浅谈我国大中型铝电解槽热损失分布特点

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1 概述
　　铝电解槽热损失分布是槽工况表现的重要特征，通过铝电解槽热损失分布测量、计算和分析，区域能量分布特征、工艺技术条件和加工操作制度合理性进行定量分析和科学评估，为提高铝电解生产主要技术经济指示而采取有针对性的技改措施提供科学依据。
　　现阶段，我国铝电解槽槽型有很多种，本文主要讨论我国200KA至300KA级大中型铝电解槽的散热特点。
　　2 电解槽热损失测量方法
　　电解槽热平衡体系选取铝电解槽和环境之间形成的封闭物理界面，即槽顶-槽罩-槽壳-槽底，包括界面上参与传热的筋板和摇篮架，热流计算以单位时间传输的电功千瓦（Kw)为单位。
　　为了准确测量铝电解槽体系散热损失，需要在槽体系表面上，按照经-纬线划分虚拟区域，布置测点。按纬度方向将阴极槽壳侧部表面划分成熔体区（电解质+铝液）、阴极碳块区和耐火保温区，以摇篮架为经线形成测点区域。对于槽罩、槽底和槽顶采用同样的方法进行区域划分和布点测量。此外，测点还包括凸出或露出体系表面的摇篮架、阳极导杆、阴极钢棒以及槽沿板等散热部件。
　　根据测得的热流密度和测点区域面积，可以计算槽体系表面散热损失；根据测得的烟气流量和温度，可以计算烟气通过烟道带走的热量。
　　3 我国大中型预焙铝电解槽散热基本特点
　　3.1 基本特点
　　近两年来，通过对我国20多家铝厂电解槽的热平衡测量得知，我国大中型预焙铝电解槽散热损失具有如下两个显着特点：
　　（1）我国大中型预焙铝电解槽热损失相当2.0V左右，与10年前相比，热损失降幅有200mV左右。
　　（2）现阶段我国大中型铝电解槽热损失上下两部分的比例为55.0%和45.0%。如图所示。
　　与过去自焙槽热损失的上下比例50.0%和50.0%相比略有不同，造成差异的主要原因在于，自焙槽的阴极炭块较薄（400cm）左右，阴极钢棒一般为方钢，伸出槽壳较长（40cm左右），因而阴极钢棒散热所占比例较大（7%左右）。另外，自焙槽上部为一整块阳极，热量不容易散出，相对预焙槽而言上部散热损失稍低。
　　3.2散热特点具体分析
　　通过测试和分析预焙铝电解槽的散热特点，充分发挥预焙机理结构优势和挖掘节能潜力，为今后抓住工作重点和采取有针对性的技术措施提供参考，现将电解槽的阳极区（上部）和阴极区（下部）两部分分开讨论。
　　3.2.1 阳极区散热特点分析
　　阳极区散热损失为槽顶、槽罩板、阳极导杆、槽沿板的散热量与烟气带走热量的总和。我国大中型电解槽阳极区散热损失一般在1.0V-1.2V左右，平均值在1.1V左右。各铝厂之间阳极区散热损失差距比较大，这主要是因为受烟气流量大小和上部黑穗病料情况影响较大，但我们不能认为阳极区散热损失大的电解槽机理况就差，散热损失小的就非常好，需要结合阳极区以及电解槽总的散热损失综合分析，才能得出正确结论。
　　由于阳极散热区中槽沿板和阳极导杆散热损失较小，因此阳极区散热可主要分析烟气、槽顶和槽罩板的散热特点。一般情况下，烟气流量大，带走的热量就高，反之就小；当电解槽覆盖料状况保持不变的情况下，槽盖板的散热量受烟气流量影响较大；槽顶散热特点与槽罩板基本相似，其次，槽顶沉积氧化铝对其也有影响。
　　目前，国内大中型预焙铝电解槽实际控制烟气流量一般与设计值有较大差距（一般不到设计值的3/4），这说明，如果将烟气流量增大，可以多带走5%左右的热量（Kw)，这为各厂强化电流提供了较大的散热空间。
　　3.2.2阴极区散热特点分析
　　阴极区散热损失为熔体区、阴极区、耐火保温区、摇篮架和槽底（包括槽底、摇篮架）散热量的总和，国内大中型铝电解机理阴极区散热损失一般在0.85V-1.05V左右，平均值在0.9V左右。
　　阴极散热区域中的阴极区、耐火保温区和侧部摇篮架散热特点差别不是很大，因此，这里主要分析熔体区和炉底散热损失。熔体区散热量的大小与电解槽侧部内衬材质及厚度、炉帮的规整程度和电解温度有关；炉底散热量的大小主要与电解槽的炉底内衬层结构设计及材料、炉底破损情况和槽寿命有关。我国各厂之间电解槽阴极侧块采用的材料及厚度各不相同，基本结构有两种：一种是200KA级电解槽，一般采用120cm厚的普通炭块，加一种是300KA级电解槽，一般采用90cm厚的SiC材料。200KA级电解槽熔体区槽壳温度一般在240-290℃之间，散热量一般在15-25%之间。300KA级电解槽熔体区槽壳温度一般在260-330℃之间，散热量一般在18-25%之间。熔体区散热量所占比例直接反映了电解机理侧部炉帮的厚度及规整程度，炉帮厚的电解槽，熔体区槽壳温度较低（普通侧部炭块在260℃以下，SiC材料在300℃以下），热量密度较小（普通侧部炭块散热在4200w/m2以下，SiC材料散热在6400w/m2以下），而炉帮不好的电解槽，熔体区槽壳温度较高（普通炭块一般在290℃左右，SiC材料一般在370℃左右）热量密度较大（普通炭块一般在6500W/m2左右，SiC材料一般在9500W/m2左右）
　　炉帮的厚度与规整情况主要取决于电解质的初晶温度与过热度的大小。电解槽中，炉帮与电解质的界面是一个炉帮的凝结与熔化的动态过程，当界面处的温度高于电解质的初晶温度时，炉帮熔化；当界面处的温度低于电解质的初晶温度时，电解质凝固使炉帮增厚。因此，电解质的初晶温度相对稳定与控制较低过热度对形成规整的炉帮非常重要，分子比、氟化盐含量即电解质组成的稳定，氧化铝浓度保持在窄范围内，有利于电解质初晶温度的稳定；降低效应系数、缩短效应时间、减少电压波动，均有利于过热度的控制，有利于炉帮的形成。
　　炉底的散热量主要与炉底耐火保温层厚度和所用材料有关，目前，国内大中型铝电解槽炉底热工状况普遍较好，槽底板温度一般在80℃-110℃，散热量一般占6.7%-9.2%之间。但如果机理底出现破损，局部温度可达160℃以上，散热量占11%以上。
　　3.3较好电解槽的热流分布特点
　　电解槽在稳定生产运行期间，如果保持电压、电流和电流效率不变，电解温度、氧化铝吨铝消耗、阳极毛耗与净耗不变，那么电解槽总的热损失也是保持基本不变的。一般情况下，炉底散热损失变化较小，如果炉帮规整，那么侧部散热量也是相对恒定的，使得上部散热也是定值。另一方面，如果炉帮不规整或炉膛较空，可通过减薄壳面覆盖料，增大烟气流量，从而加大上部散热，促使侧部炉帮形成；反之，如果操作不规范，覆盖料状况不能保持不变，烟气流量不恒定，上部散热不能恒定，则对炉帮的形成与维护非常不利。
　　随着铝电解技术的不断进步，槽电压不断下降（3.9V左右），电解槽上部保温加强，侧部炉帮增厚并更加规整，电解槽总的热损失将会进一步降低至1.8V以下。
　　4 结语
　　结合我国在大中型铝电解槽散热损失特点可以看出，在今后的节能降耗工作中，首先应当使电解槽内形成规整的炉膛，尽量将侧部散热降到最低，同时结合槽电压，将上部散热调整到合理范围内。另一方面，各公司在强化电流时，要着重考虑必须尽量保持侧部热平衡稳定不变，通过适当减少黑穗病料厚度，增大烟气流量的措施，保证多余的输入能量（热量）从槽上部散出，使电解槽保持有一个理想的完整炉膛内型，实现电解槽长期平稳高效运行。