SY500 电解槽技术进步与展望

邱 阳

(沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001)

进入新世纪以来,随着国内国民经济的快速发展,国内原铝需要持续增加,推动电解铝技术的不断进步,电解系列模拟仿真,设计等水平稳步提高,电解系列运行电流逐步增加,技术经济指标不断提高。电解系列运行电流由上世纪90年代的160 kA逐步增加,跨越了200 kA,300 kA,400 kA等台阶,发展为500 kA,600 kA,其中的500 kA电解槽技术尤为突出,经过约十年的不断改进优化,500 kA电解槽技术无论从应用系列,产量,技术指标等方面均称为国内电解铝技术的经典槽型。

截止到2020年中期,据不完全统计,全国采用500 kA级别电解槽技术的电解系列完成设计的有三十多个系列,已经投入生产的超过25个系列,运行产能超过1200万吨,而国外至今,仅有少量运行在500 kA或更高电流的实验或半工业实验系列。仍无500 kA工业系列投产。无论从国内还是世界范围,500 kA电解槽及其配套技术均代表了国内电解铝的发展方向。其中,以沈阳铝镁设计研究院有限公司(以下简称沈阳院)开发的SY500电解槽最具代表意义,通过十年的技术研发和应用,在国内无论是技术水平方面,还是应用推广方面,成为最成功的铝电解槽技术。

1 SY500电解槽技术开发背景

2007年5月,设计运行电流强度400 kA的SY400电解槽成功启动并投入稳定运行,并于2008年3月通过了中国有色金属工业协会鉴定,无论从运行电流还是技术经济指标均达到了国外同类型电解槽先进水平。SY400电解槽与国外类似槽型的技术参数对比见表1。

表1 400 kA以上电解槽主要设计运行技术指标

为适应当时国内铝工业高速发展,开发比现有SY400电解槽技术更高产,更低能耗,更环保,更经济的SY500电解槽技术成为当时的目标。

国外的500 kA级别的实验槽从上世纪末开始进行实验,但多年一直没有工业化的系列工程出现,与400 kA电解槽相比,500 kA级别的电解槽可能面临如磁流体稳定性,热平衡和控制系统的设计和生产难题挑战。

2 第一代SY500电解槽技术

2.1 开发背景

在SY500电解槽计划进行研究开发和设计的阶段,全球金融危机对世界经济的影响进一步加深,开发更低能耗,高能效、更低运行成本的电解槽技术成为SY500电解槽的重要影响因素。因此,与SY400电解槽相比,除了进一步增大电解槽电流强度之外,考虑在高电流强度下提高电解槽的稳定性成为电解槽开发的技术难点和重点。

随着国内多条400 kA的电解槽系列逐步投产运行,已投产系列的测试和生产管理实践为开发超大容量电解槽设计、运行管理提供了丰富的经验。

在国内节能减排、产业调整和振兴规划的大背景下,沈阳院通过理论分析和大量的物理场模拟和实测,研究铝电解槽的各项机理特性,针对500 kA电解槽,开发出多项节能技术,将新型阴极结构技术、优化的六点进电母线配置技术,区域控制技术等多项新技术应用于新开发的SY500电解槽。

2.2 第一代SY500电解槽技术特点

第一代SY500电解槽总结以往SY400电解槽及其他槽型的开发经验,通过采用降低铝液水平电流的方式来大幅度的提高电解槽的稳定性。同时根据优化结果调整电解槽的热平衡设计,为电解槽保持低能耗提供了基础。采用上烟道分段集气形式并搭配双烟管设计,大幅度提高电解槽的集气效率。采用降低水平电流的新型阴极结构技术和优化的六点进电母线配置技术为这一代电解槽的突出特点。表2为SY400与SY500(第一代)电解槽的典型设计参数对比。

表2 SY400与SY500电解槽设计运行主要技术指标对比

新型阴极结构技术通过适当调整阴极钢棒和炭块高度，将钢棒按照一定高度比例分割成上下两部分,从而改变阴极钢棒的导电结构;优化阴极钢棒与炭块的组装形式,调整了阴极炭块组的电阻,大幅度减少了铝液中的水平电流,配合良好的磁流体稳定性设计,有效抑制了铝液波动,大幅度提高了电解槽的稳定性,有效的降低极距,从而在设计层面可以大幅度的降低电压,为有效降低电解槽能耗提供了理论基础。图1为传统阴极结构与新式节能阴极结构的电解槽水平电流分布对比。

图1 不同阴极结构类型电解槽水平电流分布对比

随着电流强度的提高,母线配置的难度逐渐增大,SY500电解槽采用优化的电磁场与流动场模型的模拟,充分考虑了相邻列槽,周围槽及槽壳的屏蔽作用,采用大面六点进电非对称配置母线,优化的六点母线进电技术,很好的解决了电解槽磁流体稳定性问题。配合新式节能阴极结构技术,电解槽的铝液-电解质界面变形更小,电解槽的稳定性显著提高,这为电解槽进一步降低极距、实现低电压条件下生产提供了充足的空间,也为实现电解槽高电效、低能耗、节能提供可靠的保证。

此外,第一代SY500电解槽技术,部分系列应用了区域控制技术、母线三段提升等许多新的技术,并对下一步新电解槽结构和控制技术的开发提供了良好的基础。

2.3 第一代SY500电解槽技术应用

第一代SY500技术最先应用于中铝连城分公司,甘肃东兴酒嘉项目,新疆东方希望煤电有限公司,三个系列于2009、2010年开始设计,并于2011年和2012年相继投产。SY500电解槽技术是国内电解铝综合设计全面跨越的一代技术。图2为第一代SY500电解槽的现场照片。

图2 第一代SY500电解槽

3 第二代SY500电解槽技术

3.1 开发背景

第一代SY500电解槽在国内取得成功应用,SY500技术采用的新型节能阴极结构技术也在国内现有电解系列的大修和改造过程逐步推广。同时,针对已投产的500 kA的电解槽进行了测试和生产评估。如何进一步综合提高电解槽的技术生产表现成为下一步的研发目标。

电解槽槽内的磁场强度与设计电流强度有着直接的对应关系,但随着电流的进一步增大,尤其是电流达到500 kA,影响电解槽磁流体稳定性的重要因素即垂直方向磁场强度可以通过母线的配置得到有效控制。但影响电解槽流动特性的磁场特征却会随着电流强度的增加而变化。SY500电解槽内铝液流速和铝液界面变形随着磁场强度而同比增长。为了进一步控制电解槽内的熔体流速,第二代SY500电解槽突破传统电解槽母线设计的限制,创新性的采用外补偿母线来解决电解槽母线配置这一难题。该方案的应用,大幅提高了电解槽的稳定性,突破了原有技术的限制,为电解生产节能降耗奠定了基础。专利CN105220179A〔4〕描述了带外补偿母线的新概念母线配置方案。突破性的全新母线设计理念为第二代SY500电解槽技术指标提升提供了良好的设计基础。

3.2 第二代SY500电解槽技术特点

第二代SY500电解槽最突出特点为采用了全新的母线设计理念及母线配置方式,建立了磁流体稳定性的新设计标准。

与传统母线配置相比,新概念外母线技术可降低铝液和电解质平均及最大流速,减小铝液-电解质界面变形,从而大幅提高电解槽的磁流体稳定性,实现电解槽节能、降耗。同时,该技术大幅简化了电解槽本体母线的配置,可缩短槽间距0.3 m,降低单槽母线电压降20 mV。

SY500新概念外母线配置与传统母线配置磁场计算结果比较如表3所示。

表3 SY500新概念外母线配置与传统母线配置磁场比较

SY500新概念外母线配置与传统母线配置流动场计算结果比较如表4所示。可见,与传统母线配置相比,新概念外母线技术能够降低铝液最大流速29%,降低铝液体平均流速26%,降低电解质最大流速15%,降低电解质平均流速26%,减小铝液-电解质界面变形33%。

表4 传统母线与新概念外母线流场模拟结果对比表

除采用创新性的外补偿母线设计外,第二代SY500电解槽继承采用了降低铝液中水平电流的新型阴极技术,上烟道分段集气、双烟管排气技术。

3.3 第二代SY500电解槽技术应用

第二代SY500电解槽技术最先应用于新疆信发农六师三期项目,内蒙华云一期等项目,均取得良好的经济和技术指标。与第一代SY500电解槽相比,电解槽的稳定性有大幅度的提高。如表5为某铝厂两个500 kA系列在同样的管理操作和原料下,同样的槽控系统记录的系列摆动和噪声平均值对比,同时带外补偿母线配置电解系列电流效率较传统母线电解系列提高2.54%,可比交流电耗降低237 kWh/t-Al[5]。图3 为第二代SY500电解槽系列现场照片。

表5 电解系列噪声统计表

图3 第二代SY500电解槽系列

4 第三代SY500电解槽技术

4.1 第三代SY500电解槽技术开发背景

第一代、第二代SY500在全国范围内陆续投入生产应用。通过针对已投产的500 kA的电解槽进行了测试和生产评估,进一步的优化和改进也在持续进行中。如何进一步综合提高电解槽的技术生产表现成为下一步的研发目标。针对现场生产运行实践的总结,第三代SY500技术在总结以往SY500电解槽设计和生产运行经验,采用了多项更优化的技术。包括自平衡网络母线技术,采用阴极浇铸的新式节能阴极结构技术,优化的船型直角焊接槽壳结构,优化的上烟道集气和双烟管排气技术,优化的新式厂房通风结构等多项优化内容。

4.2 第三代SY500电解槽技术特点

4.2.1 自平衡网络母线技术

随着电解槽大型化和电解槽磁流体稳定性的逐步提高,当电解槽发生阳极效应或电解槽换极初期由于刚更换的阳极炭块组几乎不导电,导致电解槽的阴极和阳极电流分布严重不均,且这种不均会通过母线系统传导至其上、下游电解槽,导致上、下游电解槽磁流体稳定性恶化,出现摆动。

为有效缓解上述问题,沈阳院成功开发了自平衡网络母线技术,大幅降低了电解槽非稳定状态下(包括停槽期间、阳极效应期间、换极初期等)阴、阳极电流分布不均衡性在电解系列中的传导,从而降低了非稳态槽及其上、下游槽的电流分布及磁场波动,进一步提高了电解槽的磁流体稳定性、可操作性和抗干扰能力。采用该技术之后阳极效应期间和异常摆动期间电流分布偏差降低了70%,电解槽受到干扰时,恢复稳定状态的速度更快,同时电解槽阳极效应时间缩短,有效降低效应均摊电压,减少温室效应气体排放。

4.2.2 新一代新式节能阴极结构技术

在总结第一代,第二代SY500电解槽应用新式节能阴极结构技术的基础上,沈阳院通过改变阴极钢棒与阴极炭块的连接方式及组装形式、优化阴极导电结构,同时采用高导电大截面阴极钢棒,开发了新一代新式节能阴极结构技术,该技术可以有效降低并均化铝液中的水平电流、提高电解槽的磁流体稳定性,同时能够大幅降低电解槽的阴极电压降,有效降低电解槽生产能耗,提高电流效率,延长内衬寿命。

4.2.3 防上拱、高强度槽壳

第三代SY500电解槽采用带槽周竖围带的整体焊接的船型直角摇篮槽壳。该槽壳结构能够有效均化应力分布,减少各向变形,尤其是大幅抑制电解槽启动时的槽底上拱,保证槽内衬的安全,延长电解槽高性能运行的有效寿命期,并且便于施工、制造和维护。电解槽启动初期槽底上拱变形量低于传统槽壳结构。此外,采用直角槽壳可加强电解槽角部保温,有利于形成规整的炉膛。

4.2.4 新式厂房通风结构

随着电解槽电流容量不断增大,单位面积的散热量会相应增加;又由于采用了新概念外母线技术,槽间距相应缩小,这都会导致电解车间操作环境温度(尤其是两槽之间)大幅上升。为了改善电解车间的操作环境,并适应第三代SY500电解槽热平衡需要,针对原厂房通风结构做了大幅度改进。该通风结构能够有效降低操作环境温度,均化电解槽周围空气流动,既保证工人操作的舒适性,又使电解槽的热平衡分布更加符合设计需要。此外新式厂房通风结构还充分考虑季节变化的影响,通过动态调节厂房的通风窗开度,消除因冬、夏环境差异对电解槽热平衡的影响。下图比较了新式厂房通风结构与传统厂房通风结构槽间温度及分布的差别,说明新结构能够大幅改善工人的操作环境。下图4为传统厂房与新式厂房通风结构的槽间温度对比。

图4 新式与传统厂房通风结构槽间温度比较(操作平面)

4.3 SY500电解槽技术应用

第三代SY500电解槽技术最先应用于内蒙古蒙泰铝业,中铝山西中润中铝文山等项目,其中中铝山西中润电解系列于2018年5月投产。投产后电解槽生产运行20天后原铝液纯度均在99.8%以上,其中纯度99.85%以上率99%以上,铝液中Fe含量平均为550 ppm,硅含量平均为200 ppm[6];电解系列平均槽电压长期在3.92 V并实现电流效率93.0%以上[7]。该系列人均劳动生产率,长期运行指标均位于领先水平。图5为第三代SY500电解槽系列现场照片。

图5 第三代SY500电解槽系列

5 结 语

通过十多年的时间,国内设计科研机构和铝厂对500 kA电解槽进行不断优化,500 kA电解槽成为国内指标好,总体产量最大、运行槽数量最多、人均产量高、经济效益好的电解槽槽型。代表了国内电解铝技术的先进水平和发展方向。在SY500研发过程中产生的各项技术,如新式阴极结构技术,外补偿母线技术,平衡网络母线技术,新式厂房通风结构技术等也均为更大型的电解槽提供了良好的设计基础。同时,相关技术也不断下移,用于对老电解系列的改造和升级过程中,为国内电解铝技术的全面进步提供了良好的基础。此外,在新一代SY电解槽开发过程中,更具先进理念的数字化电解槽技术、区域控制技术、低碳排放技术等新技术也进行研发,并将在下一代更先进的电解槽中进行应用。