鋁電解槽滾鋁原因分析及預(yù)防措施

曹韶峰

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司， 河南 鄭州 450041)

0 前言

鋁電解的穩(wěn)定運(yùn)行是獲得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提和保障，影響鋁電解穩(wěn)定運(yùn)行的因素主要是電、熱、磁三方面，即鋁電解行業(yè)所說的三場[1-2]。當(dāng)電場槽的電磁場平衡狀態(tài)遭到破壞時，不平衡的磁場力推動鋁液旋轉(zhuǎn)、翻滾，從而形成滾鋁[3]。滾鋁是鋁電解病槽的一種體現(xiàn)，一旦電解槽發(fā)生滾鋁現(xiàn)象，電解槽的運(yùn)行穩(wěn)定性降低，波動幅度變大，增加安全風(fēng)險；同時由于陰、陽極大范圍發(fā)生短路，產(chǎn)生電流空耗，降低電流效率，加之電壓升高，能耗指標(biāo)受到影響[4]。若處理不好，電解槽長時間無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可能導(dǎo)致停槽。如果鋁液和電解質(zhì)溢出，沖刷陰極母線，嚴(yán)重時則會造成系列停電。可見，鋁電解槽發(fā)生滾鋁對生產(chǎn)造成諸多不利影響，甚至發(fā)生停槽、停電的嚴(yán)重后果[5]，因此應(yīng)高度重視鋁電解槽的滾鋁，并預(yù)防滾鋁事故的發(fā)生。

本文結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了滾鋁發(fā)生的具體原因，針對性提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，給出了滾鋁事故的處理建議。

1 滾鋁

1.1 滾鋁特征

滾鋁是電解槽一種可怕的惡性病狀，也是引起電解槽漏槽、短路口爆炸的重要原因。電解槽滾鋁時，鋁液從槽底泛上來，然后沿四周或一定方向沉下去，形成巨大的漩渦，嚴(yán)重時鋁液上下翻騰，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，甚至連同電解質(zhì)一起翻騰到槽外。

由于鋁液的波動，極距急劇變化，引起嚴(yán)重的電壓擺動，擺幅在500 mV以上；火苗時冒時回，同時在槽壁上可以觀察到返上來的鋁液；陰、陽極電流分布紊亂，尤其是陽極電流分布變化無常，部分陽極停止工作。

1.2 滾鋁的根本原因

滾鋁的根本原因在于電解槽內(nèi)理想的電流分布狀態(tài)遭到破壞，形成不平衡的磁場。正常運(yùn)行的電解槽，槽膛規(guī)整，槽底干凈，電流可按設(shè)計的大小和路徑流經(jīng)電解槽各處，使各個方向上的磁場基本平衡，磁場力較小，鋁液規(guī)律地緩慢運(yùn)動，相對平靜。但當(dāng)電解槽的槽膛遭到破壞時，槽底沉淀多而且厚薄不均勻，造成陰、陽極電流紊亂，破壞磁場的平衡，從而產(chǎn)生不平衡的磁場力，作用于鋁液，使鋁液加速不規(guī)則運(yùn)動，特別是鋁液層中縱向水平電流增加，產(chǎn)生的磁場力將局部鋁液推向槽外，導(dǎo)致鋁液發(fā)生劇烈翻滾。

1.3 滾鋁前電解槽特點(diǎn)

電解槽發(fā)生滾鋁是可以預(yù)見的。一般情況下，電解槽發(fā)生滾鋁前有以下特點(diǎn)：1)槽膛畸形，槽底沉淀多而且分布不均勻，使鋁液運(yùn)動局部受阻，形成強(qiáng)烈偏流；2)槽內(nèi)鋁液淺，鋁液中水平電流密度大(特別在出鋁后易產(chǎn)生滾鋁)；3)陽極、陰極電流分布極不均勻，尤其是陽極電流分布變化無常，陽極停止工作。

2 滾鋁事故原因與預(yù)防措施

2.1 電解槽爐底、爐膛嚴(yán)重惡化

鋁電解啟動后，如果出現(xiàn)熱平衡或者物料平衡失衡，則會導(dǎo)致爐膛或爐底惡化，突出表現(xiàn)為工藝匹配不合理，爐幫薄且不規(guī)則，側(cè)部散熱大，爐底偏涼，電解槽易產(chǎn)生結(jié)殼或沉淀。另外，在啟動后期，如果電解槽溫度下降太快且低溫保持，加上電解質(zhì)水平長期偏低，電解質(zhì)溶解氧化鋁的能力變差，電解槽就會頻繁出現(xiàn)堵料、漏料等現(xiàn)象，電解槽中縫有大量沉淀，加之作業(yè)質(zhì)量得不到保證，導(dǎo)致電解槽運(yùn)行長期不穩(wěn)定。這種電解槽鋁液液面變形嚴(yán)重，水平電流大，稍有波動，易發(fā)生滾鋁。

預(yù)防的主體思路是做好焙燒啟動和后期管理，以及正常生產(chǎn)期的精細(xì)管理，防止電解槽出現(xiàn)波動。

電解槽的生產(chǎn)狀況大部分取決于前期的焙燒啟動和后期管理。1)焙燒時保持爐底焙燒溫度的均勻，防止過燒或過涼，以免對爐底散熱和導(dǎo)電均勻產(chǎn)生影響。一定要保證高溫、高分子比啟動，確保啟動過程中高溫、高分子比的電解質(zhì)充分滲透到焙燒時產(chǎn)生的內(nèi)襯裂縫中，形成均勻堅(jiān)固的防滲屏障。2)要嚴(yán)格執(zhí)行后期管理方案，使各項(xiàng)技術(shù)條件緩慢過渡到正常生產(chǎn)條件，形成堅(jiān)固均勻的爐膛。

正常生產(chǎn)期間，電解槽要做好的是熱平衡和物料平衡管理，主要以技術(shù)條件的合理平穩(wěn)和現(xiàn)場操作的高質(zhì)量管理為抓手。1)在技術(shù)條件方面，要求從電解槽啟動開始就必須制定統(tǒng)一的技術(shù)路線并長期穩(wěn)定執(zhí)行，電流、電壓、鋁量、電解質(zhì)體系保持合理匹配。堅(jiān)持“穩(wěn)定即是高效”的管理原則，減少電解生產(chǎn)控制變量，避免多個控制參數(shù)同時、大幅度、不系統(tǒng)調(diào)整。 2)現(xiàn)場操作是技術(shù)條件平穩(wěn)保持的重要支撐。換極操作設(shè)立質(zhì)量控制點(diǎn)，跟蹤監(jiān)控陽極定位、卡具壓降、撈塊質(zhì)量、極上保溫料；嚴(yán)格把控出鋁精度，防止為追求效益需要大量出鋁，破壞技術(shù)條件；防止為追求高效，不顧生產(chǎn)實(shí)際，降低分子比，低溫生產(chǎn)。

2.2 電解質(zhì)中鋰、鉀含量高

由于目前國內(nèi)氧化鋁中鋰、鉀含量高，電解質(zhì)中鋰、鉀含量也較高。采用這種電解質(zhì)體系啟動的電解槽，典型的特點(diǎn)是啟動初期溫度大幅下降，降至920 ℃以下，但過熱度較大，電解槽形成不了規(guī)整的爐膛。典型的表現(xiàn)是不長伸腿，導(dǎo)致電解槽易產(chǎn)生沉淀，鋁液中水平電流過大，容易發(fā)生滾鋁。

鑒于目前國內(nèi)氧化鋁的狀況，對于鋰、鉀含量高的氧化鋁，要搭配鋰、鉀含量低的氧化鋁使用，一般30%即可；啟動時盡量采用低鋰、低鉀電解質(zhì)，保證建立高溫、高分子比的規(guī)整爐膛，盡量采用高分子比生產(chǎn)策略。

2.3 壓槽導(dǎo)致極距過低

產(chǎn)生壓槽時，若不及時處理，極距過低，鋁液和電解質(zhì)不能良好分層，導(dǎo)致電解質(zhì)性質(zhì)惡化，局部鋁液直接接觸陽極，惡化陰極電流分布，使鋁液發(fā)生翻滾，導(dǎo)致滾鋁。

壓槽產(chǎn)生主要是現(xiàn)場巡視不力、氧化鋁濃度不均導(dǎo)致的，因此現(xiàn)場要設(shè)置專門觀察電壓曲線的人員，一旦遇到異常，馬上結(jié)合現(xiàn)場處理。

2.4 陽極、陰極電流分布不均勻

陽極電流分布一方面受到爐底結(jié)殼、沉淀的影響，另一方面受換極質(zhì)量、卡具壓降和陽極設(shè)置均勻性的影響。另外，陽極大母線和導(dǎo)桿表面不平整也會惡化陽極電流分布的均勻性。陰極電流分布一方面受爐底結(jié)殼、沉淀的影響，另一方面受大修槽時陰極鋼棒連接片的焊接質(zhì)量影響。陰、陽極電流分布不均造成電解槽內(nèi)磁場分布紊亂，鋁液波動幅度加劇且沒有規(guī)律性，最終導(dǎo)致滾鋁發(fā)生。

為了保證陽極電流分布的均勻，首先要保持規(guī)整爐膛，前面已敘述；其次要嚴(yán)格把關(guān)、考核換極質(zhì)量，要適時維護(hù)陽極大母線和陽極導(dǎo)桿的接觸面。此外，大修槽時陰極鋼棒連接片的焊接質(zhì)量要有專人監(jiān)控。

2.5 鋁量過低

低溫生產(chǎn)的小爐膛，在產(chǎn)鋁量本身就小，如果出鋁精度把握不好，或出鋁任務(wù)過大，都會導(dǎo)致鋁量大幅減少，槽內(nèi)鋁水平降幅過大，使鋁液對抗磁場力的作用減弱，導(dǎo)致滾鋁。

生產(chǎn)時應(yīng)盡量采用合適的分子比和溫度，過熱度保持在10～15 ℃，并對出鋁精度嚴(yán)格把控，發(fā)現(xiàn)過多出鋁，馬上采取措施，出鋁任務(wù)要貼近生產(chǎn)實(shí)際效率，使在產(chǎn)鋁量保持長期穩(wěn)定。

3 滾鋁事故的處理

1)出現(xiàn)滾鋁槽必須保持合理電壓。電壓保持以擺動基本保持穩(wěn)定為準(zhǔn)，提升電壓必須堅(jiān)持小幅調(diào)整原則。每次調(diào)整后觀察槽狀態(tài)變化，如需要，再次小幅調(diào)整電壓，嚴(yán)禁一次性提升。在電解槽發(fā)生劇烈滾鋁情況下，電壓波動幅度很大，一次性大幅提升電壓容易造成陽極斷路，導(dǎo)致電解槽爆炸。

2)若出鋁后出現(xiàn)滾鋁，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場判斷，若鋁量少，電壓擺動不超過300 mV，要適當(dāng)增加鋁量，灌鋁也要堅(jiān)持少量多次調(diào)整原則，嚴(yán)禁一次性灌鋁太多。電解槽兩水平總高太高，電解質(zhì)不容易保持，在劇烈滾鋁情況下鋁液大量噴出，易出現(xiàn)人身安全事故或熔斷母線事故。

3)電壓穩(wěn)定后適度調(diào)整陽極，由于滾鋁狀態(tài)下電流分布紊亂，切忌大幅度亂調(diào)陽極，必須堅(jiān)持少調(diào)小調(diào)原則。

4)堅(jiān)決杜絕下料。出現(xiàn)滾鋁槽，要關(guān)閉電解槽下料口，避免形成新的沉淀。

5)由于滾鋁會產(chǎn)生大量的熱量，使?fàn)t幫和伸腿熔化，電解槽的散熱隨之增加，要保持較高的穩(wěn)定電壓。滾鋁時電解槽電壓高而極距不高，因此不能手動降電壓。由于電解質(zhì)潔凈是一個緩慢過程，電壓隨著電解質(zhì)潔凈逐漸下降，應(yīng)適當(dāng)抬高電壓，拉高極距，待電壓不再下降，保持一段時間，再根據(jù)穩(wěn)定原則，在電解槽穩(wěn)定后再降電壓，切忌電壓忽高忽低，以免形成新的滾鋁。

6)電解槽穩(wěn)定后，槽溫下降，應(yīng)根據(jù)灌鋁量，適當(dāng)加大出鋁量，以免爐底發(fā)涼。

7)滾鋁槽的處理過程中必須高度關(guān)注安全，對人身及系列潛在安全必須作出周密安排，如果人工干預(yù)沒有效果，果斷停槽，防止出現(xiàn)更大事故。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對電解槽發(fā)生滾鋁時的現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為判斷電解槽是否發(fā)生滾鋁提供依據(jù)。分析了發(fā)生滾鋁的根本原因，指出滾鋁發(fā)生前電解槽的特點(diǎn)，并對電解生產(chǎn)過程中可能導(dǎo)致滾鋁的5種常見原因進(jìn)行了具體分析，針對性提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，最后給出了滾鋁事故的處理建議和措施。通過本文的介紹，可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況采取相應(yīng)的有效措施降低電解槽滾鋁事故的發(fā)生，提高預(yù)判電解槽發(fā)生滾鋁的準(zhǔn)確性，為鋁電解槽穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗提供保障。