在世界各级能源匮乏的情况下，尤其是高耗能、高污染企业，提效降耗、减少污染气体排放、发展绿色、低碳、环保成为各企业的发展主题。对于现代电解铝企业而言，面对产能过剩、市场环境持续恶化的局面，有效降低电解铝生产成本，提高市场竞争力，已是各企业追求的目标。电解铝生产过程中，电力成本已占总成本的33%~38%,因此降低铝生产过程中的电能消耗是最见效，也是最有希望降低电能成本的重要方法。
这些年以来，预焙电解槽正逐渐向大型槽、高电流化方向发展趋势，截至目前，国内已有500kA、600kA电解槽型投产并使用，加上全石墨化阴极和新型稳流炉内保温技术在电解槽的应用，使电解生产提前进入了低电压运行模式。某电解铝厂使用旧型非加粗阴极钢棒和普通保温效果的电解槽，电压控制在3.920~3.960V,电流效率达92.5%，槽龄2000d以内，电解槽运行平稳。但2000d以后，随着时间的延长，槽龄增加，多种技术参数出现异常，如炉底沉淀增多、炉底压降升高、换极后频繁电压摆、角部阳极长包、电解槽稳定性下降，继而需抬高电压来维持电压曲线的稳定，没有达到降低电压及电耗的目的。所以更新电解槽的炉内保温材料，加强炉底保温，加大侧部散热，增加炉帮厚度，采用低分子比、低铝水平生产工艺，才能满足电解生产的热收入和支出平衡。
某电解铝企业于2022年在300kA电解槽上选取了4台电解槽进行材料的对比试验，经过对各项技术参数的测量、统计与分析，新型保温材料在大修后，电解槽设定电压实现3.88~3.90V,较普通电解槽降低了30~50mV,电流效率保持在92.5%左右，直流电单耗降低90~150kW·h/t。
电解槽阴极内衬结构
电解槽炉内常用的材料有耐火材料、隔热材料、防渗材料、浇注材料4种。炉内保温材料的设计是炉膛设计中的一个重要环节，而炉膛的结构与材质直接关系到槽内的热量平衡及槽的使用寿命。此次试验选用的炉内衬材料具有两种功能：一是防止铝液和电解液的下渗;二是绝缘和绝热。电解槽内衬结构的设计过程中，要考虑以下因素：
1)与铝液接触部分的材料，如阳极炭块、阴极炭块等，要满足耐高温和电绝缘的要求。
2)与电解质接触部分的材料，如电解质和石墨，要保证电解质能顺利地流入炭块之间的间隙，并均匀地分布到炭块周围，同时要保证石墨不会被电解质所浸渍。
3)与阳极接触部分的材料，如电解槽侧部散热窗口部分的材料，要保证其散热性和电绝缘性能。
1.1 普通槽的炉膛内衬结构
普通槽底部结构为炉内最底层为10mm石棉砖，后设为80mm的硅酸钙板，然后铺设2层硅藻土保温砖，最后是干式防渗料和阴极底块;小头结构为120mm异型碳素复合块;侧面结构为90mm异型侧部复合块。
1.2 新型稳流槽的槽内衬改进
1)底层结构：第一层是90mm纳米硬硅钙石绝热板，两端头是20mm陶瓷纤维板+60mm硅酸钙板，侧面是90mm硅酸钙板+20mm纳米绝缘板;第二、三层是蛭石保温砖;第四层是干式防渗料。
2)钢棒：宽度由198mm改为190mm,厚度由70mm改为95mm,两端涂刷绝缘材料。
3)小头：20mm陶瓷纤维板+氮化硅侧块。
4)角部：20mm+30mm陶瓷纤维板+角块。
5)侧部：70mm氮化硅侧块。
1.3 稳流材料指标
铝电解过程中，绝缘层的作用是保证电解过程的能量均衡，保证电解过程的能耗，但如果隔热效果差，则会导致电解液在阴极处冷凝，导致沉积物沉积，严重影响其正常生产。蛭石保温砖、硅酸钙板是电解槽槽内里的重要组成部分，其底部一般设有硅藻土保温砖，是电解槽用耐高温和良好保温效果的高温绝热体。导热率是衡量绝热层内材质好坏的重要指标，也是进行热平衡计算的基本前提。热导率是1m厚度的材料，其两个侧面的温度差为1℃,在相同的换热情况下，1h内通过1m²面积传递的热量。热导率高，散热性好，热导率小，隔热效果好。一般情况下，炉底内衬材料的作用会随槽龄的增加而逐步提高，而材料的热导率也会发生变化。
新型稳流保温砖主要物理指标如表1所示。
表1 新型稳流保温节能材料指标
数据分析
2022年，在某工厂300kA电解槽技改项目中，对普通隔热材料曲面阴极槽和新型稳流隔热曲面阴极槽进行了技术改造。到2023年6月，300kA系列装置已顺利投产44台稳流槽，在全过程中形成了一套较为系统、高效的检验手段与方法，并以同期投产的普通槽为对照，以检验其应用效果。通过每个月对试验槽炉底、方钢、炉壳温度、极距、炉帮等进行了比较，以了解炉膛的变化，详细情况如表2所示。从表2可以看出，新型稳流材料试验槽钢板温度、钢棒头温度和炉底温度相比于普通槽偏低，新型稳流槽A面钢棒头温度比普通槽低11℃,钢板温度低10.63℃;B面钢棒头温度比普通槽低15.8℃,钢板温度低12℃。由此可以得出结论：新型稳流槽保温性能明显高于普通槽，且散热更少，更稳定，为降低电解槽设定电压创造了有利条件。
表2 电解槽技术参数统计表 单位：℃
2.1 炉帮和极距
极距为阳极底部底掌到阴极铝液镜面的间距。它不仅是电解工艺中的电化学反应区，而且还是保持电解温度的热源点，其性能的好坏直接关系到电解池的电流效率与温度。在电解工艺中，保证炉膛形状均匀、稳定，是实现高效顺利生产的先决条件，也是关系到电解槽使用寿命的关键。电解槽的炉帮厚度、极距统计情况如表3所示。
表3 炉帮厚度、极距统计表 单位：cm
从表3可以看出：新型稳流电解槽与普通电解槽相比炉帮厚2.6cm,而极距普通槽与稳流槽基本持平。在保证两个极距相差不大的前提下，稳流槽的炉帮厚度相对较大，由槽形钢板的温度变化可知，稳流槽侧部的热量较小，与传统的电解槽相比，隔热效果更好。
2.2 生产运行状况分析
某电解铝企业使用新型稳流材料的300kA电解槽启动后非正常期为90d,进入正常期后电解槽的各项技术参数稳定，主要是分子比、过热度稳定，噪声值控制在15mV以内;各项技术参数及单耗指标较为理想，主要集中在设定电压、分子比、电流效率、氟化铝、碳阳极单耗等指标较为突出;正常期后电解槽电压稳定，噪音值低，不会出现顽固型电压摆，图1、图2为新型稳流槽和普通槽电压曲线对比。
图1 534号稳流槽历史曲线
图2 普通槽606号历史曲线
从图1、图2历史曲线分析：普通槽道的稳定性不佳，表现在槽况温度低、分子比波动大、噪声值大(可达50mV),且电压摆频率较高，热平衡自调整能力较弱;稳流槽的温度、分子比相对受控，即使存在着较低的槽温，但恢复时间也很短，具有很好的自调性和稳定性。
2.3 主要经济技术指标对比
在电解铝生产过程中，电解槽的各项技术单耗指标对企业是至关重要的。对于电解槽，保持各项参数的优异，是优质电解铝企业必须要考虑的，该企业所用电解槽的技术指标对比如表4所示。
表4 2022年3月—2023年6月技术指标对比表
从表4分析得出：稳流槽平均电压3.903V,较普通槽3.925V低22mV,电流效率92.45%,较普通槽92.1%高0.35%，稳流槽平均直流电耗12578.5kW·h/t,比普通槽12700.5kW·h/t低122kW·h/t。总之，稳流槽平均电压优势明显，直流电单耗低于12600kW·h/t,比普通槽低100kW·h/t左右，保温降耗效果好。
结 语
在我国严格的能源控制政策以及环境保护的大背景下，只有节能减排才能使铝企业得以生存与发展。在铝电解过程控制技术日趋成熟的今天，在保持原有设计的前提下，在控制技术与管理上减少能耗的余地已经不大，而通过对电解槽的设计与创新试验进行节能效果显著,尤其是内衬材料的选择，直接关系到电解槽的使用寿命，也直接关系到整个电解槽的经济性。本项目通过某电解铝厂的大修槽技术升级改造过程，从电解槽设计和新型稳流炉底保温材料方面与普通槽进行了对比，并从电解槽进入正常期到运行后期，从各项技术参数数据跟踪、参数变化性和单耗指标三方面进行对比分析后得出，新型稳流炉底保温材料电解槽与普通材料电解槽相比，保温性能更优、热扩散温度显著降低，电解槽稳定性更强，试验槽实现平均工作电压≤3.900V,直流电耗小于12650kW·h/t,与常规材料电解槽相比直流电耗降低100kW·h/t,此技术经济效益显著,具有极大的应用可行性。
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