浅析“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术在200kA电解槽的应用

浅析“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术在200kA电解槽的应用

李军民 董廷杰 孙富有 杨银平

（中国铝业股份有限公司连城分公司，甘肃 兰州 730335）

摘 要：本文简述了“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术试验槽在国内某200kA电解槽上应用过程中出现侧部散热的问题，并详细阐述了保温措施对石墨化异型钢棒试验槽热平衡的影响，实施保温措施后有效改善电解槽热平衡，为电解槽高效平稳运行和获得良好指标提供支撑和保障，使在线电解槽达到提高经济效益和可持续节能降耗的目的。

关键词：电解槽 石墨化阴极 异型钢棒 保温措施 热平衡 降低能耗

１前 言

近年来，电解铝节能技术的迅猛发展，涌现出大批电解铝节能理念及思路，为积极应对国家“双碳”、“双控”、“阶梯电价”等大背景给电解铝企业带来的挑战，国内某企业200kA电解系列利用电解槽大修开展了多种节能集成工业试验，其中2021年开展的“铝电解节能集成工业试验”获得了较大的成功，取得了优异的经济技术指标和效益，大幅降低了原铝液直流电耗，为企业达到2025年阶梯电价分档标准要求、实现能耗“双控”任务和节能减排目标，提供了新的技术支撑,为电解铝行业持续健康有序发展探索新模式，提供新路径。

2“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术的特点

2.1石墨化阴极的主要优点

石墨化阴极炭块是铝电解槽用阴极炭块中的高档产品，是近年国内外电解铝企业采用的主要阴极炭块材料之一。与其他类型的阴极炭块相比，石墨化阴极炭块具有如下特点：

（1）电阻率低。石墨化阴极炭块的电阻率约为50%高石墨质阴极炭块电阻率的一半，因此，采用石墨化阴极炭块的电解槽有利于降低电解槽炉底压降，从而降低吨铝电耗。

（2）导热性好。由于石墨化阴极炭块导热系数高，有利于电解槽侧部散热，有利于电解槽形成良好的炉帮形状，保持热量平衡，延长电解槽使用寿命。[1]

（3）较高的抗钠侵蚀性。阴极炭块必须能够有效地阻碍铝液及电解质液体的渗漏而造成的剥蚀及钠膨胀的侵蚀。在铝电解槽用阴极炭块中，石墨化阴极炭块的钠膨胀率最低，其抗钠侵蚀性最好。

表1 石墨化阴极与半石墨质阴极主要技术指标对比情况

2.2“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术

“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术为组合技术，“磷生铁浇铸”技术通过优化阴极钢棒与阴极炭块的形状、尺寸、连接方式，用导电性更好的磷生铁通过浇铸的方式代替阴极捣固糊，降低钢棒和阴极炭块直接的接触压降。阴极炭块磷铁浇铸新工艺具有降低母线电流密度，改善下游侧阴极母线电热平衡状况，电流分配均匀等优点。“异型钢棒”技术是指在阴极钢棒内部进行铜材质嵌入工艺，其做法为沿钢棒的中心轴开槽，往槽内填充浇铸钢棒，利用挤压手段杜绝槽内出现空气，铜棒与钢棒的贴合性更好，导电性能更好，水平电流更均匀。

3“石墨化阴极+磷生铁浇铸+异型钢棒”技术工业应用

3.1焙烧

石墨化电解槽采用焦粒焙烧方式，每块阳极下铺设焦粒逐一称重，严格控制在13.5±0.1kg；角部极焦粒与石墨碎配比按7：3比例，焦粒厚度30mm，确保阳极底掌与焦粒充分接触。装炉时使用低于2.0%的外购低锂盐纯净电解质（每次对装炉电解质单独取样分析LiF%）。采用不停电开槽装置塞尔开关、分流片和锥形焦粒铺设，非常有效的降低了冲击电压，减少了电流对阴极炭块的冲击。焙烧时间控制在120小时。

3.2启动

启动前坚持以焙烧温度为核心，中缝不低于900℃，边部不低于800℃进行确认条件；灌液体电解质时一次性灌入8吨低锂盐电解质（锂盐含量低于2.0%）；启动完成后要求电解质水平不低于40cm，电解质温度不低于1000℃；灌铝分两次进行，启动后24小时灌铝4吨，第一次灌铝后12小时再次灌铝4吨，灌铝后第二天开始出铝。

3.3非正常期管理

电解槽启动后到炉膛形成的非正常期，重点是形成坚固、规整的炉膛内型。炉膛内型的好坏关系到电解槽是否能平稳高效运行，也关系到电解槽的使用寿命[2]。因此，在此期间，必须按技术规程保持好各项工艺参数，各项作业标准化和规范化，及时消除可能引起病槽的潜在因素，使电解槽长期稳定运行。

3.4正常期管理

3.4.1电压管理

启动后90天实现目标设定电压3.82V，启动后120天实现设定电压探底3.80V。

表2 试验槽与同期启动对比槽设定电压保持情况

3.4.2分子比管理

试验槽启动后3个月内分子比不得低于3.0，在非正常期形成高温高分子比坚固的炉帮。

表3 试验槽与同期启动对比槽分子比保持情况

3.4.3铝水平管理

由于本技术采用石墨化阴极炭块，其导热系数较大，铝水平过高会使槽底偏凉，炉底压降升高，炉膛收缩，电解质水平降低，且试验槽同时集成使用“异型钢棒”技术，侧下部阴极区散热明显。因此，正常期出铝后铝水平控制在18-20cm为宜。

表4 试验槽与同期启动对比槽铝水平保持情况

3.4.4 电解质水平管理

电解质水平过低，电解槽的热稳定性差，氧化铝的溶解性差，易产生沉淀，效应增多。但电解质水平过高，则使阳极浸入电解质过多，阳极气体不易排除，造成电流效率下降、阳极底掌消耗不均或长包，同时电解质水平过高易涮钢爪，残极率高，阳极毛耗高[3]。因此，电解质水平控制18-19cm为宜。

表5 试验槽与同期启动对比槽电解质水平保持情况

3.4.5 电解质温度管理

根据电解质成分，试验槽正常生产时期温度控制在935±5℃。

表6 试验槽与同期启动对比槽电解质温度保持情况

4 主要技术经济指标情况

石墨化+磷生铁浇铸+异型钢棒技术电解槽进入正常生产期后，各项技术条件保持稳定，经济指标完成较好，统计了试验槽和同期启动的GS-5技术对比槽进入正常期后1年的主要技术条件和经济指标，结果如下：

表7 进入正常期后1年的主要技术经济指标完成情况对比

从以上对比情况来看，“石墨化阴极+磷铁浇铸+插铜钢棒”技术进入正常期后1年的电流效率为92.80%，直流电耗为12314.0kWh/t·Al，较传统大修槽（GS-5阴极技术）可节电222kWh/t·Al。

5 存在的问题

某企业200kA开展的“石墨化阴极+磷铁浇铸+异型钢棒”技术项目开展整体较好，在进入正常期后1年的直流电耗完成12314kWh/t·Al，虽然较GS-5节电222kWh/t·Al，但该技术试验槽由于异型钢棒钢棒散热较大，热平衡不易保持，运行稳定性不足，未能达到其它“石墨化+磷生铁”技术铝液直流电耗≤12300kWh/t·Al水平。

6 采取的措施

在试验过程中工作人员不断探索铝水平、电压、分子比等技术条件的匹配，通过调整设定电压、调整槽内铝量、改善电解质成分等工艺调整，同时不断改善保温料结构，多途径加强电解槽保温措施，主要针对性的采取了制作“电解槽炉面保温挡板”、“电解槽楼下全方位立体保温”、“电解槽阴极区外保温节能技术”等外保温方法，“石墨化阴极+磷铁浇铸+异型钢棒”技术试验槽侧下部阴极区散热大幅降低，电解槽热平衡改善明显，铝液直流电耗等经济指标明显优化，使在线电解槽达到了提高经济效益和可持续节能降耗的目的。

6.1 外保温技术案例实施

“电解槽阴极区外保温节能技术”技术中所用到的材料由保温材料和扎带构成。保温材料名称为纳米气凝绝热毡，该保温材料既经济实惠，又达到保温性能优的要求。

具体操作方法为按照电解槽侧部阴极钢棒区域和侧下部斜面区域的尺寸对纳米气凝绝热毡保温材料进行裁剪，然后使用扎带将保温材料固定在电解槽阴极区侧部以及斜面，即可完成对铝电解槽侧下部外保温安装工作，保温材料与电解槽槽体留有间隙，并且可以按需要调节缝隙和两端开口度，以便调节保温程度。如图所示：

图1 “电解槽阴极区外保温节能技术”在电解槽的应用

6.2 实施效果

通过多途径加强电解槽保温，改善保温料结构，截止目前“石墨化阴极+磷铁浇铸+异型钢棒”技术试验槽侧下部阴极区散热大幅降低，电解槽热平衡改善明显，铝液直流电耗等经济指标明显优化。

表8 实施保温措施后的主要技术经济指标完成情况对比

通过进行了多次测量与统计分析，验证了电解槽在增加了侧下部外保温材料的同时，做好电解槽日常维护工作，根据运行状况匹配降低槽电压，电解槽侧下部阴极区散热大幅降低，有效改善了电解槽热平衡，电解槽侧壁温度降低约40℃，伸腿明显变短，炉帮厚度、极距变化不明显，电解槽稳定性持续向好，槽平均电压降低约20mV，铝液直流电耗降低40kWh/t.al，

异型钢棒试验槽直流电单耗完成12274 kWh/t·Al，使在线电解槽达到了提高经济效益和可持续节能降耗的目的。

7 建议

200kA通过对使用石墨化阴极碳块电解槽和使用普通阴极炭块电解槽的应用实践，证明了采用石墨化阴极能够有效地降低炉底压降，电流效率高，电耗明显降低，抗钠的侵蚀性好，可以提高槽寿命，减少电解槽大修次数和焙烧启动次数，减少了环境污染，并且有利于大幅度强化电流提高产能，使企业利润大幅度提高，因此石墨化阴极节能技术是铝电解企业所追求的理想阴极材料。

为了实现节能型企业，建议对石墨化大修槽的内衬设计不断进行优化完善，加强能量平衡设计，以便达到提高经济效益和可持续节能降耗。

作者简介：

李军民（1972年9月），男，汉族，甘肃省永登县人，工程师，研究生，中国铝业股份有限公司连城分公司，研究方向：有色金属冶炼。

董廷杰（1994年3月），男，汉族，甘肃省临洮县人，助理工程师，本科，中国铝业股份有限公司连城分公司，研究方向：有色金属冶炼。

孙富有（1972年8月），男，汉族，甘肃省永登县人，工程师，本科，中国铝业股份有限公司连城分公司，研究方向：有色金属冶炼。

杨银平（1988年9月），男，汉族，甘肃省静宁县人，助理工程师，本科，中国铝业股份有限公司连城分公司，研究方向：有色金属冶炼。

参考文献

【1】邱竹贤.《预焙槽炼铝》.冶金工业出版社，1988

【2】冯乃祥.铝电解[M].北京:化学工业出版社，2006

【3】刘业祥，李劼.现代铝电解[M].北京:冶金工业出版社，2008