鋁電解槽爐幫優(yōu)化控制技術開發(fā)與工業(yè)化應用研究

高興祿，成 庚,劉海鋒,劉進縣,張 磊,吳玲娟

(1.甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關 735100;2.酒鋼集團公司技術中心鋁業(yè)研究院,甘肅 嘉峪關 735100;3.酒鋼集團公司信息自動化分公司,甘肅 嘉峪關 735100)

世界鋁行業(yè)自1886年美國霍爾和法國艾魯特發(fā)明冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法制鋁技術以來,一直存在著電解槽爐幫有設計方案卻無有效控制技術的行業(yè)關鍵性難題。大型化鋁電解槽裝備由于沒有行業(yè)成熟經(jīng)驗借鑒,電解槽一直存在爐幫薄甚至無爐幫而侵蝕側(cè)部氮化硅結(jié)合碳化硅磚和側(cè)部復合炭塊現(xiàn)象,影響電解槽的穩(wěn)定高效長壽命運行,工業(yè)鋁電解槽爐幫控制技術亟待有效解決。

1 鋁電解槽爐幫優(yōu)化控制技術

為有效解決鋁電解槽爐幫厚度和伸腿長度有效優(yōu)化控制難題,研究提出發(fā)明專利技術“一種鋁電解槽爐幫厚度優(yōu)化控制方法”[1]。

1.1 計算爐幫熱阻系數(shù)

測量電解質(zhì)溫度和初晶溫度、爐幫厚度(或伸腿長度)及其對應的側(cè)部槽殼溫度、側(cè)部內(nèi)襯材料和槽殼鋼板總厚度的數(shù)據(jù),根據(jù)爐幫(或伸腿)熱阻系數(shù)數(shù)學模型:

α=(δ+H)×(Tb-T1)/(T1-Ts)

(1)

式中:α——爐幫(或伸腿)熱阻系數(shù),mm;

δ——爐幫厚度(或伸腿長度),mm;

H——爐幫厚度(或伸腿長度)對應的側(cè)部內(nèi)襯材料和槽殼鋼板厚度,mm;

Tb——電解質(zhì)溫度,℃;

T1——電解質(zhì)初晶溫度,℃;

Ts——爐幫厚度(或伸腿長度)對應的側(cè)部槽殼溫度,℃。

將采集的數(shù)據(jù)帶入爐幫(或伸腿)熱阻系數(shù)數(shù)學模型(1)式,獲得爐幫(或伸腿)熱阻系數(shù)。

1.2 計算爐幫厚度(或伸腿長度)

采集電解槽電解質(zhì)溫度和初晶溫度、爐幫(或伸腿)側(cè)部槽殼溫度與對應的爐幫(或伸腿)熱阻系數(shù),根據(jù)爐幫厚度(或伸腿長度)數(shù)學模型:

δ=α(T1-Ts)/(Tb-T1)-H

(2)

將采集的數(shù)據(jù)帶入爐幫厚度(或伸腿長度)數(shù)學模型(2)式,獲得爐幫厚度(或伸腿長度)。

1.3 爐幫厚度(或伸腿長度)優(yōu)化控制方法

通過優(yōu)化控制電解質(zhì)溫度和初晶溫度、爐幫(或伸腿)側(cè)部槽殼溫度以及有關的技術條件參數(shù),使爐幫厚度(包括人造伸腿)控制在15±5 cm、伸腿長度(不包括人造伸腿)控制在5±10 cm。

1.3.1 調(diào)控電解質(zhì)溫度

主要通過以下措施,控制電解溫度937±5 ℃。

(1)升降鋁水平

全石墨化陰極電解槽鋁水平較高石墨質(zhì)(含50%石墨質(zhì))陰極電解槽低2 cm,如全石墨化陰極電解槽21～23 cm,高石墨質(zhì)陰極電解槽23～25 cm,通過適當升降鋁水平而升降電解溫度。

(2)增減保溫料厚度

全石墨化陰極電解槽陽極上保溫覆蓋料厚度較高石墨質(zhì)陰極電解槽高2 cm,如全石墨化陰極電解槽30～32 cm,高石墨質(zhì)陰極電解槽28～30 cm,通過冬季適當增厚保溫料、夏季減少保溫料而升降電解溫度。覆蓋料不得埋住爆炸焊塊。

(3)升降槽電壓

在槽電壓合理范圍,如全石墨化陰極電解槽3.820～3.870 V,高石墨質(zhì)陰極電解槽3.920～3.950 V,結(jié)合電解溫度升降1 ℃對應500 kA電解槽1 h槽電壓升降36 mV、極上保溫料增減1 mm對應槽電壓降升6～9 mV(夏季6 mV、春季 7 mV、秋季8 mV、冬季9 mV,四季的開始分別為立冬、立秋、立春和立夏)、增減1 mm鋁水平對應降升7 mV槽電壓,計算槽電壓增減值,每次調(diào)節(jié)槽電壓不超過5 mV,每天調(diào)節(jié)槽電壓不超過20 mV。

(4)升降電流強度

電解質(zhì)溫度升降1 ℃,對應在產(chǎn)鋁與電解質(zhì)合計能量升降值為64×106J(17.8 kWh)、極間電壓降2,994 mV的500 kA電解槽1 h電流強度需升降值為5.9 kA(17.8 kWh÷2.994 kWh/kA)。

每1 h調(diào)整電流強度不超過0.8 kA,穩(wěn)定1 h后再調(diào)整,每天調(diào)整電流強度不超過8 kA;每次調(diào)整電流強度達到8 kA時,穩(wěn)定運行1個月,再調(diào)整電流強度。電解槽側(cè)壁裝有換熱器時,在升降電流強度20%范圍內(nèi),按需升降電解質(zhì)溫度。

1.3.2 調(diào)控初晶溫度

根據(jù)鋁電解質(zhì)體系相圖[2-3],在氟化鈉與氟化鋁的分子比(摩爾比)不大于3(保持電解質(zhì)弱酸性,抑制Na+放電,防止電流效率降低)的情況下(LiF≥2.5%～≤3.5%,分子比≥2.5～<2.7;LiF>3.5%～≤4.5%,分子比≥2.7～<2.8;LiF>4.5%～≤5%,分子比≥2.8～<2.9;LiF>5%,分子比≥2.9～<3.0),主要包括二種方法控制過熱度7±5 ℃、初晶溫度930±5 ℃。

(1)增減氟化鋁添加量,降升分子比

某500 kA電解槽電解質(zhì)水平18～20 cm,槽膛尺寸19,380 mm×4300 mm,爐幫厚度按120 mm計算,爐膛尺寸19,140 mm×4060 mm,陽極總面積1750 mm×740 mm×48 mm,平均極距45 mm,平均電解質(zhì)量為12,078 kg。電解質(zhì)減少1%氟化鋁,提高初晶溫度5 ℃,該500 kA電解槽升降電解質(zhì)初晶溫度1 ℃,需要減增氟化鋁添加量為24 kg(12,078 kg×1%/5 ℃)。

(2)降升堿金屬氟化物含量

在低氧化鋰氧化鋁(Li2O≤0.015%)占比≥25%,高氧化鋰氧化鋁(Li2O>0.015%～0.035%)占比≤75%的范圍內(nèi),控制氧化鋁中Li2O、K2O、MgO、CaO含量而控制電解質(zhì)中LiF≤3.5%、KF≤1.5%、MgF2≤1.5%、CaF2≤7%,以提高初晶溫度。系列電解質(zhì)LiF≥3.5%時,低氧化鋰氧化鋁占比相應增加(可達100%)。

1.3.3 調(diào)控槽殼溫度

通過裝卸散熱板、保溫板,加裝可調(diào)節(jié)換熱器,降升爐幫(伸腿)側(cè)部槽殼溫度(槽殼最高溫度≤325 ℃)。主要包括:

(1)利用槽下窗戶輔助調(diào)節(jié)槽殼溫度,在天氣溫度最低值氣溫≤4 ℃時全部關閉槽下窗戶,以防爐底溫度過低;

(2)個別側(cè)部槽殼溫度高而爐幫薄,按需增加散熱板面積和散熱性能,局部加裝高導熱率散熱板(如銅或鋁等);個別側(cè)部槽殼溫度過低而爐幫過厚,局部按需加裝保溫板(如硅酸鋁纖維保溫板等),適當減少散熱量;某個面與該槽其它面整體爐幫厚度出現(xiàn)差異,在爐幫過厚的面加強保溫,在爐幫過薄的面加裝高導熱率散熱板;

(3)采用電解槽側(cè)壁外掛式可控流量換熱器,按需調(diào)控槽殼溫度,實現(xiàn)爐幫優(yōu)化控制。

2 工業(yè)化試驗

從2019年12月31日至2020年11月8日,在酒鋼集團甘肅東興鋁業(yè)有限公司嘉峪關地區(qū)3臺500 kA鋁電解槽(4104#、4105#、4106#)上開展工業(yè)試驗,與3臺對比槽(4117#、4125#、4127#)進行對比,從3月24日開始優(yōu)化,取得了成效。其中,4104#、4125#為全石墨化陰極電解槽,到11月8日槽齡分別為445天、559天;4105#、4127#為二代槽高石墨質(zhì)陰極電解槽,到11月8日槽齡分別為868天、564天;4106#、4117#為一代槽高石墨質(zhì)陰極電解槽,4106#到11月8日槽齡為2587天,4117#因爐幫問題于8月19日停槽時的槽齡為2507天,換為4120#對比槽也因爐幫問題于9月6日停槽時的槽齡為2517天,換為4118#對比槽到11月8日槽齡為2583天。

2.1 優(yōu)化爐幫厚度和伸腿長度

2.1.1 爐幫厚度和伸腿長度實際優(yōu)化

測量的試驗槽和對比槽爐幫厚度、爐幫高度與伸腿長度變化見表1所示。

從表1看出,試驗槽爐幫厚度優(yōu)化后12.4 cm,較優(yōu)化前的6.2 cm提高6.2 cm,較同期對比槽的5.3 cm提高7.1 cm;試驗槽爐幫高度優(yōu)化后20.2 cm,較優(yōu)化前的16.9 cm提高3.3 cm,較同期對比槽的19.0 cm提高1.2 cm;試驗槽伸腿長度優(yōu)化后4.2 cm,較優(yōu)化前的0.2 cm提高4.0 cm,較同期對比槽的1.1 cm提高3.1 cm,有助于減少試驗槽水平電流分量、增加垂直電流分量和陰極電流密度,提高電流效率。

表1 試驗槽和對比槽爐幫厚度、爐幫高度與伸腿長度 cm

2.1.2 爐幫厚度和伸腿長度實測對比分析

爐幫厚度和伸腿長度實測對比分析見圖1所示。其中,實心圓點表示實測值,其余為使用爐幫厚度和伸腿長度數(shù)學模型計算值。

從圖1看出,在7月16日使用耐高溫探頭的槽殼溫度在線測量系統(tǒng)之后,爐幫厚度和伸腿長度實際測量值和使用該數(shù)學模型計算值偏差較小,表明在電解溫度、初晶溫度、爐幫和伸腿側(cè)部槽殼溫度等相關數(shù)據(jù)完整準確測量的情況下,該數(shù)學模型具有一定的準確性。

圖1 爐幫厚度和伸腿長度實測對比分析

2.2 槽殼溫度降低

試驗槽和對比槽槽殼溫度變化見表2所示。7月16日(開始使用完善后的在線測溫系統(tǒng))為優(yōu)化前,11月8日為優(yōu)化后(4117#停槽的8月19日為優(yōu)化后)。

從表2看出,優(yōu)化后試驗槽槽殼最高溫度為327.0 ℃,較優(yōu)化前的432.9 ℃降低106.0 ℃,較同期對比槽的425.9 ℃降低98.9 ℃;優(yōu)化后試驗槽槽殼平均溫度286.3 ℃,較優(yōu)化前的347.0 ℃降低60.6 ℃,較同期對比槽的331.2 ℃降低44.9 ℃,有助于減少試驗槽熱損失,降低噸鋁電耗。其中,4106#槽殼溫度變化見圖2所示。

圖2 4106#試驗槽槽殼溫度在線測量曲線

表2 試驗槽和對比槽槽殼溫度變化 ℃

2.3 電解溫度優(yōu)化上升

電解溫度由優(yōu)化前3月23日平均931.6 ℃,逐漸優(yōu)化升高,11月8月平均940.3 ℃,保持在937±5 ℃的合理范圍。其中,4106#槽電解溫度變化見圖3所示。

圖3 4106#槽電解溫度變化曲線

2.4 主要技術經(jīng)濟指標得到改善

試驗槽和對比槽主要技術條件變化見表3所示(其中,4117#數(shù)據(jù)等為4117#、4120#、4118#接連統(tǒng)計數(shù)據(jù))。

從表3看出。

表3 試驗槽和對比槽主要技術經(jīng)濟指標變化

(1)試驗槽優(yōu)化后平均槽電壓3.930V,較優(yōu)化前降低18 mV, 較對比槽(同期)降低24 mV。其中,4104#槽(全石墨化陰極)3.876 V,較優(yōu)化前降低32 mV, 較對比槽降低24 mV;

(2)試驗槽優(yōu)化后電流效率90.44%,較優(yōu)化前提高0.59%,較對比槽提高0.82%;其中,4104#槽91.18%,較優(yōu)化前提高1.13%, 較對比槽(4125#)提高2.06%;

(3)試驗槽優(yōu)化后直流電單耗12,952 kWh/t-Al,較優(yōu)化前降低144 kWh/t-Al,較對比槽降低197 kWh/t-Al。其中,4104#槽12,671 kWh/t-Al,較優(yōu)化前降低263 kWh/t-Al,較對比槽(4125#)降低373 kWh/t-Al;

(4)試驗槽原鋁液可比交流電耗優(yōu)化后13,353 kWh/t-Al,較優(yōu)化前降低148 kWh/t-Al,較對比槽降低203 kWh/t-Al。其中,4104#槽13,063 kWh/t-Al,較優(yōu)化前降低272 kWh/t-Al,較對比槽(4125#)降低385 kWh/t-Al;

(5)試驗槽氟化鹽單耗期優(yōu)化后9.3 kg/t-Al,較優(yōu)化前降低8.1 kg/t-Al,較對比槽同期降低7.7 kg/t-Al。其中,4104#槽9.1 kg/t-Al,較優(yōu)化前降低8.6 kg/t-Al,較對比槽(4125#)降低7.9 kg/t-Al;

(6)試驗槽炭陽極毛耗優(yōu)化后494.5kg/t-Al,較對比槽同期降低10.5 kg/t-Al。其中,4104#槽487.2 kg/t-Al,較對比槽(4125#)降低12.3 kg/t-Al。

2.5 降低噸鋁成本

(1)降低生產(chǎn)成本

試驗槽較對比槽電耗成本降低203 kWh/t-Al×0.2638元/kWh=53.5元/t-Al,氟化鹽成本降低7.7 kg/t-Al×6.788元/kg=52.27元/t-Al,鋁炭陽極成本降低10.5 kg/t-Al×2.615元/kg=27.46元/t-Al,合計生產(chǎn)成本降低133.28元/t-Al。

(2)降低大修啟動成本

該技術延長槽壽命1年以上,全石墨化陰極電解槽大修啟動成本降低42.48元/t-Al,高石墨質(zhì)陰極電解槽大修啟動成本降低72.02元/t-Al,試驗槽噸鋁大修啟動成本降低62.18元/t-Al。生產(chǎn)成本和大修啟動費合計降低195.46元/t-Al。

2.6 環(huán)境、安全和社會效益

(1)環(huán)境效益

a.嘉峪關地區(qū)每年可少用氟化鋁3690 t,恢復爐膛消化5000 t電解質(zhì)塊(粉),減少電解質(zhì)塊(含活性氟)庫存量,減輕環(huán)保壓力;

b.延長槽壽命1年以上,嘉峪關地區(qū)每年大修槽內(nèi)襯氟化物生產(chǎn)量減少584.63 t/年,節(jié)約環(huán)保投資766.7萬元,降低無害化處理成本。

(2)安全效益

電解槽側(cè)部溫度降低,降低漏爐風險,提高本質(zhì)安全性能。

(3)社會效益

減少吹風降溫、砸邊部、側(cè)部熱補爐、重點監(jiān)測和維護量,提高社會效益。

3 結(jié) 語

經(jīng)過500 kA工業(yè)鋁電解槽試驗,得出以下主要結(jié)論:

(1)該鋁電解槽爐幫厚度(伸腿長度)數(shù)學模型具有一定的準確性;

(2)爐幫厚度和伸腿長度分別提高7.1 cm和3.1 cm,達到了爐幫厚度10～20 cm、伸腿長度-5～15 cm的要求;

(3)槽殼最高溫度和平均溫度分別降低98.9 ℃和44.9 ℃;

(4)原鋁液可比交流電耗、氟化鹽單耗和氟化鹽單耗分別降低203 kWh/t-Al(其中,全石墨化陰極電解槽降低385 kWh/t-Al,達到13,063 kWh/t-Al)、7 kg/t-Al和12.3 kg/t-Al;

(5)降低生產(chǎn)成本133.28元/t-Al、大修啟動成本62.18元/t-Al;

(6)減少電解質(zhì)外取,消化堆存電解質(zhì);延長槽壽命,降低漏爐風險,減少吹風降溫、砸邊部、側(cè)部熱補、監(jiān)測和維護量;降低危廢處理投資、成本和環(huán)保風險。