600kA鋁電解槽電流分布的測(cè)量與分析

李 揚(yáng)，毛 宇，班允剛，楊曉玲

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

近些年來(lái)，我國(guó)電解鋁工業(yè)快速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)鋁產(chǎn)量占據(jù)全球供應(yīng)的55%。巨大的產(chǎn)能需求也促使著中國(guó)電解槽設(shè)計(jì)必須走向大型化，目前，國(guó)內(nèi)新建電解鋁系列已將設(shè)計(jì)系列電流提升至600kA。

電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)受多個(gè)參數(shù)的影響，如槽電壓、槽溫、分子比等，這些參數(shù)的有效監(jiān)控為電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)提供有效支撐。電解槽不同時(shí)期下陽(yáng)極、陰極電流分布情況可直接反應(yīng)出電解槽當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電解槽做出局部診斷，避免電解槽出現(xiàn)早期破損情況[1,2]。

本研究采用“電壓法”對(duì)國(guó)內(nèi)某600kA鋁電解槽的陽(yáng)極、陰極電流進(jìn)行測(cè)量，研究電流分布的均勻性，分析評(píng)價(jià)母線系統(tǒng)電平衡設(shè)計(jì)的合理性，分析評(píng)價(jià)實(shí)際生產(chǎn)中的鋁電解槽電流分布狀態(tài)。

1 測(cè)量方法及方案

鋁電解槽陽(yáng)極及陰極電流分布測(cè)量包括兩部分內(nèi)容：一是陽(yáng)極導(dǎo)桿及陰極軟帶電壓降的直接測(cè)量，二是陽(yáng)極導(dǎo)桿表面溫度及陰極軟帶表面溫度的測(cè)量。測(cè)量?jī)x器及工、器具包括數(shù)字電壓表，表面溫度計(jì)，陽(yáng)極等距壓降鉗以及測(cè)量陰極軟帶壓降的銅釬等。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，單陽(yáng)極導(dǎo)桿和單側(cè)陰極軟帶所導(dǎo)電流按以下公式計(jì)算：

其中：

Ins—單陽(yáng)極導(dǎo)桿或單側(cè)陰極軟帶電流（A）

U—陽(yáng)極導(dǎo)桿或鋁軟帶的電壓降 (mV)

R—導(dǎo)桿或鋁軟帶電阻（mΩ）

ρ—導(dǎo)桿或鋁軟帶的電阻率（mΩ/mm）

L—所測(cè)導(dǎo)桿位置的距離或鋁軟帶的長(zhǎng)度（mm）

S—導(dǎo)桿或鋁軟帶的截面積（mm2）

T—導(dǎo)桿或鋁軟帶的表面溫度 (℃)

把上述公式所計(jì)算的各陽(yáng)極導(dǎo)桿、陰極軟帶電流之和比電解槽系列電流要略大，這是因?yàn)樵陔娮栌?jì)算中使用導(dǎo)桿外壁及軟帶外壁溫度代替整體溫度而導(dǎo)致電阻較實(shí)際電阻小所致，因此在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，按計(jì)算總電流與實(shí)際系列電流比值進(jìn)行電流修正得到各陽(yáng)極導(dǎo)桿及陰極軟帶電流，并繪制成電流分布圖。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)量小 組 分 別 對(duì)1098#、1046#、2098#和2045#共4臺(tái)600kA級(jí)鋁電解槽的陽(yáng)極電流進(jìn)行測(cè)量，得出如下結(jié)果。

2.1 正常槽況下陽(yáng)極電流分布情況

圖1所示為正常槽況下電解槽陽(yáng)極電流分布圖。其中電解槽A側(cè)陽(yáng)極總電流為306.96kA，電解槽B側(cè)陽(yáng)極總電流為293.04kA，A、B側(cè)陽(yáng)極電流偏差為2.32%，陽(yáng)極電流整體均勻性較好。

圖1 正常槽況下電解槽陽(yáng)極電流分布圖

2.2 更換陽(yáng)極引起的電流分布變化

電解槽生產(chǎn)過(guò)程中炭陽(yáng)極不斷被消耗，需要定期更換陽(yáng)極來(lái)保持電解槽的正常生產(chǎn)。本系列電解槽的陽(yáng)極更換周期為33天，因此，電解槽幾乎每天都有陽(yáng)極需要更換。在更換陽(yáng)極的過(guò)程中，殘極從電解槽中取出，并替換為新的陽(yáng)極[3]。未經(jīng)過(guò)預(yù)熱的新極，其導(dǎo)電效果非常差，因此，更換陽(yáng)極的過(guò)程將破壞局部陽(yáng)極電流的分布。圖2所示為電解槽更換陽(yáng)極后其陽(yáng)極電流分布圖，其中B5和B6位置陽(yáng)極在測(cè)試前四小時(shí)更換陽(yáng)極，A25和A26位置在測(cè)試前一天更換陽(yáng)極。

圖2 更換陽(yáng)極后電解槽陽(yáng)極電流分布圖

新陽(yáng)極上槽后，冷陽(yáng)極表面迅速形成一層冷凝電解質(zhì)，1～2h后開(kāi)始熔化。分析圖2中的陽(yáng)極電流分布狀態(tài)可知，新陽(yáng)極更換后的4小時(shí)內(nèi)陽(yáng)極幾乎是不導(dǎo)電的，新陽(yáng)極更換一天后，其導(dǎo)通的電流也只達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%以上，且新陽(yáng)極相鄰區(qū)域的陽(yáng)極電流均有不同程度的提升。這說(shuō)明更換陽(yáng)極對(duì)陽(yáng)極電流分布影響較大，且影響范圍有新陽(yáng)極區(qū)域及鄰近區(qū)域。因此，為了避免因更換陽(yáng)極引起長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)極電流波動(dòng)，行業(yè)內(nèi)有通過(guò)預(yù)熱陽(yáng)極縮短陽(yáng)極全電流導(dǎo)通時(shí)間的做法。

2.3 陰極電流分布

圖3所示為正常槽況下電解槽陰極電流分布圖。對(duì)該系列4臺(tái)電解槽的陰極電流分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖4所示。

圖3 電解槽陰極電流分布圖

圖4 陰極電流分布比例對(duì)比表

分析圖3中的陰極電流分布狀態(tài)可知，該電解槽A側(cè)陰極總電流為303.74kA，B側(cè)陰極總電流為296.26kA，A、B側(cè)陰極電流偏差為1.25%，陰極電流分布整體均勻性較好。但是，單側(cè)陰極電流分布均勻性一般，其電流最大值較最小值多近6kA，這主要受陰極組裝質(zhì)量和爐底沉淀產(chǎn)生的影響。

分析圖4可知，所測(cè)的4臺(tái)電解槽，其A、B側(cè)陰極電流偏差均較小，在電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的可控范圍內(nèi)。其中3臺(tái)電解槽的A側(cè)陰極電流略多，B側(cè)陰極電流偏少，這與設(shè)計(jì)值的規(guī)律相反，這主要受電解槽爐底沉淀產(chǎn)生的影響。

2.4 電解槽局部沉淀的產(chǎn)生及對(duì)陰極電流分布的影響

鋁電解的主要原料為氧化鋁，它是否能夠順暢地溶解進(jìn)入電解質(zhì)關(guān)系到鋁電解槽的生產(chǎn)能否順利進(jìn)行、生產(chǎn)過(guò)程是否平穩(wěn)、是否產(chǎn)生沉淀，以及是否產(chǎn)生病槽等問(wèn)題。氧化鋁的溶解過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱過(guò)程，根據(jù)計(jì)算，為了溶解1%的氧化鋁，電解質(zhì)的溫度將會(huì)下降14℃，大約有一半的熱量提供給加熱用，另一半則提供給溶解所需的熱量[1]。

現(xiàn)代預(yù)焙電解槽要求采用砂狀氧化鋁，因?yàn)樗娜芙庑再|(zhì)和其他的性質(zhì)更符合現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)的要求。但是，國(guó)內(nèi)鋁廠現(xiàn)階段使用的氧化鋁卻很少能滿足其指標(biāo)，氧化鋁的溶解性能較差,電解槽爐底局部形成沉淀。沉淀的產(chǎn)生將增加電解槽爐底電阻、使陰極電流分布不均勻并造成局部磁場(chǎng)波動(dòng)。

陰極電流分布的均勻性是電解槽獲得較好的物理場(chǎng)狀態(tài)的重要前提。在電解槽母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，會(huì)嚴(yán)格控制各支路母線電流分布的均勻性以及A、B兩側(cè)整體電流偏差范圍，同時(shí)為了降低由于設(shè)計(jì)中A側(cè)磁場(chǎng)要整體高于B側(cè)所帶來(lái)的影響，會(huì)控制B側(cè)的設(shè)計(jì)電流略高于A側(cè)。但在電解槽實(shí)際生產(chǎn)中，隨著電解槽運(yùn)行時(shí)間的增加，由于A、B兩側(cè)爐幫厚度及爐底沉淀的差異，對(duì)電流分布均勻性產(chǎn)生影響。此次測(cè)量的4臺(tái)電解槽，其中3臺(tái)電解槽的整體沉淀分布情況呈A側(cè)少于B側(cè)的趨勢(shì)，B側(cè)因沉淀較多導(dǎo)致其電流減少，與設(shè)計(jì)值相反。因此，爐底沉淀狀況對(duì)陰極電流分布有較大影響，日常需多關(guān)注爐底沉淀情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)某600kA鋁電解槽的陽(yáng)極、陰極電流進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：600kA鋁電解槽的陽(yáng)極、陰極電流分布整體比較均勻，且陽(yáng)極電流分布與陰極電流分布無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

更換陽(yáng)極對(duì)電解槽陽(yáng)極電流分布的影響較大，且影響范圍有新陽(yáng)極區(qū)域及鄰近區(qū)域，通過(guò)預(yù)熱陽(yáng)極可縮短陽(yáng)極全電流導(dǎo)通時(shí)間。

爐底沉淀的產(chǎn)生對(duì)電解槽陰極電流分布的影響較大，日常需多關(guān)注爐底沉淀情況。