熱極澆鑄技術(shù)在鋁電解生產(chǎn)中的應用

王俠前

(中鋁山西新材料有限公司， 山西 河津 043300)

0 前言

電解生產(chǎn)過程中，預焙陽極不僅起著傳導電流的作用，而且作為陽極材料參與電化學反應過程。預焙陽極隨著電解的進行不斷消耗，因此需要定期更換。預焙陽極作為電解槽的心臟，每次換極都是對電解槽的一次干擾[1]。在換極操作之前，正常運行的鋁電解槽熱平衡和物料平衡保持相對穩(wěn)定，浸入熔融電解質(zhì)中的陽極溫度和電解質(zhì)溫度基本相同。在換極過程中，高溫殘極從電解槽中拔出，一方面高溫殘極會從電解質(zhì)中帶走部分熱量，造成熱量損失；另一方面，從拔極到裝極需要一定的時間，造成空極，電解質(zhì)液面直接向空氣散熱，造成熱量損失。空極面積越大，空極時間越長，熱量損失越大，尤其是更換角部極時，因邊部空極面積增大，熱量損失也增加。此外，當常溫陽極上槽時，由于二者之間溫差較大，新極需要從電解質(zhì)中吸收大量的熱量，直至達到新的熱平衡為止。因此，換極過程對電解槽的熱量平衡和物料平衡影響巨大。

為減少換極對電解槽帶來的影響，許多學者先后提出了不同的陽極預熱方式[2-3]：電解槽煙氣預熱、殘極熱量預熱、電解槽槽道間的熱量預熱等，但是效果均不明顯。本文提出將焙燒出來的熱極直接澆鑄送往電解，充分利用陽極焙燒產(chǎn)生的余熱，使陽極送到電解后保持較高的溫度狀態(tài)，減少換極作業(yè)對電解槽熱平衡的影響。該方法作為中鋁集團科技部推廣應用項目，先后在山西新材料、山西華圣等單位進行推廣應用。

1 換極對電解槽影響

生產(chǎn)實踐表明，換極后對電解槽的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)物料平衡受到影響。換極作業(yè)過程中，在天車開邊、拔殘極時，不可避免地會有氧化鋁浮料和殼面塊落入槽內(nèi)，打撈這部分殼面塊時會帶走大量的電解質(zhì)，并且浮料和殼面塊進入電解質(zhì)后熔化需要吸收大量的熱，造成換極區(qū)域電解質(zhì)溫度降低，電解質(zhì)發(fā)粘，氧化鋁溶解性變差，使局部氧化鋁濃度升高，走入反區(qū)，容易誘發(fā)局部效應。

2)能量平衡受到影。換極后電解質(zhì)過熱度變小，電解質(zhì)發(fā)粘，需要增加一定的附加電壓彌補換極造成的熱量損失。

3)穩(wěn)定性受到影響。換極作業(yè)難免會有較大的殼面塊落入電解質(zhì)中，如果電解槽技術(shù)條件保持不合理，爐膛畸形或者爐底較差，極易造成電壓擺，甚至滾鋁。而且由于新極上槽后，在一定時間內(nèi)不導電，電解槽陰極、陽極電流分布會發(fā)生變化，磁場也隨之發(fā)生變化，容易造成噪聲增大、穩(wěn)定性降低。

2 不同的預熱方式對比

為對比不同預熱方式的預熱效果，選取殘極預熱、槽道間預熱和熱極澆鑄，預熱時間均為12 h，陽極表面溫度見表1。

表1 不同預熱方式陽極表面溫度

由表1可以看出，殘極預熱陽極表面溫度最高，但是因為殘極預熱溫度是由外至內(nèi)傳遞，所以表面溫度傳遞至內(nèi)部逐漸衰減；而熱極澆鑄溫度是由內(nèi)至外輻射，炭塊內(nèi)部溫度較表面溫度更高，因此，熱極澆鑄的預熱方式最優(yōu)。

3 熱極澆鑄工藝流程

熱極澆鑄的實質(zhì)是優(yōu)化系統(tǒng)流程，消除等待浪費，使炭素、電解之間的流程銜接緊湊，如圖1所示：焙燒塊出爐后當班解組，解組后炭塊在線清理，清理完畢后在線檢查，檢查合格后直接從焙燒板鏈進入組裝車間板鏈，進入組裝車間；組裝澆鑄完成之后，表面清理，質(zhì)檢合格后上陽極托盤拉運到電解廠房。熱極澆鑄進電解的核心是準時生產(chǎn)，要求電解換極和焙燒爐出塊、陽極組裝節(jié)奏一致。但是由于生產(chǎn)實際情況不同，基本可滿足60%左右的陽極為熱極。各環(huán)節(jié)炭塊溫度和所需時間見表2。

圖1 熱極澆鑄工藝流程

表2 熱極澆鑄各工序耗時及炭塊溫度

4 熱極澆鑄效果

4.1 對效應系數(shù)和電壓的影響

在相同的工藝控制條件下，統(tǒng)計出一個工區(qū)(43臺300 kA系列電解槽)30天內(nèi)的全效應系數(shù)以及日平均電壓的變化趨勢，如圖2所示。

圖2 全效應系數(shù)、平均電壓變化趨勢

從圖2可以看出，隨著熱極陸續(xù)上槽，全效應系數(shù)和平均電壓逐步降低，全效應系數(shù)由1.231次/(槽·日)逐步下降到0.573次/(槽·日)，平均電壓由最高3.957 V降低到3.934 V。這是因為，常溫情況下，陽極上附著的水分會在陽極入槽后形成氣泡附著在陽極底掌，使得氣膜電阻升高，電壓拉偏增加，此時，槽控機通常會采用過量加工來控制電壓的異常升高，造成局部氧化鋁濃度偏高，溶解性下降，電解質(zhì)發(fā)粘，陽極效應頻發(fā)；而且常溫陽極上槽后，由于表面溫度較低，與電解質(zhì)的溫差大，也會造成電解質(zhì)冷縮[4]。而熱極直接上槽可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，可以有效預防陽極效應。

4.2 對陽極導電速度的影響

選擇一個工區(qū)(共43臺300 kA電解槽，20組雙陽極)一個完整陽極周期內(nèi)，不同位置熱極和常溫陽極的平均導電情況做對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同陽極位置熱極和常溫陽極16 h電流分布對比

從圖3中可以看出，熱極的導電速度明顯大于常溫陽極的導電速度。這是因為常溫陽極表面溫度(約20 ℃)遠低于電解質(zhì)初晶溫度(約910～920 ℃)[5]。而陽極上槽后，電解質(zhì)在陽極底掌凝結(jié)一層電解質(zhì)結(jié)殼，導致新上極電阻增大，隨著陽極底掌溫度升高，結(jié)殼逐步溶解，陽極電流上升。但由于熱陽極有較高的初溫，結(jié)殼層較薄，溶解速度較快，所以熱陽極的導電速度大于常溫陽極。

4.3 對電解槽穩(wěn)定性的影響

熱陽極上槽后由于與電解質(zhì)的溫差相對常溫陽極較小，所以對新極周圍的電解質(zhì)粘度、氧化鋁溶解性和陽極本身的導電速度影響較小，并且電壓拉偏也會降低，噪聲比較小。使用常溫陽極、熱極進行陽極更換作業(yè)的電壓變化曲線如圖4、圖5所示，針振、擺動以及附加電壓值見表3。

圖4 常溫陽極換極前后的槽電壓情況

圖5 熱極換極前后的槽電壓情況

表3 熱極和常溫陽極上槽后槽況穩(wěn)定性變化

從圖4、圖5和表3中可以看出，在換極過程中，熱極上電解槽比常溫陽極上電解槽的穩(wěn)定性好，換極過程中電壓拉偏較小、電壓擺動較??；而且熱極電解槽比常溫陽極電解槽更快地恢復到了穩(wěn)定的狀態(tài)，縮短了從換極到平衡的時間，減少了換極后電解槽電壓的偏離，有助于提高電解槽生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

4.4 對電解槽能量平衡的影響

陽極預熱可以減少陽極上槽后電解質(zhì)溫度的降低程度，并且由于預熱后陽極導電性能改善,使陽極達滿負荷電流的時間大大提前，改善了剛換陽極在電解槽熔體體系中形成的“小冷區(qū)”現(xiàn)象[6-7]，減少了電解槽換極過程中的熱量散失，使換極后槽電壓平穩(wěn)，噪聲較低，有利于電流效率的提升和能耗的降低。

相關(guān)資料表明[8-10]，陽極電流分布達到全電流時的平均溫度為280 ℃，熱極上槽對電解槽熱平衡的影響理論計算如下：

Q=ΔCMΔT

(1)

Q=UIt

(2)

式中：ΔC——比熱容，kJ/kg·K；

M——陽極質(zhì)量，kg；

ΔT——溫度變化量，K；

Q——熱量，kJ；

t——時間，s；

I——電流強度，kA；

U——電壓，V。

根據(jù)公式(1)，當陽極(質(zhì)量為1 932 kg)由室溫20 ℃升高到80 ℃(熱極的熱容為0.868 kJ/kg·K)，所需要吸收的熱量Q=0.868×1 932×(80-20)=100 619 kJ；以300 kA電解槽為例，根據(jù)公式(2)，使用熱極時，電壓U=Q/It=100 619/(300×3 600×24)=4 mV，即熱極對降低平均電壓有4 mV的貢獻。

4.5 對電解槽爐膛的影響

電解槽爐膛的變化實際就是電解質(zhì)冷凝和熔化的熱問題，一般認為影響爐幫厚度和伸腿長度的主要因素是過熱度，即是電解槽溫度和初晶溫度的差值。換極作業(yè)時，在天車開邊和起殘極過程中，不可避免地會有大量的浮料和殼面塊進入電解質(zhì)，造成氧化鋁濃度增加，未能完全溶解的氧化鋁沉入爐底，形成沉淀。雖然由于氧化鋁濃度增加初晶溫度減小，但是常溫陽極進入電解質(zhì)后會吸收大量的熱量，使電解槽過熱度迅速變小，爐膛發(fā)生變化，鋁液鏡面變形，水平電流增大。

Fiona J Stevens[11]將電解槽的爐膛從散熱的角度上分了兩個區(qū)域，側(cè)部的散熱由過熱度驅(qū)動，上部和爐底的散熱由電解質(zhì)溫度驅(qū)動。在換極過程中，電解質(zhì)溫度降低，換極處爐幫、伸腿因靠近槽側(cè)鋼板有散熱，此時不僅得不到足夠的熱量補充，還要補充新極的吸熱，因此這部分熱量就由電解質(zhì)冷凝產(chǎn)生相變熱來補充，這樣就增厚了爐幫。使用熱極上槽后，陽極與電解質(zhì)之間的溫度梯度變小，等溫線外移，爐膛變化較小，對電解槽穩(wěn)定性、鋁液界面波動和電流效率影響減小。

5 結(jié)論

1)通過梳理碳素、電解工藝流程，消除等待浪費，壓縮相關(guān)環(huán)節(jié)的處理時間，可以實現(xiàn)熱極直接澆鑄上槽，且熱極澆鑄直接上槽效果較其他預熱方式更好。

2)熱極澆鑄直接上槽能增加陽極的導電速度，改善電解槽的熱平衡，有效降低電解槽效應系數(shù)和平均電壓，通過理論計算得出，使用80 ℃的熱極，對降低平均電壓有4 mV貢獻。

3)與傳統(tǒng)的常溫陽極上槽相比，熱極澆鑄直接上槽對電解槽爐幫、伸腿影響較小，有利于減小水平電流、提升電解槽的穩(wěn)定性。