石墨化和50%石墨質(zhì)陰極鋁電解槽指標(biāo)與磁流體穩(wěn)定性特征對(duì)比分析

湯 偉,李德贊,余龍進(jìn),倪德江,趙志彬

(1.廣西華磊新材料有限公司,廣西 百色 531400;2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

鋁電解槽陰極炭塊組是電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主體部分之一,作為電解生產(chǎn)中電平衡、熱平衡部分最重要的一環(huán),要求其具有良好的導(dǎo)電性能和傳熱特性。陰極炭塊還是有效延緩電解質(zhì)向下滲透的第一道防線[1],因此又要求其在高溫下具備抗冰晶石熔體侵蝕、鈉滲透的特性。

對(duì)于陰極炭塊材料的選擇,國(guó)內(nèi)電解企業(yè)和國(guó)外電解企業(yè)走出了截然不同的技術(shù)路線。國(guó)外一些大型鋁廠(如美鋁、迪拜、海德魯?shù)?很早就開(kāi)始石墨化陰極炭塊的應(yīng)用研究。鑒于石墨化炭塊自身良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,抗鈉滲透和抗熱膨脹性能,西方鋁廠普遍采用了高電流密度、高電流效率的電解技術(shù)路線[2]。國(guó)內(nèi)電解鋁廠則長(zhǎng)期習(xí)慣于使用具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)的石墨質(zhì)炭塊,最先進(jìn)的電解技術(shù)只在能耗方面維持世界先進(jìn)水平,在生產(chǎn)率(電流密度和電流效率)還有一定差距。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些電解設(shè)計(jì)科研院所和生產(chǎn)企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到石墨化陰極炭塊的優(yōu)勢(shì),陸續(xù)開(kāi)始工業(yè)探索。陶紹虎[3]以某電解企業(yè)為依托,對(duì)其500 kA電解系列的石墨質(zhì)陰極和石墨化陰極兩種槽型的工藝參數(shù)進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)石墨化電解槽陰極壓降長(zhǎng)期保持在240～260 mV之間,而石墨質(zhì)電解槽的陰極壓降則飆升到～340 mV。一年的平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示石墨化電解槽的電流效率高1.49%。營(yíng)口忠旺鋁業(yè)[4]也做了類似的工業(yè)嘗試。通過(guò)對(duì)40臺(tái)石墨化電解槽和40臺(tái)50%石墨質(zhì)電解槽的對(duì)比發(fā)現(xiàn),采用石墨化陰極炭塊的電解槽陰極壓降低45.5 mV,電流效率提高1%左右,直流電耗降低150 kWh/t-Al。此外,通過(guò)對(duì)大修槽占比分析發(fā)現(xiàn),石墨化電解槽的預(yù)期槽齡也大幅度提高。

截止目前,石墨化陰極炭塊在我國(guó)電解企業(yè)中并未得到廣泛的推廣應(yīng)用。我公司也于2020年初利用電解槽大修的機(jī)會(huì)啟動(dòng)了2臺(tái)石墨化陰極電解槽,通過(guò)同期啟動(dòng)的石墨質(zhì)電解槽的數(shù)據(jù)對(duì)比,獲得了大量第一手資料。本文通過(guò)兩類電解槽生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指標(biāo)對(duì)比、極限磁流體穩(wěn)定性特征分析對(duì)石墨化陰極電解槽的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)及其原因進(jìn)行了分析,希望可以為國(guó)內(nèi)外同行提供參考。

1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)比

我公司選取1202#和1722#兩臺(tái)電解槽安裝石墨化陰極炭塊組,1328#和1514#兩臺(tái)電解槽安裝50%石墨質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱石墨質(zhì))陰極炭塊組,兩類陰極炭塊理化性質(zhì)對(duì)比如表1。四臺(tái)試驗(yàn)槽的熱平衡設(shè)計(jì)和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)相同,啟動(dòng)時(shí)間相近(間隔20天內(nèi)),啟動(dòng)后期管理相同,正常生產(chǎn)期的工藝條件相同、原材料相同。

表1 石墨化陰極炭塊與50%石墨質(zhì)陰極炭塊理化性質(zhì)對(duì)比

4臺(tái)試驗(yàn)槽自啟動(dòng)進(jìn)入正常生產(chǎn)期后連續(xù)6個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及指標(biāo)對(duì)比顯示,兩類電解槽的運(yùn)行槽電壓幾乎相同(僅差～5 mV),鋁水平、質(zhì)水平、槽溫等工藝條件接近,但石墨化電解槽的電流效率高出石墨質(zhì)電解槽1.46%,電解槽的直流電耗也降低了約200 kWh/t-Al。

我公司石墨化陰極試驗(yàn)的結(jié)果與營(yíng)口忠旺等其他鋁企[4-6]的結(jié)果相同,均顯示石墨化陰極電解槽在節(jié)能、提效方面極具優(yōu)勢(shì)。目前科研院所和生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)為石墨化電解槽的節(jié)能優(yōu)勢(shì)在于其陰極壓降節(jié)省的電壓降可轉(zhuǎn)移到極距區(qū)域,所以在相同槽電壓的情況下石墨化電解槽的極距空間大于石墨質(zhì)電解槽,進(jìn)而可大幅度減少鋁液與CO2氣體進(jìn)行二次反應(yīng)的概率。

2 極限磁流體穩(wěn)定性特征分析

為了進(jìn)一步探索石墨化電解槽具備節(jié)能優(yōu)勢(shì)的原因,本文進(jìn)行了極限磁流體穩(wěn)定性特征分析試驗(yàn),即壓極距試驗(yàn)(Squeezing Test)[7]。

2.1 試驗(yàn)方法

壓極距試驗(yàn)是國(guó)際上一種常用的評(píng)價(jià)工業(yè)電解槽極限磁流體穩(wěn)定性特征的方法。

鋁電解槽的磁流體穩(wěn)定性是瞬態(tài)的,該試驗(yàn)是指在給電解槽一次人工擾動(dòng)后,評(píng)價(jià)鋁液/電解質(zhì)界面能否隨時(shí)間而逐漸恢復(fù)穩(wěn)定:如界面變形會(huì)隨時(shí)間趨于穩(wěn)定,此時(shí)電解槽的極距未達(dá)到極限;反之如電解槽界面變形隨時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)發(fā)育的趨勢(shì),則電解槽極距低于極限值。

本次試驗(yàn)是在電解槽處于休極期進(jìn)行的,避免了由于換極帶來(lái)的干擾。試驗(yàn)過(guò)程如下:

(1)試驗(yàn)前測(cè)量電解槽的陽(yáng)極電流分布、電解質(zhì)溫度,并通過(guò)計(jì)算得出該電解槽的等效極距分布[8],該分布可作為接下來(lái)試驗(yàn)的參考點(diǎn);

(2)快速吃掉安全區(qū)的極距,試驗(yàn)中的槽電壓(如3.88V)快速降低電壓80 mV到3.80 V;

(3)壓極距后等待5～15分鐘,密切關(guān)注電解槽擺動(dòng)、針振、電壓波動(dòng)的發(fā)育情況,重新測(cè)量陽(yáng)極電流分布、溫度,計(jì)算極距并與上一步的極距分布對(duì)比;

(4)重復(fù)步驟(2)～(3),依次降低到3.75V,3.70 V,3.65 V等;

(5)每次壓極距后,如界面波動(dòng)的穩(wěn)定性逐漸恢復(fù),則進(jìn)入下一階段;否則恢復(fù)極距,停止試驗(yàn)。

圖1是以1722#電解槽壓極距試驗(yàn)為例的試驗(yàn)過(guò)程,試驗(yàn)中密切注意溫度變化、質(zhì)水平變化等,避免出現(xiàn)安全事故。

圖1 壓極距試驗(yàn)的試驗(yàn)過(guò)程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2和圖3為石墨化陰極電解槽1722#和石墨質(zhì)電解槽1328#在壓極距試驗(yàn)過(guò)程中,不同階段電解槽的等效極距分布情況。需要指出的是,在等效極距的計(jì)算過(guò)程中,如某陽(yáng)極所承擔(dān)的電流過(guò)小(如新極、伸腿過(guò)長(zhǎng)的角極等),則其計(jì)算得到的等效極距是不準(zhǔn)確的,如圖2中B1、B15,圖3中A23A24、B5B6,在計(jì)算平均極距和極距標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)不將其考慮在內(nèi)。

圖2 石墨化陰極電解槽壓極距試驗(yàn)中各階段等效極距分布(1722#)

從圖2中可以看出試驗(yàn)前槽電壓在3.88V的情況下,平均極距為40.4 mm,該數(shù)據(jù)與人工測(cè)量電解槽不同位置極距的平均值接近。在當(dāng)前工況下,電解槽的整體極距分布呈現(xiàn)多峰形式,最低極距約為30 mm(A21),極距標(biāo)準(zhǔn)差為0.81;隨后電解槽的槽電壓降低到3.80 V,此時(shí)電解槽的平均極距為38.5 mm,極距的標(biāo)準(zhǔn)偏差未發(fā)生變化;繼續(xù)試驗(yàn)降低槽電壓到3.75 V,平均極距降低到37.0 mm,但極距標(biāo)準(zhǔn)差開(kāi)始上升到0.85,這說(shuō)明電解槽鋁液/電解質(zhì)界面開(kāi)始出現(xiàn)變形;隨著試驗(yàn)降低到3.70 V時(shí)候,平均極距降低到35.9 mm,此時(shí)B21所承擔(dān)的陽(yáng)極電流開(kāi)始出現(xiàn)輕微擺動(dòng);隨后,極距的分布情況繼續(xù)惡化,并出現(xiàn)多區(qū)域陽(yáng)極電流擺動(dòng)(3.65 V),這說(shuō)明此時(shí)電解槽的磁流體穩(wěn)定性已被破壞,在初始擾動(dòng)后電解槽鋁液/電解質(zhì)界面變形呈現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育的趨勢(shì);停止試驗(yàn),逐漸恢復(fù)槽電壓,試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)極距的分布情況與試驗(yàn)前基本相同,說(shuō)明該電解槽的鋁液/電解質(zhì)界面可恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖3顯示了石墨質(zhì)電解槽1328#在壓極距試驗(yàn)過(guò)程中等效極距分布情況。可以發(fā)現(xiàn)雖然試驗(yàn)前的槽電壓相同,但其平均極距為39.2 mm,較石墨化電解槽降低了1.2 mm,極距分布的標(biāo)準(zhǔn)差也比石墨化電解槽高～33%,極距分布也呈現(xiàn)多峰形式,但存在4根陽(yáng)極(A8,B21,B22,B24)的等效極距小于30 mm的情況,明顯大于石墨化電解槽;隨后槽電壓陸續(xù)降低到3.80V和3.75V,陽(yáng)極電流出現(xiàn)擺動(dòng)的情況(B20),隨后又出現(xiàn)多區(qū)域陽(yáng)極電流擺動(dòng);停止試驗(yàn)、電壓恢復(fù)后的極距分布情況也呈現(xiàn)與試驗(yàn)前基本相同的形貌,說(shuō)明該電解槽的鋁液/電解質(zhì)界面也可恢復(fù)到初始狀態(tài)。

石墨化電解槽1202#與石墨質(zhì)電解槽1514#也出現(xiàn)與圖2和圖3相同的趨勢(shì),這里不再贅述。

圖3 石墨質(zhì)陰極電解槽壓極距試驗(yàn)中各階段等效極距分布(1328#)

2.3 分析與討論

從圖2和圖3的對(duì)比中,可以發(fā)現(xiàn)石墨化電解槽和石墨質(zhì)電解槽在壓極距試驗(yàn)中的區(qū)別。為了進(jìn)一步具體分析兩者的差異性,本節(jié)總結(jié)了四臺(tái)電解槽在3.88V和3.80 V兩種工況下的極距和極距標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比情況,如表2所示。

表2 石墨化和石墨質(zhì)電解槽壓極距試驗(yàn)對(duì)比

從表2中可以看出,正常生產(chǎn)時(shí)兩臺(tái)石墨化電解槽的平均極距為40.20mm,而兩臺(tái)石墨質(zhì)電解槽的平均極距為38.98 mm,兩類電解槽存在1.2 mm的極距差異。結(jié)合試驗(yàn)槽所采用的純凈電解質(zhì)體系,1.2 mm的極距差異可折合約41 mV電解質(zhì)壓降。從極距標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比也可發(fā)現(xiàn),石墨化電解槽的極距均勻程度好于石墨質(zhì)電解槽。

目前的大量研究認(rèn)為石墨化陰極炭塊的電導(dǎo)率高于石墨質(zhì)炭塊(YS/T623-2012和YS/T699-2009),石墨化陰極電解槽在陰極壓降方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),除物理壓降方面,石墨化電解槽的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其對(duì)極距的均化程度上。

從表2中還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)電解槽槽電壓從3.88V降低到3.80 V時(shí),兩臺(tái)石墨化電解槽的極距標(biāo)準(zhǔn)差并未出現(xiàn)變大的趨勢(shì),甚至有降低的趨勢(shì),這說(shuō)明該類型電解槽鋁液/電解質(zhì)界面的分布形貌并未發(fā)生變化,其極距整體偏移降低;兩臺(tái)石墨質(zhì)電解槽的極距偏差則明顯增大(增大幅度～22%),在相同工況下,該類型電解槽的界面分布形貌出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)。這里的對(duì)比可說(shuō)明石墨化電解槽在抗干擾能力上遠(yuǎn)高于石墨質(zhì)電解槽。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析著手,進(jìn)行了石墨化和石墨質(zhì)電解槽的性能指標(biāo)對(duì)比、極限磁流體穩(wěn)定性試驗(yàn)分析,得到的主要結(jié)論如下:

(1)通過(guò)6個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在兩類電解槽運(yùn)行管理相同、工藝條件接近的情況下,石墨化電解槽的電流效率高出石墨質(zhì)電解槽1.46%,電解槽的直流電耗低～200kWh/t-Al。

(2)通過(guò)極限磁流體穩(wěn)定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨化電解槽降低到3.70 V開(kāi)始出現(xiàn)局部陽(yáng)極電流波動(dòng),而石墨質(zhì)電解槽降低到3.75 V就出現(xiàn)局部陽(yáng)極電流波動(dòng)的情況。

(3)計(jì)算等效極距發(fā)現(xiàn),正常生產(chǎn)情況下石墨化電解槽的平均極距為40.2 mm,石墨質(zhì)電解槽的平均極距為38.98 mm,差距為1.2 mm,石墨質(zhì)電解槽的極距分布標(biāo)準(zhǔn)偏差也比石墨化電解槽大～33%。

(4)當(dāng)槽電壓從3.88 V降低到3.80 V時(shí),兩臺(tái)石墨化電解槽的極距標(biāo)準(zhǔn)差并未出現(xiàn)變大的趨勢(shì),而兩臺(tái)石墨質(zhì)電解槽的極距偏差則增大約～22%,石墨化電解槽的抗干擾能力上遠(yuǎn)高于石墨質(zhì)電解槽。

(5)基于本文試驗(yàn)結(jié)果,我公司擬進(jìn)行下一步的擴(kuò)大試驗(yàn),進(jìn)一步研究石墨化電解槽抗干擾能力的深層原因,并探尋優(yōu)化石墨化陰極電解槽的生產(chǎn)管理技術(shù)。