200 kA預(yù)焙電解槽在復(fù)雜電解質(zhì)體系下經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的提升

周 洋

(青銅峽鋁業(yè)分公司， 寧夏 青銅峽 751603)

0 前言

由于國(guó)內(nèi)成品氧化鋁中大部分微量元素的超標(biāo)，特別是鋰、鉀、鈣等元素的嚴(yán)重超標(biāo)，造成電解槽電解質(zhì)成分發(fā)生嚴(yán)重的變化，從而影響到了電解生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)，如何在現(xiàn)有的高鋰、鉀復(fù)雜電解質(zhì)體系下探索出最優(yōu)化的工藝技術(shù)條件并保持，提升經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)是鋁電解生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題[1]。寧夏某鋁廠200 kA電解車間從2012年底開(kāi)始使用含高Li、K的氧化鋁原料，隨著生產(chǎn)的運(yùn)行，Li、K等雜質(zhì)元素不斷富集，電解質(zhì)體系隨之發(fā)生變化，屬于典型的高Li、K含量復(fù)雜電解質(zhì)體系。在今后長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中，200 kA電解車間面對(duì)的將是這一復(fù)雜電解質(zhì)體系下的生產(chǎn)管理，如何優(yōu)化復(fù)雜電解質(zhì)體系下的生產(chǎn)技術(shù)條件是200 kA電解車間安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)急需解決的課題。

1 高鋰、鉀復(fù)雜電解質(zhì)體系現(xiàn)狀

1.1 Li、K含量越來(lái)越高

目前200 kA電解車間電解質(zhì)體系中Li、K含量持續(xù)富集，截止2019年2月，電解質(zhì)體系中KF和 LiF含量已達(dá)到9.15%，如圖1所示。隨著Li、K含量的持續(xù)富集，電解槽表現(xiàn)為電解質(zhì)溫度低、過(guò)熱度難控制、氧化鋁溶解性差、爐底惡化、爐底壓降升高，槽況穩(wěn)定性差、電壓波動(dòng)大等造成電解槽滾鋁情況較為普遍，給電解槽生產(chǎn)管控帶來(lái)的難度越來(lái)越大。

圖1 200 kA系列電解質(zhì)成分(LiF+KF)含量趨勢(shì)

1.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)持續(xù)下滑

跟蹤統(tǒng)計(jì)了某鋁廠2017年1月至2018年4月的電流效率、鋁液直流電耗、電解鋁綜合交流電耗、陽(yáng)極毛耗、效應(yīng)系數(shù)以及閃爍效應(yīng)系數(shù)等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1和圖2。

表1 某鋁廠2017年1月至2018年4月的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

圖2 效應(yīng)系數(shù)和閃爍效應(yīng)系數(shù)趨勢(shì)圖

由表1可知，電流效率持續(xù)下滑，2017年全年平均電流效率為88.29%,2018年1—4月平均為87.12%；鋁液直流電耗和電解鋁綜合交流電耗持續(xù)上升，2017年全年消耗情況分別為13 695.67和14 215.92 kWh/t-Al，2018年1—4月消耗情況分別為14 073.25和14 611.00 kWh/t-Al；陽(yáng)極毛耗呈下降趨勢(shì)，但是一直偏高，2017年全年消耗527.67 kg/t-Al，2018年1—4月為516.50 kg/t-Al。由圖2可知，2107—2018年以來(lái)效應(yīng)系數(shù)呈上升趨勢(shì)， 2018年4月效應(yīng)系數(shù)和閃爍效應(yīng)系數(shù)分別達(dá)到2.16和4.11。

2 探索匹配的工藝技術(shù)條件

2.1 試驗(yàn)槽電解質(zhì)全分析

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，選定運(yùn)行穩(wěn)定的5臺(tái)電解槽7204、7208、7211、7221、7232，每周取一次電解質(zhì)試樣進(jìn)行全分析。5臺(tái)電解槽的多次電解質(zhì)全分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 5臺(tái)電解槽的電解質(zhì)全分析結(jié)果單位：%

2.2 復(fù)雜電解質(zhì)成分分析

采用常規(guī)衍射儀對(duì)復(fù)雜電解質(zhì)的成分進(jìn)行化驗(yàn)：

1)酸性電解質(zhì)固體物相成分有冰晶石(3NaF·AlF3)、亞冰晶石(5NaF·3AlF3)、鈣冰晶石(NaF·CaF2·AlF3)、鎂冰晶石(2NaF·MgF2·AlF3)、鋰冰晶石(2NaF·LiF·AlF3、LiF·2NaF·AlF3)、鉀冰晶石(NaF·2KF·AlF3)和游離氟化鈣(CaF2) 。

2)中性及堿性電解質(zhì)固體物相成分有冰晶石(3NaF·AlF3)、游離氟化鈣(CaF2)、鎂鈉化合物(NaF·MgF2)、游離氟化鋰(LiF)、鉀冰晶石(NaF·2KF·AlF3)和氧化鋁(含量8%以下，常規(guī)衍射儀的電解質(zhì)樣品掃描中看不到衍射峰)。

2.3 確定分子比的分析方法

采用衍射法和熒光法對(duì)目前電解車間復(fù)雜電解質(zhì)的分子比進(jìn)行分析化驗(yàn)，與此同時(shí)，將同一批次槽電解質(zhì)試樣送到某研究院進(jìn)行化驗(yàn)。3種方式所得到的分子比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同分析方式獲得的分子比結(jié)果

根據(jù)表3，并結(jié)合電解槽的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，衍射法分析的分子比結(jié)果波動(dòng)性小，在2.6左右下調(diào)緩慢，而且電解槽電解質(zhì)成分差；熒光法分析的分子比結(jié)果波動(dòng)性大，比較靈敏，在2.5以下保持時(shí)電解質(zhì)成分較清涼；衍射法分析得出的同樣大小數(shù)值的分子比，用熒光法分析數(shù)值變化很大；某研究院的化驗(yàn)結(jié)果與熒光法的化驗(yàn)結(jié)果之間的差值較小，且趨勢(shì)一致。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是根據(jù)衍射法和熒光法分析的原理，結(jié)合目前電解槽中Li、K含量較高，在電解質(zhì)質(zhì)體系中會(huì)置換冰晶石中的Na形成鋰冰晶石、鉀冰晶石、鎂冰晶石等亞化合物，對(duì)電解質(zhì)分子比的計(jì)算有一定的影響，而衍射儀中分子比的工作曲線沒(méi)有考慮這些元素的影響，導(dǎo)致在分子比過(guò)低或者過(guò)高時(shí)對(duì)分子比計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此經(jīng)過(guò)分析討論認(rèn)為，熒光法更適合目前車間酸性、復(fù)雜電解質(zhì)分子比的分析，分子比保持在2.35～2.55適宜。

2.4 優(yōu)化工藝技術(shù)條件

確定符合自己槽型的工藝技術(shù)條件是取得高效低耗經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵[2]。根據(jù)不斷調(diào)整、探索總結(jié)出的工藝技術(shù)條件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)穩(wěn)定保持，盡可能不變動(dòng)或者少變動(dòng)，即使變動(dòng)也應(yīng)控制變動(dòng)量，使變動(dòng)幅度控制在槽自調(diào)能力所能接受的范圍內(nèi)，做到溫度、電壓、鋁液高度波動(dòng)小，槽幫規(guī)整穩(wěn)定[3-5]。

2.4.1 現(xiàn)有的工藝技術(shù)條件

某200 kA電解系列2018年5月以前的工藝技術(shù)條件保持規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。該標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)電解槽的不同槽型來(lái)劃分，在保持方面存在著一些弊端。

2.4.2 工藝技術(shù)條件的調(diào)整

1)在確定目前電解質(zhì)分子比分析方法和保持范圍的基礎(chǔ)上，先保持電解槽設(shè)定電壓不變，從2018年5月至2019年2月分三個(gè)時(shí)段調(diào)整電解質(zhì)水平和分子比，電解質(zhì)水平分別調(diào)整為18～20 cm、17～19 cm、16～18 cm，如圖3所示；分子比分別調(diào)整為2.45～2.55、2.35～2.45、2.30～2.40，如圖4所示。

表4 2018年5月前的工藝技術(shù)條件

圖3 電解質(zhì)水平保持趨勢(shì)圖

圖4 分子比保持趨勢(shì)圖

2)根據(jù)電解槽狀態(tài)，在電解質(zhì)水平和分子比等各項(xiàng)條件匹配的前提下，自2018年5月以后逐步降低設(shè)定電壓，如圖5所示。

圖5 三電壓保持趨勢(shì)圖

2.4.3 優(yōu)化后的工藝技術(shù)條件

按上述步驟對(duì)現(xiàn)有的工藝技術(shù)條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以后，某公司根據(jù)電解槽的不同槽齡(90～1 000天、1 000～2 000天、2 000天以上)來(lái)劃分工藝技術(shù)條件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整并長(zhǎng)期控制在區(qū)間范圍內(nèi)，依靠鋁電解控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)、盡量減少人工干預(yù)，確保電解槽平穩(wěn)運(yùn)行。

表5 優(yōu)化后的工藝技術(shù)條件

3 改進(jìn)措施

在保持優(yōu)化后的工藝技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下改進(jìn)措施進(jìn)一步提升電解車間電解槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

3.1 降低無(wú)功電耗

某200 kA電解車間通過(guò)對(duì)陽(yáng)極導(dǎo)桿進(jìn)行拋光、水平母線壓接面擦灰、治理卡具壓降、增加電解槽槽罩絕緣等措施，降低了陽(yáng)極導(dǎo)桿與電解槽水平母線以及槽罩和電解槽槽沿板之間的無(wú)功電耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步提升。

3.2 嚴(yán)抓操作管理

1)加強(qiáng)電解槽保溫，減少熱損失。車間對(duì)覆蓋料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，覆蓋料總厚度由原來(lái)的與鋼爪下沿平齊，變?yōu)榕c鋼爪上沿平齊，氧化鋁厚度由原來(lái)的1 cm增加至2 cm；冬季使用布簾對(duì)廠房煙道端、地溝窗戶進(jìn)行封堵；同時(shí)對(duì)電解槽角部極爐窗洞使用耐火材料進(jìn)行密封。

2)規(guī)整爐膛。車間持續(xù)做好利用換極作業(yè)處置爐膛的工作，對(duì)爐底及中縫結(jié)殼和沉淀進(jìn)行處理，逐步規(guī)整爐膛。

3)加強(qiáng)員工培訓(xùn)。提高員工業(yè)務(wù)技能，從換極扒料、撈塊、壘墻等方面著手，嚴(yán)抓操作質(zhì)量，精細(xì)化管理，減少人為操作因素造成的電解槽波動(dòng)，保證電解槽穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 及時(shí)消除設(shè)備故障缺陷

電解車間將槽維作業(yè)人員由檢修車間劃歸電解車間管理，有效提高了管理效率和電解車間設(shè)備檢修維護(hù)工作。車間制定了詳細(xì)的電解槽設(shè)備日常點(diǎn)檢維護(hù)計(jì)劃，對(duì)電解槽漏風(fēng)漏料進(jìn)行了專項(xiàng)檢查，對(duì)查出的設(shè)備故障及時(shí)進(jìn)行整改處理；并根據(jù)環(huán)境溫度，對(duì)打殼、下料電磁閥進(jìn)行保溫處理，為電解槽平穩(wěn)運(yùn)行提供設(shè)備保障。

4 改進(jìn)后的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)工藝技術(shù)條件的調(diào)整和生產(chǎn)措施的改進(jìn)，跟蹤記錄了2018年5月至2019年2月期間的改進(jìn)后的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表6和圖6。

表6 2018年5月至2019年2月期間的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

圖6 2018年5月改進(jìn)后的效應(yīng)系數(shù)和閃爍效應(yīng)系數(shù)趨勢(shì)圖

1)對(duì)比表6和表1可知，改進(jìn)后的某200 kA電解槽電流效率穩(wěn)步提升，平均電流效率由改進(jìn)前的88.00%提升至91.16%； 鋁液直流電耗持續(xù)下降，由改進(jìn)前的137 90.06 kWh/t-Al降至13 011.60 kWh/t-Al；電解鋁綜合交流電耗持續(xù)下降，由改進(jìn)前的14 314.69 kWh/t-Al降至13 757.30 kWh/t-Al；陽(yáng)極毛耗呈下降趨勢(shì)，由改進(jìn)前的524.88 kg/t-Al降至489.30 kg/t-Al。

2)對(duì)比圖6和圖2可知，效應(yīng)系數(shù)和閃爍效應(yīng)系數(shù)呈下降趨勢(shì)，分別由改進(jìn)前的2.16和4.1降至0.33和1.98。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋁電解槽工藝技術(shù)條件是一項(xiàng)重要且長(zhǎng)期的管理任務(wù)，直接影響電解槽的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在保證電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，某200 kA系列電解車間探索出了在目前復(fù)雜電解質(zhì)體系下比較合適的工藝技術(shù)條件并保持穩(wěn)定，電解質(zhì)分子比化驗(yàn)方法由衍射法變?yōu)闊晒夥?，分子比均值由?yōu)化前的2.65變?yōu)?.40，電解質(zhì)水平平均值由優(yōu)化前的15.5 cm變?yōu)?6.5 cm，同時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到了較大的提高。在今后的工藝技術(shù)條件管理上，要堅(jiān)持以提高電流效率、降低消耗為前提，不斷優(yōu)化工藝技術(shù)條件，使電解槽保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。