邱 陽(yáng)

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001)

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái),隨著國(guó)內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)原鋁需要持續(xù)增加,推動(dòng)電解鋁技術(shù)的不斷進(jìn)步,電解系列模擬仿真,設(shè)計(jì)等水平穩(wěn)步提高,電解系列運(yùn)行電流逐步增加,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷提高。電解系列運(yùn)行電流由上世紀(jì)90年代的160 kA逐步增加,跨越了200 kA,300 kA,400 kA等臺(tái)階,發(fā)展為500 kA,600 kA,其中的500 kA電解槽技術(shù)尤為突出,經(jīng)過(guò)約十年的不斷改進(jìn)優(yōu)化,500 kA電解槽技術(shù)無(wú)論從應(yīng)用系列,產(chǎn)量,技術(shù)指標(biāo)等方面均稱(chēng)為國(guó)內(nèi)電解鋁技術(shù)的經(jīng)典槽型。

截止到2020年中期,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國(guó)采用500 kA級(jí)別電解槽技術(shù)的電解系列完成設(shè)計(jì)的有三十多個(gè)系列,已經(jīng)投入生產(chǎn)的超過(guò)25個(gè)系列,運(yùn)行產(chǎn)能超過(guò)1200萬(wàn)噸,而國(guó)外至今,僅有少量運(yùn)行在500 kA或更高電流的實(shí)驗(yàn)或半工業(yè)實(shí)驗(yàn)系列。仍無(wú)500 kA工業(yè)系列投產(chǎn)。無(wú)論從國(guó)內(nèi)還是世界范圍,500 kA電解槽及其配套技術(shù)均代表了國(guó)內(nèi)電解鋁的發(fā)展方向。其中,以沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)沈陽(yáng)院)開(kāi)發(fā)的SY500電解槽最具代表意義,通過(guò)十年的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)無(wú)論是技術(shù)水平方面,還是應(yīng)用推廣方面,成為最成功的鋁電解槽技術(shù)。

1 SY500電解槽技術(shù)開(kāi)發(fā)背景

2007年5月,設(shè)計(jì)運(yùn)行電流強(qiáng)度400 kA的SY400電解槽成功啟動(dòng)并投入穩(wěn)定運(yùn)行,并于2008年3月通過(guò)了中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定,無(wú)論從運(yùn)行電流還是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)型電解槽先進(jìn)水平。SY400電解槽與國(guó)外類(lèi)似槽型的技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 400 kA以上電解槽主要設(shè)計(jì)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

為適應(yīng)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)鋁工業(yè)高速發(fā)展,開(kāi)發(fā)比現(xiàn)有SY400電解槽技術(shù)更高產(chǎn),更低能耗,更環(huán)保,更經(jīng)濟(jì)的SY500電解槽技術(shù)成為當(dāng)時(shí)的目標(biāo)。

國(guó)外的500 kA級(jí)別的實(shí)驗(yàn)槽從上世紀(jì)末開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但多年一直沒(méi)有工業(yè)化的系列工程出現(xiàn),與400 kA電解槽相比,500 kA級(jí)別的電解槽可能面臨如磁流體穩(wěn)定性,熱平衡和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難題挑戰(zhàn)。

2 第一代SY500電解槽技術(shù)

2.1 開(kāi)發(fā)背景

在SY500電解槽計(jì)劃進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的階段,全球金融危機(jī)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響進(jìn)一步加深,開(kāi)發(fā)更低能耗,高能效、更低運(yùn)行成本的電解槽技術(shù)成為SY500電解槽的重要影響因素。因此,與SY400電解槽相比,除了進(jìn)一步增大電解槽電流強(qiáng)度之外,考慮在高電流強(qiáng)度下提高電解槽的穩(wěn)定性成為電解槽開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

隨著國(guó)內(nèi)多條400 kA的電解槽系列逐步投產(chǎn)運(yùn)行,已投產(chǎn)系列的測(cè)試和生產(chǎn)管理實(shí)踐為開(kāi)發(fā)超大容量電解槽設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在國(guó)內(nèi)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃的大背景下,沈陽(yáng)院通過(guò)理論分析和大量的物理場(chǎng)模擬和實(shí)測(cè),研究鋁電解槽的各項(xiàng)機(jī)理特性,針對(duì)500 kA電解槽,開(kāi)發(fā)出多項(xiàng)節(jié)能技術(shù),將新型陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)、優(yōu)化的六點(diǎn)進(jìn)電母線(xiàn)配置技術(shù),區(qū)域控制技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于新開(kāi)發(fā)的SY500電解槽。

2.2 第一代SY500電解槽技術(shù)特點(diǎn)

第一代SY500電解槽總結(jié)以往SY400電解槽及其他槽型的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),通過(guò)采用降低鋁液水平電流的方式來(lái)大幅度的提高電解槽的穩(wěn)定性。同時(shí)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整電解槽的熱平衡設(shè)計(jì),為電解槽保持低能耗提供了基礎(chǔ)。采用上煙道分段集氣形式并搭配雙煙管設(shè)計(jì),大幅度提高電解槽的集氣效率。采用降低水平電流的新型陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)和優(yōu)化的六點(diǎn)進(jìn)電母線(xiàn)配置技術(shù)為這一代電解槽的突出特點(diǎn)。表2為SY400與SY500(第一代)電解槽的典型設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比。

表2 SY400與SY500電解槽設(shè)計(jì)運(yùn)行主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

新型陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整陰極鋼棒和炭塊高度，將鋼棒按照一定高度比例分割成上下兩部分,從而改變陰極鋼棒的導(dǎo)電結(jié)構(gòu);優(yōu)化陰極鋼棒與炭塊的組裝形式,調(diào)整了陰極炭塊組的電阻,大幅度減少了鋁液中的水平電流,配合良好的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì),有效抑制了鋁液波動(dòng),大幅度提高了電解槽的穩(wěn)定性,有效的降低極距,從而在設(shè)計(jì)層面可以大幅度的降低電壓,為有效降低電解槽能耗提供了理論基礎(chǔ)。圖1為傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)與新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)的電解槽水平電流分布對(duì)比。

圖1 不同陰極結(jié)構(gòu)類(lèi)型電解槽水平電流分布對(duì)比

隨著電流強(qiáng)度的提高,母線(xiàn)配置的難度逐漸增大,SY500電解槽采用優(yōu)化的電磁場(chǎng)與流動(dòng)場(chǎng)模型的模擬,充分考慮了相鄰列槽,周?chē)奂安蹥さ钠帘巫饔?采用大面六點(diǎn)進(jìn)電非對(duì)稱(chēng)配置母線(xiàn),優(yōu)化的六點(diǎn)母線(xiàn)進(jìn)電技術(shù),很好的解決了電解槽磁流體穩(wěn)定性問(wèn)題。配合新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),電解槽的鋁液-電解質(zhì)界面變形更小,電解槽的穩(wěn)定性顯著提高,這為電解槽進(jìn)一步降低極距、實(shí)現(xiàn)低電壓條件下生產(chǎn)提供了充足的空間,也為實(shí)現(xiàn)電解槽高電效、低能耗、節(jié)能提供可靠的保證。

此外,第一代SY500電解槽技術(shù),部分系列應(yīng)用了區(qū)域控制技術(shù)、母線(xiàn)三段提升等許多新的技術(shù),并對(duì)下一步新電解槽結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。

2.3 第一代SY500電解槽技術(shù)應(yīng)用

第一代SY500技術(shù)最先應(yīng)用于中鋁連城分公司,甘肅東興酒嘉項(xiàng)目,新疆東方希望煤電有限公司,三個(gè)系列于2009、2010年開(kāi)始設(shè)計(jì),并于2011年和2012年相繼投產(chǎn)。SY500電解槽技術(shù)是國(guó)內(nèi)電解鋁綜合設(shè)計(jì)全面跨越的一代技術(shù)。圖2為第一代SY500電解槽的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 第一代SY500電解槽

3 第二代SY500電解槽技術(shù)

3.1 開(kāi)發(fā)背景

第一代SY500電解槽在國(guó)內(nèi)取得成功應(yīng)用,SY500技術(shù)采用的新型節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)也在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電解系列的大修和改造過(guò)程逐步推廣。同時(shí),針對(duì)已投產(chǎn)的500 kA的電解槽進(jìn)行了測(cè)試和生產(chǎn)評(píng)估。如何進(jìn)一步綜合提高電解槽的技術(shù)生產(chǎn)表現(xiàn)成為下一步的研發(fā)目標(biāo)。

電解槽槽內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度有著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但隨著電流的進(jìn)一步增大,尤其是電流達(dá)到500 kA,影響電解槽磁流體穩(wěn)定性的重要因素即垂直方向磁場(chǎng)強(qiáng)度可以通過(guò)母線(xiàn)的配置得到有效控制。但影響電解槽流動(dòng)特性的磁場(chǎng)特征卻會(huì)隨著電流強(qiáng)度的增加而變化。SY500電解槽內(nèi)鋁液流速和鋁液界面變形隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度而同比增長(zhǎng)。為了進(jìn)一步控制電解槽內(nèi)的熔體流速,第二代SY500電解槽突破傳統(tǒng)電解槽母線(xiàn)設(shè)計(jì)的限制,創(chuàng)新性的采用外補(bǔ)償母線(xiàn)來(lái)解決電解槽母線(xiàn)配置這一難題。該方案的應(yīng)用,大幅提高了電解槽的穩(wěn)定性,突破了原有技術(shù)的限制,為電解生產(chǎn)節(jié)能降耗奠定了基礎(chǔ)。專(zhuān)利CN105220179A〔4〕描述了帶外補(bǔ)償母線(xiàn)的新概念母線(xiàn)配置方案。突破性的全新母線(xiàn)設(shè)計(jì)理念為第二代SY500電解槽技術(shù)指標(biāo)提升提供了良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

3.2 第二代SY500電解槽技術(shù)特點(diǎn)

第二代SY500電解槽最突出特點(diǎn)為采用了全新的母線(xiàn)設(shè)計(jì)理念及母線(xiàn)配置方式,建立了磁流體穩(wěn)定性的新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)母線(xiàn)配置相比,新概念外母線(xiàn)技術(shù)可降低鋁液和電解質(zhì)平均及最大流速,減小鋁液-電解質(zhì)界面變形,從而大幅提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)電解槽節(jié)能、降耗。同時(shí),該技術(shù)大幅簡(jiǎn)化了電解槽本體母線(xiàn)的配置,可縮短槽間距0.3 m,降低單槽母線(xiàn)電壓降20 mV。

SY500新概念外母線(xiàn)配置與傳統(tǒng)母線(xiàn)配置磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較如表3所示。

表3 SY500新概念外母線(xiàn)配置與傳統(tǒng)母線(xiàn)配置磁場(chǎng)比較

SY500新概念外母線(xiàn)配置與傳統(tǒng)母線(xiàn)配置流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較如表4所示?？梢?jiàn),與傳統(tǒng)母線(xiàn)配置相比,新概念外母線(xiàn)技術(shù)能夠降低鋁液最大流速29%,降低鋁液體平均流速26%,降低電解質(zhì)最大流速15%,降低電解質(zhì)平均流速26%,減小鋁液-電解質(zhì)界面變形33%。

表4 傳統(tǒng)母線(xiàn)與新概念外母線(xiàn)流場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比表

除采用創(chuàng)新性的外補(bǔ)償母線(xiàn)設(shè)計(jì)外,第二代SY500電解槽繼承采用了降低鋁液中水平電流的新型陰極技術(shù),上煙道分段集氣、雙煙管排氣技術(shù)。

3.3 第二代SY500電解槽技術(shù)應(yīng)用

第二代SY500電解槽技術(shù)最先應(yīng)用于新疆信發(fā)農(nóng)六師三期項(xiàng)目,內(nèi)蒙華云一期等項(xiàng)目,均取得良好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)。與第一代SY500電解槽相比,電解槽的穩(wěn)定性有大幅度的提高。如表5為某鋁廠兩個(gè)500 kA系列在同樣的管理操作和原料下,同樣的槽控系統(tǒng)記錄的系列擺動(dòng)和噪聲平均值對(duì)比,同時(shí)帶外補(bǔ)償母線(xiàn)配置電解系列電流效率較傳統(tǒng)母線(xiàn)電解系列提高2.54%,可比交流電耗降低237 kWh/t-Al[5]。圖3 為第二代SY500電解槽系列現(xiàn)場(chǎng)照片。

表5 電解系列噪聲統(tǒng)計(jì)表

圖3 第二代SY500電解槽系列

4 第三代SY500電解槽技術(shù)

4.1 第三代SY500電解槽技術(shù)開(kāi)發(fā)背景

第一代、第二代SY500在全國(guó)范圍內(nèi)陸續(xù)投入生產(chǎn)應(yīng)用。通過(guò)針對(duì)已投產(chǎn)的500 kA的電解槽進(jìn)行了測(cè)試和生產(chǎn)評(píng)估,進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)也在持續(xù)進(jìn)行中。如何進(jìn)一步綜合提高電解槽的技術(shù)生產(chǎn)表現(xiàn)成為下一步的研發(fā)目標(biāo)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐的總結(jié),第三代SY500技術(shù)在總結(jié)以往SY500電解槽設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),采用了多項(xiàng)更優(yōu)化的技術(shù)。包括自平衡網(wǎng)絡(luò)母線(xiàn)技術(shù),采用陰極澆鑄的新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),優(yōu)化的船型直角焊接槽殼結(jié)構(gòu),優(yōu)化的上煙道集氣和雙煙管排氣技術(shù),優(yōu)化的新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)優(yōu)化內(nèi)容。

4.2 第三代SY500電解槽技術(shù)特點(diǎn)

4.2.1 自平衡網(wǎng)絡(luò)母線(xiàn)技術(shù)

隨著電解槽大型化和電解槽磁流體穩(wěn)定性的逐步提高,當(dāng)電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)或電解槽換極初期由于剛更換的陽(yáng)極炭塊組幾乎不導(dǎo)電,導(dǎo)致電解槽的陰極和陽(yáng)極電流分布嚴(yán)重不均,且這種不均會(huì)通過(guò)母線(xiàn)系統(tǒng)傳導(dǎo)至其上、下游電解槽,導(dǎo)致上、下游電解槽磁流體穩(wěn)定性惡化,出現(xiàn)擺動(dòng)。

為有效緩解上述問(wèn)題,沈陽(yáng)院成功開(kāi)發(fā)了自平衡網(wǎng)絡(luò)母線(xiàn)技術(shù),大幅降低了電解槽非穩(wěn)定狀態(tài)下(包括停槽期間、陽(yáng)極效應(yīng)期間、換極初期等)陰、陽(yáng)極電流分布不均衡性在電解系列中的傳導(dǎo),從而降低了非穩(wěn)態(tài)槽及其上、下游槽的電流分布及磁場(chǎng)波動(dòng),進(jìn)一步提高了電解槽的磁流體穩(wěn)定性、可操作性和抗干擾能力。采用該技術(shù)之后陽(yáng)極效應(yīng)期間和異常擺動(dòng)期間電流分布偏差降低了70%,電解槽受到干擾時(shí),恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的速度更快,同時(shí)電解槽陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)間縮短,有效降低效應(yīng)均攤電壓,減少溫室效應(yīng)氣體排放。

4.2.2 新一代新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)

在總結(jié)第一代,第二代SY500電解槽應(yīng)用新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上,沈陽(yáng)院通過(guò)改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式、優(yōu)化陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu),同時(shí)采用高導(dǎo)電大截面陰極鋼棒,開(kāi)發(fā)了新一代新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),該技術(shù)可以有效降低并均化鋁液中的水平電流、提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性,同時(shí)能夠大幅降低電解槽的陰極電壓降,有效降低電解槽生產(chǎn)能耗,提高電流效率,延長(zhǎng)內(nèi)襯壽命。

4.2.3 防上拱、高強(qiáng)度槽殼

第三代SY500電解槽采用帶槽周豎圍帶的整體焊接的船型直角搖籃槽殼。該槽殼結(jié)構(gòu)能夠有效均化應(yīng)力分布,減少各向變形,尤其是大幅抑制電解槽啟動(dòng)時(shí)的槽底上拱,保證槽內(nèi)襯的安全,延長(zhǎng)電解槽高性能運(yùn)行的有效壽命期,并且便于施工、制造和維護(hù)。電解槽啟動(dòng)初期槽底上拱變形量低于傳統(tǒng)槽殼結(jié)構(gòu)。此外,采用直角槽殼可加強(qiáng)電解槽角部保溫,有利于形成規(guī)整的爐膛。

4.2.4 新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)

隨著電解槽電流容量不斷增大,單位面積的散熱量會(huì)相應(yīng)增加;又由于采用了新概念外母線(xiàn)技術(shù),槽間距相應(yīng)縮小,這都會(huì)導(dǎo)致電解車(chē)間操作環(huán)境溫度(尤其是兩槽之間)大幅上升。為了改善電解車(chē)間的操作環(huán)境,并適應(yīng)第三代SY500電解槽熱平衡需要,針對(duì)原廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)做了大幅度改進(jìn)。該通風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠有效降低操作環(huán)境溫度,均化電解槽周?chē)諝饬鲃?dòng),既保證工人操作的舒適性,又使電解槽的熱平衡分布更加符合設(shè)計(jì)需要。此外新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)還充分考慮季節(jié)變化的影響,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)廠房的通風(fēng)窗開(kāi)度,消除因冬、夏環(huán)境差異對(duì)電解槽熱平衡的影響。下圖比較了新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)槽間溫度及分布的差別,說(shuō)明新結(jié)構(gòu)能夠大幅改善工人的操作環(huán)境。下圖4為傳統(tǒng)廠房與新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)的槽間溫度對(duì)比。

圖4 新式與傳統(tǒng)廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)槽間溫度比較(操作平面)

4.3 SY500電解槽技術(shù)應(yīng)用

第三代SY500電解槽技術(shù)最先應(yīng)用于內(nèi)蒙古蒙泰鋁業(yè),中鋁山西中潤(rùn)中鋁文山等項(xiàng)目,其中中鋁山西中潤(rùn)電解系列于2018年5月投產(chǎn)。投產(chǎn)后電解槽生產(chǎn)運(yùn)行20天后原鋁液純度均在99.8%以上,其中純度99.85%以上率99%以上,鋁液中Fe含量平均為550 ppm,硅含量平均為200 ppm[6];電解系列平均槽電壓長(zhǎng)期在3.92 V并實(shí)現(xiàn)電流效率93.0%以上[7]。該系列人均勞動(dòng)生產(chǎn)率,長(zhǎng)期運(yùn)行指標(biāo)均位于領(lǐng)先水平。圖5為第三代SY500電解槽系列現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖5 第三代SY500電解槽系列

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)十多年的時(shí)間,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)科研機(jī)構(gòu)和鋁廠對(duì)500 kA電解槽進(jìn)行不斷優(yōu)化,500 kA電解槽成為國(guó)內(nèi)指標(biāo)好,總體產(chǎn)量最大、運(yùn)行槽數(shù)量最多、人均產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好的電解槽槽型。代表了國(guó)內(nèi)電解鋁技術(shù)的先進(jìn)水平和發(fā)展方向。在SY500研發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)技術(shù),如新式陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),外補(bǔ)償母線(xiàn)技術(shù),平衡網(wǎng)絡(luò)母線(xiàn)技術(shù),新式廠房通風(fēng)結(jié)構(gòu)技術(shù)等也均為更大型的電解槽提供了良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。同時(shí),相關(guān)技術(shù)也不斷下移,用于對(duì)老電解系列的改造和升級(jí)過(guò)程中,為國(guó)內(nèi)電解鋁技術(shù)的全面進(jìn)步提供了良好的基礎(chǔ)。此外,在新一代SY電解槽開(kāi)發(fā)過(guò)程中,更具先進(jìn)理念的數(shù)字化電解槽技術(shù)、區(qū)域控制技術(shù)、低碳排放技術(shù)等新技術(shù)也進(jìn)行研發(fā),并將在下一代更先進(jìn)的電解槽中進(jìn)行應(yīng)用。