在當前全球氣候變化和能源危機日益嚴峻的背景下，鋁電解行業(yè)的節(jié)能降耗顯得尤為重要。近日，鄭州大學梁學民、陳昱冉為通訊作者，韓錦峰為第一作者在JCR2區(qū)《Sustainability》期刊發(fā)表題為“Simulation and Application of a New Type of Energy-Saving Steel Claw for Aluminum Electrolysis Cells”的研究論文，該論文創(chuàng)造性的提出一種新型鋁電解槽陽極鋼爪結構，顯著改善了陽極鋼爪電流分布，降低了陽極組壓降，該技術具有普遍適用性，為電解鋁行業(yè)的節(jié)能降碳提供了新技術。論文DOI：https://doi.org/10.3390/su16188061。

全文摘要：

電解鋁工業(yè)作為典型的高能耗行業(yè)，其節(jié)能技術的進步對于推動生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有顯著影響。在傳統(tǒng)鋁電解槽中，由于鋼爪的電流密度分布不均勻，常常造成電能的大量損失，增加了電解鋁生產的能耗。為了應對這一挑戰(zhàn)，本研究設計了一種新型的均流式陽極鋼爪（CESC）。通過ANSYS模擬研究，梁學民教授團隊發(fā)現(xiàn)CESC相較于傳統(tǒng)鋼爪（TSC）能夠實現(xiàn)更加均勻的電流密度分布，并且能夠降低約36毫伏的電壓。此外，CESC的應用還優(yōu)化了鋼爪的溫度分布，有效減少了因溫度不均而引發(fā)的開裂和變形風險。工業(yè)應用測試的結果與模擬研究高度吻合，驗證了模擬結果的準確性。經濟效益分析表明，采用CESC技術，理論上每生產一噸鋁可以節(jié)省114.1千瓦時的電能。若該技術在中國得到廣泛推廣，預計每年能夠節(jié)省高達47.5億千瓦時的電能。因此，CESC的開發(fā)不僅前景廣闊，而且對于提升鋁電解行業(yè)的整體技術水平具有重要的意義。

核心內容：

在鋁電解槽中，由于電流分布不均，傳統(tǒng)鋼爪（TSC）常常導致能量損失和爆炸焊連接易脫落的問題。為了解決這些問題，研究團隊引入了導流塊（CGB）將鋁導桿和鋼爪直接連接，如圖1所示。這一創(chuàng)新設計巧妙地利用了鋁的高導電性，無需改變現(xiàn)有電解槽的結構，便實現(xiàn)了電流的均勻分布。圖2和圖3分別展示了傳統(tǒng)鋼爪與均流式陽極鋼爪（CESC）的電流密度分布仿真結果和鋼爪路徑的電流分布情況。

圖1 均流式鋼爪示意圖

圖2 傳統(tǒng)鋼爪（a）和均流式陽極鋼爪（b）電流密度分布仿真圖

圖3 傳統(tǒng)鋼爪和均流式陽極鋼爪的路徑電流密度分布圖

在圖4中展示的傳統(tǒng)鋼爪（a）與均流式陽極鋼爪（b）的電流走向示意圖中，我們可以觀察到CESC的設計通過優(yōu)化電流的路徑，促進了電流在鋼爪中的均勻分布。這種設計不僅減少了能量損失，還有效降低了鋼爪的電壓降。

圖4 傳統(tǒng)鋼爪（a）和均流式陽極鋼爪（b）電流走向示意圖

CESC的設計通過復合材料將鋼爪和鋁導桿直接連接，實現(xiàn)了電流更直接、更均勻地流向鋼爪的各個部分，有效減少了鋼爪內部的橫向流動和電流集中。這種電流路徑的優(yōu)化策略，使得電壓降在鋼爪橫梁和鋼爪頭分別降低了32mV和4mV，壓降仿真結果見圖5。

圖5 傳統(tǒng)鋼爪（a）和均流式陽極鋼爪（b）壓降仿真圖

這種改進不僅降低了能耗，還減少了因電流集中而產生的過熱風險，從而延長了鋼爪的使用壽命（見圖6）。此外，CESC的使用還顯著降低了導桿與鋼爪之間的溫差，使得最大溫度和溫度梯度分別降低了50℃和19℃，這進一步增強了電解槽的運行穩(wěn)定性（見圖7）

圖6 傳統(tǒng)鋼爪（a）和均流式陽極鋼爪（b）溫度仿真圖

圖7 傳統(tǒng)鋼爪和均流式陽極鋼爪路徑1（a）和路徑2（b）溫度分布圖

研究結論：

（1）在CESC中，CGB的引入有效減少了鋼爪橫梁和鋼爪頭內的電流路徑，優(yōu)化了電流密度分布。相較于TSC，CESC分別降低了鋼爪橫梁和鋼爪頭的電壓降32 mV和4mV。

（2）CESC的應用顯著改善了溫度控制，導桿與鋼爪之間的溫差減少了49℃。此外，鋼爪橫梁的最大溫度降低了50℃，溫度梯度降低了19℃，顯著降低了鋼爪因長期暴露于高溫環(huán)境而發(fā)生變形和脫落的風險。

（3）若CESC技術在中國鋁電解行業(yè)得到廣泛應用，預計每年可節(jié)省約47.5億千瓦時電能，相當于減少了58萬噸標準煤的消耗和470萬噸二氧化碳的排放。

本研究不僅在理論上證實了CESC設計的可行性，而且在實際工業(yè)應用中也展現(xiàn)了顯著的節(jié)能潛力。CESC的推廣有望為鋁電解行業(yè)帶來能效提升的新機遇，并為實現(xiàn)全球節(jié)能減排目標做出貢獻。

作者簡介

韓錦峰，博士，主要從事鋁電解槽仿真設計優(yōu)化研究及鋁電解工業(yè)節(jié)能相關領域研究。發(fā)表學術論文2篇。

梁學民，1962年9月生于山西新絳，我國著名鋁冶金專家，享受國務院政府特殊津貼?，F(xiàn)任鄭州大學特聘教授，鋁冶金學科帶頭人，中國有色金屬學會常務理事。曾任貴陽鋁鎂設計研究院總設計師，河南中孚實業(yè)股份有限公司總工程師、董事、總經理，鄭州輕冶科技股份有限公司董事長、總工程師、首席專家，湖南中大冶金設計院院長等職；先后兼任中南大學教授、“難冶有色金屬資源高效利用國家重點實驗室”副主任、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會專家委員會委員、全輕金屬冶金學術委員會副主任委員、科技部“高效節(jié)能鋁電解科技創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”專家委員會主任、中科院973項目專家、國家863項目評審專家、國家科技獎勵評審專家等。

在鋁電解槽物理特性對電化學過程影響機理研究、大型鋁電解槽設計以及鋁電解系列連續(xù)運行工藝與裝備開發(fā)領域做出了重要貢獻。是我國“鋁電解槽熱、電、磁及磁流體力學數(shù)學模型與計算機仿真技術”（簡稱“三場”）的創(chuàng)始人之一；是我國一系列現(xiàn)代大型鋁電解工業(yè)原型槽（180kA、280kA、320~500kA）的設計者和技術的開創(chuàng)者；是大型鋁電解系列不停電（全電流）停/開槽技術（賽爾開關）的發(fā)明人，完成“大型鋁電解系列連續(xù)、穩(wěn)定運行工藝與成套技術裝備”的研制，破解了電解鋁工業(yè)大型化“卡脖子”技術難題。提出概念并系統(tǒng)構建了鋁電解槽“雙端節(jié)能”理論與技術體系，開辟了電解鋁工業(yè)節(jié)能降碳技術的新領域。

多次擔任國家重大科技攻關技術總負責人。獲國家技術發(fā)明二等獎1項，中國專利金獎1項；國家科技進步一等獎1項、二等獎2項，省部級科技進步一、二等獎17項；獲得國家設計金獎、省部級工程設計獎一、二等獎4項；獲授權國家專利146件，其中發(fā)明專利28件,發(fā)表學術論文60余篇，主要著作有《現(xiàn)代鋁電解生產技術與管理》、《現(xiàn)代鋁電解設計與智能化》等,入選國際鋁協(xié)”全球鋁工業(yè)50年50位代表人物”榜單。

陳昱冉，鄭州大學直聘副教授，碩士生導師，主持或參與國家自然科學基金2項，省部級及市廳級基金6項。研究方向：1）鋁工業(yè)固廢處理及資源化利用；2）超聲波基礎理論及超聲團聚研究；3）微細礦物浮選工藝及設備。擔任《Seperation》期刊特刊編輯，擔任期刊《Frontiers in Chemistry》評審編輯，在國內外學術期刊發(fā)表學術論文32篇，其中第一或通訊作者論文24篇，授權發(fā)明專利6項。