陈德皓
摘 要
铝电解槽中，电流从阳极导杆流入槽内，经过阳极炭块、电解质、铝液及阴极炭块与钢棒后从槽侧部流出，由于电流的流出方向与流入方向成90°角，并且铝液的电阻率远远小于电解质以及阴极炭块，因此电流的转向大部分发生在铝液层中，形成了铝液中的水平电流，水平电流与垂直磁场共同作用引起电解质？铝液界面的波动，从而影响到槽内磁流体的稳定性，降低电流效率，增大电能损耗，影响电解槽的热传导，槽内衬的完整和槽子寿命，以及能耗等经济技术指标。本文阐述了降低铝电解水平电流的技术手段，并从专利的角度分析国外和国内降低铝电解水平电流的发展脉络，对于该领域的专利审查以及相关行业的工业生产具有一定的借鉴指导作用。
关键词
铝电解;阴极;钢棒;水平电流
中图分类号： TF821文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.059
0 引言
1）铝电解介绍。
熔盐电解法生产金属铝的技术是1886年由法国人Heroult和美国人Hall同时申请专利发明的，至今已有一百多年。
铝电解是高能耗产业[1]，铝电解的成本主要包括电力、氧化铝、预焙阳极、财务及人工、其他辅料，其中，电力的成本最多，占据40%左右。在电解铝方面，我国依旧是全球第一大生产国，并且近年来一直保持高速增长态势，2010-2015年年均复合增长率为14.45%，而同期全球其他地区年均复合增长率为-0.31%。据数据显示，2017年1-2月中国电解铝累计产量达到600万吨，同比增长19%。
2）水平电流产生原因。
铝液中的水平电流按其形成的原因基本上可分为三种类型：
（1）沿横向流动的水平电流 电解槽的电流进入铝液后经阴极碳块，由阴极钢棒横向引出，会引起横向水平电流。
（2）槽内纵向水平电流 由于各阴极母线的电阻不均而引起沿电解槽长边流动的纵向水平电流。
（3）端部纵向水平电流 由于在电解槽长边两端，从铝液导出电流的阴极碳块位于阳极边缘以外，则有水平电流沿纵轴流向槽的端部。
3）水平电流的危害。
众所周知，在铝电解生产过程中，铝液中的水平电流与垂直磁场相互作用而产生水平电磁力，这个电磁力在电解槽铝液的角部和中部，上部和下部均不相等。由于力的不均衡，使铝液产生复杂的涡旋运动，铝液面发生波动，倾斜和隆起。当这种电磁干扰超过一定的限度时，电解槽就不能正常生产。这是由于在电解温度下，电解质和铝液的密度仅相差0.2g/cm3，（电解质为2.1g/cm3，铝液为2.3g/cm3），铝液的剧烈波动使已电解的金属铝又重新返回到电解质中被氧化;阳极中心部分的铝液隆起会引起极距缩小，电流密度增大，从而使阳极消耗加快和电流密度分布不均，引起电流效率下降;铝液隆起中心可能触及阳极造成局部短路，增大电耗;当铝液环流超过某一数值时，可使阴极槽壳变形，槽帮层次被熔融金属破坏。
总之，由于电磁干扰而引起的铝液扰动，降低电流效率，增大电能损耗，影响电解槽的热传导，槽内衬的完整和槽子寿命，以及能耗等经济技术指标。这就是电磁干扰或者说铝液中水平电流对铝电解产生的不良影响。
1 专利技术现状分析
1.1 降低铝电解水平电流的策略
铝液中水平电流对铝电解产生的不良影响，降低铝电解水平电流的技术手段主要包括阴极钢棒、阴极炭块、母线配置、在线调整等方面。且降低铝电解水平电流的技术手段主要集中在调整钢棒和阴极炭块方面，分别占据55%和27%。
1.2 阴极钢棒
降低水平电流的措施中，改变现有阴极钢棒的形状是简单易行投入少的方法，并且适合已有配置好的铝电解槽阴极改造。电解槽阴极中的钢棒可分为水平放置和竖直放置。
1.2.1 水平钢棒
传统的电解槽阴极结构中，在纵向阴极钢棒截面是一样大小的，由于槽中间铝液比槽两侧铝液距阴极钢棒头远，且电流从在阳极中的竖直向下到钢棒的横向导出，中间需要一个转向过程，因此铝液层中电流有从中间向两边流的趋势，即从槽中间向外的水平电流，它是由电解槽的出电方式决定的。为了减小水平电流，通常的做法就是想办法增加阴极钢棒头处的电阻，迫使电流往垂直方向流动。
贵阳铝镁设计研究院（CN102925925A 20130213、CN202246901U 20120530、CN2892888Y）公开了改善铝电解槽阴极电流密度的钢棒结构，阴极钢棒（2）由传统的等截面形状改为变截面形状，阴极钢棒（2）在槽中轴线处截面面积最大，向两端逐渐收缩，出电口处其截面面积最小。以贵阳铝镁设计研究院设计的420kA电解槽为例，在电解槽阴极结构不做任何处理的情况下，铝液层水平电流最大值在5000A/m2左右，平均值在2721A/m2，采用该阴极结构以后，水平电流明显降低，平均值由传统阴极结构下的2721A/m2降低至了1451A/m2，降幅达到47%，这就意味著变相地把垂直磁场优化了47%。
1.2.2 竖直钢棒
为了消除铝电解槽阴极的水平电流，东北大学设计研究院（CN200964442Y 20071024）提供了一种铝电解槽母线配置结构，一种铝电解预焙槽的母线配置结构，包括阴极炭块、阴极钢棒、阴极母线和软铝母线，其特征在于：阴极钢棒完全垂直安放在阴极炭块中，并整体垂直安置在槽底板上，在电解槽底部导出电流。由于将传统的电解阴极和钢棒的水平排列改为垂直排布的配置，结果槽内电流在铝液中主要产生水平方向的磁场，铝液中水平电流分量将大大减小，对电解槽运行的稳定大为有利。同时，槽底母线配置也将大为简化，还能大大节省母线的用量。
1.2.3 高导电性阴极钢棒
造成铝液中存在较大水平电流的主要原因是铝液的电导率显著优于电解质和阴极碳块，也优于高温下的阴极钢棒。针对现行铝电解槽在结构上的这一缺陷，中南大学（CN102268695A20111207）提供了一种板式阴极集流方式铝电解槽，以铜或铜合金板取代钢棒的阴极集流方式铝电解槽，由于铜或铜合金导电性优于铝液，故可将水平电流由铝液层转移至阴极碳块底部的铜或铜合金板，另外，铜板和铝液导热性良好，使得阴极碳块顶面和底面近似为等温面，从而减小碳块中水平温度梯度。铜或铜合金熔点高于铝电解工作温度，机械性能和焊接性能良好，可满足铝电解槽选材要求。
1.2.4 调整阴极钢棒的局部电阻
中国铝业股份有限公司（CN102234820A 20111109）提供了一种减少铝电解槽铝液水平电流的方法，在阴极炭块（1）或钢棒（2）或其连接材料阴极糊或磷生铁（4）处铺设部分电流导流材料（3），使铝液中电流相对较均匀的进入阴极炭块，通过钢棒，从电解槽侧部出来。该导流材料（3）根据需要在阴极不同部位铺设至少一种电阻率不同于炭塊或钢棒的材料或绝缘材料组合，可以替代部分炭块材料、钢棒材料，或与其组合在一起，同时可通过调整电流导流材料（3）形状，其宽度、高度或厚度阶梯状或渐变式逐渐变化，所述的电流导流材料，可根据需要在不同位置采用不同阻值的材料，从而改变阴极电阻分布，调整阴极电流分布，使铝液中水平电流减少，增加电解槽磁流体稳定性，提高电流效率和槽寿命。
1.3 阴极炭块
湖南晟通科技集团有限公司（CN101942676A 20110112、CN101949033A20110119、CN101949037A 20110119）提供了一种异型阴极结构铝电解槽，括槽壳、设置在底部的耐火保温材料、阳极和阴极碳块，在阴极碳块底部装设有阴极钢棒，其特征在于，所述阴极碳块上端沿纵向为圆角或者弧形角，阴极碳块顶部开设有横向凹槽。该异型阴极结构铝电解槽能够大大降低铝液中水平电流、使阴极碳块和阴极钢棒电流密度更均匀、阴极碳块和阴极钢棒中磁场分布更均匀、能够有效减缓铝液流速和铝液波动幅度，大大延长了电解槽的使用寿命。
1.4 母线配置
河南中孚实业股份有限公司（CN101838826A 20100922）提供了一种垂直出电铝电解槽周围母线的配置方法及配置系统，包括：在进电侧和出电侧分别设置24根阴极软母线，使进电侧和出电侧的电流对称分配，另外，将进电侧和出电侧分别设置的24根阴极软母线分别分成八组，并且，每一组阴极软母线从电解槽阴极钢棒向下连接到一个槽底横母线上，每一个槽底横母线均由一根阴极母线作为引出线，在出电侧设置六根立柱母线，每根立柱母线上均与八根阴极母线连接，该八根阴极母线分别由进电侧阴极母线和出电侧阴极母线组成。本发明使铝电解槽铝液层的水平电流极小，保证了铝电解槽在生产过程中铝液层的平稳，能大幅度提高电流效率，增加原铝产量，节省电能。
1.5 在线调整
中南大学（CN1974864A 20070606）提供了一种基于节能的铝电解槽单阳极极距调整方法，包括以下步骤：整体降低阳极横梁母线，直到槽电压波动超过80mV为止;测量阳极电流;测量铝电解槽单阳极极距;根据阳极电流波动大小和极距大小选择关键极进行调整。其根据实时测量的极距分布和阳极电流对单阳极极距进行调整，可减少区域性和局部水平电流、降低平均极距、减少铝液波动，最后在槽况整体优化的基础上实现提高电流效率、降低能耗、同时提高槽寿命的目的。
1.6 其它
云南云铝润鑫铝业有限公司（CN103668331A 20140326）提供了一种有效延长铝电解槽使用寿命的方法，在阴极炭块表面涂覆硼化钛-炭胶涂层后，有效提高铝液与曲面阴极炭块的湿润性，减少槽底沉淀，大幅度降低槽底压降，减少水平电流，延长电解槽使用寿命。
2 总结
熔盐电解法生产金属铝的技术已有100多年，电解槽从最初的每吨铝几万度电，发展到现在的吨铝电耗1万多度，电解槽的结构也几经变化。然而铝电解技术发展最快的还是最近30年，其显著的有代表性的特征与标志是电解槽的容量，即电流强度从100KA发展到现在500KA。铝电解是高能耗产业，其中，电力的成本最多，占据40%左右，电解铝被纳入国家供给侧结构性改革的重要领域，明确化解电解铝产能过剩为当前和今后一个时期推进电解铝产业结构调整的工作重点。可以预见未来，如何调整电解槽结构，例如调整阴极炭块或钢棒的结构与组成，以降低能耗，达到节能减排的要求，是科研工作者的研究方向。
参考文献
[1]冯乃祥，彭建平，王耀武，狄跃忠，王紫千.铝电解高效节能技术应用与研究现状[J].材料与冶金学报，2010，S1：1-7.
