230 kA鋁電解槽物理場(chǎng)測(cè)試分析與技術(shù)條件優(yōu)化

華桂林，曾凡炯，李 俊，邵 勇，李來(lái)寶

(中煤集團(tuán)江蘇大屯鋁業(yè)有限公司，江蘇徐州 221611)

1 前言

鋁電解槽物理場(chǎng)的綜合測(cè)試對(duì)鋁電解槽結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)的優(yōu)化及生產(chǎn)過(guò)程的控制具有十分重要的意義。通過(guò)測(cè)試能系統(tǒng)地了解電解槽的各區(qū)域能量損失、槽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布及流速分布，可以對(duì)鋁電解槽的工藝技術(shù)條件合理性以及運(yùn)行工況進(jìn)行定量分析和科學(xué)評(píng)價(jià)，為提高鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、采取有針對(duì)性的技改措施提供科學(xué)依據(jù)。江蘇大屯鋁業(yè)公司根據(jù)230 kA系列電解槽物理場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了工藝技術(shù)條件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了最佳操作路線，電解槽技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐步提高，在2010年，電流效率達(dá)到了93%，噸鋁直流電耗降低了396 kW·h，并且生產(chǎn)電解槽的平均槽齡達(dá)到了1800 d(原設(shè)計(jì)1500 d)，無(wú)一臺(tái)破損停槽，綜合效益十分顯著。

2 物理場(chǎng)測(cè)試綜合分析

2．1 關(guān)于槽內(nèi)磁場(chǎng)

隨著現(xiàn)代大型鋁電解槽工作電流的增大，其載流母線和熔體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)其生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行的影響愈顯突出。由于磁場(chǎng)與熔體電流相互作用所產(chǎn)生的電磁力使槽內(nèi)熔體循環(huán)加速，導(dǎo)致鋁液面產(chǎn)生隆起、偏斜和波動(dòng)，甚至可能導(dǎo)致鋁電解槽不能正常生產(chǎn)。實(shí)踐證明，電解槽磁場(chǎng)的穩(wěn)定性是獲得良好生產(chǎn)指標(biāo)的根本保證。

2．1．1 測(cè)試數(shù)據(jù)

四臺(tái)槽的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量對(duì)比情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別列于表1和圖1～圖3中。

表1 四槽磁場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 1 The comparison of the magnetic field data measured in the four pots

續(xù)表

圖1 四槽水平方向磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bx)分布比較Fig．1 Distribution comparison of the horizontal magnetic flux density(Bx)measured in the four pots

圖2 四槽A側(cè)水平方向磁感應(yīng)強(qiáng)度(By)分布比較Fig．2 Distribution comparison of the horizontal magnetic flux density on A side(By)measured in the four pots

2．1．2 磁場(chǎng)分析與討論

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，對(duì)江蘇大屯鋁業(yè)有限公司230 kA系列鋁電解槽的磁場(chǎng)分布狀況分析如下:

1)四臺(tái)槽的x方向水平磁場(chǎng)基本上形成一個(gè)順時(shí)針的渦，x方向的磁場(chǎng)沿長(zhǎng)軸兩側(cè)呈對(duì)稱分布態(tài)勢(shì)，沿短軸兩側(cè)也呈對(duì)稱分布態(tài)勢(shì)，四臺(tái)槽A側(cè)、B側(cè)的Bx復(fù)現(xiàn)性均較好，而A側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度稍大于B側(cè);y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度沿短軸兩側(cè)基本呈反對(duì)稱分布態(tài)勢(shì)，且沿大面呈波浪狀起伏;z方向的磁場(chǎng)沿長(zhǎng)軸和短軸兩側(cè)均呈反對(duì)稱分布態(tài)勢(shì)，且沿長(zhǎng)軸有波浪狀起伏，而四臺(tái)槽大小基本相同，變化規(guī)律也基本一致。

圖3 四槽A側(cè)垂直方向磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bz)分布比較Fig．3 Distribution comparison of the vertical magnetic flux density on A side(Bz)measured in the four pots

2．1．3 幾種相近電解槽磁場(chǎng)比較

鋁液層內(nèi)的磁場(chǎng)分布是導(dǎo)致鋁液運(yùn)動(dòng)從而影響槽子熱平衡狀態(tài)和能耗的重要原因。為便于比較和評(píng)價(jià)，表2列出幾種四點(diǎn)進(jìn)電大型槽內(nèi)的磁場(chǎng)測(cè)定結(jié)果。

表2 幾種相近槽型的實(shí)測(cè)磁場(chǎng)特征值比較Table 2 The comparison of the characteristic data of the magnetic field measured in several similar types of pots

2．2 電壓平衡

2．2．1 電壓平衡測(cè)算結(jié)果

為了處理電壓平衡計(jì)算中大量測(cè)試數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算工作，統(tǒng)計(jì)了被測(cè)槽各部分壓降計(jì)算結(jié)果，匯總結(jié)果見表3。由表3可以看出，各項(xiàng)測(cè)量值之和與直接測(cè)得的平均槽電壓值基本達(dá)到平衡，最大誤差為62．96 mV(最大相對(duì)誤差為1．51%)，其在測(cè)量誤差允許范圍(±2%)之內(nèi)，表明測(cè)算結(jié)果是可信的。

表3 電壓平衡測(cè)算結(jié)果匯總Table 3 The results collection of the voltage balance calculation

2．2．2 陰極電流分布分析

各陰極電流的計(jì)算結(jié)果繪制成電流分布圖，如圖4所示(僅以426#槽為例)。陰極軟帶電流分布分配見表4，各槽陰極電流分布及分配有以下幾個(gè)特征:

1)四臺(tái)槽中326#和140#陰極的A側(cè)電流總和都大于B側(cè)，即電流向A側(cè)傾斜;426#和231#陰極的A側(cè)電流總和都小于B側(cè)。四臺(tái)槽中，兩側(cè)軟帶電流偏斜最大的為426#槽，其A側(cè)總電流占48．96%，B側(cè)總電流占51．04%;140#槽其次，兩側(cè)電流相差1．68%，共 3．92 kA;326#槽兩側(cè)的電流相差1．50%，共3．48 kA;231#槽兩側(cè)的電流相差最小，但也相差1．46%，共3．40 kA。

2)四臺(tái)槽A、B側(cè)端頭陰極軟帶的電流都偏小，這是導(dǎo)致角部伸腿肥大的原因之一。造成上述現(xiàn)象主要是由于陰極母線和陰極軟帶的配置(組數(shù)、長(zhǎng)度)不同以及槽底各部的結(jié)殼和沉淀狀況等的差異綜合影響所致。

圖4 426#槽陰極電流分布圖Fig．4 The distribution of the cathode electricity in 426#pot

表4 陰極與陽(yáng)極電流分配比較Table 4 The comparison between anode and cathode electricity distribution

2．2．3 陽(yáng)極電流分布

同理，由各槽測(cè)量結(jié)果繪制成的陽(yáng)極電流分布如圖5所示(以426#為例)。陽(yáng)極電流分布參差不齊主要是由于陽(yáng)極換極導(dǎo)致陽(yáng)極高度與鋁液表面高度不均勻所引起的極距不均勻這一原因所致。由測(cè)量計(jì)算出的陽(yáng)極電流分布情況來(lái)看，四臺(tái)槽A、B兩側(cè)的陽(yáng)極電流分布較為均勻，但也存在個(gè)別陽(yáng)極電流偏大或偏小的現(xiàn)象。

陰極和陽(yáng)極電流分配測(cè)算結(jié)果見表4，可以看出:426#槽A、B兩側(cè)陽(yáng)極電流相差3．48個(gè)百分點(diǎn)，陰極電流相差2．08個(gè)百分點(diǎn)，即槽內(nèi)存在由B側(cè)到A側(cè)的水平電流;同理，326#槽內(nèi)存在由B側(cè)到A側(cè)的水平電流，231#槽內(nèi)存在由A側(cè)到B側(cè)的水平電流，140#槽內(nèi)存在由A側(cè)到B側(cè)的水平電流。

總的來(lái)說(shuō)，A、B兩側(cè)電流的分配尚欠合理，其原因應(yīng)與母線結(jié)構(gòu)、換極周期、槽況(主要是伸腿長(zhǎng)度)等因素有關(guān)。

圖5 426#槽陽(yáng)極電流分布圖Fig．5 The distribution of the anode electricity in 426#pot

2．2．4 斜立母線電流分配

江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA電解槽采用大面一側(cè)四點(diǎn)進(jìn)電母線配置，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果分析各立柱母線進(jìn)電電流的分配關(guān)系。由于對(duì)陽(yáng)極母線各節(jié)點(diǎn)壓降及斜立母線壓降均做了細(xì)致的測(cè)量，因此，采用這些測(cè)量數(shù)據(jù)和各陽(yáng)極導(dǎo)桿電流以及母線其他部分的測(cè)量數(shù)據(jù)，即可對(duì)斜立母線的電流分配進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 大面斜立母線進(jìn)電電流及比例Table 5 The entry electricity and its proportion of the tilted aluminium bus-bar

由表 5 可以看出，426#、326#、231#、140#四臺(tái)槽的最小立柱電流與最大立柱電流比例分別相差0．54%、1．98%、1．44%、1．49%，說(shuō)明四臺(tái)槽各立柱母線的電流分布基本均勻。其中426#槽的立柱電流偏差最小，僅為1．27 kA，而326#槽的立柱電流偏差達(dá)到了1．98%，為4．61 kA?？偠灾?，各臺(tái)槽的立柱母線電流比例差別不大，基本實(shí)現(xiàn)了等進(jìn)電比設(shè)計(jì)。

電能輸入是電解槽的原動(dòng)力，分析電解槽的電壓構(gòu)成是否合理是電解節(jié)能的重要舉措。為便于比較，現(xiàn)列出幾種代表槽的電壓平衡情況(見表6)。由表6可見，和其他生產(chǎn)廠家的相近槽型相比，江蘇大屯鋁業(yè)有限公司230 kA四點(diǎn)進(jìn)電鋁電解槽的陽(yáng)極壓降基本相當(dāng)，只是電解質(zhì)壓降和母線壓降都較低，但陰極壓降偏高。總體上，居同類槽型的中上水平。

表6 幾種相近槽型槽電壓構(gòu)成比較Table 6 The comparison of the cell voltage constitution in several similar types of cells

2．3 關(guān)于能量平衡

能量平衡測(cè)試點(diǎn)布置要求合理、全面，能較好地反映槽子實(shí)際散熱情況。為此，將陰極槽殼分3個(gè)區(qū)域布點(diǎn)測(cè)試，即熔體區(qū)(一帶)、陰極碳?jí)K區(qū)(二帶)、耐火層與保溫層區(qū)(三帶)。槽底板以工字鋼梁劃分測(cè)試帶，槽罩分塊測(cè)量，每塊分上、中、下3個(gè)區(qū)域布點(diǎn)測(cè)試，其中每帶(區(qū)域)又分為若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)。對(duì)于電解質(zhì)與鋁液溫度、兩水平、極距及槽膛內(nèi)形等參數(shù)，則選擇相應(yīng)位置分別測(cè)量若干數(shù)據(jù)用于分析。

2．3．1 槽殼溫度

表7給出了426#臺(tái)槽的槽殼平均溫度和最高溫度(僅以426#槽為例)。從表7中可以看出，除個(gè)別區(qū)域以外，槽殼表面溫度側(cè)部熔體區(qū)最高，其次是陰極碳?jí)K區(qū)、保溫層區(qū)，槽底則最低。其他三臺(tái)槽的測(cè)量結(jié)果表明數(shù)據(jù)符合槽殼溫度分布的一般規(guī)律。

表7 426#槽表面溫度統(tǒng)計(jì)Table 7 The statistic of surface temperature in 426#pot℃

2．3．2 總熱損失計(jì)算結(jié)果及其分析

總熱損失是指除鋁電解反應(yīng)能耗以外的能量支出。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可整理得到各槽的總熱損失分布(見表8)。同時(shí)，電解槽熱平衡狀況是影響電流效率、綜合能耗、槽工況及壽命的重要因素，在表8中列出兩種有代表性的槽熱平衡狀況以便對(duì)比。

表8 幾種槽型能量平衡狀況對(duì)比Table 8 The comparison of energy balance among different types of cells

四臺(tái)槽的總熱損失折合電壓分別為2．2501、2．1094、2．4148 V 和 2．3566 V，四臺(tái)槽子散熱損失基本相當(dāng)。四臺(tái)槽的上部熱損失分別為1．6119、1．3492、1．5824 V 和 1．6789 V，分別占總熱損失的 71．64%、63．96%、65．53% 和 71．24%。下部熱損失折合電壓分別為 0．6382、0．7602、0．8323 V和0．6777 V，分別占總熱損失的28．36%、36．04%、34．47%和 28．76%。

四臺(tái)槽的上部熱損失都大于陰極熱損失，熱量主要通過(guò)煙氣帶走(基本占50%以上)。其中426#槽及140#槽的上部熱損失高于另外兩臺(tái)槽，主要原因是它們的煙氣溫度高，帶走的熱量更多。另外，從表8來(lái)看，陰極區(qū)+保溫區(qū)+槽底+陰極棒頭的熱損失折合電壓依次為 0．3348、0．3291、0．5737 V和0．3531 V。為了更直觀地比較電解槽的熱損失狀況，以426#電解槽為例特制訂熱損失分布圖(見圖6)，從中可以清楚地看出，各槽總熱損失主要由煙氣熱損失、熔體區(qū)與陰極區(qū)的槽殼散熱損失組成，這三項(xiàng)熱損失約占總熱損失的75%。在這三項(xiàng)中，煙氣的熱損失所占比例最大。

圖6 426#槽熱損失分布Fig．6 The distribution of heat loss in 426#pot

2．4 鋁液流速

2．4．1 測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)量數(shù)據(jù)

426#槽、326#槽、231#槽和 140#槽鋁液流動(dòng)的測(cè)點(diǎn)布置分別見圖7和圖8(以426#槽和326#槽為例)。兩大面和兩小面的測(cè)點(diǎn)也就是磁場(chǎng)測(cè)定的測(cè)點(diǎn)距陽(yáng)極10 cm左右，其中的21、22、23和24測(cè)點(diǎn)即為4個(gè)下料點(diǎn)。每一測(cè)點(diǎn)測(cè)兩次，圖中不同箭頭標(biāo)記是表示采用不同組鐵棒，箭頭長(zhǎng)短按流速大小成比例標(biāo)出。

圖7 426#槽測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)點(diǎn)處鋁液流動(dòng)方向Fig．7 The measuring location and direction of the aluminium flowing around the location of 426#pot

2．4．2 結(jié)果分析

1)根據(jù)圖7和圖8所示的各測(cè)點(diǎn)處鋁液流動(dòng)方向和鋁液流速，可得出230 kA系列的426#槽、326#槽、231#槽和140#槽四臺(tái)槽的鋁液流動(dòng)圖像基本相同，大致呈兩個(gè)縱向旋渦運(yùn)動(dòng)。

圖8 326#槽測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)點(diǎn)處鋁液流動(dòng)方向Fig．8 The measuring location and direction of the aluminium flowing around the location of 326#pot

2)表9為幾種相近槽型鋁液流速測(cè)定的結(jié)果對(duì)比，從中可以看出，426#槽、326#槽、231#槽和140#槽的鋁液平均流速分別為 12．8、13．19、12．33 cm/s和 13．53 cm/s，最大流速分別為 19．6、20．08、17．16、19．45 cm/s，總的來(lái)說(shuō)，230 kA 系列四臺(tái)槽的鋁液流速相差不大。其中140#槽的鋁液平均流速較大，它的最大流速也較大，該槽在測(cè)定時(shí)，整槽平均鋁水平為21．26 cm，在四臺(tái)槽中最低。再加上該槽的平均沉淀厚度較小，為0．57 cm，4個(gè)下料點(diǎn)沉淀較少，沉淀厚度基本都是0 cm，插入純鐵棒沒(méi)有被稀糊狀沉淀包裹，使其熔蝕情況較理想，故測(cè)出的鋁液流速較大。231#槽的鋁液平均流速最小，它的最大流速也最小，該槽在測(cè)定時(shí)，整槽平均鋁水平為26．84 cm，在四臺(tái)槽中最高，這是造成流速過(guò)小的原因，說(shuō)明高鋁水平對(duì)槽穩(wěn)定性的提高具有很大的幫助。實(shí)際操作中應(yīng)力求減小鋁液流速。為便于分析，表9列出幾種結(jié)構(gòu)相近槽的鋁液流速對(duì)比情況(測(cè)量單位均為中南大學(xué))。

3 物理場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

3．1 電流強(qiáng)化方面

1)在現(xiàn)有槽型上適當(dāng)強(qiáng)化電流運(yùn)行可以提高原鋁產(chǎn)量，如再配合適當(dāng)降低槽電壓運(yùn)行，則可以降低噸鋁電耗，因此目前國(guó)內(nèi)多數(shù)鋁廠都在采用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)的節(jié)能。通過(guò)對(duì)此次物理場(chǎng)的綜合測(cè)試分析，江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA槽電流強(qiáng)化5%，即240 kA比較適宜，系陽(yáng)極電流密度由0．726 A/cm2增加到0．762 A/cm2，電流強(qiáng)化5%后的陽(yáng)極電流密度并不算過(guò)高。

2)電流強(qiáng)化5%運(yùn)行，由于槽內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度大致增大5%，必然導(dǎo)致鋁液流速的增大，其增大幅度可能達(dá)到5%，將達(dá)到同類槽的較大值，因此應(yīng)采取措施降低鋁液流速。

表9 幾種相近槽型鋁液流速測(cè)定結(jié)果對(duì)比Table 9 The comparison of the velocity of the aluminium flowing measured among several similar types of cells cm/s

3)電流強(qiáng)化5%運(yùn)行，則各部分歐姆電壓均會(huì)增大5%左右，如極距和電解質(zhì)成分不做調(diào)整，則理論槽電壓將增大124 mV，主要可通過(guò)適當(dāng)下降極距并輔以增加電解質(zhì)導(dǎo)電性等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3．2 降低槽電壓方面

1)江蘇大屯鋁業(yè)公司230 kA槽目前槽電壓平均在4．18 V左右運(yùn)行，如果在設(shè)計(jì)電流230 kA下進(jìn)一步下降極距以降低槽電壓，可能使電解槽進(jìn)入冷行程。因此在槽電壓降低的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)強(qiáng)化電流，以提供足夠的輸入能量。

2)槽電壓從230 kA時(shí)的4．18 V降至240 kA時(shí)的4．10 V以下，這要求降低極距4～5 mm，即要求平均極距降至43 mm左右。極距的下降幅度雖有保障，但此時(shí)會(huì)增大電解槽的針振擺動(dòng)，并增大發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的頻率，因此需要精心維護(hù)槽況。

3)槽電壓的下降還可以結(jié)合電解質(zhì)成分的優(yōu)化來(lái)進(jìn)行?？筛鶕?jù)鋁電解理論依據(jù)具體情況對(duì)電解質(zhì)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

由于低極距、低槽電壓運(yùn)行會(huì)加大極間擾動(dòng)從而導(dǎo)致二次反應(yīng)增強(qiáng)，因而降低電流效率，故應(yīng)在槽電壓、電流強(qiáng)化、電流效率和電解槽壽命等方面進(jìn)行綜合考查，以求真正實(shí)現(xiàn)電解槽的節(jié)能生產(chǎn)。

4 技術(shù)條件優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)踐

4．1 電解質(zhì)成分的選擇優(yōu)化

在電解質(zhì)中，主要含有 Al2O3、AlF3、MgF2、CaF2、LiF等添加劑，其中CaF2含量為5．5%，LiF含量為1%，MgF2含量為0．5%，且含量比較穩(wěn)定。因此在電解質(zhì)中可變量為Al2O3和AlF3，選擇合適的Al2O3、AlF3含量，可確定電解質(zhì)成分的控制范圍。

4．1．1 Al2O3濃度

在現(xiàn)代的預(yù)焙電解槽上，Al2O3含量控制為2% ～4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，其原因見圖9。在2% ～4%Al2O3含量時(shí)，槽電阻隨Al2O3含量的增加而降低。在Al2O3含量大約為4%時(shí)，槽電阻達(dá)到最低點(diǎn)，而在Al2O3含量大于4%時(shí)，槽電阻隨Al2O3含量的增加而增加。當(dāng)Al2O3含量在1．5%以下時(shí)，有可能產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)的危險(xiǎn)。另外，從圖9可知，Al2O3含量降低1%，電解質(zhì)初晶溫度約升高5℃［1］。工業(yè)槽的實(shí)踐證明，勤加工、少下料是良好的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以，現(xiàn)代工業(yè)電解槽通常采用Al2O3含量為1．5% ～3．5%的低區(qū)要求。

圖9 電解質(zhì)初晶溫度和槽電阻相對(duì)于Al2O3含量的關(guān)系Fig．9 The relationship between the alumina quantity and the primary crystal temperature of the electrolyte，and the cell voltage

針對(duì)大屯鋁業(yè)公司230 kA系列預(yù)焙電解槽Al2O3溶解效果不理想，爐底沉淀較多的特點(diǎn)，決定選擇Al2O3含量控制范圍為1．5% ～2．5%，主要控制思路是:采用Al2O3含量較低一側(cè)的電阻曲線為含量的代用值，將1．5% ～2．5%的范圍為控制目標(biāo)，使用過(guò)量加料、正常加料、欠量加料不斷轉(zhuǎn)換刺激電阻的方法，保持含量處于持續(xù)合理的波動(dòng)中，決定Al2O3含量的幾個(gè)參數(shù)變化情況見表10。

表10 230 kA系列預(yù)焙電解槽Al2O3含量控制參數(shù)的變化Table 10 The change of alumina quantity controls parameter of 230 kA pre-baked pots

其次對(duì)欠量、過(guò)量、正常周期的下料間隔之間關(guān)系進(jìn)行重新設(shè)定，即:欠量間隔=正常間隔×(1+0．2);過(guò)量間隔=正常間隔×(1－0．24);經(jīng)過(guò)調(diào)整后使得Al2O3含量為1．5% ～2．5%的控制率達(dá)到75%，且解槽爐膛較好，電解槽穩(wěn)定性普遍提高。爐低好、沉淀少、針擺少，槽齡1800 d爐底壓降普遍為380～410 mV。

4．1．2 分子比和過(guò)量的AlF3含量的優(yōu)化

分子比對(duì)電流效率的影響主要通過(guò)對(duì)電解溫度的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。在選擇確定230 kA電解槽電解質(zhì)分子比的過(guò)程中，必須要重視其對(duì)初晶溫度的影響結(jié)果。首先要確定電解質(zhì)溶液中Al2O3、CaF2、LiF、MgF2的含量。因此，現(xiàn)場(chǎng)取得了大量電解質(zhì)試樣，經(jīng)化驗(yàn)確定該電解質(zhì)成分主要為CaF2:5．5%，LiF:1%，MgF2:0．5%，Al2O3:2．0%左右。由文獻(xiàn)［2］給出的電解質(zhì)初晶溫度關(guān)系式并根據(jù)分子比與過(guò)量AlF3之間的關(guān)系，可以計(jì)算出與分子比對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)初晶溫度與過(guò)量AlF3具體數(shù)值，并作出關(guān)系圖，如圖10所示。

圖10 230 kA電解槽分子比與電解質(zhì)初晶溫度、過(guò)量AlF3關(guān)系圖Fig．10 The relationship between the molecular proportion of the 230 kA pots and the primary crystal temperature of electrolyte，and excessive alumina

從圖10可以看出，隨著分子比的降低，電解質(zhì)初晶溫度明顯降低，并且在分子比較小(低于2．1)時(shí)，曲線的斜率也比較大。這說(shuō)明在分子比較小時(shí)，電解槽的熱平衡也不容易穩(wěn)定控制，電解溫度的穩(wěn)定性控制難度也增大。因此，對(duì)于粉狀氧化鋁作為主要原料的電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，為了便于電解溫度的穩(wěn)定控制，分子比不應(yīng)選擇在過(guò)低處，應(yīng)選擇為2．25～2．35(見圖10 方框 B)。

另外圖10中亦根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇出了合適的過(guò)量AlF3含量(9．16% ～10．82%)，見方框 A 內(nèi)選擇的過(guò)量AlF3曲線范圍。但在電解質(zhì)中一般含有微量的金屬氧化物，并且含有約為0．01%的Al，因此可大約降低電解質(zhì)的初晶溫度5℃［3］，因此圖10中分子比為2．25時(shí)對(duì)應(yīng)的初晶溫度942．8℃與2．35時(shí)對(duì)應(yīng)的初晶溫度952．1℃均應(yīng)再減去5℃，可知分子比為2．25～2．35時(shí)對(duì)應(yīng)的初晶溫度區(qū)間為937．8～947．1℃。圖10中方框A對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間即為此電解質(zhì)體系的真實(shí)初晶溫度區(qū)間，此時(shí)電解質(zhì)初晶溫度應(yīng)為937．8～947．1℃。

4．2 電解質(zhì)溫度和過(guò)熱度選擇優(yōu)化

所謂過(guò)熱度即電解質(zhì)溫度與電解質(zhì)初晶溫度之差。最佳的電解質(zhì)過(guò)熱度必須由生產(chǎn)實(shí)踐加以確定。最佳過(guò)熱度的大小應(yīng)與電解質(zhì)的分子比、電壓及鋁水平高低、電解槽的操作(換極、出鋁等)有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)外大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的過(guò)熱度一般為8～12℃［4］。因此，在該公司的230 kA電解槽上，電解質(zhì)過(guò)熱度選擇為8～12℃，其電解質(zhì)成分、電解質(zhì)初晶溫度、電解質(zhì)溫度及過(guò)熱度見表11。

表11 230 kA電解槽的優(yōu)化選擇后的電解質(zhì)成分Table 11 The composition of the electrolyte after optimized for the 230 kA pots

4．3 電解槽爐幫優(yōu)化

電解槽的爐幫是由液體電解質(zhì)析出的高分子比冰晶石和剛玉α－Al2O3所組成的固體結(jié)殼，均勻分布在電解槽內(nèi)壁上。保持規(guī)整的爐幫內(nèi)形，有如下優(yōu)點(diǎn):a．能調(diào)節(jié)電解質(zhì)溫度，使電解溫度保持在所要求的范圍之內(nèi);b．保護(hù)側(cè)部碳?jí)K及槽底邊縫，蓋住其裂縫，使電解質(zhì)不能直接進(jìn)入結(jié)合薄弱的側(cè)部和槽底部，有助于延長(zhǎng)槽壽命;c．爐幫結(jié)殼的存在可縮小鋁液鏡面，增大陰極電流密度，有利于提高電流效率。大屯鋁業(yè)公司在生產(chǎn)實(shí)踐中采取了如下技術(shù)措施:

1)電解質(zhì)溫度過(guò)熱度和分子比。在向電解槽中過(guò)量或降量添加AlF3時(shí)，由于降低或增加了電解質(zhì)分子比或初晶溫度，過(guò)熱度會(huì)有一定程度的增加或降低，電解槽的爐幫會(huì)相應(yīng)的熔化或加厚。所以保持穩(wěn)定的電解質(zhì)成分，對(duì)于穩(wěn)定電解槽爐幫有重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，按照表11給出電解質(zhì)分子比范圍控制槽分子比，同時(shí)電解質(zhì)過(guò)熱度控制在8～12℃。

2)強(qiáng)化電流降低電解槽工作電壓。槽電壓是電解槽維持正常生產(chǎn)的最低電壓，在電流恒定的情況下，槽電壓是調(diào)節(jié)電解槽能量平衡的主要手段之一。例如，強(qiáng)化電流后由于輸入的能量增加，必然提高電解質(zhì)溫度，過(guò)熱度也相應(yīng)增加，因此會(huì)熔化爐幫。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)所測(cè)定的電解槽電壓平衡，并結(jié)合陽(yáng)極保溫料厚度，制訂了降低設(shè)定電壓控制策略。根據(jù)所設(shè)定電壓進(jìn)行電解槽能量平衡控制，除了電解槽出現(xiàn)異常情況，設(shè)定電壓一般不作調(diào)整。電解槽的平均電壓控制為4．05～4．10 V。

3)電解質(zhì)水平與鋁水平。正常生產(chǎn)期間，保持過(guò)高或過(guò)低的電解質(zhì)水平和鋁水平均將影響已經(jīng)規(guī)整的爐幫，因此電解質(zhì)水平一般控制為18～20 cm。適當(dāng)厚度的鋁水平可使?fàn)t底溫度趨于均勻，從而保證爐底不因劇冷或劇熱致使電解槽發(fā)生破損，也可削弱磁場(chǎng)中的水平電流，不至于使鋁液波動(dòng)劇烈，從而破壞已有的爐幫。對(duì)于230 kA電解槽，在強(qiáng)化電流后，為了增加熔體區(qū)的散熱量，以及使電解槽的側(cè)部溫度均勻，電解槽內(nèi)的鋁量一般為15～17 t，鋁水平為26～28 cm，此時(shí)不僅形成規(guī)整的爐膛和較小的鋁液鏡面，且槽爐幫較厚，陽(yáng)極和陰極的電流分布也較好。

5 效果總結(jié)

在生產(chǎn)管理中，大屯鋁業(yè)公司及時(shí)根據(jù)電解槽物理場(chǎng)測(cè)試結(jié)果采取了上述優(yōu)化措施(優(yōu)化前后對(duì)比見表12)，因此電解槽運(yùn)行更加平穩(wěn)高效，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)逐年提高(見表13)，其中單槽日產(chǎn)原鋁由原來(lái)的1．724 t/(槽·d)增加到1．735 t/(槽·d)左右，全年增加原鋁產(chǎn)量 714．6 t，按照每噸鋁1．6萬(wàn)元計(jì)算全年增加經(jīng)濟(jì)效益1143．47萬(wàn)元;采取優(yōu)化措施后噸鋁直流電耗降低396 kW·h，按照10．2萬(wàn)t產(chǎn)量(電價(jià)0．5元計(jì)算)計(jì)算，全年可節(jié)約2019．6萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表12 230 kA電解槽優(yōu)化前后主要技術(shù)條件對(duì)比Table 12 The comparison of the main technical conditions between the optimized 230 kA pots and the original ones

表13 230 kA電解槽主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 13 The main technical and economic indexes of the 230 kA pots

6 結(jié)語(yǔ)

就江蘇大屯鋁業(yè)230 kA鋁電解槽而言，針對(duì)電解槽物理場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，采取了以下調(diào)整優(yōu)化內(nèi)容:a．通過(guò)適當(dāng)降低Al2O3含量，并維持適宜槽溫和過(guò)熱度保持電解槽爐底潔凈;b．加強(qiáng)側(cè)下部保溫和增大覆蓋層厚度使得上下部熱損失比例調(diào)整到合適值;c．通過(guò)優(yōu)化電解質(zhì)成分，降低電解質(zhì)壓降和陰極壓降;d．通過(guò)提高鋁水平以降低鋁液流速，調(diào)整A、B兩側(cè)極距以減少水平電流，維持規(guī)整的爐膛內(nèi)形。優(yōu)化后的結(jié)果說(shuō)明了對(duì)電解槽物理場(chǎng)測(cè)試的重要性和科學(xué)性，但筆者認(rèn)為對(duì)電解槽物理場(chǎng)的測(cè)試研究以及強(qiáng)化電流、降低電壓等節(jié)能減排手段是一項(xiàng)長(zhǎng)期且復(fù)雜的技術(shù)工作，需要在實(shí)踐中不斷摸索和總結(jié)，才能在電解槽的管理上實(shí)現(xiàn)新突破。

［1］Utigaid A．Why“best”pots operate at 955 ℃ and 970℃［J］．Light Metal，1999(7):319 －326．

［2］邱竹賢．焙槽煉鋁［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2005．

［3］馮乃祥．鋁電解［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［4］馮乃祥，彭建平．再談我國(guó)鋁電解技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差別兼論鋁電解生產(chǎn)中的新技術(shù)［C］//中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)輕金屬學(xué)術(shù)委員會(huì)2004年年會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集．河南焦作，2004:12－15．