300 kA石墨化異形陰極鋁電解槽工藝技術(shù)管理

李文超 閻昭輝 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

工藝節(jié)能

300 kA石墨化異形陰極鋁電解槽工藝技術(shù)管理

李文超 閻昭輝 湯昌廷

(南山鋁業(yè)股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 265713)

利用電解槽正常大修機(jī)會(huì)，進(jìn)行了石墨化異型陰極電解槽試驗(yàn)。比較了異型陰極電解槽與普通槽在電解槽啟動(dòng)、非正常期與正常期工藝技術(shù)管理及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的差異，為下一步全面技術(shù)改造提供了依據(jù)。

石墨化異型陰極； 鋁電解槽； 工藝技術(shù)； 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)； 節(jié)能

0 前言

根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年前11個(gè)月我國(guó)鋁錠綜合交流電耗達(dá)13 751 kW·h/t-Al。國(guó)內(nèi)鋁電解工業(yè)所消耗的電能占整個(gè)有色金屬工業(yè)能耗的80%以上。鋁電解工業(yè)節(jié)能降耗具有重要意義，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策[1-3]。

某鋁業(yè)公司與某大學(xué)技術(shù)合作，開展了鋁電解槽優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)和熱平衡設(shè)計(jì)研究。研究適合新型陰極結(jié)構(gòu)高效節(jié)能鋁電解槽的最佳電解質(zhì)組成，確定實(shí)現(xiàn)新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽最低槽電壓和最低電能消耗的最佳工藝條件、管理技術(shù)和管理方法；研究新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽在強(qiáng)化保溫、強(qiáng)化電流后的工藝條件和操作方法。利用相關(guān)技術(shù)，對(duì)計(jì)劃大修的鋁電解槽實(shí)施技術(shù)改造，建立新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程。

1 電解槽焙燒啟動(dòng)

新型鋁電解槽由于石墨化異型陰極與原有平底陰極炭塊的結(jié)構(gòu)差異使原有焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù)在使用過(guò)程中受到限制。焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在石墨化異型陰極槽時(shí)，需使用殘極碎或石墨碎對(duì)異型凸臺(tái)四周進(jìn)行填充，造成啟動(dòng)初期電解槽內(nèi)炭渣量增加[4-5]。為克服以上缺點(diǎn)，本項(xiàng)目最終采用某公司生產(chǎn)的鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾?，使用天然氣焙燒技術(shù)取代傳統(tǒng)的焦粒焙燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電解槽的順利啟動(dòng)與節(jié)能降耗。

本項(xiàng)目中所使用的天然氣焙燒與傳統(tǒng)的焦粒焙燒能耗與物耗方面的單槽平均費(fèi)用對(duì)比如表1所示。由表1可看出，采用天然氣技術(shù)焙燒啟動(dòng)可以大幅度減少電耗，降低了焙燒啟動(dòng)成本。300 kA石墨化異型陰極電解槽采用天然氣焙燒技術(shù)，單槽減少用電量10萬(wàn)kW·h以上，可節(jié)約費(fèi)用3萬(wàn)元以上；采用天然氣技術(shù)焙燒啟動(dòng)鋁電解槽，可避免鋪設(shè)焦粒和打撈焦粒工作，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高焙燒質(zhì)量。

表1 焦粒焙燒與天然氣焙燒費(fèi)用對(duì)比

圖1 陽(yáng)極角部伸腿肥大現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖2 電解廠角部保溫料現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

2 電解槽的工藝技術(shù)參數(shù)與管理

2.1 非正常期管理

在鋁電解槽生產(chǎn)管理中，將電解槽啟動(dòng)后的前3個(gè)月稱為非正常期。由于改進(jìn)后的異型陰極電解槽陰極結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為盡快建立規(guī)整的鋁電解槽爐膛，采取快速降電壓方式建立爐膛，即異型陰極電解槽工作電壓?jiǎn)?dòng)后下降的速度比傳統(tǒng)電解槽要快得多。啟動(dòng)后30 d電解槽技術(shù)條件：設(shè)定工作電壓從5.00 V左右降低到3.85 V，電解質(zhì)溫度965～975 ℃，分子比2.70～2.75，電解質(zhì)水平19～21 cm，鋁水平18～20 cm。3個(gè)月后，設(shè)定電壓保持在3.75～3.80 V。異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽啟動(dòng)后3個(gè)月與普通電解槽非正常期內(nèi)技術(shù)參數(shù)比較見表2。

2.2 正常管理期

2.2.1 異型陰極電解槽工藝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)三場(chǎng)測(cè)試計(jì)算，目前某鋁業(yè)公司300 kA電解槽煙道內(nèi)煙氣帶走熱量占電解槽熱損失總量的40%～50%，槽殼側(cè)部散熱點(diǎn)總能量的30%左右。

表2 非正常期電解槽工藝技術(shù)參數(shù)對(duì)比

由于異型陰極電解槽槽電壓降低熱收入減少，為保證其能量平衡、形成規(guī)整爐膛，應(yīng)加強(qiáng)電解槽上部保溫工作、減少煙氣等的熱損失。主要通過(guò)采取角部陽(yáng)極壘墻保溫、增加保溫料厚度、采用加工保溫型槽蓋板及適當(dāng)減小煙道負(fù)壓等措施。采取上述措施后，石墨化異型陰極電解槽能夠保持適宜過(guò)熱度，從而保證電解槽穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)半年多不斷摸索和試驗(yàn)，石墨化異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽采用如表3所示的工藝技術(shù)參數(shù)。

表3 異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽工藝技術(shù)參數(shù)

2.2.2 工作電壓和平均電壓

2012年9月至2013年2月異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽和普通槽的平均電壓統(tǒng)計(jì)見表4。由于異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽平均電壓均在3.85 V以下，熱收入相對(duì)較少，加強(qiáng)了槽上保溫和側(cè)部角部保溫等措施后，為緩解異型陰極槽趨冷問(wèn)題并保證普通槽穩(wěn)定運(yùn)行，從2012年9月開始，逐步提高300 kA電解槽系列電流，目前已到305 kA左右，槽平均電壓也從9月的3.851 V逐步下降到3.798 V左右。

表4 平均電壓對(duì)比 單位：V

表4顯示異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽比普通槽平均電壓低0.114 V，從6個(gè)月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，電壓運(yùn)行平穩(wěn)，低電壓保持得以保證，在電流效率不變甚至增加的實(shí)際前提下，節(jié)約電量830 kW·h/日·槽左右，大幅度降低了電耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

2.2.3 爐底壓降

由于石墨化異型陰極槽鋁水平范圍較普通槽低5 cm左右，爐底情況保持良好。據(jù)6個(gè)月的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽平均爐底壓降261.4 mV，低于普通陰極對(duì)比槽的爐底壓降327.9 mV。在啟動(dòng)10個(gè)月后，石墨化異型陰極電解槽爐底壓降較對(duì)比槽低86.4 mV，見表5。

表5 爐底壓降對(duì)比 單位：mV

表5顯示石墨化異型陰極電解槽較普通槽的爐底壓降平均值低66.5 mV，10個(gè)月后其差值甚至增大為86 mV，且趨于平穩(wěn)。爐底壓降是槽電壓的重要組成部分，對(duì)降低電耗起決定作用。

2.2.4 效應(yīng)系數(shù)與效應(yīng)平均電壓

石墨化異型陰極電解槽在電解質(zhì)水平保持方面與普通槽一致，但由于鋁水平平均低4～5 cm，電解槽總高降低導(dǎo)致打殼錘頭工作效果差，易出現(xiàn)卡、堵現(xiàn)象，槽效應(yīng)系數(shù)也因此偏高。

啟動(dòng)后的第5～10個(gè)月，石墨化異型陰極電解槽平均效應(yīng)系數(shù)為0.084，普通槽為0.040，但異型陰極電解槽效應(yīng)電壓比普通槽低33%左右，因此異型槽在效應(yīng)分?jǐn)傠妷悍矫娴牧觿?shì)不大。石墨化異型陰極槽與普通槽效應(yīng)情況對(duì)比數(shù)據(jù)見表6。

表6 石墨化異型陰極槽與普通槽效應(yīng)情況對(duì)比

3 異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本文選取相同時(shí)段啟動(dòng)的電解槽進(jìn)行對(duì)比：異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽較普通槽6個(gè)月槽日產(chǎn)量平均多11.2 kg，電流效率平均高0.46%，噸鋁直流電耗平均降低431.37 kW·h/t-Al，基本實(shí)現(xiàn)了異型陰極電解槽低電壓穩(wěn)定運(yùn)行。在不降低電流效率的情況下，降低了噸鋁直流電耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗目標(biāo)。異型陰極結(jié)構(gòu)電解槽和普通槽技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表7。

表7 石墨化異型陰極槽與普通槽技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目進(jìn)行的異型陰極電解槽試驗(yàn)是利用電解槽停槽大修的時(shí)機(jī)進(jìn)行的，期間對(duì)陰極炭塊以及內(nèi)襯材料進(jìn)行了部分改動(dòng)，并同時(shí)選擇了同期大修的普通電解槽作為對(duì)比槽。

(2)試驗(yàn)期間，石墨化異型陰極電解槽在平均電壓、爐底壓降、電流效率及直流電耗方面都具有較大優(yōu)勢(shì)，但也存在一定不足。主要體現(xiàn)在低電壓運(yùn)行期間電解槽有冷行程趨勢(shì)，電解質(zhì)水平不易保持且氧化鋁熔解性偏差，電解槽角部伸腿肥大等問(wèn)題。

(3)針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中存在的不足，在已運(yùn)行電解槽上進(jìn)行強(qiáng)化保溫工作，同時(shí)優(yōu)化后續(xù)異型陰極電解槽的內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)。通過(guò)多項(xiàng)技術(shù)在同一臺(tái)電解槽綜合應(yīng)用，為進(jìn)一步降低鋁電解槽電能消耗的技術(shù)推廣做出更好地工程示范。

[1] 劉業(yè)翔，李劼．現(xiàn)代鋁電解[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

[2] 梁學(xué)民，張松江. 現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)技術(shù)與管理[M]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011．

[3] 馮乃祥，鋁電解[M]. 北京：化工出版社，2006.

[4] 李賢，劉民章．淺談低電壓下保持電解槽能量平衡的措施[J]．輕金屬，2013(3)：38-41．

[5] 張卓，毛宇，毛繼紅，等．400 kA電解槽熱場(chǎng)平衡及分析[J]．輕金屬，2012(6)：32-35．

Process Technology Management of 300 kA Aluminum Reduction Cell with Graphitized Allotype Cathode

LI Wen-chao, YAN Zhao-hui, TANG Chang-ting

During the overhauling of aluminum reduction cell, a test for the cell with graphitized expatiating cathode carbon was carried on. The paper compares and analyzes the difference of baking start-up, process technology management and economic index for normal and abnormal period between the allotype cell and ordinary cell, and provides a basis for technical modifications in future.

graphitized allotype cathode; aluminum reduction cell; process technology; economic index; energy saving

2014-11-13

李文超(1979—)，男，山東青州人，高級(jí)技師，主要從事電解鋁冶煉工作。

TF821

B

1008-5122(2015)02-0008-03