500 ka电解槽结构及配置技术优化研究

1、500 kA 电解槽结构及配置技术优化研究 张金锁 成庚 文义博 李振中 酒钢集团甘肃东兴铝业有限公司 摘 要： 介绍了 500 kA 铝电解槽结构及相关优化配置技术, 包括打壳下料、阳极升降装置, 大梁及门形立柱、槽上集气系统、阳极炭块组等上部结构;槽壳、内衬、母线结构等下部和周围结构。最后, 对节能型 SY500 电解槽技术参数和应用情况进行说明。关键词： 500 kA 铝电解槽; 结构; 配置; 技术; 优化研究; 作者简介：张金锁 (1977-) , 男, 汉族, 大学, 轻金属冶炼工程师。收稿日期：2017-04-27Optimization Research of 500 kA Aluminium Cells Structure and Configuration TechnologyZHANG Jin-suo CHENG Geng WEN Yi-bo LI Zhen-zhong Dongxing Limited Aluminum Company, Jiuquan Iron and Steel Co.; Abstract： This paper introduces str

2、ucture and configuration optimization technology, which carried out on 500 kA aluminium cells, including optimization of shell feeding device, anode lifting device, beam and door shaped pillars, gas collecting system, pre-baked anode carbon block, which belong to superstrcture; steel shell, lining, and generatrix in infrastructure.Finally, discussed parameters and application of power saving SY500 aluminium cells.Keyword： 500 kA aluminum cell; structure; configuration; technology; optimization r

3、esearch; Received： 2017-04-271 引言甘肃东兴铝业有限公司 (简称“东兴铝业”) 和沈阳铝镁设计研究院有限公司合作研究开发的 SY500 铝电解槽, 是在研究和解决大型铝电解槽磁流体稳定性、热平衡及槽壳变形等问题的基础上1-2, 结合东兴铝业大型铝电解槽生产运行实际情况而开发的一种节能型铝电解槽3。该槽型集成了阴极均流、非对称母线配置、三维电热场耦合计算等一系列先进技术, 对促进电解铝行业工艺和设备进步有非常积极的作用。2 电解槽上部结构电解槽的上部结构由以下几部分组成:打壳下料装置、阳极升降装置、大梁及门形立柱、槽上集气系统和阳极炭块组。2.1 打壳下料装置打壳下料装置包括打壳机构和定容下料器组成。SY500 电解槽上设 6 个氧化铝料箱及 1 个氟化盐料箱, 设 6 套打壳下料装置和 7 个定容下料器, 用于氧化铝及氟化铝的下料, 设 1 套打壳出铝装置, 用于电解槽的出铝作业。如图 1 所示。图 1 SY500 电解槽打壳下料装置设计图 下载原图定容下料器采用无筒无刷定容下料器, 氧化铝和氟化铝经过定容下料器按需加入槽中。计算机根据工艺状况, 自动控制

4、氧化铝和氟化铝的下料量, 即控制氧化铝浓度和电解质分子比, 实现“按需加料”, 使氧化铝浓度保持在 1.5%2.5%范围内。根据流动场计算结果, 在阳极组夹缝与中缝交叉点设 6 个下料点, 均在流动场的旋环内。每点每次下料定量 1.8 kg, 采用计算机多模式智能控制每次下料间隔时间, 保持槽内电解质中氧化铝浓度的恒定, 以获得较高的电流效率。2.2 阳极升降装置SY500 电解槽采用螺旋提升机构。螺旋提升机构包括电动机、绝缘联轴器、主减速器、链条联轴器、万向联轴器、螺旋起重器、导向装置传动轴和阳极母线吊挂等部分。如图 2 所示。图 2 SY500 电解槽打阳极升降装置设计图 下载原图2.3 大梁及门形立柱采用加高实腹板梁加门型立柱支撑形式, 该结构一方面可大大增强大梁的强度和刚度, 另一方面可大幅减少钢材用量。如图 3 所示。图 3 SY500 电解槽大梁及门型立柱设计图 下载原图2.4 槽上集气系统电解槽集气系统由集气烟道、双烟管系统和侧部铝制罩板组成。SY500 电解槽采用六段区域集气上烟道结构, 利用烟腔与烟管间的开口截面尺寸调整, 在达到槽膛散热均匀的目的同时, 也强化下料点

5、附件的集气效果, 有效保证了电解槽密闭效率。如图 4 所示。图 4 SY500 电解槽集气上烟道及双烟管设计图 下载原图SY500 电解槽采用无动力双烟管集气结构, 即在电解槽上部增设副烟管, 独立于主烟道和主烟管之外, 副烟管直接从槽膛集气, 与主烟管并行汇入净化总管, 在电解槽打开槽罩板作业时能瞬时将电解槽排烟量提高 13 倍, 有效提高了电解槽密闭效率, 减少了开槽操作时的污染物无组织排放量。侧部罩板为机械强度高、外形美观的直形结构。为提高烟气收集效率, 水平罩板与导杆之间采用了高温密封材料密封。如图 5 所示。图 5 SY500 电解槽槽罩板设计图 下载原图2.5 阳极炭块组SY500 电解槽安装 48 组单阳极炭块结构的阳极炭块组。炭块阳极尺寸为 1 750 mm740 mm620 mm, 阳极钢爪为单排 4 爪结构。阳极炭块组间距 40 mm, 两排阳极之间构成的中缝为 200 mm, 距离大面的加工距离为 300 mm。如图 6 所示。3 电解槽下部结构电解槽的下部结构由钢制槽壳和内衬构成。图 6 SY500 阳极炭块组 下载原图3.1 槽壳应用先进成熟的数学模型对槽壳的

6、受力进行模拟计算, 对槽壳的强度、应力集中点、局部变形等做出相应处理, 确定大小面均采用摇篮架、大面船形等结构, 以减少垂直直角的集中应力, 延长槽寿命。在节能型 SY500 槽壳设计中, 大面摇篮架共 25 个, 小面摇篮架共 12 个, 均与槽壳焊接在一起, 以增加槽壳的强度和散热面积, 利于内衬炉帮的形成。槽壳大面外壁设散热片, 小面围板开有散热孔, 增强槽壳的散热能力。如图 7 所示。图 7 SY500 电解槽槽壳设计图 下载原图3.2 内衬电解槽热平衡设计的关键是炉膛内形和电解质结晶固相等温曲线的位置。根据电解槽热平衡的数值模拟结果, 确定电解质结晶固相等温曲线的位置, 合理设计电解槽内衬结构和选择内衬材料, 使电解槽在生产期间形成稳定规整的炉膛内形, 达到稳定生产和延长槽内衬寿命的目的。SY500 电解槽采用均一化内衬保温结构。在电解质熔体区采用氮化硅结合炭化硅砖镶嵌保温板, 而在阴极区和保温区铺设保温板的结构, 且内衬熔体区和保温区的保温板厚度一致。该内衬结构可有效强化电解槽保温, 防止电解槽在低电压条件下槽况偏凉。根据电解槽的热平衡模拟计算, 确定电解槽内衬的材质及厚度

7、。电解槽内衬, 从下到上依次为一层陶瓷纤维板, 一层硅酸钙板, 一层保温砖, 一层干式防渗料 (在以后的改进方案中采用防渗砖) , 在其上安装阴极炭块组, 阴极炭块组四周用冷捣糊扎实 (在以后的改进方案中采用冷捣糊打到与阴极炭块底部平齐位置) 。如图 8 所示。图 8 SY500 电解槽内衬设计图 下载原图槽侧部熔体区为镶嵌保温层的复合异形块, 该复合块为一层 90 mm400 mm630 mm 的氮化硅结合碳化硅块和普通炭素异型块组成, 其中氮化硅结合碳化硅块内镶嵌 10 mm 陶瓷纤维保温层。侧部复合块与阴极炭块组之间的边缝用炭糊捣制成坡型, 形成人造伸腿, 有利于形成槽帮。槽侧部阴极区为了达到保温效果, 在槽壳内侧依次铺设一层 20 mm 陶瓷纤维板, 一层保温砖, 在与阴极炭块的空隙间捣入防渗浇注料。SY500 电解槽采用 740 mm 宽的大阴极炭块, 阳极正投影与阴极炭块重合。阴极炭块组采用新式阴极钢棒结构技术, 即加高阴极钢棒和炭块高度;将钢棒按照一定高度比例分割成上下两部分, 从而改变阴极钢棒的导电结构;优化阴极钢棒与炭块的组装形式;调整了阴极炭块组的电阻, 减少了铝液

8、中水平电流, 提高电解槽的稳定性, 为电解槽在低电压、高效率下平稳运行创造了条件。4 电解槽母线结构电解槽母线由阳极母线、阴极母线和立柱母线及短路母线构成。如图 9 所示。图 9 SY500 电解槽母线设计图 下载原图阳极母线采用铸铝母线, 由四根 9 270 mm550mm200 mm 的铸铝母线组成, 与立柱母线之间用软母线相连接, 以便阳极升降。阴极母线采用非对称配置的结构形式, 大面六点进电, 进电侧阴极母线经电解槽周围及槽底沿纵向引出, 与出电侧母线汇集引入下一台电解槽。该配置结构充分考虑相邻电解槽及相邻系列电解槽的影响, 设计的阴极母线配置简单, 易安装, 阴极钢棒电流分布均匀, 很好地解决了电解槽磁流体稳定性的要求, 同时具有良好的经济性。电解槽停电短路采用地上短路, 短路母线在操作地坪上方立柱母线上, 操作方便, 短路约停电 25min。所有的铝母线焊接均采用氩弧焊。5 节能型 SY500 电解槽设计和现场运行节能型 SY500 电解槽上部结构、下部结构和母线结构所组成的设计图如图 10 所示。图 1 0 节能型 SY500 电解槽设计图 下载原图节能型 SY500 电

9、解槽现场运行见图 11 所示。图 1 1 节能型 SY500 电解槽现场运行图 下载原图6 电解槽技术参数节能型 SY500 电解槽的主要技术参数和经济指标如表 2、表 3 所示。表 2 节能型 SY500 预焙槽的主要技术参数 下载原表 表 3 SY500 电解铝工艺综合技术经济指标 下载原表 7 应用情况2011 年 12 月 25 日, 甘肃东兴铝业有限公司嘉峪关 45 万 t 500 k A 铝电解系列顺利通电启动。在接下来近一年的时间里, 该系列创下了通电启动无事故、投产时间最短、投产后电解槽运行最平稳等多个行业第一。从某种程度来讲, 该系列的快速安全投产及后期稳定运行, 标志着 500 k A 铝电解槽成功实现大规模工业化应用。时至今日, 500 k A 铝电解系列已经成为国内电解铝行业节能环保和大型化的主力军。目前国内有超过 15 条 500 k A 铝电解系列处于生产状态, 其形成的产能超过国内电解铝总产能的 30%, 产生了显著的经济效益和社会效益。8 结语SY500 电解槽采用新式阴极钢棒结构技术, 通过数学模型建立电解槽物理场, 优化设计出节能型 SY500 电解槽。该槽型具备以下特点:全系列 SY500 电解槽采用新式阴极钢棒结构技术, 即适当加高阴极钢棒和炭块高度, 将钢棒按照一定高度比例分割成上下两部分, 从而改变阴极钢棒的导电结构, 降低了铝液中水平电流, 提高了电解槽的稳定性, 降低了能耗, 提高了电流效率。均一化内衬保温结构。在电解质熔体区采用氮化硅结合炭化硅砖镶嵌保温板, 而在阴极区和保温区铺设保温板的结构, 且内衬熔体区和保温区的保温板厚度一致。该内衬结构可有效强化电解槽保温, 防止电解槽在低电压条件下槽况偏凉。采用六段区域集气上烟道结构, 利用烟腔与烟管间的开口截面尺寸调整, 在达到槽膛散热均匀的目的同时, 也强化下料点附件的集气效果, 有效保证了电解槽密闭效率。采用无动力双烟管集气结构。独立于主烟道和主烟管之外, 在电解槽上部增设副烟管, 副烟管直接从

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