換極對爐門口鋁水平的影響規(guī)律研究

章烈榮

(青銅峽鋁業(yè)股份有限公司寧東鋁業(yè)分公司，寧夏 銀川 750409)

0 前言

鋁水平的高低是影響電解槽穩(wěn)定性和熱平衡的重要因素，是鋁電解生產(chǎn)的重要工藝參數(shù)。鋁水平保持過低，鋁液水平電流大，電解槽穩(wěn)定性差，熱傳導(dǎo)不良，既不利于均勻槽內(nèi)溫度和散熱，也不利于形成厚實(shí)規(guī)整的爐膛內(nèi)型；鋁水平保持過高，電解槽散熱大，增加能耗，且容易進(jìn)入冷行程，導(dǎo)致爐底沉淀增多等，不利于電解槽長期穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。生產(chǎn)實(shí)踐中，技術(shù)人員往往將鋁水平作為衡量在產(chǎn)鋁量、制定出鋁計劃的重要依據(jù)。除受在產(chǎn)鋁量、爐膛狀況影響外，鋁水平還受換極作業(yè)的影響[3-5]。鋁水平隨換極位置出現(xiàn)的波動干擾技術(shù)人員對槽況的判斷，不利于生產(chǎn)管理。因此，研究鋁水平隨換極位置的變化規(guī)律，并制定相應(yīng)的修正策略對鋁電解生產(chǎn)具有十分重要的意義。

本文統(tǒng)計分析某350 kA電解車間140臺電解槽出鋁端爐門口的鋁水平，研究三輪換極過程中鋁水平隨換極位置的變化規(guī)律，并提出相應(yīng)修正模型。

1 文獻(xiàn)研究

生產(chǎn)中，往往通過某固定測量點(diǎn)的鋁液高度來反映鋁水平。

鋁水平受多方面因素的影響。鋁水平受爐膛內(nèi)型的影響，在同樣的鋁量條件下，鋁液鏡面小的電解槽鋁水平更高；在爐膛內(nèi)型一定的條件下，鋁水平是鋁量大小的直觀體現(xiàn)；在爐膛內(nèi)型和鋁量一定的條件下，鋁水平受鋁液-電解質(zhì)界面變形的影響。

鋁液-電解質(zhì)界面變形直接由磁場和鋁液層水平電流決定。換極前后，陽極電流分布、陰極鋼棒電流分布和鋁液層水平電流發(fā)生大幅變化，鋁液-電解質(zhì)界面變形隨之發(fā)生顯著變化。宗傳鑫等[1]以某420 kA大型預(yù)焙鋁電解槽為對象，利用ANSYS平臺建立鋁電解槽在異常槽況下的電場有限元模型，計算并分析了生產(chǎn)過程中氧化鋁沉淀和陽極更換過程對電場的影響，發(fā)現(xiàn)隨著換極位置的改變，電解質(zhì)層電場、鋁液水平電流密度及鋼棒電流均呈現(xiàn)大幅變化，且電解質(zhì)層電場、鋁液層水平電流密度平均值和最大值均隨著換極呈對稱變化分布。曹曦等[2]建立了500 kA電解槽電磁場與流場的計算機(jī)仿真模型，利用該模型模擬了換極前后鋁液水平電流和鋁液界面變形情況，結(jié)果顯示，換極后的最大水平電流達(dá)到換極前的2～3倍，鋁液電解質(zhì)界面變形幅度增加4～10 mm，界面變形超過10 mm和20 mm的面積占比分別增加了1.5倍和2.3倍。李賀松等[3]計算了各個陽極更換情況下175 kA預(yù)焙鋁電解槽的流場，分析了不同陽極更換時的鋁液-電解質(zhì)界面分布，結(jié)果表明，換極增大了鋁液和電解質(zhì)界面的最大向上變形量和最大向下變形量，最大向上變形量由中間向兩側(cè)增大。

由于換極位置呈周期性規(guī)律，鋁液-電解質(zhì)界面變形也呈周期性變化，最終表現(xiàn)為鋁水平的周期性變化。

2 換極對鋁水平的影響規(guī)律分析

2.1 基本情況

某350 kA電解槽為大面6點(diǎn)均勻進(jìn)電，進(jìn)電端為A面，出電端為B面，共48塊陽極，陽極位置排序從煙道端開始。每次更換2塊，換極周期為33 d，換極順序見表1。

表1 350 kA電解槽換極順序

在生產(chǎn)穩(wěn)定、出鋁量相對穩(wěn)定的情況下，某350 kA電解車間表現(xiàn)出單槽鋁水平波動較大的情況，典型的單槽鋁水平變化如圖1所示。

圖1 某350 kA電解槽典型鋁水平變化

由于鋁水平受多種因素影響，為盡可能排除換極以外其他因素的影響，選擇整車間鋁水平處于相對穩(wěn)定的階段進(jìn)行研究，電解槽槽數(shù)為140臺。1—4月電解槽的鋁水平如圖2所示。

圖2 1—4月車間鋁水平平均值

2.2 研究方法

按照以下順序統(tǒng)計分析圖2三輪換極對應(yīng)的鋁水平，研究換極對鋁水平的影響規(guī)律(為降低異常值對結(jié)果的影響程度，選用中位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計)：

1)統(tǒng)計單槽每輪換極對應(yīng)的鋁水平中位數(shù)(A)。

2)統(tǒng)計單槽更換不同位置陽極時的鋁水平與該周期鋁水平中位數(shù)(A)的偏差(B)，即用鋁水平減去中位數(shù)。

3)統(tǒng)計不同槽更換相同位置陽極時的鋁水平偏差(B)的中位數(shù)(C)。

4)根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，分析換極對鋁水平影響的規(guī)律。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 周期性規(guī)律

對每一輪換極，統(tǒng)計更換不同位置陽極時對應(yīng)的鋁水平偏差(B)，得到圖3～圖5(圖中換極位置代表表1中的兩塊陽極)。

圖3 第一輪更換不同位置陽極時的鋁水平偏差(B)線箱圖

圖4 第二輪更換不同位置陽極時的鋁水平偏差(B)線箱圖

圖5 第三輪更換不同位置陽極時的鋁水平偏差(B)線箱圖

由圖3～圖5可以看到，同一位置線箱圖四分位間距平均為10 mm，鋁水平波動較大。在三輪換極中，更換不同位置的陽極時140臺電解槽鋁水平偏差(B)呈現(xiàn)相同的規(guī)律：

1)從A17到B3，鋁水平偏差呈增大趨勢。

2)從B3到A13，鋁水平偏差呈減小趨勢。

3)從A13到B23，鋁水平偏差基本維持在相同水平。

4)連續(xù)三輪換極，鋁水平偏差呈現(xiàn)周期性。

鋁水平偏差中位數(shù)(C)如圖6所示。

圖6 鋁水平偏差中位數(shù)(C)隨換極位置的變化

由圖6可以看到，鋁水平偏差中位數(shù)(C)具有以下規(guī)律：

1)更換A19、B13和B19陽極，鋁水平偏差中位數(shù)為0，因此可以將更換此3組陽極對應(yīng)的鋁水平作為整個周期的鋁水平中位數(shù)，將其視為去除換極影響后的單槽鋁水平。

2)從A13到A5，鋁水平呈負(fù)偏差，集中分布在-5 mm。局部位置的偏差在某一輪換極中達(dá)到10 mm。

3)從B1到A11，鋁水平呈正偏差，集中分布在5 mm；其中A9和B3的偏差較大，達(dá)到10 mm。

2.3.2 對稱性規(guī)律

分別統(tǒng)計進(jìn)電端(A面)和出電端(B面)鋁水平偏差中位數(shù)(C)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看到，換極對鋁水平的影響呈現(xiàn)明顯的反對稱性，即更換A面與B面對應(yīng)位置陽極，鋁水平變化趨勢相反，幅度相當(dāng)；以電解槽長側(cè)中線為對稱軸，同一側(cè)更換陽極，鋁水平變化趨勢亦相反，幅度相當(dāng)。此規(guī)律與沈陽鋁鎂院研究的該系列磁場分布沿短軸兩側(cè)基本呈現(xiàn)反對稱關(guān)系一致。

圖7 同一面鋁水平偏差中位數(shù)(C)隨換極位置的變化

2.3.3 最大偏差

140臺槽鋁水平偏差(B)的中位數(shù)及四分位間距(IQR)見表2。

由表2可以看到，鋁水平偏差四分位間距數(shù)據(jù)主要集中在10 mm。從統(tǒng)計角度分析，對于負(fù)偏差，其數(shù)值小于中位數(shù)減去1.5倍IQR，則為異常；對于正偏差，其數(shù)值大于中位數(shù)加上1.5倍IQR，則為異常。因此，對于中位數(shù)為負(fù)的，最大偏差主要考慮其下限，即中位數(shù)減去1.5倍IQR；中位數(shù)為正的，最大偏差主要考慮其上限，即中位數(shù)加上1.5倍IQR；中位數(shù)為0的，可視為鋁水平基準(zhǔn)。據(jù)此，可以計算出受換極影響導(dǎo)致的鋁水平偏差范圍，結(jié)果見表3。

表2 鋁水平偏差中位數(shù)及四分位間距 mm

表3 不同換極位置鋁水平最大偏差 mm

由于測量鋁水平最小分辨率為5 mm，因此對于更換A13到A5，鋁水平最大偏差取-20 mm，對于更換B1到A11，鋁水平最大偏差取20 mm，即換極對鋁水平偏差的影響不會超出此范圍。

由于電解生產(chǎn)多變量耦合的特點(diǎn)，綜合考慮取值范圍的合理性和實(shí)用性，將四分位數(shù)作為相應(yīng)的最大偏差參考值即可，即包含75%的范圍。鋁水平偏差(B)的四分位數(shù)見表4。

由表4可以看到，從更換A13到A5，鋁水平負(fù)偏差75%可能小于10 mm；從更換B1到A11，鋁水平正偏差75%可能小于10 mm。

表4 鋁水平偏差四分位數(shù)

2.4 規(guī)律的驗證

選取槽況相對穩(wěn)定的連續(xù)5臺槽8121#-8125#進(jìn)行驗證。將其鋁水平按上述標(biāo)準(zhǔn)(四分位數(shù))進(jìn)行相應(yīng)修正，以除去換極的影響，即鋁水平測量值減去修正值，結(jié)果如圖8所示。

圖8 修正換極影響鋁水平對比

由圖8可以看到，鋁水平呈現(xiàn)的規(guī)律與圖3一致。用minitab軟件對數(shù)據(jù)作I-MR(單值移動極差)控制圖，修正前I控制圖有41.9%的數(shù)據(jù)點(diǎn)失控，修正后I控制圖僅有10.1%的數(shù)據(jù)點(diǎn)失控。修正后，鋁水平波動變小，更為穩(wěn)定，更有助于判斷槽況和出鋁決策。

在其他條件不變的情況下，鋁液界面變形是爐門口鋁水平變化的直接原因，主要受電流分布的影響，隨著換極位置的變化而呈現(xiàn)周期性變化，從而導(dǎo)致爐門口鋁水平的周期性變化。因此，對不同的電解鋁系列，鋁水平隨換極呈周期性變化具有普遍性，不同的僅僅是偏差的幅度不同。因此上述方法具有廣泛的適用性。

3 結(jié)論

1)換極對爐門口鋁水平有影響。某350 kA電解槽鋁水平隨著換極位置的變化呈現(xiàn)周期性變化；換極引起的鋁水平波動隨換極位置呈現(xiàn)明顯的反對稱性。

2)綜合考慮合理性和實(shí)用性，可以將鋁水平偏差四分位數(shù)(10 mm)作為相應(yīng)的最大偏差參考值，并以此對鋁水平進(jìn)行修正。

3)修正換極影響的鋁水平波動變小，更有利于指導(dǎo)生產(chǎn)。