600 kA大型鋁電解槽穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)踐分析

邱傳武

(廣西百礦鋁業(yè)有限公司， 廣西 百色 533000)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，鋁電解槽容量逐步大型化，先出現(xiàn)了160 kA、200 kA、240 kA系列，隨后出現(xiàn)了280 kA、320 kA、350 kA、400 kA、420 kA系列，再到當(dāng)前的500 kA、600 kA、660 kA系列，電解槽大型化越來越突出。大型化在投資效益方面具有單位產(chǎn)能投資少，噸鋁成本折舊資金少、設(shè)備維護(hù)成本低、勞力成本低等多項(xiàng)優(yōu)勢[1]。但隨著電解槽容量的不斷加大，大型電解槽電壓的針振和擺動日益成為生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的重要因素[2]，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性成為大型化的瓶頸，其穩(wěn)定性研究已經(jīng)成為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中越來越重要的課題。

從設(shè)計(jì)角度來說，運(yùn)行穩(wěn)定性主要由磁場和電場決定[3]。鋁液中的水平電流與垂直磁場相互作用，形成鋁液流動的原動力，當(dāng)垂直磁場與水平電流都比較大時(shí)，鋁液流動形成的流場不穩(wěn)定性加劇。從工藝控制角度來說，提高鋁水平減少水平電流，控制各陽極的導(dǎo)電均勻性是常見的穩(wěn)定措施；而控制好氧化鋁濃度、過熱度等，減少陽極氣泡在陽極底的富積，讓氣泡從陽極底掌排出時(shí)更小更快，以減少氣泡對鋁液鏡面的擾動，可以很好地控制電解槽電壓波動[4]。本文就設(shè)計(jì)因素和工藝控制因素，對某電解鋁企業(yè)600kA電解槽的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并針對影響電解槽電壓穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，以突破大型槽穩(wěn)定性瓶頸，做到安全平穩(wěn)高效運(yùn)行。

1 某電解鋁企業(yè)600 kA電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性分析

1.1 600 kA電解槽的基本設(shè)計(jì)情況

某電解鋁企業(yè)電解槽設(shè)計(jì)電流為600 kA，陽極56組，陰極30組，陽極電流密度設(shè)計(jì)為0.816 A/cm2。在設(shè)計(jì)方面，600 kA電解槽母線配置采用槽外補(bǔ)償方式，對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響比較突出：

1)槽體大，長度近23 m，寬度約4.6 m，啟動期間，槽殼底隆起最高達(dá)11 cm。大槽體對溫度均勻性、濃度均勻性都有較大負(fù)面影響。

2)陰極采用450 mm高的GS- 5陰極(半石墨質(zhì))，與方鋼的粘接方式為磷生鐵澆鑄，不利于減少水平電流；但陰極炭塊與方鋼粘接的外端采用了一定的絕緣方式，可以抑制40%的水平電流。

3)電解槽中的下料點(diǎn)分布不均勻。8個(gè)下料點(diǎn)按陽極排列下料面積比為2，4，4，4，4，4，4，2。區(qū)域下料不均，易引起氧化鋁濃度差異。

4)槽內(nèi)襯熱場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為底部保溫，側(cè)部散熱。對于大型槽，這種設(shè)計(jì)易使邊部與中間形成溫差。

1.2 影響600 kA電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的因素分析

1.2.1 磁場電場的設(shè)計(jì)對運(yùn)行穩(wěn)定的影響

為盡可能排除氣泡對電壓穩(wěn)定性的影響，選取處于啟動后期管理運(yùn)行的電解槽進(jìn)行分析。跟蹤記錄1臺600 kA(實(shí)際575 kA)電解槽啟動后30-56天的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1，槽在出鋁作業(yè)、換極作業(yè)和抬母線作業(yè)后的擺動曲線，如圖1所示。

表1 某電解鋁企業(yè)1臺600 kA電解槽啟動后30-56天的運(yùn)行參數(shù)

圖1 600 kA電解槽出鋁、抬母線、換極作業(yè)的電壓曲線

1)由表1可知，工作電壓為3.951 V，電壓偏離值為23 mV，分子比為2.858，槽溫981.400 ℃，實(shí)際運(yùn)行電流為575 kA，陽極電流密度為0.782 A/cm2，噪聲長期穩(wěn)定保持在13.500 mV。

2)由圖1可知，電解槽電壓在出鋁、換極、抬母線作業(yè)后穩(wěn)定性良好，基本沒有受到影響，這是因?yàn)檫M(jìn)入后期管理的電解槽，爐膛潔凈度好，在高分子比、高溫和低極距工藝條件下，陽極氣泡對陽極濕潤性好，在陽極底富積少，排出時(shí)體積小，電解槽可以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，說明磷生鐵澆鑄陰極絕緣區(qū)抑制水平電流與電解槽的磁場設(shè)計(jì)，在運(yùn)行電流為575 kA時(shí)電壓穩(wěn)定性好。

1.2.2 電流對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

1)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，電流對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。張峰[4]等研究了鋁電解工藝對陽極氣泡析出行為的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡在陽極底掌下的覆蓋面積隨著電流密度的增大而減少，即隨著陽極電流密度的增大，槽電壓波動幅度降低。單從氣泡的角度來說，提升電流對電壓無不利影響，但因采用磷生鐵澆鑄陰極，增加電流在一定程度上增加了水平電流分量。因此，為了觀察電流強(qiáng)度對電壓穩(wěn)定性的影響，跟蹤記錄同處于啟動后30-40天的4臺電解槽在不同電流條件下的運(yùn)行情況，見表2。

由表2可知，電流由568.4 kA提升至580 kA，槽電壓的噪聲值由16.1 mV降至15 mV，穩(wěn)定性無明顯變化。即在高分子比條件下，處于穩(wěn)定運(yùn)行的電解槽，提升電流對槽電壓影響不大。

表2 同期啟動進(jìn)度槽，不同電流下的電解槽的工藝參數(shù)

2)非穩(wěn)定狀態(tài)下，電流對運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。處于正常期運(yùn)行的電解槽，分子比下降到2.55以下，如果處于非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電解槽，散熱孔溫差增大，槽電壓噪聲值隨電流增加而明顯增加(圖2)，槽電壓波動后長期不易恢復(fù)。此時(shí)，降低電流運(yùn)行，是解決問題的根本辦法。前期啟動槽因架設(shè)臨時(shí)匯流母線等原因，爐膛建立不好，電解槽處于非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，系列電流曾短期保持600 kA運(yùn)行穩(wěn)定性差，后降至580 kA。

1.2.3 分子比和過熱度對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

對其中某個(gè)管理正常、操作比較好的工區(qū)進(jìn)行3個(gè)月的跟蹤記錄，運(yùn)行電流為580 kA，將分子比從2.84分階段調(diào)整到2.45，期間電解槽各工藝參數(shù)見表3。

由表3可知，當(dāng)分子比保持2.45～2.65、鋁水平24～26 cm、過熱度大于14 ℃時(shí)，有較好的電壓穩(wěn)定性和較低的電壓偏離值。但在分子比下降到2.45、槽溫降到961 ℃后，噪聲值上升到22 mV，電壓偏離值上升到62 mV，槽電壓的穩(wěn)定性明顯變差，電解槽基本脫離微機(jī)控制區(qū)間，處于無序狀態(tài)。

圖2 非穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的電解槽電壓波動曲線

運(yùn)行參數(shù)1234567891011分子比2.8402.6802.6502.6202.5902.5302.5102.5202.5102.4902.450設(shè)定電壓/V4.0513.9904.0114.0014.0004.0184.0074.0134.0314.0404.056平均電壓/V4.0864.0164.0264.0154.0204.0304.0424.0584.0644.0904.118噪聲/mV18.00017.00016.00017.00017.00017.00018.00020.00019.00020.00022.000電壓偏離值/mV35.00027.00015.00014.00020.00022.00034.00045.00033.00050.00062.000槽溫/℃975.000972.000974.000971.000972.000968.000967.000964.000964.000961.000961.000鋁水平/cm24.10024.30024.20025.10024.80024.90025.20026.10026.30026.60026.200初晶點(diǎn)/℃967.200959.900958.400956.900955.800952.800951.800952.100951.800950.900949.200過熱度/℃7.80012.10015.60014.10016.20015.20015.20011.90012.20010.10011.800

1.2.4 陽極效應(yīng)干擾相鄰槽對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)后，在消除陽極效應(yīng)過程中，電解槽各陽極電流會出現(xiàn)短時(shí)間不平均導(dǎo)致電壓出現(xiàn)擾動，相鄰槽電壓擾動情況如圖3所示。從圖3可以看出，發(fā)生陽極效應(yīng)后，對電流方向的上一臺電解槽擾動稍大。

圖3 發(fā)生陽極效應(yīng)后對相鄰槽的電壓影響

綜上所述，高溫高分子比條件下，其運(yùn)行穩(wěn)定性較好；發(fā)生陽極效應(yīng)后，相鄰槽的電壓擾動不大；在鋁水平高度保持低于26 cm時(shí)，要保持更高的過熱度14 ℃，方可保持稍好的噪聲值，此時(shí)，分子比變化對槽電壓穩(wěn)定性影響明顯。磁場及陰極水平電流設(shè)計(jì)基本滿足生產(chǎn)要求，但因槽體大，生產(chǎn)中影響因素被放大，電解槽的抗干擾能力不強(qiáng)，波動后不易恢復(fù)，對爐膛規(guī)整性造成破壞。對此，以降低電流強(qiáng)度來應(yīng)對，這也就形成了電解槽大型化的瓶頸。為增強(qiáng)其搞干擾能力，做到長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要在過熱度、鋁水平等方面做出適應(yīng)性調(diào)整，以應(yīng)對大型化帶來的不穩(wěn)定性。

2 某電解鋁企業(yè)600 kA電解槽運(yùn)行適應(yīng)性調(diào)整

2.1 控制過熱度

陽極氣體覆蓋率的變化與槽電壓的波動高度吻合，氣泡的周期性行為是引起槽電壓波動的主要原因之一；增加電解質(zhì)對陽極濕潤性和增強(qiáng)電解質(zhì)流動性的工藝技術(shù)條件，有利于陽極氣體排出穩(wěn)定槽電壓，這也與上述多個(gè)運(yùn)行實(shí)例吻合，高分子比有利于增加電解質(zhì)對陽極的濕潤性和增強(qiáng)電解質(zhì)流動性，穩(wěn)定槽電壓。正常期生產(chǎn)分子比為低分子比，要達(dá)到類似的性質(zhì)，需通過保持高過熱度來獲得。要在低電壓下實(shí)現(xiàn)高過熱度，啟動中前期需建立高而陡且規(guī)整的爐膛。

2.2 控制爐膛

600 kA電解槽穩(wěn)定運(yùn)行要求有更高的過熱度，生產(chǎn)中，如果僅是提高電壓來達(dá)到提高熱度，能耗過高，也不利于安全。建立良好的高溫規(guī)整爐膛是保持低電壓下足夠過熱度的前提條件。高溫爐膛的建立機(jī)制如下：

2.2.1 控制啟動期應(yīng)力

600 kA大型電解槽，槽寬度與中型槽相比相差不大，但長度增加較大，上部衍架跨度大，槽殼槽體長。生產(chǎn)運(yùn)行中，啟動期應(yīng)力變化主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)下?lián)稀⒉鄣讱ど下?，槽底殼隆起最高達(dá)11 cm，如衍架受熱稍大，會加劇下?lián)戏龋⒁l(fā)掉極。所以，焙燒與啟動時(shí)以緩升溫、避高溫原則進(jìn)行，減少衍架和槽底殼變形，讓槽電壓平穩(wěn)下調(diào)，是啟動中后期建立高溫槽膛的前提和保障。否則，爐膛伸腿偏小且不規(guī)整，在進(jìn)入正常生產(chǎn)后，槽電壓會較高，穩(wěn)定性差。

2.2.2 啟動期保持高鋁水平和高晶點(diǎn)電解質(zhì)

600 kA電解槽槽體大，各部位熱平穩(wěn)均度和動態(tài)穩(wěn)定性相對差，因此要求所建爐膛要有更高的穩(wěn)固性和規(guī)整性，為正常期低分子比運(yùn)行時(shí)有足夠的過熱度和長期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。對此，采用高鋁水平和高晶點(diǎn)電解質(zhì)建膛。爐膛按要求建立后，跟蹤記錄某一電解槽(4119#槽)的生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況，運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 4119#電解槽啟動后1-3個(gè)月的運(yùn)行參數(shù)

由表4可知，高溫期保持更高位的鋁水平啟動槽；啟動進(jìn)入第3個(gè)月以后，在電壓3.945 V、鋁水平25.5 cm時(shí)，有14 ℃以上的過熱度。

2.3 正常生產(chǎn)期保持高鋁水平

進(jìn)入正常生產(chǎn)期后，鋁水平保持為28～30 cm。經(jīng)計(jì)算，鋁水平為28 cm，電解質(zhì)水平為18 cm時(shí)，每萬電流盤存鋁量約930 kg(一般槽型為750～850 kg)，電解質(zhì)量為217 kg。對于中小型電解質(zhì)量偏少，故保持高鋁水平，增加單位電流鋁熔體，有利于彌補(bǔ)電解質(zhì)少帶來的熱平衡差異，平衡各區(qū)域的溫度，增強(qiáng)微機(jī)雙平衡控制系統(tǒng)對能量與物料平衡的控制[5]。

有18臺電解槽(4618#-4636#)采用高溫高晶點(diǎn)高鋁水平建膛，在后期保持高鋁水平運(yùn)行后，獲得良好的生產(chǎn)指標(biāo)，電流效率達(dá)到93%，具體參數(shù)見表5。

表5 高溫高鋁水平建膛保持高鋁水平的電解槽(4618#-4636#)的運(yùn)行參數(shù)

2.4 平衡電解槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度

高鋁水平和足夠過熱度可以在氣泡及電解質(zhì)對陽極濕潤性方面，起到增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性的作用；同時(shí)在平衡電解槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度、減少水平電流、穩(wěn)定槽電壓等方面，也起到了根本性的作用。而要平衡槽中各區(qū)域的溫度和氧化鋁濃度，還應(yīng)增加如下措施：

1)均勻換極。在正常生產(chǎn)中，換極均勻性影響鋁液鏡面和槽電壓的穩(wěn)定性[6]。大型槽電解槽長度跨度大、陽極多，如果換極采取傳統(tǒng)方式間隔兩塊極，易導(dǎo)致電流及溫度分布不均，引發(fā)槽電壓波動。故定制換極表時(shí)，拉長換極位置間隔，上一次換極的位置與下一次換極的位置距離大于4塊陽極，盡可能避免單位時(shí)間內(nèi)集中一端換極，讓換極位置均勻分布。

2)均勻下料。因流場等原因，在設(shè)計(jì)上電解槽各下料點(diǎn)的排布方式為兩端頭密中間疏。實(shí)際運(yùn)行中，出鋁口下料點(diǎn)稍有積料，煙道端下料點(diǎn)積料相對嚴(yán)重。因此，最初對2臺電解槽兩端頭下料點(diǎn)采取減少下料定容器的辦法進(jìn)行試驗(yàn)，之后全部槽采用微機(jī)對相應(yīng)點(diǎn)延長下料周期的辦法，這樣處理在一定程度上有利于濃度均勻和槽電壓穩(wěn)定。

3)均勻蓋料。槽型設(shè)計(jì)為底部保溫、側(cè)部散熱。其中側(cè)部散熱比例相對過大，且中間和邊部距離相對增加。當(dāng)槽電壓偏高時(shí)，會導(dǎo)致中間和邊部的溫差增加。因此，采取減少中縫保溫料的做法，一定程度上平衡了各區(qū)域的溫度，增強(qiáng)了槽電壓穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1) 電解槽的磁場設(shè)計(jì)及磷生鐵澆鑄陰極絕緣區(qū)形成的水平電流，基本滿足生產(chǎn)要求。在電流580 kA，各環(huán)節(jié)控制較好的電解槽噪聲值已達(dá)18 mV，電流上調(diào)的運(yùn)行基礎(chǔ)有待提高，在減少陰極水平電流方面有待改進(jìn)。

2) 大型槽大型化至穩(wěn)定性變差，抗干擾性變差。在不穩(wěn)定狀態(tài)下，電解槽的波動幅度大，不易恢復(fù)。電解槽能否長期穩(wěn)定運(yùn)行，是滿負(fù)荷600 kA運(yùn)行的瓶頸所在。

3) 在過熱度偏低、鋁水平高度不夠的情況下，分子比對槽電壓的穩(wěn)定性影響較大。

4) 高鋁水平、高晶點(diǎn)、高溫建爐膛，有利于在正常生產(chǎn)期獲得良好的溫度和均勻性濃度，并在低電壓條件下獲得足夠過熱度。在此條件下，進(jìn)入正常期后把鋁水平控制在28～30 cm時(shí)，穩(wěn)定性增強(qiáng)，電流效率可達(dá)到93%。

5) 大型槽槽體大，各種現(xiàn)場作業(yè)與工藝定制應(yīng)盡可能少干擾到電解質(zhì)中的溫度均勻、氧化鋁濃度均勻。