NEUI500kA大容量铝电解槽焙烧方案研究

王尚元，史博川

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

铝是全球产量最大的有色金属，广泛应用于建筑、包装、电力和航空航天等领域，是国民经济建设和国防科技工业不可或缺的基础原材料。近年来，我国铝产量年均增速12.2%，2017年我国铝产量在全球占比达55.7%。然而我国铝生产成本中，电费占比为国外的两倍以上，同时具有相对优势的人力资源成本也在逐年消失，使我国铝电解工业整体国际竞争力不强。为了实现节能、降耗和提高了人均产铝量，降低单位建设投资和运行成本，提高铝行业的整体竞争力，使我国铝冶炼核心技术装备占领大型化的制高点、推动产业升级和引领全球铝产业发展，研究开发500kA级超大容量铝电解槽技术势在必行。

东北大学设计研究院（有限公司）采用“数值模拟+”铝电解槽容量大型化技术开发方式，于2009年初完成了500kA级超大容量铝电解槽技术开发。因此对其焙烧方案进行研究和介绍。并对过程中出现的问题及采取的优化措施等进行总结。

1 前期准备

考虑到500kA级超大型铝电解槽的安全性及可操作性，决定采用焦粒焙烧方案，并对预想的异常情况进行分析，采取管控措施，具体如：铺焦挂极质量、冲击电压、槽底上拱度、大梁下挠值等，并且对各项操作规程进行细化，确保焙烧过程及后期管理期间技术条件安全受控。

严格验收工作，并重点结合上部结构的超大跨度及阳极重量的加大，加强对提升机负荷的试验和大梁下挠值变化的测量，确保达到要求的范围。

通过技术论证和安全、成本等综合考虑，本项目采用不停电开关全电流操作、焦粒纯电解质粉半空腔装炉、二级分流焙烧。

2 通电试验

500kA级大容量铝电解槽的系列母线，需要进行通电试验，测量、记录母线的全电流压降、温度变化就成为必要。全电流试验期间第一段电解槽完全处于短路状态，电流从短路口直接通过槽周和槽底母线导入下游槽的短路口。并在全电流试验前，所有类型应急母线（阳极-立柱、槽周-槽周、跨槽应急母线及端头槽应急母线）应提前准备好，并安装到位，做应急母线全电流试验。

全电流试验要做到对槽周和槽底母线、中间过道母线以及各类应急母线、动力供电系统进行全面检验，为系列通电、焙烧提供保障。

3 装炉

装炉包括焦粒的铺设、阳极的安放、物料的添加、软连接的安装、分流器（片）的安装等操作，所有的步骤都要为减小电流分布的梯度和平稳升温创造条件，使焦粒焙烧的效果达到最佳。

3.1 铺设焦粒

在完成电解槽的验收工作后，将阳极母线降至“350”的位置，并用木条等将阳极母线固定，槽控机动力电源断开并上锁，准备铺设焦粒。焦粒作为阳、阴两极的导电体，粒度要求1～5mm，阳极与焦粒的接触面为全波浪式的“松紧”接触形式。焦粒的铺设、阳极的安装自A14开始连续铺设至A1结束。先使用钢筋框铺第一层焦粒作为找平层，在要安装阳极的投影区域摆放好钢筋框架，将焦粒倒入框内后用刮板将其刮平，取走钢筋框，然后在其上摆放好栅栏式框架，再将焦粒倒入框内后用刮板将其刮平，小心将栅栏式框架移走。

3.2 安放阳极

挂极前将导杆棱角打磨平滑以免划伤大母线，还要把导杆表面的油污擦干净，铺焦挂极时使用直尺检查阳极底掌的平整度，并用笤帚将其清扫干净。焙烧所用阳极要严格挑选，同一槽上只能用一个厂家的碳块，选用导杆垂直度和底掌平整度好的阳极组，磷生铁浇注饱满、无松动，碳块间缝隙均匀，两碳块高低差不大于2.5mm。每铺好一组阳极下的焦粒就安装一组阳极，安装阳极时，要让阳极靠自重缓慢下落后压在焦粒表面，使阳极底面和焦粒压接达80%以上。导杆与大母线间隙应控制5mm以内，阳极导杆居于挂钩中间，不能靠住挂钩。铺完焦粒以后应将中缝及四周多余焦粒清扫干净，统一标记阳极定位线，便于测量焙烧期阳极上抬量。将小盒卡具全部松开安放在阳极挂钩上，提前控制导杆与母线间隙，防止在焙烧过程中导杆外涨,启动前小盒卡具难以安放；卡具主轴两侧距离均匀、摆放整齐。可以在小盒卡具与导杆之间或小盒卡具与挂勾之间夹绝缘纸等，防止焙烧期间导杆与挂勾连电造成小盒卡具发红。

3.3 添加物料

出铝端和烟道端各预留一个方形观察口，用电解质块摆稳，确保观察口不垮塌，上面用硅酸盖板盖严。沿大面人造伸腿上砌筑一层电解质块墙，可减少热冲击，平衡伸腿受热，以保护人造伸腿完好。在槽膛内预埋热电偶套管，套管底部用锤子打扁，其底部和炉底表面接触(防止与阳极接触)，套管上端用石棉绳团塞好或专用盖子盖严，防止物料进入。

用编织袋或硬质纸片将极间隙、碳间隙塞住，将大面电解质块墙盖住，防止细电解质粉进入。用电解质粉装满，要求边部与槽沿板平齐。中缝铺细电解质粉，然后在阳极内上侧铺设钢板或自制铝板，以放上物料后不塌陷为宜，上面用冰晶石或细电解质粉铺平或高于极上料10cm左右。

3.4 安装软连接

软连接在上槽前用木锤打出合适的弯曲度才可进行安装,确保焙烧过程中对阳极产生向上的应力可以通过软连接释放。压接面用磨光机打磨平整、光滑。软连接按其编号对号安装，压接程度必须达3/4以上，缝隙可用铝皮塞实。

3.5 安装分流器

除首批通电的电解槽和出电端端头槽，其它槽全部采用分流器分流。采用钢带在阳极大母线和对应的立柱之间进行分流。分流器制作时采用立焊分流片，便于散热，可减少分流片发红现象，同时方便固定挂勾。分流器与立柱母线和阳极母线压接面处必须用磨光机彻底打磨平整、光滑，或用丙酮擦干净，为保证压接面的充分压紧，采用双卡具，卡具与母线的接触部位加垫绝缘板，避免通电后分流器和弓形卡具大面积发红。钢带材质为Q235，断面尺寸为150x4mm，每个分流位置10束钢带，一级分流时间约50小时，分流器拆除时从两端向中间拆除。

3.6 安装分流片

除首批通电的电解槽，其它槽全部焊接分流片，分流片材料选用A3钢。焊接前先将焊接部位清扫干净，用钢丝刷处理，分流片两端处理平整。分流片一端焊接在阳极钢爪横梁上，另一端焊接在阴极钢棒端部，分流片和槽壳及槽间钢体结构绝缘。每组阳极均焊接4片，4组角部极各焊两片。二级分流时间约40小时，拆除时根据实际升温情况，按“从两侧向中间，先拆温度低后拆温度高，两片先拆一片”的原则进行拆除。

4 通电焙烧

4.1 通电

首次送电严格控制电流上升梯度，按要求逐步升高电流。后续通电槽采用不停电开关全电流操作，二级分流，使冲击电压控制在3.0～3.5V之间，既保证通电安全，又确保升温速度。

4.2 焙烧期间的管理

原则上通电24小时后或槽电压低于3.0V开始拆除分流片，待拆完分流片后，再拆分流器，升温速度控制不超过15℃/小时。通电后应先测一遍软连接与阳极母线和导杆的压接压降，控制在10mV以内，分流器发红时应及时处理，要重点监测槽电压、阳极电流分布情况和炉底温度、侧部温度等参数，至少每两小时测量一次并做好记录。焙烧期间电流分布应在0.6-1.4mV范围内，如果偏差过大，需要及时处理，对于偏小的情况，应加强保温并振打钢爪；对于较大的情况，要根据变化的速度及趋势判断，不能随意调整，半空腔焙烧槽由于不会大量产生液体电解质，一般采取扒料散热，过于严重时才可考虑调整软连接等其他措施，但要高度注意，并做好记录。

5 结论

在焙烧过程对出现的电压偏高问题、效应难熄问题、氧化铝浓度不受控问题等及时组织专业技术人员，深入分析，快速攻关，同时优化规程，严格操作，细化管理，安全防控，使500kA大型预焙阳极铝电解槽系列顺利度过焙烧阶段，从而证明采用不停电开关全电流操作、焦粒纯电解质粉半空腔装炉、二级分流焙烧方案的可行性。

从对槽结构的测试结果来看，500kA槽结构方面各项检测检测数据均在正常范围内，并且呈现出与数值模拟结果相吻合的趋势，从一方面印证了东大院数值模拟加经验积累的开发方式的准确性。另外由于结构的持续改进和优化，部分数据同比优于早期槽型，值得后续项目借鉴。