铝电解槽新型节能阳极钢爪的研究与应用.pdf

轻金属 年第 期作者简介：吕健良（），男，广西梧州人，工程师，主要从事铝电解生产和技术工作。：通讯作者：蒋学先（），男，广西桂林人，研究生，副教授，主要从事冶金工程的教学与科研工作。：收稿日期：铝 冶 炼铝电解槽新型节能阳极钢爪的研究与应用吕健良，蒋学先，曾振双，朱文云，何贵香（广西华磊新材料有限公司，广西 百色 ；桂林理工大学，广西 桂林 ）摘要：本文比较分析了传统钢爪压降较高的不足，进而提出了一种新型节能阳极钢爪，并对其压降和受力进行了分析计算，经计算分析，新型节能钢爪压降降低至少 以上。研发出的新型阳极钢爪在某 电解槽上进行了试验和测试，结果表明新型节能阳极钢爪压降比传统阳极钢爪降低 ，对应吨铝直流电耗降低 ，对铝电解槽的节能降耗及降低碳排放有重要意义。关键词：铝电解槽；阳极钢爪；电压降；节能降耗中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；在国家“碳中和，碳达峰”及阶梯电价的政策背景下，如何降低电解生产系列生产能耗，优化资源利用是我国电解铝企业亟待解决的问题。降低电解槽平均电压，或者提高电流效率，都能够减少电解槽的电耗量。铝电解槽上阳极钢爪的压降值一般在 之间，具有较大的降耗空间 。电解槽上阳极钢爪是电解铝阳极导杆与炭块间的重要连接结构 ：导电性能方面，阳极钢爪需承受铝电解生产过程中通入电解槽的强大电流，电解槽通过每个钢爪的平均电流达 左右，因此要求阳极钢爪具有较好的导电性；力学性能方面，阳极钢爪起到联接铝导杆与夹持阳极炭块的作用 ，由于每块新阳极重量在 左右，并且在高温下运行，因此阳极钢爪需要足够的强度、刚度。为进一步减少全槽能耗损失，实现铝电解槽系列全过程深度节能，从而达到节能减排目标，提出了一种新型节能阳极钢爪结构形式。该新型节能钢爪主要是通过合理调配微量合金元素，精准控制主要化学成分，提高其导电性能，降低钢爪压降。同时在不影响钢爪结构中主要导电部分整体导电率的条件下，优化钢爪结构，保证钢爪结构整体具有足够的强度和刚度，满足生产所需的力学性能。传统阳极钢爪情况铝电解阳极由阳极导杆、钢爪和阳极炭块组成 。目前，国内铝电解槽的阳极钢爪主要有两种，即铸钢结构和型钢结构。多数电解槽的阳极钢爪采用的是 铸造碳钢铸造而成。该铸造碳钢具有良好的塑性、韧性和焊接性能，强度也满足阳极所需要求。但铸钢爪中合金元素含量波动大，尤其是 、等杂质元素含量过高，会导致钢爪的电阻增大；生产制作工艺方面，铸造工艺易导致钢爪内部出现缩孔、缩松、夹杂等缺陷，减少了钢爪的有效导电面积，使钢爪的电阻增大。铸钢爪的强度较低，在电解铝生产过程中铸造钢爪变形损坏率高达 ，对其进行修复大大增加了人工成本和工作强度。近年来，一些铝厂开始使用 材质的型钢 年第 期吕健良 等：铝电解槽新型节能阳极钢爪的研究与应用 焊接成阳极钢爪，该种结构形式在一定程度上消除了普通铸造钢爪存在的夹渣、砂眼、气孔等缺陷，且 结构钢的屈服强度为 、抗拉强度为 ，机械强度可满足电解槽的工况要求。但是，由于 钢的碳含量较高，电阻率较大，根据各厂使用的情况和笔者统计的数据，该结构形式的钢爪和铸造钢爪效果基本相当。新型节能钢爪的主要研究内容和创新点 主要研究内容通过对铝电解阳极钢爪的以下几个方面进行了深入的研究，提出了一种新的阳极钢爪结构及低碳含量铁合金材料：（）新型节能钢爪材质成分。研究开发了强导电功能材料，研究其主要化学成分、合金元素等对导电性能的影响 ，确定合适的材质成分，以减少其电阻率，增强其导电性能，降低钢爪压降 。新型节能 钢 爪 材 质 的 化 学 成 分 控 制 要 求 为：、。而相比于 材质（级）的成分控制要求为：、，新型节能钢爪碳含量更小，导电性能越好。为对比其电阻率，对两者在室温环境下进行了测试，结果如下：的电阻率为 ；低电阻节能钢爪材料的电阻率为 。（）节能钢爪结构。研究分析了不同钢爪结构对其力学性能的影响，对钢爪结构进行了优化设计，通过仿真计算，对传统钢爪的横梁结构进行比较大的优化和改进，在降低钢爪电阻率的前提下仍能很好的保证其力学性能。结构的调整主要是通过调整钢爪爪头和横梁的尺寸，以确保新型节能钢爪的受力特征。新型节能钢爪的创新点基于铸钢钢爪品质难以保证和 型钢钢爪电阻率大的缺陷，本文创新性的提出了一种新型节能阳极钢爪（图 ）。此钢爪在保证钢爪整体电阻较低的情况下，适当采用增强力学性能的结构，保证钢爪结构整体具有足够的强度和刚度，满足生产所需的力学性能。新型节能钢爪仿真计算计算过程中，为保守起见，新型节能钢爪计算选取的是对其最不利的情况（计算中覆盖料为 ，而生产过程中覆盖料高度一般为 ，因此仿真计算时钢爪的温度比实际生产中温度更高，即计算时钢爪的电阻率是最不利的状况），因此实际实施过程中新型节能钢爪比传统钢爪的节能效果将比计算值更加明显。图 传统铸钢钢爪示意图图 新型节能钢爪示意图 计算条件采用 铝电解槽现有的传统铸钢钢爪作为对比，分析对比了传统铸钢钢爪和新型节能钢爪在相同工况下的电压和形变大小。计算结果某 电解槽的现有的传统铸钢钢爪的电压分布如图 所示，压降值为 ，最大形变（图 ）约为 。图 传统铸钢钢爪电压分布新型节能钢爪的电压分布如图 所示，压降值为 ，最大形变（图 ）约为 。轻金属 年第 期图 新型节能钢爪电压分布图 传统铸钢钢爪结构形变图为便于和生产测试数据比较，特提取出传统钢爪点 和点 之间、点 和点 之间的电势，具体如表 所示。两种阳极钢爪结构压降值、形变量汇总如表 所示。由表 可知，新型节能钢爪的阳极压降可由传统铸钢钢爪压降 降至 ，即新型节能钢爪的压降降低了 。力学性能方面，最大变形量由 降至 ，达到了降低压降并改善其力学性能的目的。图 新型节能钢爪结构形变图 新型节能钢爪使用情况及效果在经材料成分研究、结构设计、模拟仿真计算、设计方案修改、加工制作等阶段后，新型节能阳极钢爪在某 电解槽上使用。表 不同钢爪结构压降值、形变计算结果结构类型压降 与传统结构对比压降降低值 测点 和 之间压降 测点 和 之间压降 最大形变量 传统铸钢钢爪 新型节能钢爪 试验槽采用逐步更换节能钢爪的形式，在一个换极周期内，完成试验槽全部钢爪的更换工作。试验槽全部更换为节能钢爪后，开始对试验槽和普通槽进行测试比较，测试时正、负极两根导线的两端分别与钢爪顶表面和钢爪底表面相连，在靠近钢爪上表面及两个外爪头焊上钢筋，这样测试可以消除锈蚀的影响，每次测试应至少有 人，测试数据若有偏差或不稳定需重新测试，以保证测试的准确性。年 月 日新型节能钢爪开始在某 电解系列的电解槽上槽试用，直至 月 日结束；试验槽试验期间全部使用节能钢爪组装的阳极，试验期间每周对使用节能钢爪电解槽和使用传统铸造钢爪的电解槽进行测试比较，记录钢爪的压降和阳极总压降值的变化，并观察节能钢爪工作状态。试验使用节能钢爪的电解槽各项生产指标运行平稳，节能钢爪无发红和脱落现象，钢爪导电良好，无开裂和断脱等不良现象。经与同系列对比槽测量对比，同比实现钢爪压降降低约 ，达到了良好试验成效。试验槽和对比槽的试验结果如下：钢爪压降值对比为测试验证新型节能钢爪的效果，将采用了新型节能阳极钢爪的试验槽与采用传统铸钢钢爪的对比槽的钢爪测试数据进行了对比，结果列于表 和图 测点位置图 年第 期吕健良 等：铝电解槽新型节能阳极钢爪的研究与应用 表 （注：测点 为从钢梁正上方到距中间第一个钢爪的压降，测点 为从钢梁正上方到距中间第二个钢爪的压降。测点如图 所示）。从表 和表 可以看出，新型节能钢爪与传统铸钢钢爪的压降分别为 和 ，两者相差 ，降电压效果非常明显。表 新型节能钢爪与传统铸钢钢爪压降测试对比表 试验槽极号测试时系列电流 导杆等距离压降 测点 压降值 测点 压降值 平均值 修正值（按 ）平均 注：考虑到每个阳极通过的电流有所不同，导杆等距离压降按 计，则修正值 平均值 导杆等距离压降 。阳极总压降值对比除对钢爪本体进行了试验槽和对比槽的对比外，为进一步确认新型节能钢爪的使用效果、更客观的反应出节能钢爪的试验情况，又对新型节能钢爪试验槽和对比槽的传统铸钢阳极总压降情况进行了对比测试，结果如表 和表 所示。表 新型节能钢爪与传统铸钢钢爪压降测试对比表 对比槽极号测试时系列电流 导杆等距离压降 测点 压降值 测点 压降值 平均值 修正值（按 ）平均 表 新型节能钢爪与传统铸钢钢爪阳极总压降测试对比表 试验槽极号电流分布 阳极压降 校正数值（）平均 表 新型节能钢爪与传统铸钢钢爪阳极总压降测试对比表 对比槽极号电流分布 阳极压降 校正数值（）平均 从表 和表 可以看出，新型节能钢爪与传统铸钢钢爪的总阳极压降分别为 和 ，两者相差 ，从另一个角度说明了新型节能钢爪在降电压方面的明显优势。结 语新型节能阳极钢爪在某 电解铝企业的试验槽投用以来，电解槽各项生产指标运行平稳，钢爪无发红和脱落现象，钢爪导电良好，无开裂和断脱等不良现象。经与对比槽测量对比，同比实现钢爪压降降低 ，折算成吨铝电耗降低 ，达到了良好的节能成效。对于我国典型的 万吨年产能的电解铝系列，采用新型节能钢爪后，每年电耗降低量为 万度电，以 元 度电计算，则每年节约电费 万元。参考文献：邱竹贤 预焙槽炼铝 北京：冶金工业出版社，：杜全斌，胡崇林，陈超，等 阳极钢爪技术中国专利分析 轻金属，（）：汪艳芳，张旭贵，李健，张瑞忠，梁玉冬，王成智 低阻高性能阳极钢爪材料开发设计及工业试验 有色金属（冶炼部分），（）：周云峰，王俊青，李昌林，等 铝电解槽阳极压降周期性变化研究 轻金属，（）：李世霞，田小军，赵雅，刘建彪 影响铝电解槽阳极钢爪导电性分析 轻金属，（）：，王从曾，赵天德，贾柏林，等 提高阳极钢爪导电性能的途径 轻金属，（）：张整社 影响铁炭压降因素分析及优化措施 轻金属，（）：（责任编辑刘宝兰）