400kA铝电解槽提高电流效率的关键技术研究

张义明

摘要：电解槽在工业生产中发挥着重要作用，提高铝电解槽的电流效率具有重要意义，因此以400kA铝电解槽为例分析了提高电流效率的关键技术。分析结果表明，通过有效手段提高铝电解槽的电流效率有利于提升电流效益、降低直流电耗，所以应提高对各种关键技术的重视程度，充分发挥含有凸起结构的异形阴极、含有排气通道的新型阳极、高导电铝芯复合阳极钢爪及钢爪保护环技术等手段的作用。

关键词：400kA铝电解槽；电流效率；异形阴极

前言：

    槽电压与电流效率会对铝电解的吨铝电能消耗产生较大影响，只有不断提高电流效率才能够降低电能消耗，但400kA铝电解槽的电流效率相对较低。为此应在现有研究结果的基础上分析如何应用技术手段提高电流效率。

1.铝电解槽与电流效率概述

1.1铝电解槽

    铝电解槽即铝质电解质存储槽，是由槽体、阳极与阴极共同构成的，一般会通过隔膜将阳极室与阴极室分开。

1.2电流效率

    电流效率指的是电解时在电极上实际沉积或溶解的物质的量与按理论计算出的析出或溶解量之比。

1.3吨铝电能消耗与电流效率的关系

铝电解的吨铝电能消耗与槽电压、电流效率之间的关系如公式（1）所示。

  （1）

公式（1）当中的W为吨铝直流电耗，单位为kWh；为电解槽的平均槽电压，单位为V；CE为电解槽的电流效率，单位为%【1】。

从公式（1）来看，吨铝直流电耗与槽电压之间成反比，与电流效率与正比，所以若想降低吨铝直流电耗就需要降低槽电压或提高电流效率。但是从实际情况来看，盲目降低槽电压无法有效降低吨铝直流电耗，而提高电流效率的效果更好，所以需要通过关键技术提高铝电解槽的电流效率。

2.提高400kA铝电解槽电流效率的关键技术

2.1应用含有凸起结构的异形阴极

    含有凸起结构的异形阴极有两种类型，其中一种是阴极表面沿炭块纵向方向有两个柱状凸起结构，另外一种是阴极上表面有交错式柱状凸起结构。这些异形阴极的表面凸起结构具有铝电解槽阴极铝液阻流、减少铝液波动等功能，可有效增强铝液的稳定性以及阴极电流分布的均匀性，所以需要在400kA铝电解槽中应用这些异形阴极，从而降低炉底压降，提高铝电解槽的电流效率。

2.2应用含有排气通道的新型阳极

    阳极底掌表面会生成阳极气体，只有快速将这些阳极气体排出铝电解槽、降低阳极气体向电解质的贯穿深度与气泡电阻电压降，而应用具有排气通道的新型阳极可以达到这一目的，所以需要在铝电解槽中应用上部具有排气孔、底部具有排气通道的新型阳极。这种新型阳极是由生阳极焙烧后加工而成的，可以有效改善电解质的流动场，继而改善铝电解槽的温度场，即使高温高热的电解质流到电解槽的中部并与冷的氧化铝相结合，从而改善氧化铝溶解区域的温度场，使氧化铝更快溶解。同时，这种新型阳极也可以改善阳极底部的散热情况，继而增强铝电解槽的热平衡。

2.3应用高导电铝芯复合阳极钢爪及钢爪保护环技术

    在改善铝电解槽时可以在槽中应用铝芯复合钢爪，即利用渗铝焊铸工艺连接钢壳铝芯中的钢铝，将钢铝的结合率提升至100%，并将铝钢合金层的厚度控制在0.3mm-0.5mm之间，之后利用铝芯平台与铝导杆面面焊接的方式进行处理，从而降低导杆与钢爪接触面的压降，增强钢壳爪铝芯的导电性并优化钢壳的机械性能【2】。但阳极钢爪可能会受到电解质冲刷等因素的影响，便会影响阳极电流的分布均匀性。为此，应在应用高导电铝芯复合阳极钢爪的基础上应用钢爪保护环技术，即利用氧化铝保护环对阳极钢爪进行有效保护，加大钢爪与阳极接触面的温度与面积，继而加快氧化铝的溶解速度、减少铝电解槽中的沉淀并降低接触压降。

2.4 应用加宽钢棒及窄缝焊接技术

    在提高铝电解槽的电流效率时需要降低炉底压降，为此需要在铝电解槽中应用阴极加宽钢棒技术。在应用这一技术时需要调整原有钢棒的尺寸，例如可以将原尺寸2100mm×198mm×90mm调整为2100mm×198mm×120mm，即将原有宽度调整为120mm。同时，需要将加宽钢棒技术与窄缝焊接技术结合起来。即安装摆动器与熔嘴夹持器，从而使焊丝在新旧钢棒之间进行引弧施焊，使钢棒两端在熔池当中进行局部熔化并与熔丝相互融合，从而优化焊缝质量。总之，应用这些技术可有效减少磁场影响，降低焊接压降，继而降低铝电解槽的炉底压降。

2.5加大保温力度

    加大保温力度即增加保温料的覆盖层厚度并灵活应用保温型槽盖板。第一，需要在铝电解槽中增加保温料覆盖层的厚度，例如可以将原覆盖层厚度16cm-18cm增加到能够接近钢爪横梁上部的厚度【3】。第二，需要对铝电解槽的槽盖板进行优化升级，即在槽盖板中增设一层保温石棉布与铝皮，优化槽盖板的保温效果，减小电解槽体系的散热量。总之，需要将这两种技术手段结合起来，提高铝电解槽的保温质量、实现铝电解槽的能量平衡，继而提升铝电解槽的电流效率。

3.提高电流效率关键技术的应用效果

在利用上述技术对400kA铝电解槽进行改造优化后需要分析技术应用效果。例如，某企业进行了电流效率提高试验，在试验过程中对普通槽与应用上述技术的试验槽进行了对比分析，且在试验三个月后进行了技术经济指标的分析。在分析后发现，普通槽的设定电压为3.99V、工作电压为4.027V、平均电压为4.034V、槽温为960℃、铝水平为27cm、电解质水平为18cm、分子比为2.51、效应系数为0.102次/槽∙日、波动时间为49min、炉底压降为365mV、电流效率为（92.35）%吨铝直流电耗为（13017）kWh。而试验槽的设定电压为3.901V、工作电压为3.91平均电压为3.916、槽温为954℃、铝水平为23cm、电解质水平为18cm、分子比为2.45、效应系数为0.019次/槽∙日、波动时间为6min、炉底压降为217mV、电流效率为93.02%、吨铝直流电耗为12540kWh【4】。在对比分析后可以发现灵活应用上述提高电流效率关键技术可有效降低铝电解槽的工作电压、平均电压、槽温、波动时间、炉底压降，且可以将铝电解槽的电流效率从92.35%提升至93.1%。这就说明上述技术手段是有效的，所以相关企业可以利用这些技术对铝电解槽进行改造，也可以在此基础上研发新的技术手段，达到节能降耗的目的。
结语：

在工业生产中应不断提高400kA铝电解槽的电流效率，通过具有凸起结构的异形阴极降低水平电流，继而降低炉底压降；通过具有排气通道的新型阳极减小阳极气体在电解质中的贯穿深度并改善电解槽的温度场；通过高导电铝芯复合阳极钢爪及钢爪保护环技术降低钢爪压降；通过加宽钢棒及窄缝焊接技术降低炉底压降；通过加大保温力度优化保温效果，从而有效提升电流效率。
参考文献：

[1]魏兴国,廖成志,侯文渊,段鹏,李贺松.高密度阳极铝电解槽电-热场耦合仿真研究[J].中南大学学报(自然科学版),2023,54(02):744-753.

[2]杨添林,莫政宇.基于温差发电—有机朗肯循环联合循环的铝电解槽余热综合利用系统[J].内燃机与配件,2023(04):6-9.

[3]王默雷,邓胜祥.400kA铝电解槽阴极钢棒倾斜高度对阴极电压降的影响[J].轻金属,2023(02):34-39.

[4]尹刚,向冬梅,王民,向禹,何文,曹文琦.基于数据驱动的铝电解槽剩余寿命预测方法研究[J].稀有金属,2023,47(02):273-280.