原创 技术分享丨美铝企业Alcoa铝电解技术的发展——预焙槽

Alcoa在全球首先开发了中间下料密闭式预焙槽，采用酸性电解质成分、低温电解和频繁下料，而后又发展到点式下料。因此可以说，Alcoa是发展大型点式加料预焙槽的先驱。

从20世纪40年代开始Alcoa共开发了9种不同类型的预焙铝电解槽技术，系列电流强度逐步增加。横向排列、母线端部进电的N-40、T-51、P-75和P-88的槽型，以及横向排列、母线大面进电的P-100、P-155、A-697、P-225和A-817槽型。

40年代，Alcoa采用N-40(Niagara)50kA中心下料预焙阳极电解槽(center-work PB cell technology)为美国政府建造了7座铝冶炼厂。印度斯坦铝公司(Hindalco)于1974年在印度雷努库特(Renukoot)使用类似的主流预焙槽技术建造了电解铝生产线，对原有的预焙电解槽进行了重大的现代化改造。

50年代，Alcoa采用端部立柱母线进电的T-51槽型在罗克代尔(Rockdale)和韦纳奇(Wenatchee)建造了电解铝生产线。而扩大版的P-75槽在马塞纳(Massena)安装使用(后来废弃)，另一版的P-88槽安装在瓦里克。在20世纪60年代早期，第一个采用四点进电母线设计的P-100槽型，安装在罗克代尔、韦纳奇和瓦里克的电解铝生产线上。

60年代美国炼铝的电价比较低，因此，Alcoa在60年代的大部分工作都集中在提高电解槽生产能力和降低投资方面。这一情况与欧洲特别是法国铝业公司(Pechiney)形成鲜明的对比，以法铝为首的欧洲派由于某些地区电价较高，所以一直积极从事低电流密度和低电耗电解槽的开发。Alcoa在60年代开发的150kA以上大型电解槽，大部分阳极电流密度在0.80A/cm2以上甚至达到0.9A/cm2。

70年代末，在美国及欧洲出现了两种形式的预焙槽[2]。一种是密闭式、中间下料、环保型、横向配置的预焙槽，采用了高阳极电流密度(0.9A/cm2)，电耗也高(15,000kWh/t-Al以上)，以Alcoa、Kaiser和加铝(Alcan)为主，后来也应用于巴林、迪拜等地区。第二种是敞开式、边部加料、纵向配置的低能耗预焙槽。其特点是阳极电流密度低(0.72A/cm2左右)，能耗也低(12,900kWh/t-Al以下)，以瑞铝(Aluswiss)、德国联合铝业(VAW)和法铝(Pechiney)等为代表，德国、挪威和东欧国家也普遍采用了这种欧洲型预焙槽。日本早期也引进了瑞铝和法铝的边部加工、敞开式的低能耗预焙槽技术。

之后，在上世纪70年代中期和80年代，Alcoa逐步开始重视开发低能耗电解槽。1977年在P155型预焙槽的基础上开发了Alcoa-697，后来又开发了Alcoa-817。美铝的大型预焙槽技术从此达到了巅峰。

P-155是Alcoa有代表性的第一代大型电解槽，最初设计时考虑了加强槽底保温，并在阴极母线系统电流的均匀化和磁场的优化方面取得了一定的效果，另外在排烟装置上设置了双抽气系统，以保证更换阳极和出铝时(打开密闭罩)能有效地捕集烟气。这种电解槽1963年首先在澳大利亚享利角(Point Henry)铝厂商业化应用，1964年美国北卡罗莱纳州贝丁(Badin)铝厂也安装了这种槽。由于操作上的改进，电流可以强化到170kA(加大了阳极尺寸)。

50年代开始，Alcoa的电解槽开发主要集中在田纳西州一个名为Potline B的冶炼开发实验室。在这里，全尺寸的原型电解槽在各种操作技术和电流条件下进行操作、研究和评估，他们收集了大量有关热损耗、电压损耗和磁效应的数据，并利用这些数据进行了原始的人工分析。Alcoa开发的永久和便携式热流变送器，通过对热损失和磁场导致的金属和电解质流动的研究，已经证明了几种类型的相互作用的存在。

解决磁问题的一个关键因素是所提出的模型单元的构造。Alcoa按照1/16精确尺寸，建立了包括了适当的磁性和非磁性元件的模型。利用这一模型，可以快速、低成本地评估母线配置和屏蔽位置的许多变化的影响。以这种方式获得的数据可以通过对全尺寸电解槽试验的测试来验证。此后，适当的经验因素被输入到新开发的计算机算法中。在电解槽的设计和操作分析中使用了几种计算机模型，其中包括一维的热平衡模型和三维有限元热流模型。另外采用一个一维动态模型预测不同的电力输入和电解槽运行条件下的经济结果，这对于优化电解槽性能非常有用。

由于Alcoa的电力基础成本相对较低，20世纪60年代的大部分开发工作集中在高生产率的电解槽和低资本投资方面。对于其他大陆的生产商来说，这一推动力是巨大的，因为在这些大陆，电力供应和成本问题都迫使其必须依靠降低电流密度降低电力消耗。这一时期，Alcoa的基本做法就是在电解槽设计上增加电流和阳极电流密度，一般在0.80A/cm2以上，最高可达0.90A/cm2。并在电流超过150kA的电解槽上进行了两种基本方案的研究。

第一个方案就是今天所称的P155。最初，这种槽型原设计在电流为155kA的情况下运行。提高产量和劳动生产率的压力促使他们的研究机构对阴极隔热和电解质化学成分进行了进一步的研究，通过这些努力和改进使电流达到了170kA。该槽型1978年的指标列表如表4。

此后这种槽型共建设了约10个系列，指标均超过了1978年的水平，当然电耗指标不如新设计的低电流密度的电解槽，但高生产率和低投资的经济效果在当时很被人所重视。

该电解槽具有自动化程度高、生产效率高、功耗合理等特点。这个电解槽也是在Potline B中开发出来的，名义电流强度225kA，为了在这种大电流产生严重的磁效应，设计了一个相当复杂的阴极母线系统，采用大面四根立柱母线进点方式;与传统电解槽的第二个显著区别是16对由计算机控制的阳极的独立进行调整，每个阳极提升机驱动器带动两个阳极。Alcoa为这一改进付出了14年的努力，在B系列和三代槽上完成设计，这一成就还要归功于高速计算机用来处理大量的数据。

起初根据经验许多操作人员一直怀疑控制数据不足的阳极会加剧不稳定性，会加速金属运动，使电解槽电压控制更加困难。最后使用了6台Mod CampII计算机(3控制+3备份)在其马塞纳(Massena)新的大型铝电解系列上，而且能够将230kA的磁场处理得跟170kA槽一样好，这一在铝电解系列上的开发成就在全世界都是无可比拟的。

Alcoa认为当时对阳极进行这种独立的控制是有必要的，尽管当时还不能回答这个问题，因为还没有开发出这个电流级别的控制模块。在采用大阳极和高电流的情况下，阳极设置、出铝和冷电解质添加剂所造成的电流分布不可避免要对电解槽运行造成很大的干扰。例如，当一个阳极对被重新放置在P-225上时，15,000A的电流必须重新分配。这种瞬态效应会使一些生产中使用的深金属熔池-炉帮的设置方法在这种电流下变得不可行。在马塞纳(Massena)每台电解槽每天都要对40对阳极做调整的做法，可以得到一些关于这个问题的启示。

还有其他特点包括双容积通风的密闭系统，自动氧化铝点式下料技术，采用空气输送系统将氧化铝输送到电解槽中。显然，阳极单独调整后阳极横梁的提升自然也就不需要了。电解槽Alcoa自1970～1972年在田纳西州和1975年在马塞纳(Massena)分别经营了两家铝厂，使用了P-225型电解槽。总的来说，这种槽仍然是一种高电流密度的槽型，所以电耗指标并不好，1969年美国Alcoa在田纳西铝厂建设了第一个系列，用这种槽建了三个系列，电流达到230kA，最大的系列位于马塞纳，系列产能达到13万吨/年。该电解槽的性能一直很好，马塞纳铝厂1978年性能数据见表5。

直到70年代初期，由于美国电价上涨，Alcoa才开始注意设计开发低电耗的电解槽。而长期面临电价高涨的世界上其它铝企业早已开始设计低电流密度、低能耗的电解槽了。Alcoa首次付出极大的努力进行研究，设计出Alcoa-697型电解槽。这种电解槽与P-155型槽的设计相似，不过结构尺寸更大。

Alcoa-697型电解槽的发展和改进不是在实验室完成，而是在贝丁铝厂(北卡罗莱纳州)的一个生产系列中完成的。与之前的P-155型电解槽主要区别，是在以前3台传统的P-155电解槽的位置上只安装了2台Alcoa-697试验电解槽。为了使这些试验槽具有灵活性，另外安装了一套整流系统，使它能以大于200kA的电流容量进行操作。Alcoa-697与以往的设计相比其重大改进是:设计了一种密闭罩系统，以保证最大限度地捕集烟气，而且安装有氧化铝自动加料装置和风动氧化铝运输系统。阳极组数为24块，阳极尺寸为690×1500mm，在电流强度183kA时阳极电流密度为0.74A/cm2，这种试验电解槽于1977年5月投入运行。电解槽的最初能够开发成功，很大一部分原因是由于采用了计算机模型确定阳极母线的尺寸、槽内衬隔热层设计和电磁特性的优化模拟。通过在电解槽中测定，达到了预测的稳定性--铝液深度仅10～12cm情况下有很好的稳定性。熔体流动速度低于0.1m/s，铝液面波动在±6mm以内。

1978年美国新美铝公司(Alumax)决定在Mt. Holly建设一个大型铝厂并采用Alcoa-697型电解槽。为选择所需的最佳输入电流值和电能消耗量，并能使电解槽稳定生产，对Alcoa-697电解槽的操作进行了分析，最终确定的电流强度为180kA。表6为Alcoa-697输入不同电流值条件下电解槽的操作结果。

Alcoa-697电解槽在设计上进行了一些改进，并且在工艺上做了一些调整，以评估其对电解槽操作和效率的影响。在低电流密度下运行时，炉帮形成出现了明显的问题，角部阳极更换也遇到了一些问题。为此，对端部内衬保温材料进行了重新研究和修正，以取得更可行的伸腿形状。后来拆除了其中一台原型槽，并在局部采用了陶瓷内衬材料，改进后达到了预期的伸腿形状。重新设计的P-225也是按照类似低电流密度设计的，这在当时来说是有史以来Alcoa最大的电解槽，现在马塞纳的P-225电解槽生产线上就有两个原型槽。初步的结果表明，新设计P-225电解槽可与Alcoa-697媲美，而且运行电流超过230kA。

Alcoa在生产系列上设计开发新电解槽方面的经验被认为是成功的。先进的设计技术和计算机模型已经使准确地预测电解槽设计和运行结果成为可能，因此，在最初的Potline B开发时在实验室使用的传统方法，后来被类似用于设计Alcoa-697电解槽的先进方法取代。

1978年，美铝(Alcoa)在位于马塞纳的冶炼厂以280kA电流运行了一台试验电解槽，命名为Alcoa-817型预焙电解槽。这种槽型是在P225和Alcoa-697基础上开发的，采用了侧部五个立柱母线进电和点式下料铝电解槽技术。该电解槽后来在澳大利亚波特兰(Portland)冶炼厂投入工业运行，共建设了两个系列，每个系列204台电解槽，运行电流275kA，分别于1986年4季度和1988年3季度投产。

波特兰铝厂的Alcoa-817槽每个系列两栋厂房，面积750×25m2，电解槽槽间距6.1m，每栋厂房配置两台多功能天车和两台出铝天车。Alcoa-817型电解槽有32个阳极，阳极尺寸为1625×720mm。该槽型运行技术指标如表7所示。

Alcoa-817是美铝开发的最大容量的现代预焙槽，在上世纪80年代曾经代表了当时世界铝电解的最高水平(与Pechiney的AP30并驾齐驱)。但据报道后来在运行中出现了电磁不稳定的问题，导致该公司2002年进行了磁改造。此后由于操作困难Alcoa-817技术从来没有在其他任何地方使用过。

来源：梁学民 铝高端制造