預(yù)焙槽陽極壓降影響因素研究

1、預(yù)焙槽陽極壓降影響因素研究張報(bào)清 雷霆第一作者簡介：張報(bào)清（1983-），寧夏隆德人，助教，工學(xué)碩士，主要研究方向：輕金屬冶金。通訊作者簡介：雷 霆（1964-），云南石屏人，二級教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：稀有及稀散金屬冶金和材料加工、冶金強(qiáng)化熔煉新技術(shù)、有色金屬資源綜合利用等。 余宇楠 姚春玲 龍曉波（昆明冶金高等?？茖W(xué)校，昆明，650031）摘 要：針對我國鋁電解噸鋁電耗高的現(xiàn)狀，以186kA系列電解槽陽極為研究對象，對陽極壓降、回路壓降和槽工作電壓進(jìn)行了理論計(jì)算，分析了影響陽極壓降過高的因素。研究結(jié)果表明：回路壓降約占槽工作電壓23%；陽極壓降約占回路壓降41%；陽極壓降理論計(jì)算值

2、為391.15mV；影響陽極壓降的主要因素是鋼-炭壓降和陽極炭塊壓降，次要因素是鋁-鋼爆炸焊壓降和陽極鋼爪壓降；降低陽極壓降有一定潛力。陰極壓降占回路壓降的比重也較大，降低陰極壓降也有一定潛力。對于300kA以上大型預(yù)焙槽，應(yīng)該運(yùn)用陽極理論壓降放大準(zhǔn)則進(jìn)行研究與分析。關(guān)鍵詞：鋁電解；預(yù)焙槽；陽極；電壓降；節(jié)能降耗Study of Anode Voltage Drop Affecting Factors of Pre-baked CellZHANG Bao-qing LEI TingYU Yu-nan YAO Chun-ling LONG Xiao-bo(Kunming Metallurgy C

3、ollege,Kunming 650031,China)ABSTRACT：According to the present situation of aluminium electrolytic high power consumption,anode voltage drop,circuit voltage and working voltage have been theoretically calculated on 186kA series aluminium electrolytic cell anode. The factors influencing anode voltage

4、too high have been analysed.The results show that, circuit voltage drop takes about 23 percentage of the working voltage, and anode voltage drop takes about 41 percentage of the circuit voltage drop; The calculation value of anode voltage drop is about 391.15mV; The main factors influencing anode vo

5、ltage too high are steel-carbon voltage drop and carbon block voltage drop,the secondary factors are explosive welding voltage drop and steel stub voltage drop;It is feasible to reducing anode voltage drop.Cathode voltage drop also has a big accounts of circuit voltage drop,it is feasible to reducin

6、g cathode voltage drop.It is better to use rule of amplification taking a research and analysis of more than 300kA series prebaked aluminium reduction cells anode voltage drop. KEY WORDS：aluminum electrolysis; pre-baked cell; anode;voltage drop; energy conservation目前，我國電解鋁工業(yè)取得的成果是：產(chǎn)能快速增長，布局調(diào)整穩(wěn)步推進(jìn)，消費(fèi)

7、量顯著增加，落后產(chǎn)能淘汰，計(jì)算機(jī)控制和新材料研發(fā)；存在的問題是：產(chǎn)能過剩，行業(yè)內(nèi)競爭激烈，鋁錠成本加大和節(jié)能減排任務(wù)艱巨1。鋁工業(yè)“十二五”發(fā)展目標(biāo)提出：電解鋁直流電耗12500kW·h/t，鋁錠綜合電耗13300 kW·h/t。電解鋁生產(chǎn)實(shí)踐表明，我國鋁錠生產(chǎn)成本的40%為電力成本，而國外電解鋁錠生產(chǎn)成本中電力成本只占25%；我國電解鋁廠噸鋁直流電耗大多在13700度以上，少數(shù)達(dá)到14600度左右，而國外電解鋁廠噸鋁直流電耗一般在13500度以下2。因此，我國電解鋁企業(yè)必須提高技術(shù)和裝備水平，降低噸鋁電耗3，提高國際競爭力，才能維持健康發(fā)展。1 噸鋁電耗影響因素鋁電解生產(chǎn)

8、的噸鋁電耗，無論是直流電耗，還是交流電耗都與槽平均電壓成正比，與電流效率成反比，提高電流效率可以降低噸鋁電耗，降低槽平均電壓也可以降低噸鋁電耗。噸鋁電耗、槽平均電壓和電流效率三者之間的關(guān)系見圖1-14所示，槽平均電壓從B降低到A，電流效率從92%降低到86%，則電耗從B增加到A。由圖可以得出：槽平均電壓的升高增加了噸鋁電耗，同時(shí)提高了電流效率，電流效率的提高又降低了噸鋁電耗；槽平均電壓的升高對提高電流效率有利，但是對降低噸鋁電耗有弊。因此，問題的關(guān)鍵是：如何合理提高槽平均電壓以提高電流效率，來降低噸鋁電耗。生產(chǎn)實(shí)踐表明，槽平均電壓每提高50mV，只要電流效率能提高1%，則噸鋁電耗將維持不變。圖

9、1-1 噸鋁電耗與槽電壓和電流效率關(guān)系Fig1-1 Relationship of Aluminium electrolytic power consumption,cell voltage and current efficiency我國電解鋁企業(yè)中，多數(shù)采用四低一高（低電解溫度、低氧化鋁濃度、低分子比、低陽極效應(yīng)系數(shù)、高極距）生產(chǎn)工藝。增加極距，有利于減弱電解質(zhì)攪拌強(qiáng)度，有利于增加相同陽極氣體量攪拌陰陽兩極間的液體量，有利于增大擴(kuò)散層厚度，有利于減少鋁液損失，有利于提高電流效率。但是，增加極距，會(huì)引起槽平均電壓升高，必然導(dǎo)致噸鋁電耗直線增加5。槽平均電壓包括槽工作電壓、槽外線路電壓分?jǐn)傊岛?/p>

10、效應(yīng)分?jǐn)傠妷喝糠?。但是，在?shí)際生產(chǎn)中，降低槽工作電壓是降低槽平均電壓的唯一途徑。槽工作電壓包括陽極電壓、陰極電壓、氧化鋁分解電壓和電解質(zhì)壓降四部分。陽極電壓包括陽極母線壓降、鋁導(dǎo)桿壓降、鋁-鋼爆炸焊壓降、陽極鋼爪壓降、鋼-炭壓降和陽極炭塊壓降六部分。2 陽極壓降理論計(jì)算與影響因素研究選用國內(nèi)某電解鋁企業(yè)186kA系列中心下料式預(yù)焙槽陽極為研究對象。電流效率為91%，陽極電流密度為0.699A/cm2，母線為4端進(jìn)電。鋁導(dǎo)桿和陽極鋼爪通過爆炸焊塊連接，焊塊上表面與陽極導(dǎo)桿的鋁-鋁焊接采用氬弧焊，焊塊下表面與鋼板梁下面鋼爪頭采用電弧焊連接。陽極鋼爪和陽極炭塊通過磷生鐵澆鑄粘接，陽極鋼爪結(jié)構(gòu)為四爪

11、并排。陽極各部位體積參數(shù)及運(yùn)行溫度見表2-1所示。表2-1 陽極各部位體積參數(shù)與運(yùn)行溫度Table 2-1 Volume parameter and operating temperature of anode parts部位體積參數(shù)運(yùn)行溫度/長（高、厚）/mm斷面面積/mm2陽極母線大母線9760480×18066軟母線1550600×260立柱母線/320×36060陽極炭塊組鋁導(dǎo)桿1900130×130500爆炸焊鋁塊12165×165500爆炸焊鋼塊40165×165500鋼爪橫梁80890×150700鋼爪爪頭28

12、0（140/2）2700炭塊5401440×660900炭碗100（150/2）29002.1 陽極母線壓降2.1.1 母線壓降理論計(jì)算2.2.1.1 大母線壓降（1）大母線為鑄鋁母線，兩端設(shè)軟母線，與立柱母線的連接采用壓接，大母線平均溫度t66,00.028·mm2m，0.0038，得：t0（1t）0.028（10.0038×66）0.035·mm2m 式2-1（2）鋁導(dǎo)桿共28根，每根鋁導(dǎo)桿電流負(fù)荷： I=（186000/28）=6642.9A 式2-2（3）陽極大母線長為： L660×1440×139760mm 式2-3式中，6

13、60-炭塊寬度，mm；40-炭塊間距，mm；L/2=9760/24880mm 式2-4（4）母線為4端進(jìn)電，斷面規(guī)格為480mm×180mm，電流密度為：D=0.269A/mm2 式2-5（5）母線電流為I/8，等斷面變電流母線電壓降計(jì)算：V=IR/3 式2-6 I= 式2-7 Rt×0.035×0.001977 式2-8 V母線××0.001977 15.32mV 式2-9 2.2.1.2 軟母線壓降軟母線共155片，斷面為600mm×2 mm，長為1550mm，t60，電流密度為：D=0.25A/mm2 式2-10 t0（1t）0

14、.028（10.0038×60）0.0344·mm2m 式2-11 V軟母線=13.33mV 式2-12 2.2.1.3立柱母線壓降立柱母線共4根，斷面為320mm×360 mm，每根立柱母線電流密度為：D=0.404 A/mm2 式2-13 立柱母線壓降包括軟母線與平衡母線焊點(diǎn)壓降、軟母線下焊接點(diǎn)壓降、立柱母線和陰極母線焊接點(diǎn)壓降，取經(jīng)驗(yàn)值16mV；平衡母線壓降取經(jīng)驗(yàn)值15mV；壓接鋁板及壓接點(diǎn)壓降取經(jīng)驗(yàn)值8mV。陽極立柱母線壓降總值為：13.331615852.33mV。2.2.2 母線壓降對陽極壓降影響情況陽極母線在60-66溫度下運(yùn)行，其壓降由母線配置及安

15、裝質(zhì)量決定。母線配置據(jù)頂了母線本體壓降，母線安裝質(zhì)量決定了各焊接點(diǎn)壓降。立柱母線和大母線焊接點(diǎn)壓降由接觸面清潔程度決定。電解槽通電后運(yùn)行期間，陽極母線壓降基本不會(huì)改變，所以，改善陽極母線壓降潛力不大。2.2 陽極炭塊組壓降2.2.1 鋁導(dǎo)桿、爆炸焊、鋼爪和鋼-炭壓降鋁導(dǎo)桿斷面面積為130×130mm2，長度1900mm。爆炸焊中鋁板為165×165×12mm3，鋼板為165×165×40mm3。鋼爪間距為180mm，鋼爪橫梁為890×150×80 mm3，鋼爪頭直徑為140mm，鋼爪頭長280mm，鋼爪頭外露180mm。炭碗

16、中心距為170mm，炭碗距邊緣為150mm，炭碗直徑為150mm，炭碗深度為100mm，磷鐵環(huán)厚度為10mm。仍采用功率法計(jì)算：鋁導(dǎo)桿壓降為16.5mV，爆炸焊壓降為10 mV，鋼爪壓降為27mV，鋼-炭壓降為115mV。2.2.2炭塊壓降炭塊尺寸為1440×660×540mm3，殘塊炭塊尺寸為：1100×600×190mm3。 式2-14式中，-炭塊電阻系數(shù)；d-炭塊平均電流密度；h-炭塊的平均導(dǎo)電高度；h1-新塊有效導(dǎo)電高度；h2-殘塊有效導(dǎo)電高度。400900時(shí)， 運(yùn)用上述公式計(jì)算，結(jié)果為148mV。2.2.3 陽極炭塊組壓降對陽極壓降影響情況國內(nèi)

17、電解鋁企業(yè)，部分采用鋁合金制作鋁導(dǎo)桿，部分采用純鋁制作的鋁導(dǎo)桿。從鋁導(dǎo)桿本身質(zhì)量、材料、工作溫度及尺寸分析，鋁導(dǎo)桿壓降改善空間不大。鋁-鋼爆炸焊塊工作于高溫及熔鹽腐蝕環(huán)境，常受電流震蕩沖擊引起焊口開裂，導(dǎo)致鋁-鋼接觸電阻增大。陽極鋼爪同樣工作于高溫及熔鹽腐蝕環(huán)境，常受熱應(yīng)力和熔鹽侵蝕，導(dǎo)致壓降升高；其表面存在的氣孔、砂眼及內(nèi)部存在的夾雜、縮松等鑄造缺陷也會(huì)增大鋼爪壓降。鋼-炭壓降主要由鋼爪質(zhì)量、炭塊質(zhì)量、磷生鐵質(zhì)量和磷生鐵澆鑄質(zhì)量共同決定，是影響陽極炭塊組壓降過高的因素之一。炭陽極強(qiáng)度不能太低，孔隙度不能太大，灰分不能太多，反電動(dòng)勢不能太大。制作陽極所用殘極應(yīng)為硬殘極，粘附于殘極上的電解質(zhì)應(yīng)清

18、理干凈。延長換極周期應(yīng)該考慮留有一定殘極厚度，保持殘極完整。炭塊壓降由炭塊化學(xué)成分、炭塊物理性能、炭塊外形尺寸、陽極換極周期、陽極電流密度、陽極組裝質(zhì)量等因素決定，是影響陽極炭塊組壓降過高因素之一。3 槽電壓國內(nèi)電解鋁企業(yè)槽平均電壓一般為4.10-4.20V，實(shí)際分解電壓計(jì)算得1783mV，電解質(zhì)電壓降計(jì)算得1466 mV。在冰晶石-氧化鋁熔鹽電解中，陽極效應(yīng)壓降取經(jīng)驗(yàn)值33.3mV，槽外母線壓降取經(jīng)驗(yàn)值60mV6,7。根據(jù)以上計(jì)算，編制電解槽電壓平衡表，見表3-1所列。（1）回路壓降占槽工作電壓百分比： 式3-1（2）陽極壓降占回路總壓降百分比： 式3-2表3-1 186kA預(yù)焙陽極電解槽電壓平衡表Table 3-1 Voltage balance of 186kA series Pre-baked Cell 分類組成壓降值（mV）陽極橫母線壓降立柱母線壓降卡具壓降鋁導(dǎo)桿壓降鋁-鋼焊塊壓降鋼爪壓降鋼-炭接點(diǎn)壓降炭塊壓降壓降總計(jì)15.3252.33716.51027115148391.15陰極壓降總計(jì)556.55其他電解質(zhì)壓降分解電壓工作電壓陽極效應(yīng)連接母線壓降146616834096.733.360槽平均電壓41904 結(jié)論與展望（1）影響陽極壓降的主要因素是鋼-炭壓降和炭塊壓降，其次是鋼爪壓降和爆炸焊壓降。（2）降低陽極壓降有一定潛力。陰極壓降占回路壓降的比