陽極換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響及改進措施

高 峰 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

陽極換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響及改進措施

高 峰 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

分析了陽極換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響，討論了在陽極更換之前對陽極進行預熱的措施。

鋁電解槽； 換極溫度； 運行工況； 陽極預熱

多年來，鋁電解工作者一直不斷地研究影響鋁電解槽運行工況的因素。但研究大多集中于氧化鋁質(zhì)量及其濃度、電解質(zhì)溫度、電解質(zhì)水平、電解質(zhì)中各種添加劑種類等方面，雖然也涉及到陽極更換問題，但也僅論及了換極質(zhì)量以及提高換極質(zhì)量的各種注意事項。事實上，換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響非常明顯。本文通過鋁電解槽陽極更換后表現(xiàn)出的行為，分析了陽極掛槽溫度對鋁電解槽運行工況的影響，并提出在陽極更換掛槽之前應對陽極進行預熱，以降低陽極溫度對鋁電解槽運行工況的影響。

1 更換陽極

在預焙電解槽中，陽極的使用周期為28～31 d，當陽極達到使用周期時，殘極厚度約為15～17 cm，如果繼續(xù)使用，就會發(fā)生陽極鋼爪熔化現(xiàn)象。這一方面會造成原鋁液中Fe、Si含量上升，導致原鋁污染，最終影響鋁產(chǎn)品品質(zhì)；另一方面則會造成對電解槽運行工況的誤判。因為，在鋁電解生產(chǎn)過程中通常是以鋁液中Fe、Si含量的高低判斷電解槽是否出現(xiàn)漏槽，而出現(xiàn)漏槽現(xiàn)象必須緊急處理或者進行停槽處理。如果由于原鋁液中Fe、Si含量升高的誤判而導致停槽，那么，對于電解系列將是嚴重的損失。因此，應根據(jù)預焙陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計和組裝情況，在保持一定殘極高度情況下及時更換陽極，從而保證鋁電解槽的正常穩(wěn)定運行。

2 換極后鋁電解槽面臨的問題及其對運行工況的影響

2.1 換極后電解槽所面臨的問題

鋁電解槽中有溫度場、物料場和電磁場。陽極的更換對“三場”都具有一定影響，但其影響最大的是溫度場，其次是物料場，再次是電磁場。

正常穩(wěn)定運行的鋁電解槽是處于熱平衡狀態(tài)的。換極前，正常運行的鋁電解槽保持著相對的能量平衡，浸入電解質(zhì)中的陽極部分溫度和電解質(zhì)溫度是相同的，陽極上部分的溫度也高達600～700 ℃。當高溫殘極由電解槽中拔出時，一方面殘極會從電解質(zhì)中帶走一部分熱量；另一方面，拔出陽極的位置會出現(xiàn)一定的空間，也會散失一部分熱量，因為從拔出陽極到新陽極上槽需要一定的時間；此外，當室溫新陽極安裝到電解槽上并浸入電解質(zhì)中時，由于二者之間巨大的溫差，新陽極也會從電解質(zhì)中吸收大量的熱量，直至在二者界面達到新的熱平衡為止。因此，換極過程實際上就是熱平衡—破壞熱平衡—建立新的熱平衡的過程。

綜上所述，換極后電解槽面臨的主要問題有以下幾方面：

(1)物料平衡受到破壞。

(2)電解槽能量平衡受到破壞，具體表現(xiàn)是電解質(zhì)溫度下降，粘度增加，槽電壓上升。

(3)陽極電流分布發(fā)生變化。由于新上槽溫度在一定時間內(nèi)不導電，因此，會發(fā)生偏流。如果偏流過大，會導致陽極鋼爪發(fā)紅，嚴重時會導致陽極脫落，同時，還會造成電壓擺增大，槽電壓上升。

(4)換極后，由于會有較大電解質(zhì)塊掉入電解質(zhì)中，如果打撈不及時，其很可能與槽底的陰極炭塊粘附在一起，當陽極下降到一定程度時，很可能粘附在陽極底掌上，造成陽極底掌長包，導致長包陽極電流集中，造成陽極脫極。

(5)拔極后，陽極殼面保溫料落入電解質(zhì)中，會造成電解質(zhì)分子比升高，導致一部分電流效率損失。

2.2 換極對電解槽工況的影響

通常，換極對電解槽的影響約持續(xù)16 h。在這期間，新?lián)Q的陽極浸入電解質(zhì)部分由室溫逐步被電解質(zhì)加熱，在換極后約16 h，陽極溫度基本與電解質(zhì)溫度相當。剛剛換入電解槽的新陽極幾乎是不導電的，這是因為這時陽極與電解質(zhì)之間存在巨大溫差，在陽極浸入電解質(zhì)的一剎那，與陽極底掌接觸的電解質(zhì)驟然遇到激冷，在陽極底掌表面形成一層電解質(zhì)凝殼，這一層凝殼將液態(tài)電解質(zhì)與陽極完全隔離，從而使得以導電性碳材料制造的陽極炭塊失去導電作用。加之，在陽極底掌表面形成電解質(zhì)凝殼的同時，由于熱傳導的作用，鄰近陽極底掌部分的電解質(zhì)失去的熱量相對遠離陽極處要快的多，從而使得陽極附近電解質(zhì)的粘度增加。而電解質(zhì)粘度的增加，也使得陽極氣體不易排出，炭渣分離不清，增加了電解質(zhì)的電阻率，導致該部分電解質(zhì)導電性下降。隨著換極時間的延長，陽極溫度逐漸升高，換極時形成于陽極底掌表面電解質(zhì)凝殼逐步熔化，陽極開始導電，并且隨著陽極炭塊溫度的不斷上升，通過陽極的電流不斷增加。在換極后16 h左右，導電量達到正常值的70%，換極后24 h達到正常導電量。可以通過測量新?lián)Q陽極16 h的等距離陽極導桿上的毫伏值來分析陽極的導電情況。

某公司240 kA鋁電解槽換極后16 h的等距離陽極導桿壓降測量數(shù)據(jù)說明了換極溫度對電解槽運行工況的影響，見表1。

表1 240 kA鋁電解槽換極后16 h等距離陽極導桿壓降

3 提高換極溫度的途徑

以上分析與測量數(shù)據(jù)說明，換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響是顯著的，其主要體現(xiàn)在對電解槽能量平衡的破壞與重新建立上。根據(jù)目前各類槽型換極周期，電解槽平均每月?lián)Q極一次，每次換極的影響時間約為24 h。也就是說，在換極24 h內(nèi)，所更換陽極處不產(chǎn)鋁或少產(chǎn)鋁。實質(zhì)上，換極溫度最終影響的是電流效率，并且在換極期間，電解槽必須提供額外的電能來補充換極過程散失熱量所引起的電解質(zhì)溫度下降。因此，要減小換極對電解槽運行工況的影響，盡可能減小電流效率損失以及能量消耗，最有效的途徑是在更換陽極之前對陽極炭塊進行預熱。實施陽極預熱不僅能減小換極溫度對電解槽運行工況的影響，而且由于陽極溫度的提高，可以減小陽極炭塊與電解質(zhì)之間巨大溫差所引起的炭塊應力集中以及由此產(chǎn)生的陽極炭塊裂紋、掉渣、電解質(zhì)粘度增加，對于保持電解質(zhì)清潔度、降低電解質(zhì)壓降以及降低預焙陽極消耗速度也是很有益的。

目前，在電解鋁廠，實施陽極預熱的途徑有以下幾種。

3.1 利用電解槽煙氣余熱預熱預焙陽極

目前，關(guān)于電解槽煙氣余熱回收利用方面的研究并不多見。在國外，已經(jīng)有回收電解槽煙氣余熱進行區(qū)域供暖的研究[1]，回收的煙氣溫度可達130～150 ℃或者更高。如果能夠在確保煙氣凈化和達標排放的基礎(chǔ)上，利用電解煙氣對將要實施更換的陽極進行預熱，那么，可在一定程度上提高陽極溫度，從而減緩陽極換極溫度對電解槽運行工況的影響。然而，國內(nèi)關(guān)于對鋁電解槽煙氣余熱的綜合利用研究僅限于余熱發(fā)電[2-3]，利用電解槽煙氣余熱預熱預焙陽極在國內(nèi)尚無成功應用的報道。

3.2 利用換下的高溫殘極加熱預焙陽極

與該技術(shù)相關(guān)的僅有一個實用新型專利，名為《陽極塊預熱交換裝置》，授權(quán)公告號CN 201347457Y。其原理是設(shè)計了一個專用換熱裝置，利用剛從電解槽拔出的舊陽極的高溫余熱加熱待上槽的新陽極，但是，由于在用殘極預熱陽極的同時，殘極也處于持續(xù)的冷卻狀態(tài)，因此，殘極對陽極塊的預熱很有限，所預熱的陽極塊溫度較低，表面溫度僅80 ℃，而且陽極內(nèi)部大部分區(qū)域得不到加熱，從而造成陽極炭塊內(nèi)外出現(xiàn)溫度梯度，因此，該技術(shù)仍有待改進。

3.3 收集與利用碳素煅燒余熱

在鋁用碳素陽極生產(chǎn)過程中，石油焦煅燒會產(chǎn)生大量的高溫煙氣，這種煙氣的溫度可達800～900 ℃。目前，有許多企業(yè)利用煅燒煙氣加熱余熱鍋爐，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場和辦公場所的冬季取暖和員工洗浴問題；另一方面，利用煅燒余熱對導熱油進行加熱，再通過導熱油管道對陽極成型所用的瀝青進行加熱熔化，保證了陽極成型工序的完成。同時也有單位[4]研究了鋁電解碳素預焙陽極預熱技術(shù)，該技術(shù)是利用鋁用碳素生產(chǎn)中的煙氣作為熱源，將碳素預焙陽極進行預熱，然后按電解槽換極周期要求送到電解車間上槽更換舊陽極，該技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 利用中高溫煅燒煙氣預熱預焙陽極的工藝流程

用這種技術(shù)對預焙陽極進行預熱，經(jīng)預熱的陽極平均溫度≥300 ℃。由于預熱后的陽極溫度與電解液溫度之間的溫差縮小，新陽極上槽后其內(nèi)部的熱應力也相應地減少，陽極所受到的熱震影響得到了極大緩解，從而抑制了陽極裂紋、斷裂、掉渣的產(chǎn)生，減少了陽極因熱震而帶來的各種破損，降低了陽極消耗，縮短陽極導通電流的時間，縮短了槽溫恢復正常時間，增加了電解槽正常運行時間，而且對原有的換極操作沒有大變動。

但是，該技術(shù)實施過程中，需要建設(shè)一系列中高溫煙氣管線，并要對管線進行防腐處理，而且要單獨建設(shè)陽極預熱間，為了防止煙氣泄露，必須對陽極預熱間進行密封處理。對于一個15萬t原鋁產(chǎn)能規(guī)模的電解鋁廠，實施本項目的固定資產(chǎn)投資約在300萬元左右，因此，實施費用相對較高。

3.4 利用電解車間現(xiàn)有條件實施陽極預熱

電解車間的環(huán)境較差，除了粉塵、有害氣體、噪聲外，溫度也較高。在夏季，兩電解槽之間的溫度通常高達70～80 ℃，冬季，由于受環(huán)境溫度(-20 ℃左右)的影響，此處溫度有所下降，但仍然能夠保持在60～70 ℃。利用該溫度在兩電解槽之間的風格板上預熱陽極，仍然能將陽極溫度提高到60 ℃左右，而且陽極塊的溫度均勻性好，陽極內(nèi)幾乎不存在溫度梯度。某公司目前采用該預熱方法，具體做法是根據(jù)鋁電解槽換極順序表，在換極前16 h將陽極放置在風格板上。這樣，陽極炭塊有足夠的時間吸收來自兩電解槽槽殼的輻射熱，并且由于時間關(guān)系，所吸收的熱量能夠在陽極塊內(nèi)充分擴散，從而通過提高陽極溫度減小了換極溫度對電解槽運行工況的影響。該方法簡單易行，幾乎不需資金投入。

4 結(jié)束語

換極溫度對鋁電解槽運行工況影響較大，且通常持續(xù)16～24 h。當下要減小換極溫度對鋁電解槽運行工況的影響，唯一有效的途徑是在換極前對預焙陽極炭塊進行充分預熱。目前已經(jīng)實施的預熱陽極的方法主要有3種，即殘極預熱、碳素煅燒中高溫煙氣預熱和兩電解槽之間風格板上預熱。在3種預熱方法中，煅燒中高溫煙氣預熱效果最佳，但投資較大；利用殘極預熱陽極，雖然也可以將陽極表面溫度提高至80 ℃左右，但所預熱陽極的溫度均勻性差；利用風格板預熱陽極，雖然陽極溫度較低，但陽極溫度均勻性好。因此，各冶煉廠應根據(jù)自身條件和投資情況，合理選擇陽極預熱方法，以實現(xiàn)最優(yōu)的投資性價比。

[1] Yves Ladam. Asbjorn Socheim Martin Segatz and Odd-Arne Lorentsen. Heat recovery from the exaust gas of aluminum reduction cells[C]. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2011: 393-398.

[2] 周乃君，柯文，王志奇.鋁電解槽低溫煙氣余熱發(fā)電技術(shù)探討[J].輕金屬，2009(1)：60-64.

[3] 柯文.基于有機朗肯循環(huán)的鋁電解槽煙氣余熱發(fā)電技術(shù)研究[D].長沙:中南大學碩士學位論文，2009.

[4] 貴州省科學院科技創(chuàng)新發(fā)展處.鋁電解炭素預焙陽極預熱技術(shù)的應用[R].2011.

Effects of Anode Replacing Temperature on Running Conditions of Aluminum Reduction Cell and Some Improving Measures

GAO Feng， LIU Min-zhang, LI Xian

This paper analyzes some effects of anode replacing temperature on running conditions of aluminum reduction cell with pre-baking anodes, and discusses the measures and its relative merits of preheating anodes before anodes replacing.

aluminum reduction cell; anode replacing temperature; running condition; anode preheating

2014-02-19

高峰(1968—)，男，河北泊頭人，大學本科，助理工程師，主要從事鋁電解、發(fā)電、鋁加工生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)05-0021-03