[摘 要] 通过对铝电解槽阴极体系的研究，形成了由高导电阴极钢棒、双钢棒、冷捣糊、阴极炭块组装工艺优化、内保温等组成的高导电双钢棒阴极技术。通过该项技术可降低钢棒电阻和阴极组装压降，从而降低电解槽炉底压降，减少电解生产水平电流，提高电流效率，达到增产降耗的目的。
[关键词] 铝电解槽； 高导电双钢棒阴极； 冷捣糊； 内保温； 阴极组装工艺
0 前言
电解铝生产属于高耗能行业，对环境、资源、能源等方面带来的压力较大，行业面临的经济形势也日益严峻。为了缓解这种局面，2014年以来，从地方到国家都对电解铝生产的吨铝电耗进行了指标控制，只有生产达到标准范围内的企业才能享受优惠政策和相对较低的电价方案。国家发改委和工信部2013年12月联合出台了对电解铝企业用电实行阶梯电价的政策。政策明确规定：“根据电解铝企业上年用电实际水平，分档确定电价。铝液电解交流电耗不高于每吨13 700 kW·h的，执行正常电价；高于每吨13 700 kW·h但不高于13 800 kW·h的，电价每千瓦时加价0.02元；高于每t 13 800 kW·h的，电价每千瓦时加价0.08元；各地要规范电解铝企业与发电企业电力直接交易行为，铝液电解交流电耗高于每吨13 700 kW·h或未完成节能考核目标的，不得与电力企业进行电力直接交易；不高于每吨13 350 kW·h的，省级人民政府有关部门应优先支持其参与电力直接交易”[1]。近几年来，国内应用了异形阴极、铝电解槽电流强化与高效节能综合技术以及异形阴极钢棒等节能技术，取得了一定的节能效果。如何进一步降低吨铝电耗、节约生产成本、提高经济效益，使生产经营、技术创新、节能降耗走在铝行业前列，是企业追求的目标，也是企业在市场激烈竞争过程中立于不败之地的根本保障。
1 新型阴极钢棒的研究方向
近几年铝电解科技工作者对阴极钢棒的研究较多，主要是通过改变传统阴极钢棒的尺寸、结构、材质、组装工艺，从而降低钢棒自身电阻，降低槽平均电压，同时降低阴极水平电流，达到节能降耗和提高电流效率的目的。
目前新型阴极钢棒有两种：第一种新型阴极钢棒是沈阳院设计研发的，并在连城、青铜峡等铝厂应用的“新式阴极钢棒”。其主要原理是增加阴极钢棒和阴极炭块的高度(阴极炭块从450 mm增加到480 mm，阴极钢棒从180 mm增加到230 mm)，增加阴极导电能力；在阴极方钢的侧部顺钢棒的方向凿开一条直线缝隙，然后在缝隙中加入绝缘材料，用绝缘材料减少铝液水平电流，达到稳定铝液镜面的目的，为降电压提供保障；同时提高了电流效率，达到增产的效果。
第二种新型阴极钢棒是郑州经纬科技公司研发，并在焦作万方，豫港龙泉等铝厂应用的“高导电阴极钢棒”。其主要原理是改变阴极方钢材质，减小阴极钢棒本身的电阻率、降低阴极压降；同时在阴极钢棒端头增加绝缘材料，降低铝液水平电流密度，提高电流效率；阴极钢棒的结构由长通式改为分段式。
桥头铝电公司联合郑州经纬科技公司，结合上述两种新型钢棒的技术优点，对电解槽阴极进行了研究，形成了高导电双钢棒技术，主要是通过改变阴极钢棒材质、优化阴极钢棒结构、完善钢棒组装工艺等一系列措施，降低阴极钢棒本身的电阻，降低电解槽阴极压降，减少电解生产的水平电流，达到铝电解生产节能降耗的目的。
图1 高导电双钢棒组装示意图
2 高导电双钢棒技术
高导电双钢棒技术主要是通过改变阴极钢棒材质与结构、钢棒中间开缝、钢棒端头刷绝缘材料来达到降低电解槽炉底压降，减少水平电流，提高电流效率和降低电耗的目的。其主要的技术特点有：
(1)阴极钢棒采用高导电材料，使钢棒本体压降大幅度降低。
(2)采用双阴极钢棒技术，对钢棒进行开缝处理，优化电流分布，减少水平电流，提高电流效率。
(3)纳米复合材料绝缘涂层可改善阴极钢棒的导电接触面，降低水平电流，改善电解槽磁场，增大极距，减少铝液二次损失。
(4)优化阴极钢棒尺寸和阴极组装工艺，使钢棒和炭块之间接触紧密，降低两种材料间的接触压降。
(5)使用专用检测设备和标准，对组装质量进行检验，保证上槽炭块组装压降。
(6)使用配套的高导电钢棒专用冷捣糊。
(7)该技术不改变现有阴极炭块组装及筑炉工艺，不改变电解槽壳结构，保持了电解槽原有设计参数。
3 高导电双钢棒技术的实践应用
3.1 高导电双钢棒技术的应用方案
采用郑州某公司自行研制的特种合金钢，钢棒材质的导电性能比普通钢棒电导率提高40%。高导电双钢棒技术已经在试验应用中起到了降低电阻的作用。
(1)钢棒尺寸优化。使钢棒燕尾槽高度小于1～2 mm。燕尾槽的高×宽为200×90 mm，设计钢棒的尺寸由原来的180×70 mm改为198×70 mm。高导电双钢棒组装见图1。
(2)高导电双钢棒在结构方面得到进一步优化。采用专用分析软件，对电解槽做模拟仿真，作为钢棒开缝方案和绝缘方案的理论依据，确定钢棒开缝位置和配套的局部绝缘方案。该方案中开缝主要是在阴极钢棒距燕尾槽接触面80 mm、距钢棒端头450 mm处顺阴极钢棒方向切割开2 mm宽、600 mm长的缝隙，阻断电解槽加工面正投影的电流，降低电解槽水平电流密度，提高了电流效率。高导电双钢棒开槽见图2。
(3)钢棒端头涂纳米绝缘材料，绝缘涂层长度确定为475 mm，钢棒伸出阴极490 mm，留出15 mm的余量防止阳极坐偏而影响钢棒导电；绝缘涂层的位置处于浇筑料里面，理论上该浇筑料位置不导电，但在实际运行过程中，很多不确定因素导致电流从该位置的钢棒上流过，以便进一步优化绝缘。传统钢棒和高导电钢棒涂绝缘层后电流分布的仿真见图3、4[2]。
图2 高导电双钢棒开槽示意图
图3 传统钢棒电流分布仿真
图4 高导电钢棒电流分布仿真
(4)配套的高导电双钢棒专用冷捣糊。电阻率大幅降低，常温电阻率由当前的65 μΩ·m降至45μΩ·m以下，为炉底压降的降低创造了先决条件；通过对高导电双钢棒自身性能的研究，采用冷捣糊能提高钢棒糊与高导电双钢棒的结合力，可以有效减小该环节的接触压降。
(5)优化炭块组装工艺。主要是将原先在燕尾槽中扎设糊垫的工艺改为铺设石墨粉的工艺，使钢棒与炭块接触更密实、更均匀。其具体工艺流程为[3]：加热好的阴极炭块吊至组装台，摆正、固定、吹扫、安装两端的挡板，测量炭块温度并记录，保持温度为80～100 ℃。在炭块的燕尾槽槽底铺设厚度2 mm的石墨粉，用样板刮平作为钢棒垫层，炭块燕尾槽端头用少量糊料堵住，防止石墨粉在放置钢棒时流失。预热好的钢棒(温度为80～100 ℃)以组为单位放在阴极炭块的燕尾槽中，根据放置要求，调整合格后，用铁楔固定；钢棒与阴极炭块组装后，要求钢棒中心与炭块中心吻合；钢棒长度放置位置偏差不大于15 mm，弯曲度不大于3 mm；钢棒与炭块表面应平整，若钢棒高于炭块表面则要做相应处理。炭块和钢棒间缝隙分7次扎固，每一层加糊后用层厚样板进行刮平，将多余的糊料从端头刮出以保证加糊厚度，确保每层厚度均匀。由两名捣固手在统一指挥下对同一根钢棒的两侧缝隙，同时从端头至中央以每锤不超过20 mm的速度打两个来回，用层厚样板检查，超过厚度的用捣固机再打两个来回，以此类推打够4层以后用导向冒板保护炭块扎固最后2层，增加糊料量和捣固次数直至打平碳缝后取下冒板，刮去多余糊料，用手锤将缝面压光。
(6)为控制阴极炭块组装质量提供技术手段。采用JW- 180铁炭压降专用测试仪，确保铁炭压降测量值的准确性、可参考性，确保组装质量以及后续应用效果。组装好的阴极温度降至室温，测量标准压降≤60 mV。阴极炭块组装后压降测量见图5。
图5 阴极炭块组装后压降测量
(7)全石墨阴极虽然具有良好导电性，但会造成电解槽水平电流增大，目前大多数铝厂都不采用。因此，采用了30%的半石墨质阴极炭块，价格上升幅度不大。
(8)在其他条件不变的情况下，槽电压降低使电解槽总热量减少。通过模拟电解槽温度场计算，利用槽大修机会采用内保温，在侧部内衬、斜面、底部分别增加20 mm、20 mm、10 mm厚的陶瓷纤维板，其它筑炉工艺不改变，可以弥补电解槽60 mV电压降低带来的总热量减少，从而保持总热量不变。
3.2 高导电双钢棒的应用实践
根据上述方案，桥头铝电公司目前已经试验了10台高导电双钢棒阴极电解槽。通过调研，豫港龙泉、焦作万方等企业也积极应用了此技术，各企业经济指标见表1。
表1 各企业高导电双钢棒阴极电解槽经济指标
随机选择了10台传统钢棒电解槽和高导电双钢棒阴极电解槽进行了炉底压降的测量，每台被测槽在A、B面出铝端和烟道段各取2个点测量，并对测量的平均炉底压降进行了对比分析。两种不同阴极钢棒电解槽的平均炉底压降对比分析见表2。
表2 不同阴极钢棒电解槽炉底压降对比
从表1、2中可以看出高导电双钢棒槽比普通电解槽炉底压降可降低60～70 mV，并且通过磁场的优化，降低水平电流，电解槽的电流效率也会略有上升。综合统计，直流电耗可降低220 kW·h/t-Al。
3.3 高导电双钢棒电解槽的经济效益分析
3.3.1 高导电双钢棒电解槽投入
高导电双钢棒节能技术与普通钢棒技术相比，筑炉施工成本无任何变化，材料成本只在钢棒方面有所提高，无其他额外投入。 240 kA单台电解槽投入成本对比见表3。
3.3.2 效益分析
从表1、2中可以看出，应用高导电双钢棒技术，提高了电流效率0.5%，电解槽炉底压降降低了70 mV，吨铝节电约220 kW·h，按电费0.35元/kW·h计算，折合节电费用为77元/t-Al，电解槽在一个运行周期内(1 800 d)，共节电费用约24.95万元。减去增加投入费用7万元，单台槽共节约成本17.95万元。
表3 240 kA单台电解槽投入成本对比
4 结论
(1)高导电双钢棒技术结合了原有的高导电钢棒和双钢棒的技术优点，极大地降低了电解槽的炉底压降和水平电流，为铝电解增产降耗提供了保障。
(2)使用高导电双钢棒技术可降低电解槽炉底压降70 mV，吨铝可节约电耗约220 kW·h。
(3)高导电双钢棒技术降低了炉底压降，而没有造成电解槽压极距，所以不会降低电流效率。
(4)使用高导电双钢棒技术不会改变电解槽大修工艺和电解槽槽壳结构，不会增加工作量。
