NEUI500kA大容量鋁電解槽焙燒方案研究

王尚元，史博川

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

鋁是全球產(chǎn)量最大的有色金屬，廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、電力和航空航天等領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防科技工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)原材料。近年來(lái)，我國(guó)鋁產(chǎn)量年均增速12.2%，2017年我國(guó)鋁產(chǎn)量在全球占比達(dá)55.7%。然而我國(guó)鋁生產(chǎn)成本中，電費(fèi)占比為國(guó)外的兩倍以上，同時(shí)具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的人力資源成本也在逐年消失，使我國(guó)鋁電解工業(yè)整體國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗和提高了人均產(chǎn)鋁量，降低單位建設(shè)投資和運(yùn)行成本，提高鋁行業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，使我國(guó)鋁冶煉核心技術(shù)裝備占領(lǐng)大型化的制高點(diǎn)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和引領(lǐng)全球鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)500kA級(jí)超大容量鋁電解槽技術(shù)勢(shì)在必行。

東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司）采用“數(shù)值模擬+”鋁電解槽容量大型化技術(shù)開(kāi)發(fā)方式，于2009年初完成了500kA級(jí)超大容量鋁電解槽技術(shù)開(kāi)發(fā)。因此對(duì)其焙燒方案進(jìn)行研究和介紹。并對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及采取的優(yōu)化措施等進(jìn)行總結(jié)。

1 前期準(zhǔn)備

考慮到500kA級(jí)超大型鋁電解槽的安全性及可操作性，決定采用焦粒焙燒方案，并對(duì)預(yù)想的異常情況進(jìn)行分析，采取管控措施，具體如：鋪焦掛極質(zhì)量、沖擊電壓、槽底上拱度、大梁下?lián)现档?，并且?duì)各項(xiàng)操作規(guī)程進(jìn)行細(xì)化，確保焙燒過(guò)程及后期管理期間技術(shù)條件安全受控。

嚴(yán)格驗(yàn)收工作，并重點(diǎn)結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的超大跨度及陽(yáng)極重量的加大，加強(qiáng)對(duì)提升機(jī)負(fù)荷的試驗(yàn)和大梁下?lián)现底兓臏y(cè)量，確保達(dá)到要求的范圍。

通過(guò)技術(shù)論證和安全、成本等綜合考慮，本項(xiàng)目采用不停電開(kāi)關(guān)全電流操作、焦粒純電解質(zhì)粉半空腔裝爐、二級(jí)分流焙燒。

2 通電試驗(yàn)

500kA級(jí)大容量鋁電解槽的系列母線(xiàn)，需要進(jìn)行通電試驗(yàn)，測(cè)量、記錄母線(xiàn)的全電流壓降、溫度變化就成為必要。全電流試驗(yàn)期間第一段電解槽完全處于短路狀態(tài)，電流從短路口直接通過(guò)槽周和槽底母線(xiàn)導(dǎo)入下游槽的短路口。并在全電流試驗(yàn)前，所有類(lèi)型應(yīng)急母線(xiàn)（陽(yáng)極-立柱、槽周-槽周、跨槽應(yīng)急母線(xiàn)及端頭槽應(yīng)急母線(xiàn)）應(yīng)提前準(zhǔn)備好，并安裝到位，做應(yīng)急母線(xiàn)全電流試驗(yàn)。

全電流試驗(yàn)要做到對(duì)槽周和槽底母線(xiàn)、中間過(guò)道母線(xiàn)以及各類(lèi)應(yīng)急母線(xiàn)、動(dòng)力供電系統(tǒng)進(jìn)行全面檢驗(yàn)，為系列通電、焙燒提供保障。

3 裝爐

裝爐包括焦粒的鋪設(shè)、陽(yáng)極的安放、物料的添加、軟連接的安裝、分流器（片）的安裝等操作，所有的步驟都要為減小電流分布的梯度和平穩(wěn)升溫創(chuàng)造條件，使焦粒焙燒的效果達(dá)到最佳。

3.1 鋪設(shè)焦粒

在完成電解槽的驗(yàn)收工作后，將陽(yáng)極母線(xiàn)降至“350”的位置，并用木條等將陽(yáng)極母線(xiàn)固定，槽控機(jī)動(dòng)力電源斷開(kāi)并上鎖，準(zhǔn)備鋪設(shè)焦粒。焦粒作為陽(yáng)、陰兩極的導(dǎo)電體，粒度要求1～5mm，陽(yáng)極與焦粒的接觸面為全波浪式的“松緊”接觸形式。焦粒的鋪設(shè)、陽(yáng)極的安裝自A14開(kāi)始連續(xù)鋪設(shè)至A1結(jié)束。先使用鋼筋框鋪第一層焦粒作為找平層，在要安裝陽(yáng)極的投影區(qū)域擺放好鋼筋框架，將焦粒倒入框內(nèi)后用刮板將其刮平，取走鋼筋框，然后在其上擺放好柵欄式框架，再將焦粒倒入框內(nèi)后用刮板將其刮平，小心將柵欄式框架移走。

3.2 安放陽(yáng)極

掛極前將導(dǎo)桿棱角打磨平滑以免劃傷大母線(xiàn)，還要把導(dǎo)桿表面的油污擦干凈，鋪焦掛極時(shí)使用直尺檢查陽(yáng)極底掌的平整度，并用笤帚將其清掃干凈。焙燒所用陽(yáng)極要嚴(yán)格挑選，同一槽上只能用一個(gè)廠家的碳?jí)K，選用導(dǎo)桿垂直度和底掌平整度好的陽(yáng)極組，磷生鐵澆注飽滿(mǎn)、無(wú)松動(dòng)，碳?jí)K間縫隙均勻，兩碳?jí)K高低差不大于2.5mm。每鋪好一組陽(yáng)極下的焦粒就安裝一組陽(yáng)極，安裝陽(yáng)極時(shí)，要讓陽(yáng)極靠自重緩慢下落后壓在焦粒表面，使陽(yáng)極底面和焦粒壓接達(dá)80%以上。導(dǎo)桿與大母線(xiàn)間隙應(yīng)控制5mm以?xún)?nèi)，陽(yáng)極導(dǎo)桿居于掛鉤中間，不能靠住掛鉤。鋪完焦粒以后應(yīng)將中縫及四周多余焦粒清掃干凈，統(tǒng)一標(biāo)記陽(yáng)極定位線(xiàn)，便于測(cè)量焙燒期陽(yáng)極上抬量。將小盒卡具全部松開(kāi)安放在陽(yáng)極掛鉤上，提前控制導(dǎo)桿與母線(xiàn)間隙，防止在焙燒過(guò)程中導(dǎo)桿外漲,啟動(dòng)前小盒卡具難以安放；卡具主軸兩側(cè)距離均勻、擺放整齊?？梢栽谛『锌ň吲c導(dǎo)桿之間或小盒卡具與掛勾之間夾絕緣紙等，防止焙燒期間導(dǎo)桿與掛勾連電造成小盒卡具發(fā)紅。

3.3 添加物料

出鋁端和煙道端各預(yù)留一個(gè)方形觀察口，用電解質(zhì)塊擺穩(wěn)，確保觀察口不垮塌，上面用硅酸蓋板蓋嚴(yán)。沿大面人造伸腿上砌筑一層電解質(zhì)塊墻，可減少熱沖擊，平衡伸腿受熱，以保護(hù)人造伸腿完好。在槽膛內(nèi)預(yù)埋熱電偶套管，套管底部用錘子打扁，其底部和爐底表面接觸(防止與陽(yáng)極接觸)，套管上端用石棉繩團(tuán)塞好或?qū)Ｓ蒙w子蓋嚴(yán)，防止物料進(jìn)入。

用編織袋或硬質(zhì)紙片將極間隙、碳間隙塞住，將大面電解質(zhì)塊墻蓋住，防止細(xì)電解質(zhì)粉進(jìn)入。用電解質(zhì)粉裝滿(mǎn)，要求邊部與槽沿板平齊。中縫鋪細(xì)電解質(zhì)粉，然后在陽(yáng)極內(nèi)上側(cè)鋪設(shè)鋼板或自制鋁板，以放上物料后不塌陷為宜，上面用冰晶石或細(xì)電解質(zhì)粉鋪平或高于極上料10cm左右。

3.4 安裝軟連接

軟連接在上槽前用木錘打出合適的彎曲度才可進(jìn)行安裝,確保焙燒過(guò)程中對(duì)陽(yáng)極產(chǎn)生向上的應(yīng)力可以通過(guò)軟連接釋放。壓接面用磨光機(jī)打磨平整、光滑。軟連接按其編號(hào)對(duì)號(hào)安裝，壓接程度必須達(dá)3/4以上，縫隙可用鋁皮塞實(shí)。

3.5 安裝分流器

除首批通電的電解槽和出電端端頭槽，其它槽全部采用分流器分流。采用鋼帶在陽(yáng)極大母線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的立柱之間進(jìn)行分流。分流器制作時(shí)采用立焊分流片，便于散熱，可減少分流片發(fā)紅現(xiàn)象，同時(shí)方便固定掛勾。分流器與立柱母線(xiàn)和陽(yáng)極母線(xiàn)壓接面處必須用磨光機(jī)徹底打磨平整、光滑，或用丙酮擦干凈，為保證壓接面的充分壓緊，采用雙卡具，卡具與母線(xiàn)的接觸部位加墊絕緣板，避免通電后分流器和弓形卡具大面積發(fā)紅。鋼帶材質(zhì)為Q235，斷面尺寸為150x4mm，每個(gè)分流位置10束鋼帶，一級(jí)分流時(shí)間約50小時(shí)，分流器拆除時(shí)從兩端向中間拆除。

3.6 安裝分流片

除首批通電的電解槽，其它槽全部焊接分流片，分流片材料選用A3鋼。焊接前先將焊接部位清掃干凈，用鋼絲刷處理，分流片兩端處理平整。分流片一端焊接在陽(yáng)極鋼爪橫梁上，另一端焊接在陰極鋼棒端部，分流片和槽殼及槽間鋼體結(jié)構(gòu)絕緣。每組陽(yáng)極均焊接4片，4組角部極各焊兩片。二級(jí)分流時(shí)間約40小時(shí)，拆除時(shí)根據(jù)實(shí)際升溫情況，按“從兩側(cè)向中間，先拆溫度低后拆溫度高，兩片先拆一片”的原則進(jìn)行拆除。

4 通電焙燒

4.1 通電

首次送電嚴(yán)格控制電流上升梯度，按要求逐步升高電流。后續(xù)通電槽采用不停電開(kāi)關(guān)全電流操作，二級(jí)分流，使沖擊電壓控制在3.0～3.5V之間，既保證通電安全，又確保升溫速度。

4.2 焙燒期間的管理

原則上通電24小時(shí)后或槽電壓低于3.0V開(kāi)始拆除分流片，待拆完分流片后，再拆分流器，升溫速度控制不超過(guò)15℃/小時(shí)。通電后應(yīng)先測(cè)一遍軟連接與陽(yáng)極母線(xiàn)和導(dǎo)桿的壓接壓降，控制在10mV以?xún)?nèi)，分流器發(fā)紅時(shí)應(yīng)及時(shí)處理，要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)槽電壓、陽(yáng)極電流分布情況和爐底溫度、側(cè)部溫度等參數(shù)，至少每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次并做好記錄。焙燒期間電流分布應(yīng)在0.6-1.4mV范圍內(nèi)，如果偏差過(guò)大，需要及時(shí)處理，對(duì)于偏小的情況，應(yīng)加強(qiáng)保溫并振打鋼爪；對(duì)于較大的情況，要根據(jù)變化的速度及趨勢(shì)判斷，不能隨意調(diào)整，半空腔焙燒槽由于不會(huì)大量產(chǎn)生液體電解質(zhì)，一般采取扒料散熱，過(guò)于嚴(yán)重時(shí)才可考慮調(diào)整軟連接等其他措施，但要高度注意，并做好記錄。

5 結(jié)論

在焙燒過(guò)程對(duì)出現(xiàn)的電壓偏高問(wèn)題、效應(yīng)難熄問(wèn)題、氧化鋁濃度不受控問(wèn)題等及時(shí)組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，深入分析，快速攻關(guān)，同時(shí)優(yōu)化規(guī)程，嚴(yán)格操作，細(xì)化管理，安全防控，使500kA大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽系列順利度過(guò)焙燒階段，從而證明采用不停電開(kāi)關(guān)全電流操作、焦粒純電解質(zhì)粉半空腔裝爐、二級(jí)分流焙燒方案的可行性。

從對(duì)槽結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，500kA槽結(jié)構(gòu)方面各項(xiàng)檢測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)，并且呈現(xiàn)出與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合的趨勢(shì)，從一方面印證了東大院數(shù)值模擬加經(jīng)驗(yàn)積累的開(kāi)發(fā)方式的準(zhǔn)確性。另外由于結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，部分?jǐn)?shù)據(jù)同比優(yōu)于早期槽型，值得后續(xù)項(xiàng)目借鑒。