阳极保温箱在电解生产中的应用

王君义，阿富林

（中国铝业青海分公司，青海 大通 810108）

1 概述

引起电解槽工艺紊乱的三个因素分别是：电解槽结构辅助设备机电故障；操作控制合格率不高（换极过程尤为明显）；电解槽工艺管理不匹配。电解生产中最重要的操作和对电解槽稳定性冲击最大的是更换阳极。阳极保温箱的使用可以充分利用残极的热能对新极进行预热，以减少换极过程对电解槽技术条件的干扰，降低生产能耗的目的[1]。

2 换极过程造成电解槽能量损耗

换极过程是大型预焙电解槽能量损耗的重要环节。首先，拔出残极的温度平均为650℃～700℃，每组残极带出的热量达到Q损1=2C炭素m△T=1.29×105KJ；换极过程平均持续时间为20min～30min，损失的热量达到Q损2=a（tw-tf）F=0.04×105KJ；装入新极时，由于新极的温度为10℃～25℃，平均三小时后新极温度达到350℃时，此时间段装入槽内的新极附近为冷区，共损耗电能Q损3=2C炭素m△T=3.4×105KJ。以上换极阶段电解槽共损耗4.73×105KL能量。按照沈阳铝镁设计院的SAMI型槽控机的控制原理，换极过程给予150mv的补偿电压在120分钟内分四个阶段降至设定电压：第一阶段附加电压150mv持续30分钟；附加112.5mv持续30分钟；附加电压75mv持续30分钟；附加电压37.5mv持续30分钟。此过程共补偿能量Q补偿=I2R1t1+I2R2t2+I2R2t2=4.8×105KJ。由此可见由于冷态阳极装入电解槽汇造成大量能量损耗。

3 阳极保温箱设计与使用

2011年初，有色金属行业专家提出“铝电解阳极预热技术”[2]。该技术理论上采用炭素生产中的烟气作为热源来预热阳极，以中铝青海分公司40万吨铝产能计算，使阳极温度增加至300℃，吨铝直流电耗可降80kwh，但投资需要1200万以上。而中铝青海分公司设计的保温箱每套价值3.5万元，推广到分公司24个工区共需48个保温箱即可把所有要更换的阳极进行预热，全部投入为150万元。

目前电解槽阳极更换过程不仅破坏了电解槽的热平衡与稳定性，还严重影响着电流效率等诸多技术指标[2]。若全部阳极使用预热节能技术后，如前所述“铝电解阳极预热技术”，可以看出降耗工作已成为铝电解行业可持续发展的关键。中铝青海分公司电解厂选择“双层阳极预热保温装置”作为阳极预热的最优方案。双层阳极保温箱实施对策表，见表1。

表1 双层阳极保温箱实施对策表

3.1 内部空间结构设计

内部结构：为了节省用料和占地空间，提高阳极底掌预热面积，阳极与高温残极分双层交替摆放。

3.2 总体尺寸计算

计算装置总体尺寸：①长度：预热阳极块数×（阳极宽度＋导杆宽度＋预留空间）（6×（660＋130＋330）=6720mm）。②宽度：阳极长度＋预留空间＋保温层（1500＋180+120=1800mm）。③高度：阳极高度×2＋保温层＋阳极钢爪高度＋预留空间（580×2＋200＋340＋200=1900 mm）。

实现6块阳极同时预热，装置总体尺寸为：长×宽×高（单位：mm）：6720×1800×1900。

3.3 整体结构设计

根据所选择的最佳方案，利用CAD软件绘制《阳极预热保温装置框架总图》[3]。

3.4 承重计算

①阳极自重：815kg；极导杆及钢爪重：302kg；总重量1117kg。②承重架材料：矩形钢管（60×90×5 Q215）。长度=1600mm壁厚=5mm截面面积A=1400mm2惯性矩I=11600mm4。④可承担重量达到：1450kg。

3.5 保温箱内壁保温材料

保温箱内壁材料整体用石棉材料覆盖，既可以起到保温的作用，又可以避免保温箱外部铁皮备高温阳极炙烤变形。

3.6 保温箱使用效果

拔出残极温度650℃～700℃左右；8小时后预热阳极温度150℃～170℃；中国铝业青海分公司电解分厂某工区使用保温箱后16h电流分布情况：角极0.8mv～1.0mv，合格率87.6%；非角极1.2mv～2.4mv，合格率88.7%。

使用预热阳极减少了电解槽稳定性和热平衡的波动、提高电流效率、缩短阳极导电的时间、减少炉底沉淀、减少换极时的阳极效应和针振，为电解槽的运行带来极大的好处。

（1）减小阳极电压降。潮湿阳极上槽后其表面附着的水分会在短时间内进行气化产生许多气泡，在阳极底掌形成大量的气膜电阻，增大阳极与电解质之间的电压降。另外，预热后的阳极可以减少钢爪与阳极之间的接触电压降。

（2）提前达到电流满负荷。阳极预热后因其导电性改良，上槽后阳极表面的电解质冷凝层减薄，提前6h～8h阳极电流分布达到满负荷，平衡提高了单位阳极面积的产铝量。

（3）增强电解槽稳定性。预热阳极上槽后对新极周围电解质温度的降低程度要比没有预热的冷阳极相对较小，不会因为电解质冷缩，槽温下降太多而导致电解质溶解氧化铝不良的现象出现。

（4）防止温损过大。使用预热的样机减少阳极上槽后电解质温度的降低程度。另外由于预热后阳极导电性能改善，使阳极达满负荷电流的时间大大提前，尽快消除刚换阳极在电解槽熔体体系中形成的局部过冷。所以，阳极预热后再上槽在一程度上减少了电解槽在换极过程中的温损，降低了无功电耗。

4 总结

新换阳极周围的电解质的电阻率是温度的减函数，温度对电解质电阻率有显著的影响。刚换上新极时因阳极本身温度以及受新极影响的周围电解质温度降低，加之低温时铁～碳结合紧密性较差，导致新换阳极电阻过大，阳极电流分布偏小。保温箱是利用拔出的热残极对新极进行烘干和预热，使温度达到150℃～170℃，减少因阳极潮湿或冷态造成电解槽技术条件变化，降低了能量消耗。该型阳极保温箱结构简单投资少，操作安全，中铝青海分公司电解厂24个工区全部配备阳极保温箱后，全年更换的75600块阳极可全部实现预热，以每块阳极从20℃加热到150℃时增加耗电量约为30KWh计算，全年共计节约电费196.92万元。