可得直流電耗W=W1+W2-W3+6796=12979 kwh/t.Al。而實際生產(chǎn)中普通電解槽的平均電壓為4.05V，電流效率為93%，則直流電耗為12977 kwh/t-Al，取整流效率為98%，則交流電耗為13235kwh/t.Al，則鋁電解的電能利用率為47.72%。

3 鋁電解提高電能利用率的探索

3.1 低電解質(zhì)溫度生產(chǎn)的探索

鋁電解槽低溫生產(chǎn)的溫度仍高到920℃～940℃，各個散熱渠道的溫度并沒有明顯的降低，因此節(jié)能效果并不理想。

3.2 外保溫方式的嘗試

外保溫即使用保溫棉等材料對電解槽的槽蓋板和散熱孔進(jìn)行密封，槽電壓可降低10mv～20mv，噸鋁電耗可降低30kwh～60kwh，但效果有限。

3.3 內(nèi)保溫技術(shù)應(yīng)用實踐

采用內(nèi)保溫技術(shù)即在電解槽槽殼內(nèi)側(cè)與內(nèi)襯材料之間的不同位置嵌入相應(yīng)的保溫材料。根據(jù)實際測量，內(nèi)保溫槽側(cè)部的溫度可降低20℃～50℃，底部鋼板的溫度可降低10℃～30℃，根據(jù)表1的計算方法測算出W1= 3846 kwh/t-Al，而w2、w3不變，電耗可降低至12651 kwh/t.Al，電耗降低327 kwh/t.Al，電能利用率提高到48.95%。實踐表明，內(nèi)保溫槽相對普通槽的電壓低100mv，按照93%的電流效率測算，直流電耗降低至12657 kwh/t-Al，電耗降低320.4 kwh/t-Al，電能利用率為48.93%，實踐與理論測算吻合。

4 內(nèi)保溫技術(shù)推廣應(yīng)用遇到的問題及原因分析

內(nèi)保溫技術(shù)的應(yīng)用存在兩方面問題，一是內(nèi)保溫槽在焙燒、啟動過程中易造成陰極橫向斷裂，導(dǎo)致電解槽出現(xiàn)早期破損；二是內(nèi)保溫槽啟動后容易出現(xiàn)長期的高溫，易出現(xiàn)畸形爐膛，所遇問題的影響因素分析如下兩點。

4.1 槽殼設(shè)計的影響

傳統(tǒng)搖籃架槽型在未應(yīng)用內(nèi)保溫技術(shù)時，早期破損率為5%～10%，應(yīng)用內(nèi)保溫技術(shù)后，早期破損率達(dá)到30%～50%。采用搖籃架槽殼的電解槽啟動后槽殼中間在水平方向上出現(xiàn)了4cm～6cm不等的變形量。通過圖1的受力分析可知，假設(shè)陰極炭塊端頭F1和F2箭頭所在位置即其受力點，且槽殼側(cè)部鋼板變形量為0，如果F1=F2，則陰極炭塊受力均勻，陰極炭塊垂直方向不產(chǎn)生作用力，只有F1=F2＞4841200N時才會產(chǎn)生碎裂性的損壞。但據(jù)相關(guān)資料顯示（詳見表4）,澆注料和陰極搗固糊的耐壓強(qiáng)度不同，當(dāng)陰極炭塊所受應(yīng)力F2超過2793000N時，陰極搗固糊即發(fā)生形變，而澆注料未發(fā)生形變，即F1＞F2，此時陰極炭在垂直方向上產(chǎn)生作用力，當(dāng)垂直方向受力大于17130400N時，陰極炭塊便會斷裂，可以肯定F1與F2的差值越大，陰極炭塊受到垂直方向作用力也越大；由于電解槽上下部溫度的差異和槽殼設(shè)計決定了上部比下部更容易發(fā)現(xiàn)形變，特別是普通搖籃架槽殼更是如此，因此當(dāng)F2受力點對應(yīng)槽殼往上部位發(fā)生形變時，F(xiàn)2的力更小，F(xiàn)1與F2受力大小的差值增大。

圖1 陰極炭塊受力分析

圖2 側(cè)部改善后的陰極炭塊受力分析

表4 電解槽各材料耐壓強(qiáng)度和受力表

4.2 保溫材料性能的影響

陰極炭塊所受到的力F1和F2由陰極炭塊受熱膨脹而產(chǎn)生，陰極炭塊溫度越高膨脹量越大，熱應(yīng)力也就越大，這就是普通搖籃架槽殼應(yīng)用內(nèi)保溫技術(shù)后早期破損率高的原因。由此保溫材料的保溫性過強(qiáng)是導(dǎo)致電解槽出現(xiàn)早期破損的原因之一。

5 鋁電解槽內(nèi)保溫技術(shù)應(yīng)用的改善

鋁電解槽內(nèi)保溫技術(shù)應(yīng)用的改善，需要解決陰極炭塊熱應(yīng)力均勻釋放這個核心問題，即完善鋁電解槽側(cè)部的設(shè)計，以改善陰極所受到的各向作用力。

5.1 內(nèi)保溫槽型槽殼設(shè)計的改善

采用整體焊接技術(shù)，使槽殼更加堅固，上下部的形變量差距不大，沒有放大F1與F2受力大小的差值。

5.2 內(nèi)保溫槽型側(cè)部設(shè)計的改善

在陰極炭塊端頭預(yù)留5cm寬度的陰極搗固縫，陰極的端頭只與陰極搗固糊一種物質(zhì)直接接觸，其耐壓強(qiáng)度相等，各部位受力均勻，陰極炭塊所受到的合力F與炭塊的水平中心線重合，使陰極炭塊垂直方向的變形量減小，解決了內(nèi)保溫技術(shù)應(yīng)用于各類型槽殼的電解槽出現(xiàn)早期破損的問題。

5.3 保溫性能要適中

應(yīng)用內(nèi)保溫技術(shù)時，保溫強(qiáng)度要適中，不能為了追求經(jīng)濟(jì)指標(biāo)而無限制的加強(qiáng)保溫，避免出現(xiàn)能量調(diào)節(jié)失控導(dǎo)致陰極受熱應(yīng)力過大而出現(xiàn)擠壓斷裂的問題。

6 結(jié)語

提高鋁電解槽電能利用率是今后發(fā)展的主要方向，內(nèi)保溫技術(shù)的應(yīng)用極大的提高了電能的利用率，但應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題。本文完善了420KA保溫節(jié)能型電解槽的相關(guān)設(shè)計，同時成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，使420KA保溫節(jié)能型電解槽技術(shù)的應(yīng)用趨于成熟。