系列新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的工業(yè)試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，節(jié)能減排是我國政府對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)所提出的核心目標(biāo)。鋁電解行業(yè)一直以來都是以高能耗、高污染著稱。目前國內(nèi)外電解鋁的直流能耗依然徘徊在13000～13500 kWh/t-Al，能量效率不足50％。2008年，新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的出現(xiàn)使得大幅度降低鋁電解電能消耗成為現(xiàn)實(shí)。
　　論文在華東鋁業(yè)公司94臺(tái)200 kA系列大修槽上砌筑新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽，并采用火焰-鋁液二段焙燒法進(jìn)行焙燒啟動(dòng)。焙燒結(jié)果證明，采用該方法焙燒的能耗低于鋁液

2、焙燒法與焦粒焙燒法。94臺(tái)200 kA新型陰極電解槽6個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，200kA新型陰極電解槽的平均槽電壓為3.72 V，陽極效應(yīng)系數(shù)為0.275次/槽·日，效應(yīng)電壓為12.12 V，平均電流效率為93.11％，平均直流電耗為12043.39 kWh/t-Al，與同系列32臺(tái)普通陰極電解槽相比，槽電壓降低了0.32 V，陽極效應(yīng)系數(shù)提高了0.07次/槽·日，效應(yīng)電壓降低了7.65 V，電流效率提高了0.11％，直流能耗降低了10

3、24.4kWh/t-Al，取得了重大的節(jié)能效果。
　　通過對(duì)168kA與200kA兩種槽型的新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的電熱平衡研究表明，新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的極距較小，電解質(zhì)壓降比對(duì)比槽的電解質(zhì)壓降降低了350～400mV，其余部分電壓降相差不大;新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的能量利用率高于對(duì)比槽，可以在較低的槽電壓與較低的能量輸入下，通過對(duì)側(cè)部和底部加強(qiáng)保溫實(shí)現(xiàn)較低的熱損失，以達(dá)到電解槽的熱平衡。
　　新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽鋁液內(nèi)的垂直磁場(chǎng)及鋁

4、液流速要小于對(duì)比槽，在外母線配置不變，電流分布不變的條件下，可以認(rèn)為新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽具有減小電解槽內(nèi)垂直磁場(chǎng)、穩(wěn)定電解槽陰極鋁液面以及阻礙鋁液流動(dòng)，降低鋁液流速的功能。
　　論文設(shè)計(jì)了一種能同步監(jiān)測(cè)全部陽極導(dǎo)桿等距壓降波動(dòng)的方法及裝置，并應(yīng)用此裝置對(duì)新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽陰極鋁液界面的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，探討了影響鋁液界面穩(wěn)定性的因素。研究發(fā)現(xiàn)，新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的陽極導(dǎo)桿等距壓降波動(dòng)曲線的波幅要小于普通陰極結(jié)構(gòu)電解槽，并且計(jì)算出新

5、型陰極結(jié)構(gòu)電解槽鋁液波的最大波幅為0.45 cm，普通陰極結(jié)構(gòu)電解槽鋁液波的最大波幅達(dá)到0.88 cm，由此證明，新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的創(chuàng)新陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了減小鋁液波的波幅，穩(wěn)定陰極鋁液面的作用;將對(duì)比槽的槽電壓由4.10 V降至3.95 V的試驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)比槽無法在3.95 V的槽電壓下穩(wěn)定運(yùn)行;新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽在槽電壓為3.75 V時(shí)，24塊陽極電流分布標(biāo)準(zhǔn)偏差為554.88 A，比對(duì)比槽在槽電壓為4.10 V時(shí)的24塊陽極電流

6、分布標(biāo)準(zhǔn)偏差小了269.21A，因此新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽在3.75 V的槽電壓下比對(duì)比槽在4.10V的槽電壓下的陽極電流分布更均勻;新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽與對(duì)比槽的陰極鋁液波動(dòng)具有相同的周期，均為50 s。
　　根據(jù)對(duì)新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的電熱平衡、鋁液磁場(chǎng)與流場(chǎng)以及鋁液界面穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果，并利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)新型陰極電解槽的減波原理進(jìn)行了探討。在陰極凸起結(jié)構(gòu)的周圍鋁液中存在水平電流，此種水平電流與垂直磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁力推動(dòng)鋁液圍繞陰

7、極凸起形成小環(huán)流，多個(gè)此類小環(huán)流可起到阻礙鋁液流動(dòng)，降低鋁液流速的作用。鋁液流速的降低就削弱了其對(duì)重力波的強(qiáng)化作用。新型陰極電解槽鋁液中的水平電流小于普通陰極電解槽鋁液中的水平電流，且新型陰極電解槽鋁液中垂直磁場(chǎng)水平方向上的梯度也小于普通陰極電解槽。而鋁液的波動(dòng)主要是鋁液中的水平電流與垂直磁場(chǎng)相互作用引起的。因此，新型陰極電解槽鋁液界面的穩(wěn)定性要好于普通陰極電解槽鋁液界面的穩(wěn)定性。并且通過模擬鋁液與電解質(zhì)交界面處的流速場(chǎng)，證明了新型陰極

8、電解槽內(nèi)該處鋁液的垂直速度要小于對(duì)比槽內(nèi)鋁液在該處的垂直流速。
　　論文研發(fā)了一套具有低檢測(cè)成本的工業(yè)鋁電解槽電解質(zhì)初晶溫度/過熱度檢測(cè)裝置。該裝置的探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得熱電偶的測(cè)溫端對(duì)于熔體發(fā)生相變所釋放出的熱量較為敏感，因此對(duì)于成分復(fù)雜、分子比較低的電解質(zhì)體系初晶溫度的測(cè)定，可以實(shí)現(xiàn)較好的重現(xiàn)性與較高的精度。通過實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)試驗(yàn)，證明此裝置的測(cè)量精度較高，穩(wěn)定性較好。
　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用電解質(zhì)初晶溫度/過熱度檢測(cè)裝置考

9、察了不同分子比與LiF、KF、CaF2的添加量對(duì)電解質(zhì)初晶溫度的影響。并應(yīng)用響應(yīng)曲面法，對(duì)Na3AlF6-Al2O3-LiF-KF-CaF2五元系初晶溫度進(jìn)行數(shù)模擬合，得到初晶溫度的回歸方程為:T1=621.822+262.139· CR-5.226·ω(LiF)-6.518·ω(KF)-0.976·ω(CaF2)-1.111· CR·ω(LiF)+2.5· CR·ω(KF)-0.139· CR·ω(CaF2)+0.125·ω(LiF)