200 kA鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化對生產(chǎn)指標(biāo)的影響

周 洋

(青銅峽鋁業(yè)股份有限公司青銅峽鋁業(yè)分公司, 寧夏 青銅峽 751603)

0 前言

某廠200 kA電解系列于2001年3月建成投產(chǎn)，電解系列共2棟廠房，采用橫向單排、大面四點進(jìn)電設(shè)計,安裝電解槽280臺，設(shè)計產(chǎn)能為15萬t/a，設(shè)計槽齡為1 800天，實際運(yùn)行電流為213 kA。電解系列設(shè)計投產(chǎn)年代較早，原設(shè)計設(shè)定電壓為4.30 V，電流效率為93.0%，鋁液交流電耗為14 234 kWh/t-Al。限于當(dāng)時的設(shè)計理念和技術(shù)水平，槽齡達(dá)到1 800天后，電解槽普遍存在爐膛差、陰極破損、側(cè)部炭塊掉落、爐底及側(cè)壁鋼板溫度高等問題，整體穩(wěn)定性差，頻繁發(fā)生電壓擺，導(dǎo)致電解生產(chǎn)指標(biāo)較差,并且發(fā)生滾鋁、漏爐事故的風(fēng)險較高，可能引發(fā)槽周母線沖毀，甚至短路口爆炸等停槽事故。這些問題嚴(yán)重危及200 kA電解系列的安全運(yùn)行。為降低電耗，提高電解槽壽命，2012年起，200 kA電解系列采用新型陰極結(jié)構(gòu)節(jié)能電解槽技術(shù)，利用槽大修時機(jī)對原有電解槽進(jìn)行改造，節(jié)能效果明顯。2019年，通過總結(jié)分析2012年改版電解槽的生產(chǎn)運(yùn)行情況，再次對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后，通過對比分析實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比2012版改進(jìn)電解槽，2019版改進(jìn)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和電解槽穩(wěn)定性有所提高。

1 電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽設(shè)計理念

理論和實踐經(jīng)驗證明，若要有效降低鋁電解生產(chǎn)的能耗，需在維持電解槽穩(wěn)定性和能量平衡的同時，盡量降低極距[1]。極距每降低1 cm，槽電壓降低約300 mV，電耗降低約1 000 kWh。穩(wěn)定性和能量平衡是電解槽設(shè)計首要考慮的因素，也是制約極距的核心因素[2]。磁場、水平電流的分布和大小決定電解槽的穩(wěn)定性，若磁場、水平電流分布不均，數(shù)值過大，將會導(dǎo)致鋁液流速過大，界面波動劇烈，電解槽的穩(wěn)定性變差，很難達(dá)到工藝操作要求。電解槽的熱場設(shè)計如果存在先天缺陷，將直接影響后期電解槽的技術(shù)條件保持和槽壽命。

1.2 新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)

通過對原內(nèi)襯結(jié)構(gòu)電解槽的生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)，以及反復(fù)論證,電解系列最終采用沈陽鋁鎂設(shè)計研究院的新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)對原內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造。傳統(tǒng)陰極鋼棒和新型陰極鋼棒對水平電流分布的影響如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)陰極鋼棒和新型陰極鋼棒對水平電流分布的影響

從圖1可以看出，對于傳統(tǒng)陰極鋼棒電解槽，電流從陽極流入電阻率很大的電解質(zhì)內(nèi)，保持幾乎垂直的方向，之后經(jīng)過彎曲變形的電解質(zhì)- 鋁液界面，鋁液層中出現(xiàn)大量水平電流[3-5]。應(yīng)用新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)后，鋁液中的水平電流得到明顯改善，電解槽穩(wěn)定性大幅提高。根據(jù)流動場模擬對比分析結(jié)果，采用新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計的電解槽與傳統(tǒng)鋁電解槽相比，鋁液中的水平電流降低，鋁液流動形態(tài)對稱，界面變形量小，磁流體穩(wěn)定性也較好。

采用新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)，陰極上表面仍保持傳統(tǒng)電解槽的特征，改造后的陰極鋼棒與陰極炭塊的組合形式如圖2所示。通過對陰極鋼棒的結(jié)構(gòu)及陰極鋼棒與陰極炭塊的組合形式進(jìn)行改造，減小了槽內(nèi)鋁液流動和波動，提高了電解槽穩(wěn)定性，同時減少了鋁液對炭塊的沖刷，提高了陰極炭塊壽命。

圖2 2019版改進(jìn)電解槽新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)與陰極炭塊的組合形式(單位：mm)

1.3 保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

鋁電解槽熱平衡設(shè)計的關(guān)鍵是合理控制側(cè)部爐幫和伸腿的形狀及大小、電解質(zhì)結(jié)晶固相等溫曲線的位置，確保在生產(chǎn)期間形成穩(wěn)定規(guī)整的爐膛內(nèi)型，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)和延長槽內(nèi)襯壽命的目的[6]。2019版改進(jìn)電解槽內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)主要變化如下：

1)側(cè)部炭塊由普通炭塊變?yōu)樘嫉璐u復(fù)合塊，減小人造伸腿的炭糊厚度，增加側(cè)部散熱和抗腐蝕性能，這些優(yōu)化有利于側(cè)部爐幫生成，降低水平電流，減少焙燒啟動期間的收縮量，降低漏爐幾率和提高槽壽命。

2)通過重新核算陰極母線電平衡，適當(dāng)增加角部陰極炭塊組的導(dǎo)電量，以減少角部伸腿長度。

3)采用分段式鋼棒，以防止鋼棒變形造成陰極炭塊上拱斷裂。

4)增加角部保溫層，以防止角部伸腿過長。

5)增加大面陰極區(qū)域的保溫，在陰極原澆注料區(qū)域使用耐火磚、兩層隔熱耐火磚，以減少伸腿長度，提高側(cè)部可壓縮量，防止側(cè)塊上拱。

6)增強(qiáng)槽底部保溫功能，防止伸腿過長。

2 新型陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)槽的生產(chǎn)指標(biāo)分析

采用新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，可減少水平電流，提高電解槽的穩(wěn)定性；通過內(nèi)襯保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改良電解槽的熱平衡設(shè)計。進(jìn)行上述優(yōu)化后，為研究內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化對電解槽的影響，將2012版改進(jìn)電解槽和2019版改進(jìn)電解槽的實際生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

2.1 焙燒工藝指標(biāo)分析

2.1.1 焙燒啟動數(shù)據(jù)

電解槽焙燒啟動過程使用粒度為2～5 mm、電阻率為120～160 μΩ·m的焦粒，采用矩形直鋪式鋪焦技術(shù)，保證焙燒期間陽極底掌與焦粒之間始終保持接觸良好，區(qū)域焙燒溫度均勻。2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的焙燒啟動數(shù)據(jù)見表1。

表1 2019版改進(jìn)電解槽與2012版改進(jìn)電解槽焙燒啟動數(shù)據(jù)對比

由表1可知，與2012版改進(jìn)電解槽相比，2019版改進(jìn)電解槽的沖擊電壓較低，降低了通電初期電解槽陰極受到的熱沖擊，同時有利于提高陰極、陽極電流分布的均勻性，從而使整個電解槽在焙燒過程中升溫均勻，減少槽內(nèi)襯裂紋的產(chǎn)生和電解槽早期破損現(xiàn)象，有利于延長電解槽槽壽命[7-10]。

2.1.2 導(dǎo)桿上竄量

通過加強(qiáng)焦粉摻配，嚴(yán)格控制焦粉比電阻，嚴(yán)抓鋪焦掛極工作質(zhì)量和通電焙燒期間陽極電流分布的測量、處置，2019版改進(jìn)槽陽極導(dǎo)桿上竄量(表2)均勻，為后期電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。

表2 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽導(dǎo)桿上竄量對比 cm

2.2 生產(chǎn)工藝指標(biāo)分析

2.2.1 電解系列工藝技術(shù)規(guī)范

通過分析總結(jié)，某廠對200 kA電解系列進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并制定了2019版改進(jìn)電解槽不同運(yùn)行時間的工藝技術(shù)規(guī)范，見表3。

表3 2019版改進(jìn)電解槽工藝技術(shù)規(guī)范

2.2.2 爐幫變化

2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的爐幫厚度變化如圖3所示。由圖3可知，2019版改進(jìn)電解槽在啟動運(yùn)行初期，爐幫形成較快，運(yùn)行后期爐幫較厚(13～15 cm)，較2012版改進(jìn)電解槽爐幫(9～11 cm)增厚4 cm左右。

圖3 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的爐幫厚度變化

2.2.3 伸腿長度變化

2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的伸腿長度變化如圖4所示。由圖4可知，2019版改進(jìn)電解槽在啟動運(yùn)行初期，伸腿形成較慢，運(yùn)行后期伸腿長度適宜(9～11 cm)；而2012版改進(jìn)電解槽伸腿形成較快，運(yùn)行后期伸腿長度較大(13～15 cm)。

圖4 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的伸腿長度

2.2.4 槽溫變化

2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的槽溫變化如圖5所示。從圖5可以看出，2012版改進(jìn)電解槽在啟動運(yùn)行初期，槽溫較高，變化趨勢較大；而2019版改進(jìn)電解槽在啟動初期槽溫較低，變化均勻，運(yùn)行后期槽溫穩(wěn)定在925～928 ℃。

圖5 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的槽溫變化

2.2.5 電壓變化

2012版改進(jìn)電解槽和2019版改進(jìn)電解槽啟動后，均按降電壓計劃執(zhí)行。其中2012版改進(jìn)電解槽啟動后，設(shè)定電壓降至3.92 V，之后以這個電壓長期運(yùn)行，直至2020年才根據(jù)爐膛情況逐步調(diào)整至3.95 V；2019版改進(jìn)電解槽啟動后，設(shè)定電壓先降至3.93 V，待到開始調(diào)整分子比時才將電壓逐步調(diào)整至3.95 V。2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的設(shè)定電壓、工作電壓和平均電壓見表4。

表4 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的電壓變化 V

由表4可知，隨電解槽運(yùn)行時間的增加，2012版改進(jìn)電解槽平均電壓與設(shè)定電壓差值隨之上升，而2019版改進(jìn)電解槽平均電壓與設(shè)定電壓差值變化不大，這說明2019版改進(jìn)槽的運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于2012版改進(jìn)槽。

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

2.3.1 電流效率變化

2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的電流效率見表5。由表5可知， 與2012版改進(jìn)電解槽相比，在啟動運(yùn)行時間相同的情況下，2019版改進(jìn)電解槽的電流效率累計提升1.05%。

表5 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的平均電流效率 %

2.3.2 直流電耗變化

2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的直流電耗見表6。由表6可知，與2012版改進(jìn)電解槽相比，2019版改進(jìn)電解槽的直流電耗累計降低89 kWh/t-Al。

表6 2012版改進(jìn)電解槽與2019版改進(jìn)電解槽的平均直流電耗 kWh/t-Al

3 結(jié)論

通過對2019版改進(jìn)電解槽和2012版改進(jìn)電解槽的各項工藝技術(shù)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，采用新內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的2019版改進(jìn)電解槽具有以下優(yōu)勢:

1)沖擊電壓較低(3.4～3.6 V)，對陰極的熱沖擊小，焙燒過程中導(dǎo)桿上竄量均勻，減少了槽內(nèi)襯裂紋的產(chǎn)生和電解槽早期破損現(xiàn)象，有利于延長電解槽槽壽命。

2)正常生產(chǎn)后形成的爐幫較厚(13～15 cm)，伸腿適宜(9～11 cm)，爐膛較為規(guī)整，電解槽穩(wěn)定性更好，有利于提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和延長槽壽命。

3)啟動后，設(shè)定電壓先降至3.92 V，之后隨著調(diào)整分子比逐步調(diào)整至3.95 V，有利于陰極壓降的控制。

4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于2012版改進(jìn)電解槽，同期電流效率提升0.58%，直流電耗降低82 kWh/t-Al。