郎学春 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

保温型内衬结构在240 kA铝电解槽上的应用

郎学春 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

基于240 kA铝电解槽低电压运行过程中热收入不足的情况，在大修电解槽上开展了保温型内衬结构的应用试验。结果表明，保温型内衬结构电解槽在低电压下能够稳定运行，且明显降低了电解槽的散热量，提高了电能利用率，大幅降低了吨铝直流电耗。

240 kA铝电解槽； 保温型内衬结构； 低电压

0 前言

自2012年以来，国际原铝产能严重过剩导致了铝市场持续低迷。在这种情况下，降低铝电解生产成本、增强市场竞争力就成为铝冶炼厂赖以生存之道。降低铝电解生产成本的方法各异，但由于铝电解过程中电力成本比重最大，占总成本的47%以上[1]，因此，降低铝电解过程中的电能消耗是降低铝电解成本最有希望且最具潜力的途径。

近几年来，异形阴极、铝电解槽电流强化与高效节能综合技术以及异形阴极钢棒等节能技术的应用使得铝电解槽生产进入了低电压运行模式。铝电解节能技术的成功应用，使得目前国内槽电压已降低到3.75 V以下[2]。某公司在传统内衬结构电解槽上采用高导电性阴极钢棒技术，将槽电压降低到3.85～3.88 V，直流电耗降低到12 643 kW·h/t-Al，电解槽运行相对稳定。但是随着槽电压降低，电解槽热收入明显不足，出现了电解槽角部伸腿肥大、电解质水平偏低，炉底沉淀较多，换极后电压摆动偏多等问题。这些问题阻碍了槽电压的进一步降低，对电解槽的保温性能提出了更高的要求。这就需要改变传统的内衬结构，增加铝电解槽的热收入，使其达到良好的热平衡状态，以满足低电压生产的工艺要求。

某公司从2008年开始在240 kA铝电解槽上逐步试验低电压生产工艺。遵循“先试验，后推广”的原则，首先在1个工区40台电解槽上试验低电压生产工艺，至2010年在2个15万t系列电解槽上逐步推广应用，年底平均电压达到4.04 V，直流电耗达到13 048 kW·h/t-Al。与2008年的经济指标平均电压4.17 V,直流电耗13 678 kW·h/t-Al相比，低电压生产工艺取得了良好的节能效果。自2011年在传统内衬结构上应用了高导电性阴极钢棒技术并进一步探索低电压生产工艺，槽电压降低至3.85～3.88 V。随着槽电压不断降低，电解槽热收入不断减少，电解槽出现了沉淀甚至结壳，角部伸腿逐渐肥大，阻碍了低电压生产工艺的探索。为配合该工艺顺利实施，经过大量的理论论证及调研学习，2011年年底开始在5台大修槽上试验保温型内衬结构。

1 240 kA铝电解槽传统内衬结构

通常按区域将铝电解槽内衬分为侧部内衬和底部内衬。侧部内衬可以保护钢制金属外壳免受电解质熔体的侵蚀；底部内衬起着支撑阴极结构和保温的作用，故底部内衬需使用具有足够机械强度和较高容重的保温材料，在防止保温材料变形的同时具有较好的保温性能。通常铝电解槽内衬材料的容重从上到下依次降低[3-4]。

某公司240 kA系列电解槽内衬结构基于传统的“四低一高”生产技术路线，电解槽散热方式也是采取“底部保温，侧部散热”的设计理念。该内衬结构如图1，其主要可分为3部分：

(1) 底部内衬结构。传统内衬结构电解槽自下而上依次分为3层：第1层为80 mm厚的硅酸钙板；第2层为2层65 mm厚的硅藻土保温砖；第3层应用163 mm厚的捣实干式防渗料。

(2) 侧部内衬结构。传统内衬结构电解槽侧部内衬只是1层90 mm厚的碳氮化硅砖。

(3) 侧下部斜坡部分。传统内衬结构电解槽在阴极钢棒下方斜坡面部位的保温材料采用干式防渗料。

1.侧部炭块；2.周围糊料；3.阴极炭块；4.耐火砖；5.浇注料；6.阴极钢棒；7.干式防渗料；8.硅藻土保温砖；9.硅酸钙板图1 240 kA铝电解槽传统内衬结构

2 240 kA铝电解槽保温型内衬结构

针对保温型内衬结构电解槽进行了电热场仿真计算，结果见表1[5]。

表1 保温型内衬结构电解槽各区域散热分布

由表1可知，槽各部分散热比例较为合适，上部散热比例较为适中，达52.8%。考虑到选取的氧化铝覆盖料厚度较薄，故实际工艺中可通过调节上部覆盖料厚度来调节槽保温性能的可操作空间较大。总体来看，槽保温较好，实际总散热436.47 kW，理论总散热446 kW，总散热量比维持热平衡所需的理论散热量小9.53 kW，稍显过热，但偏差较小，为2.45%，说明该内衬结构具备低电压运行所需要的保温条件。该内衬结构如图2，主要可分为3部分：

(1)底部内衬结构。保温型内衬结构自下而上依次分为4层：第1层为15 mm厚的陶瓷纤维板；第2层为65 mm厚的硅酸钙板；第3层为2层65 mm厚的保温砖，缝隙均用氧化铝填充，该层的第2层保温砖四周用陶瓷纤维板代替保温砖，烟道端和出铝端第2层保温砖由厚65 mm宽600 mm的陶瓷纤维板代替，大面第2层保温砖由厚65 mm宽300 mm的陶瓷纤维板代替；第4层为163 mm厚的防渗料。

1.侧部炭块；2.高导冷捣糊；3.浇注料；4.硅酸钙板；5.30%石墨阴极炭块；6.高导阴极钢棒；7.干式防渗料；8.高导阴极钢棒糊；9.保温砖；10.陶瓷纤维板图2 240 kA铝电解槽保温型内衬结构

(2)侧部内衬结构。保温型内衬结构位于电解槽侧部，大面采用1层90 mm厚的碳氮化硅砖和1层20 mm厚的陶瓷纤维板，小面采用1层90 mm厚的碳氮化硅砖和1层30 mm厚的陶瓷纤维板，侧部的保温材料陶瓷纤维板在斜面以上。

(3)侧下部斜面。保温型内衬结构电解槽在阴极钢棒下方斜坡面部位的保温材料采用1层15 mm厚的陶瓷纤维板和1层80 mm厚的硅酸钙板。

3 试验效果分析

某公司5台保温型内衬结构高导电性阴极钢棒试验槽于2012年12月经过大修槽启动。该试验电解槽自实施以来，在降低电能消耗、提高电流效率、电解槽保温效果等方面取得了较好的效果。

3.1 保温效果

在系列电解槽中随机选择了5台传统内衬结构电解槽并分别测量了其钢棒、炉帮和炉底温度，与保温型内衬结构的钢棒、炉帮和炉底温度进行对比，两类电解槽的平均钢棒、炉帮和炉底温度见表2。

表2 对比槽与试验槽的钢棒、炉帮及炉底温度对比 单位：℃

从表2可知，保温型内衬结构电解槽与传统内衬结构电解槽相比，其钢棒温度降低了31 ℃，炉帮温度降低了23 ℃，炉底温度降低了44 ℃，通过内衬结构优化改进后电解槽保温效果非常显著。

3.2 炉膛内形

在系列电解槽中随机选择了5台传统内衬结构高导电性阴极钢棒电解槽测量了炉帮厚度，与保温型内衬结构的炉帮厚度进行了对比，测量位置在A面A2，A4，A6处、出铝端(TA端)、B面B2，B4，B6处、烟道端(DE端)进行了测量，2类电解槽的平均炉帮厚度见表3。

表3 对比槽与试验槽的平均炉帮厚度对比 单位：mm

从表3可知，保温型内衬结构电解槽与传统内衬结构电解槽相比，其平均侧部炉帮和端部炉帮稍薄。虽然电解槽增加了内保温材料，但是在同样的工艺技术条件下，进一步降低槽电压，炉帮形成仍然较为理想。

3.3 技术经济指标统计

保温型内衬结构电解槽启动3个月后进入考核期。将保温型内衬结构电解槽近2年的经济指标与传统内衬结构电解槽的经济指标进行了统计对比，各技术经济指标平均值统计结果见表4。

表4 对比槽与试验槽的技术经济指标对比

从表4可知，保温型内衬结构电解槽与传统内衬结构电解槽相比，其平均电压降低了65 mV,平均电流效率提高了0.72%，直流电耗降低了310 kW·h/t-Al,节能效果非常显著。

通过应用保温型内衬结构，槽平均电压从3.865 V降至3.800 V，平均电流效率从91.10%提高至91.82%，直流电耗从12 643 kW·h/t-Al降低至12 333 kW·h/t-Al，但与国内先进的12 010 kW·h/t-Al[6-7]相比还有差距。

4 结束语

在240 kA铝电解槽上应用了保温型内衬结构后，运行电压降至3.800 V以下。保温型内衬结构电解槽已安全稳定运行750多天，阴极内衬未出现任何异常，未发现角部伸腿肥大，电解槽的热收入明显提高，大大提高了电能利用率，大幅降低了吨铝直流电耗，降低了吨铝生产成本，现已在大修电解槽上全面推广应用。

[1] 中国有色金属工业协会轻金属部. 2012年铝工业发展报告[R].中国铝加工与铝市场通报,2012,22.

[2] 戚喜全.电解槽内衬材料与结构的合理配置[J].有色金属，2009，63(3)：105-107.

[3] 李勇，刘升，王友来,等.全保温型内衬配置在300 kA铝电解槽上的应用[J].有色金属(冶炼部分)，2012(10)：20-22.

[4] 中南大学冶金学院.青海桥电.240 kA低电压铝电解槽试验槽电- 热场仿真报告[R].2012.

[5] 冯文革.大型铝电解槽节能技术分析[J].轻金属，2013(3)：31-33.

[6] 杨晓东，周东方，刘伟. 节能电解槽技术的研发和进展[J].轻金属，2011(S2)：165-169.

Application of Insulated Lining Structure in 240 kA Aluminum Reduction Cell

LANG Xue-chun, LI Xian

Based on the situation of insufficient heat input in the low voltage running process for 240 kA aluminium cell， an application test of insulated lining structure was carried out in the overhauled reduction cell. Production practice shows that the insulated lining cells can run steadily with low voltage. Dissipated heat of the cells was reduced obviously，the utilization ratio of electrical energy was increased，and direct current consumption per aluminium was lowered sharply.

240 kA aluminum reduction cell; insulated lining structure; low voltage

2014-03-05

郎学春(1976—)，男，云南镇雄人，大学本科，工程师，主要从事铝电解技术研发工作。

TF821

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1008-5122(2014)04-0023-03