500_kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用_高文义

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20232023年年22月月云南冶金云南冶金FFeb.2023eb.2023第52卷第1期（总第期(总第298298期期）)YUNNANMETALLURGYYUNNANMETALLURGYVol.52.No.1.No.1(Sum298)（Sum298）500kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用*高文义，张坤，王攀，练新强（云南神火铝业有限公司，云南文山663000）摘要：从500kA电解槽的整体设计、内衬材料的选择、筑炉施工、焙烧启动的管理、电解槽控制技术及全生命周期的工艺管理等，详细介绍了500kA电解槽深度节能技术包。在大修材料、生产用原材料质量保证的前提下，对节能阴极结构技术进行改造及500kA系列电解槽整体升级，技术改造升级后电解槽运行电压≤3.93V，电流效率≥93%，满足了2025年阶梯分档标准电价13300kWh的要求。关键词：电解铝；电解槽；深度节能；技术包中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0120-06StudyandApplicationonDeepPowerDownTechnologyof500kAElectrolyticCellProcessGAOWen-yi,ZHANGKun,WANGPan,LIANXin-qiang(YunnanShenhuoAluminumCo.,Ltd.,Wenshan,Yunnan663000,China)ABSTRACT：Thedeeppowerdowntechnologypackageof500kAelectrolyticcellprocessisintroducedindetailedfromthefollowingaspects,theoveralldesignof500kAelectrolyticcell,theselectionofliningmaterials,furnacebuildingconstruction,managementofroastingstart-up,processmanagementofcontroltechnologyandlifetimeofelectrolyticcellandsoon.Theenergysavingcathodestructuretechnologywastransformed,andtheoverallupgradingof500kAserieselectrolyticcellwascarriedoutonthepremiseofqualityassuranceofoverhaulmaterials,rawmaterialsforproduction,whenthetechnologytransformationandupgradingwasfinished,theoperationvoltageofelectrolyticcell≤3.93V,thecurrentefficiency≥93%,itcanmeettherequirementsoftieredstandardelectricityratesof13300kWhin2025.KEYWORDS：electrolyticaluminum;electrolyticcell;deeppowerdowntechnology;technologypackage2020年，我国电解铝产量3724.46万t，占挑战并存，电解铝企如何实现减碳排放，低耗生2020年全社会用电量75110亿kWh的6.7%。中产成为了企业生存的关键。国是全球最大的原铝生产国，已经连续数年电解在国家发改委发布完善电解铝行业阶梯电价铝产量占全球年总产量的一半以上。电解铝工业政策颁布后，各铝企在积极寻找进一步降低铝液则是有色行业中的传统耗能大户，电解铝高耗能能耗的技术和思路。的现状与国家提出的绿色发展以及建设资源节约1深度节能电解槽技术路线[1]型、环境友好型社会等发展理念不吻合。电解铝产能达峰成为碳达峰的关键行业之一。同时，近在国家“碳达峰”及阶梯电价的政策背景下，年来国家的供给侧改革已见成效，供给端产能增如何为电解铝企降低能耗，最优化资源利用成为加有限，需求端汽车轻量化、清洁能源用铝需求了铝电解技术首要解决的问题；近年来，一直致增加，供需抽紧催生了高吨铝利润行情，机遇与力于铝电解槽深度节能技术的研究及应用，经过*收稿日期：2022-06-17作者简介：高文义（1973-），男，河南永城人，工程师，主要从事金属冶炼安全生产管理和技术研究工作。130

1高文义，等：张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用500kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用多年来在国内外多个企业的研究试验，已形成了工艺管理入手，全方位、系统地对电解槽进行整一套完整的电解槽节能降耗技术，该技术从电解体优化，对电解槽的设计、施工及生产运行各环槽的整体设计、内衬材料的选择、筑炉施工、焙节进行精准控制，形成了一套深度节能电解槽技烧启动的管理、电解槽控制技术及全生命周期的术路线，见图1所示。图1电解槽深度节能技术包Fig.1Deeppowerdowntechnologypackageofelectrolyticcell深度节能电解技术包以电解槽“静态平衡”级，电解槽正常运行的情况下达到的指标，如表1设计为基础，应用国际先进的电热仿真计算手段，所示。并根据不同的阴极材质及组装技术特点进行差异表1电解槽正常运行的情况下达到的指标化设计，针对全石墨化阴极组装技术的散热特点Tab.1Indicatorsofnormaloperationofelectrolyticcell进行整体的等温线优化升级，有效提高了全槽的序号项目技术指标备注能量利用率，在电解槽的“动态”能量平衡方面，1电压/V3.92采用的“多参数”平衡控制系统，实现电解槽2电流效率/%93.5“静态”平衡与“动态”平衡的最佳匹配。3直流电耗/（kWh/t·Al）≤12500同时，深度节能电解技术包对内衬材料的质量、筑炉施工、焙烧启动非正常期的控制及生产1.1深度节能电解槽内衬结构运行的工艺技术全过程精准控制管理，确保电解为了进一步实施低电压生产工艺，必须优化[3]槽的各环节均满足要求，并搭配适合于全石墨化电解槽阴极内衬结构。深度节能电解槽内衬结构[2]阴极内衬技术的工艺技术条件，发挥出全石墨化以节能降耗为最终目标，通过国际先进的仿真计阴极技术的节能优势，提供一条科学系统的节能算平台及实践相结合，针对全石墨化阴极的电阻降耗之路。及散热特点，对电解槽静态平衡及等温线分布进预期技术经济指标：针对目前某企业500kA行整体优化，以获得良好的炉膛类型及合理的等电解槽的特点，采用全石墨化阴极技术，并系统温度线分布，同时对阴极结构进行优化，采用新地搭配深度节能电解槽整体技术包，通过优化升型低碳高导电钢棒降低阴极组压降的同时减少槽131

22023年2月云南冶金Feb.2023第52卷第1期(总第298期)YUNNANMETALLURGYVol.52.No.1(Sum298)内水平电流，有效降低铝液波动，改善电解槽稳表2全石墨化阴极性能指标定性。Tab.2Performanceindicatorsoffullygraphitizedcathode1）等温线优化技术。合理的炉膛内型是电解性能指标单位30%石墨化50%石墨化100%石墨化槽稳定高效生产的关键，如何形成合理炉膛的同电阻率M302411μΩm时提高电解槽的能量利用率则是电解槽内衬设计（20℃）P413213的核心。深度节能电解槽技术阴极选用了全石墨电阻率M221811μΩm化阴极，其电导率及热导率均要高于传统阴极，（1000℃）P302613全石墨化阴极理化指标如表2所示。导热率M1219125从理化指标来看，全石墨化阴极在正常工作W/(mK)（30℃）P1014100时电阻率是30%阴极的1/3，热导率是30%阴极的导热率M131450（5～10）倍，采用了全石墨化阴极后，内衬结构若W/(mK)（1000℃）P121340不相应调整，则会导致阴极表面的温度下降，炉底形成大量的伸腿及沉淀，难以达到有效降低电域的保温，优化等温线分布，确保800℃等温线位压的目的。于保温层上表面，及900℃等温线位于阴极下表面因此，在内衬设计中充分考虑了全石墨化阴的安全位置，同时最大化地提高电解槽的能量利极的特点，根据各个区域的散热特点进行了分区用率，实现电解槽节能降耗的目的，如图2所示；800℃等温线900℃等温线图2等温线分布云图Fig.2Isothermdistributiondiagram伸腿长：0.10146伸腿高：0.030532炉帮厚：0.138442）侧部设计。电解槽的侧部散热占全槽散0.90.8热的百分之三十左右，同时对电解槽炉帮的形成覆盖料0.7以及电解槽侧部的安全都至关重要。考虑到试验0.6槽全石墨化阴极的散热特点，以及在3.92V电阳极炭块/m0.5度压下侧部能形成一个合理的炉膛，在侧部适当加深0.4结壳侧强保温，减少侧部热支出，并形成一个合理的炉0.3电解质部块膛内型，如图3所示；0.2铝水0.13）底部设计。采用了全石墨阴极及磷生铁浇扎湖0筑技术后，底部的发热减小，散热增大，在底部0.81.01.21.41.61.82.02.2宽度/m及侧下部等位置不同的加强保温，利用减小底部图3炉膛内型模拟伸腿及沉淀。底部由下往上结构如图4所示。Fig.3Furnacehearthanalog132

3高文义，等：张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用500kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用高强纳米隔热板硬硅钙石板高强保温砖钢板图4电解槽底部结构Fig.4Bottomstructureofelectrolyticcell通过适当的底部保温，扼制伸腿的发育及炉电解槽上部散热约1V占电解槽的上部散热占电[6]底沉淀的形成，发挥全石墨化阴极的优势，炉底解槽全部散热的55%左右，减小电解槽上部散热及全槽的等温线分布更加合理；损失，提高电解槽的能量利用率，对电解槽的节4）全石墨化磷生铁阴极结构新型阴极结构，能降耗至关重要。减少上部散热的主要途径为优新式阴极钢棒等技术大幅度减少了水平电流，大化覆盖保温料并采用新型节能槽罩。大提高了电解槽的稳定性，为大型预焙槽的节能1.3新型节能槽罩[4]技术指标的实现提供了有力支持。通过对500kA级电解槽的能量平衡测试可深度节能电解槽技术的阴极结构采用全石墨知，采用普通槽罩的散热量在250mV左右，占上化阴极及磷生铁浇筑搭配低碳高导电钢棒整体使部散热的25%。试验槽需采用新型节能保温槽罩，用，全石墨化阴极因较低的电阻及良好的抗热震新型保温槽罩采用了轻量化设计，在不增加槽罩[5]性能，降低阴极压降的同时提升了阴极的安全重量的前提下加强槽罩的保温，可有效降低槽罩性；磷生铁浇筑技术可有效降低阴极的连接压降，散热（25～30）mV，对提高电解槽的能量利用率效在端头处做抑制水平电流处理可有效改善电解槽果明显。的磁流体稳定性。1.4覆盖料优化1.2阳极区域节能优化电解槽的覆盖料的情况对电解槽整体上部散1）高导电节能钢爪。针对目前铝企使用的热至关重要，对覆盖料配比、粒度及高度进行优普通铸造钢爪压降偏高的问题，从钢爪的材料，化，可大大改善电解槽的上部散热，试验槽对覆熔炼，铸造工艺入手进行优化，采用新型低碳合盖料的制度进行规范，所用的覆盖料成分氧化铝金钢种，精密铸造工艺，对钢爪结构进行优化，配比为30%，粒度（0～0.5）mm30%，（0.5～2）mm并在阳极及钢爪的表面喷涂抗氧化涂层，防止钢50%，覆盖料的整体厚度在20cm以上。爪氧化的同时增加阳极的换极周期，试验槽建议1.5其它节能技术的配套全槽采用高导电节能钢爪，可有效降低钢爪压降1）“多参数”平衡控制系统；15mV；2）智能打壳单点下料装置。2）减小电解槽上部散热损失。铝电解槽的能2工艺技术条件要求量平衡是电解槽平稳运行的关键所在，也是制约铝电解槽节能的关键所在。铝电解槽上部散热主深度节能电解槽的设计是获得低能耗的基础，要为槽罩散热和上部结构散热，从统计数据来看，但必须搭配合理的工艺运行参数才能发挥出预期133

42023年2月云南冶金Feb.2023第52卷第1期(总第298期)YUNNANMETALLURGYVol.52.No.1(Sum298)的节能效果，深度节能槽技术的关键技术之一就重要。某公司500kA深度节能电解槽建议采用燃是合理匹配工艺参数，精准控制各项关键参数，气焙烧方式，该方式可均匀控制全槽升温速度，实现节能槽在较低电压下的高效率运行。升温速度可调可控，焙烧质量好，对电解槽的寿2.1铝水平设定命及后期的低耗生产均有益处。由于本技术采用石墨化阴极炭块，其导热系电解槽启动后期是电解槽管理的关键时期，数大，铝水平过高会使槽底发冷，沉淀增多或结直接关系到电解槽的正常期运行状况以及槽寿命。壳，电解质水平降低。因此，铝水平控制25cm电解槽启动后，工艺技术条件通常采用“高温、[7]左右为宜。高分子比、高电解质水平”的控制思路，以便形2.2电解质水平设定成稳固的高分子比炉帮，防止出现炉底过冷、炉电解质水平过低，电解槽的热稳定性差，氧帮畸形等引起的电压波动、槽况不稳定，从而增化铝的溶解性差，易产生沉淀，效应增多。但电加后期的管理难度。解质水平过高，则使阳极浸入电解质过多，阳极表4深度节能技术后期管理电压调整表气体不易排除，造成电流效率下降、阳极底掌消Tab.4Adjustmentlistforvoltagemanagementafterexecution耗不均或长包，同时电解质水平过高易侵蚀钢爪，ofdeeppowerdowntechnology残极率高，阳极毛耗高。因此，电解质水平控制日期设定电压/V日期设定电压/V在（18～20）cm为宜。第1d5.500163.9702.3过热度设定24.500173.965电解槽为获得良好的炉膛，电解质的过热度一34.300183.965般控制在（8～10）℃，低了不利于氧化铝溶解，易44.200193.960于形成沉淀；高了不易生成良好的炉膛，因此目标54.100203.960温度的控制，本质上是为了控制合理的过热度。具64.050213.955体工艺控制范围如表3所示。74.000223.955表3技术条件表83.995233.950Tab.3Technologyconditions93.990243.950序号项目技术条件103.985253.9451铝水平/cm25±2113.980263.9452电解质水平/cm18~20123.980273.9403分子比2.30~2.40133.975283.9304Li盐含量/%1~2143.975293.9305电解质温度/℃940~945153.970303.9206阳极效应系数/（次/槽日）<0.027极距/mm>45从表4中可以看出，某企业500kA电解槽采用深度节能电解槽技术包，可实现12500kW·h/t.Al的直流电耗，初步计算，吨铝节电300kW·h，3焙烧启动及非正常期工艺管理效率提升1%；同时，为企业提供了更低电耗生产焙烧启动是电解槽内衬材料从常温升到电解的技术储备，该指标满足了2025年阶梯分档标准温度，并且灌入熔融电解质直到电解槽开始电解电价13300kWh的要求，可免收电价处罚。探索生产出金属铝的过程。焙烧启动升温的均匀性及[8]出适应于500kA新型节能电解槽焙烧启动和生升温速度直接影响槽内内衬材料的温度梯度及热产运行技术，为同类型电解槽焙烧启动和生产运应力的释放，对电解槽的安全及后期的生产至关行提供了可借鉴的实践经验。134

5高文义，等：张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用500kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用色低碳转型，确保如期实现碳达峰目标。4推广应用情况5结语生产电解铝的能耗取决于电解槽的电压及电流效率，电压每降低0.1V，吨铝节电约320kWh；1）技术改造升级后电解槽运行电压≤3.93V，电解温度每降低10℃，吨铝可节电约140kWh。电流效率≥93%，效率提升1%；但是由于电解铝生产过程中磁场的强烈作用，使2）为企业提供了更低电耗生产的技术储备，电解槽的工作电压很难降低；同时，由于难以找某企业铝液综合交流电耗可实现2025年阶梯分档到很适合工业使用的低熔点电解质材料，电解温标准电价13300kwh/t·Al铝目标；度一直维持950℃以上的高温。3）升级改造技术适应于500kA新型节能电1）通过改变阴极钢棒与阴极炭块的连接方式解槽焙烧启动和生产运行。及组装形式（磷生铁浇铸），优化了阴极导电结参考文献：构，从而实现电解槽铝液中水平电流与阴极压降[1]星占雄.铝电解槽节能技术发展历程及特点分析[J].世界双重大幅降低。一方面进一步降低铝液中水平电有色金属，2019（8）：16-18.流，另一方面降低阴极压降，可以降低90mV左[2]卢延峰，白斌，曹曦，等.石墨化阴极炭块在400kA节能右（基于目前采用石墨质加炭糊捣固方式，阴极型电解槽上的应用[J].有色冶金节能，2017，33（3）：压降300mV），从而提高电解槽磁流体稳定性，达31-34.到节能降耗的目的；[3]李贤.240kA铝电解槽新型节能阴极内衬结构的研究与应2）为完成电解铝能耗控制目标，实现企业健用[J].有色冶金节能，2021（1）：63-66.康、持续、高质量发展，积极寻求节能降碳路径。[4]冯文革.大型铝电解槽节能技术分析[J].轻金属，2013抑制水平电流技术、等温线优化技术，以降低水（3）：35-37.[5]侯金龙，胡红武.500kA铝电解槽新式节能阴极结构技术平电流为核心，采用国际上先进的抑制水平电流的应用研究[J].有色设备，2018（4）：19-22.技术，实现大幅度降低水平电流且不产生电流密[6]汪艳芳，周云峰，李昌林，等.铝电解槽上部散热分析与度集中，能够保障电解槽在较低电压下具有合适研究[J].轻金属，2019（4）：20-25.的极距。同时，针对低电压下的热平衡特点，进[7]李国维.SY50电解槽启动后期管理实践[J].轻金属，2020行等温线优化设计，保障电解槽形成适宜的炉膛，（12）：24-29.电压平衡与热平衡相匹配。分步实施、有序推进，[8]李国维，胡红斌，孙康建.SY500kA新型节能电解槽焙烧逐步实施节能降碳工作，有力推动电解铝行业绿启动与生产运行实践[J].轻金属，2020（7）：24-28.135