李 扬，毛 宇，班允刚，杨晓玲

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

近些年来，我国电解铝工业快速发展，据统计，中国铝产量占据全球供应的55%。巨大的产能需求也促使着中国电解槽设计必须走向大型化，目前，国内新建电解铝系列已将设计系列电流提升至600kA。

电解槽的稳定生产受多个参数的影响，如槽电压、槽温、分子比等，这些参数的有效监控为电解槽的稳定生产提供有效支撑。电解槽不同时期下阳极、阴极电流分布情况可直接反应出电解槽当前的运行状态，对电解槽做出局部诊断，避免电解槽出现早期破损情况[1,2]。

本研究采用“电压法”对国内某600kA铝电解槽的阳极、阴极电流进行测量，研究电流分布的均匀性，分析评价母线系统电平衡设计的合理性，分析评价实际生产中的铝电解槽电流分布状态。

1 测量方法及方案

铝电解槽阳极及阴极电流分布测量包括两部分内容：一是阳极导杆及阴极软带电压降的直接测量，二是阳极导杆表面温度及阴极软带表面温度的测量。测量仪器及工、器具包括数字电压表，表面温度计，阳极等距压降钳以及测量阴极软带压降的铜钎等。

根据测量数据，单阳极导杆和单侧阴极软带所导电流按以下公式计算：

其中：

Ins—单阳极导杆或单侧阴极软带电流（A）

U—阳极导杆或铝软带的电压降 (mV)

R—导杆或铝软带电阻（mΩ）

ρ—导杆或铝软带的电阻率（mΩ/mm）

L—所测导杆位置的距离或铝软带的长度（mm）

S—导杆或铝软带的截面积（mm2）

T—导杆或铝软带的表面温度 (℃)

把上述公式所计算的各阳极导杆、阴极软带电流之和比电解槽系列电流要略大，这是因为在电阻计算中使用导杆外壁及软带外壁温度代替整体温度而导致电阻较实际电阻小所致，因此在实际数据处理过程中，按计算总电流与实际系列电流比值进行电流修正得到各阳极导杆及阴极软带电流，并绘制成电流分布图。

2 测量结果与分析

测量小 组 分 别 对1098#、1046#、2098#和2045#共4台600kA级铝电解槽的阳极电流进行测量，得出如下结果。

2.1 正常槽况下阳极电流分布情况

图1所示为正常槽况下电解槽阳极电流分布图。其中电解槽A侧阳极总电流为306.96kA，电解槽B侧阳极总电流为293.04kA，A、B侧阳极电流偏差为2.32%，阳极电流整体均匀性较好。

图1 正常槽况下电解槽阳极电流分布图

2.2 更换阳极引起的电流分布变化

电解槽生产过程中炭阳极不断被消耗，需要定期更换阳极来保持电解槽的正常生产。本系列电解槽的阳极更换周期为33天，因此，电解槽几乎每天都有阳极需要更换。在更换阳极的过程中，残极从电解槽中取出，并替换为新的阳极[3]。未经过预热的新极，其导电效果非常差，因此，更换阳极的过程将破坏局部阳极电流的分布。图2所示为电解槽更换阳极后其阳极电流分布图，其中B5和B6位置阳极在测试前四小时更换阳极，A25和A26位置在测试前一天更换阳极。

图2 更换阳极后电解槽阳极电流分布图

新阳极上槽后，冷阳极表面迅速形成一层冷凝电解质，1～2h后开始熔化。分析图2中的阳极电流分布状态可知，新阳极更换后的4小时内阳极几乎是不导电的，新阳极更换一天后，其导通的电流也只达到设计值的50%以上，且新阳极相邻区域的阳极电流均有不同程度的提升。这说明更换阳极对阳极电流分布影响较大，且影响范围有新阳极区域及邻近区域。因此，为了避免因更换阳极引起长时间的阳极电流波动，行业内有通过预热阳极缩短阳极全电流导通时间的做法。

2.3 阴极电流分布

图3所示为正常槽况下电解槽阴极电流分布图。对该系列4台电解槽的阴极电流分布进行了研究，研究结果如图4所示。

图3 电解槽阴极电流分布图

图4 阴极电流分布比例对比表

分析图3中的阴极电流分布状态可知，该电解槽A侧阴极总电流为303.74kA，B侧阴极总电流为296.26kA，A、B侧阴极电流偏差为1.25%，阴极电流分布整体均匀性较好。但是，单侧阴极电流分布均匀性一般，其电流最大值较最小值多近6kA，这主要受阴极组装质量和炉底沉淀产生的影响。

分析图4可知，所测的4台电解槽，其A、B侧阴极电流偏差均较小，在电解槽稳定生产的可控范围内。其中3台电解槽的A侧阴极电流略多，B侧阴极电流偏少，这与设计值的规律相反，这主要受电解槽炉底沉淀产生的影响。

2.4 电解槽局部沉淀的产生及对阴极电流分布的影响

铝电解的主要原料为氧化铝，它是否能够顺畅地溶解进入电解质关系到铝电解槽的生产能否顺利进行、生产过程是否平稳、是否产生沉淀，以及是否产生病槽等问题。氧化铝的溶解过程是一个强烈的吸热过程，根据计算，为了溶解1%的氧化铝，电解质的温度将会下降14℃，大约有一半的热量提供给加热用，另一半则提供给溶解所需的热量[1]。

现代预焙电解槽要求采用砂状氧化铝，因为它的溶解性质和其他的性质更符合现代铝电解生产的要求。但是，国内铝厂现阶段使用的氧化铝却很少能满足其指标，氧化铝的溶解性能较差,电解槽炉底局部形成沉淀。沉淀的产生将增加电解槽炉底电阻、使阴极电流分布不均匀并造成局部磁场波动。

阴极电流分布的均匀性是电解槽获得较好的物理场状态的重要前提。在电解槽母线系统设计中，会严格控制各支路母线电流分布的均匀性以及A、B两侧整体电流偏差范围，同时为了降低由于设计中A侧磁场要整体高于B侧所带来的影响，会控制B侧的设计电流略高于A侧。但在电解槽实际生产中，随着电解槽运行时间的增加，由于A、B两侧炉帮厚度及炉底沉淀的差异，对电流分布均匀性产生影响。此次测量的4台电解槽，其中3台电解槽的整体沉淀分布情况呈A侧少于B侧的趋势，B侧因沉淀较多导致其电流减少，与设计值相反。因此，炉底沉淀状况对阴极电流分布有较大影响，日常需多关注炉底沉淀情况。

3 结束语

本文对国内某600kA铝电解槽的阳极、阴极电流进行了研究，研究结果表明：600kA铝电解槽的阳极、阴极电流分布整体比较均匀，且阳极电流分布与阴极电流分布无明显的对应关系。

更换阳极对电解槽阳极电流分布的影响较大，且影响范围有新阳极区域及邻近区域，通过预热阳极可缩短阳极全电流导通时间。

炉底沉淀的产生对电解槽阴极电流分布的影响较大，日常需多关注炉底沉淀情况。