减少铝电解槽水平电流的曲面型阴极
铝电解槽钢棒加高型阴极对铝液中水平电流的优化
铝电解槽钢棒加高型阴极对铝液中水平电流的优化杨帅;李劼;徐宇杰;张红亮;张翮辉;邹忠;赖延清【摘要】为减小传统铝电解槽内铝液中存在的较大水平电流，提出一种阴极钢棒加高型阴极。
采用含电接触的有限元模型计算钢棒加高型阴极结构的电场，考察此种阴极对于铝液中水平电流的优化作用。
计算结果表明：选择合适的加高位置及加高高度可使铝液中X向水平电流密度的最大值和平均值有效减小，并且可以优化X向水平电流密度的分布，而对于减小Z向水平电流密度的最大值也有一定作用。
以300 kA铝电解槽的阴极为例，在距阴极炭块边缘800 mm处钢棒上加高70 mm至90 mm时为最佳加高设计；同时钢棒加高型阴极结构的电压降小于传统结构的，铝液中的等势线分布更平缓。
【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】9页(P2951-2959)【关键词】铝电解;阴极压降;加高钢棒;水平电流【作者】杨帅;李劼;徐宇杰;张红亮;张翮辉;邹忠;赖延清【作者单位】中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙 410083【正文语种】中文【中图分类】TF821工业铝电解槽内的电解质和铝液两种高温熔体在电磁力、重力等作用下在槽膛内运动。
熔体的运动促进了槽内的传质与传热，对电解槽的稳定运行起着重要作用，然而熔体过大的水平流动及垂直波动都不利于电解槽的稳定运行，严重时甚至引起滚铝等极端现象[1−3]。
熔体的运动对电解的经济技术指标如电耗、效率等也有显著影响，因此，追求槽内熔体合理的流动及尽可能小的波动，一直是铝电解槽研究与设计的核心之一。
电磁力是引起槽内熔体运动的主要驱动力，由于熔体流动及波动产生的铝液−电解质界面变形会引起额外的扰动电磁力，扰动电磁力进一步改变熔体的流动及铝液−电解质界面的波动，在此过程可能产生波动的不稳定分量，若这些不稳定分量得不到有效的抑制就会引起槽内磁流体的不稳定现象[4]。
降低铝电解槽水平电流的技术实践
流钢棒从电解槽两侧出来 ， 通过阴极母线进人下一 台槽 。 在此结构下 ，由于电流总是会流经电阻最小 的路径 ， 使接近钢棒出电侧 的三分之一长度负载了 大部分 的电流 ，导致铝液层 中产生大量 的水平 电 流， 铝液层和阴极炭块 电流分布不均 ， 越靠近出电 端 电流密度越高 。 正是这些水平 电流电流使得 电流
极， 能有 效 地降 低水 平 电流 ， 实 现 低 电压生 产 运行 。
・
２ ４・
铝
镁
通
讯
２ ０ １ ５ 生Ｎ ｏ １
从表 ３ 可以看 出， 试验槽平均 电压较对 比槽降
低了 １ ４ ８ ｍＶ。槽 电压 降低 效果 明显 。 ５ ． ３ 试 验槽 电流效 率
图 ２结 构调 整前 电流分 布
效率降低 、电耗增加 ， 并导致炭块易被腐蚀、降低
槽寿命 。
加二次反应 ，降低电流效率 ， 增加 电耗 。同时铝液
中水平 电流 还导 致 阴极 炭块 表 面上 电流 密度 沿 阴极
水平 电流对 电流效率的影响是非常直接的 ， 降
低水 平 电流 的过 程 实 际是 电流 重新 分 配 、 均 流 的过
炭块 的长度方向分布不均匀 ， 这将加剧 阴极炭块的
程。若能降低铝液水平电流 ，则可减少铝液波动 ，
腐蚀 ， 降低电解槽 的寿命 。 虽然大型槽 的磁场在不 断地优化 ， 但 随着槽容量的增大 ，电解槽宽度 的增
加， 使阴极导电结构产生的水平 电流更大 ， 阴极 电 流分布更加不均匀。 铝 电解槽生产 的稳定性、电流 效率很难达到理想要求 ， 使大型槽的生产指标未得
降低 ， 取得 了良好的节能效果。但是 ， 槽电压降低
后， 电流效率随之降低的问题一直未能得到很好的
钢棒糊对降低铝液水平电流的模拟研究
中水平 电流偏大。
３使 用多种材 质分段连接钢棒 与 阴极炭 块
从上文可知 ， 改变钢棒连接糊的电阻率 ， 使得
从 电解槽 中心到槽侧部的钢棒糊 电阻逐渐增大 ， 可 以达到最好 的降低降低水平电流效果 。 但是从现场
施 工来 说 ， 用 渐变 电阻的 钢棒 糊是 不 现 实 的 ，从 使
边界条件设置：在电解质上表面施加 电流 ， 在
阴极 钢棒 出 口设 置 ０电势作 为 电位 基 准点 。
操作简便的角度 ， 我们选择分别优化了两段式连接
和三段式连接 ， 都可以达到理想的效果。
３１两段式连 接 ．
图 ３ 段式 连接 的捣 固糊有 限元模 型 ， 边为 两 左
图 １电解 槽电流 分布计 算模 型
方 案 三
ｌ ４ 】 ９ ２ ０３ １ ． ７ ５ ３ ３
方案 州
０１５ ．８ ０３２ ８ ６ ５ ３
水 电 流降 低 比 例（ ％）
图 ６几 种 方 粟 水 平 电 流 分 布 对 比
从表 ｌ 中可 以看 出 ， 用 两 种不 同导 电效果 的 使 钢棒 糊 进行 组合 并 优 化使 用 量 ， 以调整 到需 要 的 可
模 型原 点位 于 阴极 炭块 上 表 面 中心位 置 ， 经过
场 ， 种磁 场 与 电解 质及 铝 液 中 的电流 相互 作 用产 这
生强大 的电磁力 ，会使 电解质和铝液发 生循环流 动、 界面波动和隆起变形 。 导致一次电解出来 的金
计算可以得到电势分布图和电流矢量图。图 ２ 为铝
液 中 电流分 布矢 量 图 。
属铝又被 阳极气体氧化 ， 造成铝的损失 ， 降低 了电
浅析400KA电解槽提高电流效率的几种途径
浅析400KA电解槽提高电流效率的几种途径摘要：在工业生产中，铝电解槽是一个重要的设备，用于生产铝材。
而解槽的作用就是将铝氧化物还原成金属铝。
然而，在这个过程中，会遇到电流效率不高的问题，导致直流电耗增加，生产成本上升。
因此，提高铝电解槽的电流效率具有重要意义。
本文主要分析400KA铝电解槽提高电流效率的几种途径，异形阴极的凸起结构可以增加聚焦效应，提高电流密度，从而增加电流效率。
新型阳极则可以通过排气通道将气体排出，降低气泡对阳极的影响，提高电流效率。
高导电铝芯复合阳极钢爪则可以提高阳极的导电性能，降低电阻，从而提高电流效率。
同时，钢爪保护环技术可以保护钢爪，防止钢爪氧化，延长使用寿命。
这些技术的应用可以发挥重要作用，提高铝电解槽的电流效率，降低生产成本，提高生产效益。
因此，应该重视各种关键技术的研发和应用，不断推进解槽技术的发展，推动工业生产的进步。
关键词：400KA；电解槽；电流效率引言：在电解厂中，提高电流效率是首要任务之一。
电流效率是指电解过程中所使用的电能与最终得到的产品之间的比率。
电解技术参数对电流效率影响很大，包括电解质温度、电解质成分、极距、电流密度以及铝水平和电解质水平等。
其中，电解质温度是影响电流效率的关键因素之一，因为在高温下，电流效率会下降，而在适宜的温度下，电流效率会得到提高。
此外，电解质成分也对电流效率有很大影响，因为电解质成分的变化会导致电解效率的变化。
除了电解技术参数外，科学技术条件对提高电流效率也至关重要。
这包括了设备维护、操作技术、工人素质等方面。
在设备维护方面，要保证设备的良好运行状态，确保设备的稳定性和可靠性。
在操作技术方面，要保证操作规程的规范性和操作流程的合理性。
在工人素质方面，要提高工人的技能水平，确保工人能够熟练操作设备。
本文以400KA铝电解槽生产为例进行探究。
在这个过程中，要注意控制电解质温度、电解质成分、极距、电流密度以及铝水平和电解质水平等参数，以提高电流效率。
降低铝电解槽电能消耗措施的探讨
降低铝电解槽电能消耗措施的探讨摘要：一直以来，工业铝电解槽的电能消耗都是与槽电压与电流效率两种因素紧密相关的，因此可通过控制槽电压的方式，逐步实现提升电流效率与控制电耗的目的。
本文首先分析了降低电解槽平均电压的有效措施和方法，继而提出了有关铝电解槽的相关节能技术。
关键词：铝电解槽；电能消耗；措施引言自进入到新世纪之后，我国的工业化进程与地方经济都处于持续性发展的状态中，并且能源的供应也日渐紧张，在此背景下，积极开展节能降耗的工作与寻求相关节能技术已经逐渐成为了电解铝企业目前与之后的首要性工作。
一、降低铝电解槽电压的措施（一）控制阳极压降的措施这一措施所涉及到的内容主要包含如下三点：首先焙烧作用，积极组装相对合格的阳极组块。
其次，在进行上卡具之前，需尽可能将导杆与阳极母线的压接处刷干净，尽可能拧紧卡具，防止卡具压降出现偏高的状况。
最后，看过你只钢炭压降，添加极上保温料，运用AI203，对钢爪-炭块的基础部位进行覆盖，促使Fe-C接触点的温度得到充分提升，极上保温料厚度18厘米左右是相对最适宜的，这对减少电解槽散热量非常有利。
（二）减少阴极电压降的措施降低阴极电压降的重要措施在于控制槽底沉淀与结壳的形成。
令技术条件稳定性得到充分保证，促使电解槽在自适应的状态下保持创建槽底热平衡，提升阴极部分的导电率，在具体生产中控制阴极电压降，从阴极材料的选择、电解槽的砌筑与电解槽的日常管理等角度作为切入点，具体要求如下：首先，选择导电性相对最佳的的阴极炭块，促使阴极电压降降低。
其次，选用半石墨化或者石墨化的阴极炭块，这对降低阴极电压降意义重大。
再其次，在正常生产进行过程中，稳定适宜的技术条件可有效保证炉底压降最低，保证炉底干净，令其不会产生沉淀或者结壳，这也是控制炉底压降的有效措施。
二、新概念节能技术应用近年来，在国内节能减排要求日益严格的环境下，随着电解铝技术的进一步深入开发，自2008年起国内各种节能型电解槽技术发展迅猛。
铝电解槽水平电流形成原因及对策
铝电解槽水平电流形成原因及对策作者：陈应斌来源：《中国科技纵横》2013年第13期【摘要】本文分析铝电解槽在生产过程中水平电流对电解槽的危害和水平电流形成原因，并针对问题，从工艺和管理的角度制定对策，解决问题。
【关键词】水平电流危害原因对策阴极结构管理前言目前铝电解生产中采用的是氧化铝一冰晶石熔融电解法，在理想的铝电解生产中，强大的直流电从阳极以垂直的方式经过电解质液层、铝液层到达阴极，这部分电流直接参与电化学反应，我们称这部分电流为垂直电流。
但是在实际的铝电解生产中，除了垂直电流外，总有一部分电流不做工，只增加能耗，我们称这部分电流为水平电流。
水平电流对铝电解生产危害很大，归纳有以下三点：（1）水平电流直接从侧部导出，没有参与铝电解的电化学反应，导致电流空耗，影响生产指标；（2）水平电流与水平磁场相互作用是造成槽中铝液波动的主要原因，铝液波动会引起电压摆，严重时甚至产生滚铝，造成槽况波动；（3）水平电流会使电解质流速加快，冲蚀炉帮，摧毁炉膛引发槽内衬破损，影响槽寿命。
因此，分析水平电流形成原因和制定对策，对节能降耗有着深远的意义。
1 水平电流形成原因1.1 水平电流的形成与电解槽设计相关电解槽系列由于系列电流及其导电母线的存在，所产生的磁场对电解槽内流场、热场形成影响，最终导致水平电流的产生。
一旦磁场设计存在缺陷，后期可以通过增加补偿母线解决，但是由于价格等因素影响，一般不采用；目前只有通过调整工艺技术条件和加强电解槽生产管理来抵消、化解水平电流造成的不利影响。
1.2 水平电流的形成与电解槽生产管理相关理想情况的电解槽，炉底干净、炉膛规整适中、槽内所有电流全部是垂直电流。
但是在正常生产中会出现不同的问题。
1.2.1 炉底沉淀导致水平电流的形成电解槽在生产过程中，炉底或多或少地产生沉淀，沉淀一方面它随铝液流动而磨损阴极，另一方面它大大增加电解槽的槽电阻，使阴极上的电流分布不均匀。
当技术条件进一步恶化时，导致电解槽出现冷行程时，沉淀则会逐渐变成炉底结壳，使阴极区域导电变差，垂直电流受阻形成水平电流，只能从侧部导出。
降低铝电解水平电流的专利技术综述
降低铝电解水平电流的专利技术综述铝电解是制取铝金属的常用方法之一，但其过程中消耗大量的电能。
为降低能耗，提高生产效率，人们不断开发新型电解工艺和电解电池。
本文将就降低铝电解水平电流的几种专利技术进行综述。
1. 新型电解槽结构美国发明家威廉·哈斯特于1980年申请了一项以塑料制成、内升式电解槽为特点的专利技术，这种槽可以降低电流密度和能耗，同时提高铝金属的纯度。
电解槽中设置了一种称为“分界层”（Interface）的设施，用于隔离阳极与阴极之间的空气，并防止短路和增加表面积。
而电解槽内壁可以设计成螺旋形或阶梯形，以提高搅拌效果，使铝离子更容易交换。
此种结构的电解槽可有效地降低电流密度和耗电量，提高产量和纯度。
2. 新型阴极材料在铝电解中，阴极材料的选择对于耗能量的大小与纯度有着重要的影响。
研究人员发现，采用多元金属材料可以有效地提高阴极的耐腐蚀性和导电性，因而可以大幅降低电流密度。
日本科学家佐藤隆太等人于1995年获批了一种新型阴极材料专利技术，其为由钢铝、在二氧化钛涂层的玻璃界面上形成的、含锆、锡和锂的多元金属材料。
这种阴极材料具有良好的可制备性、导电性、耐腐蚀性和导电性能，在电力消耗方面相比普通阴极表现更优秀。
3. 高频电解高频电解是一种能有效降低铝制品制备过程中不均匀沉积的电流密度的技术。
在负电极高频振荡的同时，并向其施加恒定电流。
这种技术的特点在于能够实现均匀的电流分布，从而可以提高产量和纯度，并降低能耗。
4. 双阳极电解法双阳极电解法是一种相对较新的铝电解工艺，它采用了两个阳极而不是一个。
美国明尼苏达大学于2005年申请了一项名为“双阳极铝电解”的专利技术，该技术可降低电解过程中的电流密度，提高电池的效率和产量。
该技术的基本思想是在阴极表面附近的两个阳极之间加入一个液态阴极，然后将两个电流密度不同的阳极一同浸入电解浴中，这样便可以获得高效的阴极反应。
总之，降低铝电解水平电流对于节约能源、提高铝品质、提高产量和纯度具有重要意义。
降低铝电解槽电能消耗措施的探讨
降低铝电解槽电能消耗措施的探讨摘要：本文从电解槽生产热量收支和能量平衡入手，对铝电解能耗进行分析，结合生产管理实践总结得出，降低铝电解槽能源的主要途径是提高电流效率和降低槽平电压。
关键词：铝电解；电能消耗；降低1. 引言电解铝生产企业是一个高耗能用电大户，近两年，随着电力供应日益紧张和能源的不断紧缺，如何降低吨铝电耗便成了每一个电解铝企业进行探索的聚焦点。
2. 提高电流效率节耗措施由计算吨铝电耗的公式w=v/η（v —平均电压，η—电流效率）可知，提高电流效率可以降低铝电解生产的电能消耗。
电解电流效率每提高1%，可使铝电解生产的直流电耗降低150千瓦时/吨铝左右。
某铝业公司通过多年铝电解生产实践中，总结出以下提高电流效率的主要措施：2.1 降低槽温在铝电解生产中，电解质温度是影响电解槽电流效率的重要参数。
电解温度在铝的溶解损失，钠的析出还是电化学反应中，电解温度都在其中起主导作用。
电解质温度降低，电流效率明显提高，生产实践证明，温度每降低10～15 ℃，电流效率可提高1～2 %。
正常的电解温度对于提高电流效率，降低能耗是大有好处的，但正常电解温度的保持有赖于其它技术条件以及相适应的操作制度的配合，他们彼此之间互有影响，互相制约，多年的生产实践告诉我们，电解质温度的降低，必须与其它技术条件相适应。
2.2 精心操作，提高各项作业质量电解槽的各项作业质量，不仅影响槽子的运行状况，而且直接关系到电流效率的高低。
2.2.1 提高换极质量阳极是电解槽的心脏，因此阳极工作质量好坏直接影响到电解槽生产。
影响到电流效率、直流电耗、原铝质量和阳极电流分布。
①提高新换阳极16小时电流分布合格率。
②设置好阳极梯度，防止设置偏低或偏高。
当阳极设置过低时会造成局部过热，增大铝的溶解损失，同时引起电压摆动，造成电流空耗，严重降低电流效率；当阳极设置偏高时，一方面新极长时间不导电，导致电流分布不均匀，减少阳极的有效工作面，降低电流效率；另一方面引起局部过冷，炉底产生沉淀和结壳影响槽子热平衡，降低电流效率。