鋁電解槽爐優(yōu)化控制技術(shù)開發(fā)與工業(yè)化運(yùn)用分析

吳茂軍

摘 ?要：本文對鋁電解槽爐側(cè)優(yōu)化控制技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了爐側(cè)厚度的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制規(guī)則。在500千伏安鋁電解槽上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，爐側(cè)厚度、延伸腿長度和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有相應(yīng)提高。

關(guān)鍵詞：鋁電解槽;爐幫厚度;伸腿長度;優(yōu)化控制

1鋁電解槽爐側(cè)優(yōu)化控制技術(shù)

為了有效解決鋁電解槽厚度和延伸腿長度的有效優(yōu)化控制問題，提出了專利技術(shù)“鋁電解槽爐厚優(yōu)化控制方法”[1]。

1.1計算爐側(cè)熱阻系數(shù)

測量電解液溫度和初晶溫度、爐側(cè)厚度（或腿伸長度）及其對應(yīng)的側(cè)罐殼溫度、側(cè)內(nèi)襯材料和罐殼鋼板總厚度等數(shù)據(jù)。根據(jù)爐側(cè)（或爐腿延伸部分）熱阻系數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

α=（δ+H）×（Tb-T1）/（T1-Ts）（1）

式中：α ——爐側(cè)（或爐腿延伸部分）熱阻系數(shù)，mm;

δ ——爐側(cè)厚度（或爐腿延伸長度），mm;

H——對應(yīng)于爐側(cè)厚度（或支腿延伸長度）的一側(cè)內(nèi)側(cè)

襯里材料和槽殼鋼板的厚度，mm;

Tb——電解質(zhì)溫度，℃;

T1——電解液的初始結(jié)晶溫度，℃;

Ts——對應(yīng)爐側(cè)厚度（或腿伸長度）的側(cè)罐殼溫度，℃。將采集到的數(shù)據(jù)帶入爐側(cè)（或腿伸）熱阻系數(shù)的數(shù)學(xué)模型（1），得到爐側(cè)（或腿伸）熱阻系數(shù)。

1.2計算爐側(cè)厚度（或支腿延伸長度）

收集電解槽電解質(zhì)溫度和初晶溫度、爐側(cè)（或腿伸）側(cè)槽殼溫度和對應(yīng)的爐側(cè)（或腿伸）熱阻系數(shù)，根據(jù)爐側(cè)厚度（或腿伸長度）數(shù)學(xué)模型：

δ=α（T1-Ts）/（Tb-T1）-H（2）

將采集到的數(shù)據(jù)帶入爐側(cè)厚度（或支腿延伸長度）的數(shù)學(xué)模型（2），得到爐側(cè)厚度（或支腿延伸長度）。

1.3爐壁厚度（或爐腿延伸長度）的優(yōu)化控制方法

通過優(yōu)化控制電解液溫度和初晶溫度、爐側(cè)（或爐腿延伸）側(cè)罐殼溫度及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，爐側(cè)（包括人工爐腿延伸）厚度控制在15±5cm，爐腿延伸長度（不包括人工爐腿延伸）控制在5±10cm。

1.3.1調(diào)節(jié)和控制電解液溫度

電解溫度通過以下措施控制在937±5℃。

（1）提升鋁液位

全石墨化陰極電解槽的鋁水平比石墨（含50%石墨）陰極電解槽低2厘米，如21 ～ 23 ～ 25厘米的全石墨化陰極電解槽和23 ～ 25厘米的高石墨陰極電解槽。通過適當(dāng)提高和降低鋁含量，可以提高和降低電解溫度。

（2）增加或減少絕緣材料的厚度

全石墨化陰極電解槽陽極絕緣覆蓋材料厚度比石墨陰極電解槽高2厘米，如全石墨化陰極電解槽30 ～ 32厘米，高石墨化陰極電解槽28 ～ 30 ～ 32厘米。冬季適當(dāng)加厚保溫材料，夏季減少保溫材料，可以提高和降低電解溫度。覆蓋材料不得掩埋爆炸焊接塊。

（3）提升罐電壓

在合理的槽電壓范圍內(nèi)，如全石墨化陰極電解槽3.820 ～ 3.870 V，高石墨化陰極電解槽3.920 ～ 3.950 V，結(jié)合電解溫度1℃升降，500kA電解槽槽電壓1小時升降36mV，極性絕緣材料增減1mm槽電壓上升6～9mV（夏季6 ～ 9mV，春季7mV，秋季8mV，冬季9mV

電壓，計算槽電壓的增減值，調(diào)整槽電壓每次不超過5mV，每天不超過20mV。

（4）上升和下降電流強(qiáng)度

在總能量上升和下降值為64×106焦耳（17.8千瓦時）和極間電壓下降為2994毫伏的500千安培電解槽中，電解質(zhì)溫度上升和下降1℃，對應(yīng)于5.9千安培（17.8千瓦時〉2.994千瓦時/千安培）的1h電流強(qiáng)度上升和下降值。每1h調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度不超過0.8kA，穩(wěn)定1h后再調(diào)節(jié)，每天調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度不超過8kA每次調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度到8kA，穩(wěn)定運(yùn)行一個月，再調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度。當(dāng)熱交換器安裝在電解池的側(cè)壁上時，電解質(zhì)溫度可以根據(jù)需要在電流強(qiáng)度的20%范圍內(nèi)升高和降低。

1.3.2調(diào)節(jié)和控制初級晶體溫度

當(dāng)氟化鈉與氟化鋁的分子比（摩爾比）不大于3時（保持電解質(zhì)弱酸性，抑制Na+放電，防止電流效率降低）（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），主要包括過熱7.5℃和初晶溫度930.5℃兩種控制方法。

（1）增加或減少氟化鋁的量并降低分子比

500kA電解槽的電解質(zhì)水平為18 ～ 20 cm，槽室尺寸為19380mm×4300mm，爐膛厚度按120mm計算，爐膛尺寸為19140mm×4060mm，陽極總面積為1750mm×740mm×48mm，平均電極間距為45mm，平均電解質(zhì)量為12078078kg。電解液減少1%氟化鋁，初始結(jié)晶溫度提高5℃。500kA電解槽將電解液的初始結(jié)晶溫度提高和降低1℃，氟化鋁的添加量需要減少24kg（12078kg×1%/5℃）。

（2）降低堿金屬氟化物的含量

在占≥25%的低氧化鋰氧化鋁（Li2O≤0.015%）和占≤75%的高氧化鋰氧化鋁（Li2O > 0.015% ～ 0.035%）范圍內(nèi)，控制氧化鋁中Li2O、K2O、氧化鎂和氧化鈣的含量，控制電解液中LiF≤3.5%、KF ≤ 1.5%和KF≤1.5%，當(dāng)LiF≥3.5%系列電解液時，低氧化鋰氧化鋁的比例相應(yīng)增加（高達(dá)100%）。

1.3.3調(diào)節(jié)和控制罐殼溫度

通過裝卸散熱板和隔熱板，安裝可調(diào)式換熱器（罐殼最高溫度≤325℃），降低爐側(cè)（腿伸）側(cè)罐殼溫度。主要包括：

（1）利用罐下窗口協(xié)助調(diào)節(jié)罐殼溫度，當(dāng)天氣最低溫度≤4℃時，關(guān)閉罐下所有窗口，防止底部溫度過低;

（2）部分側(cè)罐殼溫度高，爐壁薄，應(yīng)根據(jù)需要增加散熱板的面積和性能，選用導(dǎo)熱系數(shù)高的散熱板（如銅或鋁等）。）應(yīng)該安裝在本地;部分側(cè)罐殼溫度過低，爐壁過厚，所以局部保溫板（如硅酸鋁纖維保溫板等。）根據(jù)需要安裝，以適當(dāng)減少散熱;某一面的爐壁整體厚度與罐體其他面有差異，所以爐壁過厚的面加強(qiáng)保溫，爐壁過薄的面安裝高導(dǎo)熱散熱板;

（3）利用電解槽側(cè)壁上的外置可控流量換熱器，根據(jù)需要調(diào)節(jié)和控制槽殼溫度，實(shí)現(xiàn)爐側(cè)的最優(yōu)控制。

2工業(yè)試驗(yàn)

2.1優(yōu)化爐側(cè)的厚度和支腿長度

2.1.1爐壁厚度和爐腿延伸長度的實(shí)際優(yōu)化

優(yōu)化后的試驗(yàn)池爐頂厚度為12.4cm，比優(yōu)化前高6.2cm，同時比對比池高7.1cm優(yōu)化后試驗(yàn)池爐頂高度為20.2cm，比優(yōu)化前的16.9cm高3.3cm，同時比對照池高1.2cm優(yōu)化后的測試電池腿長為4.2厘米，比優(yōu)化前高4.0厘米，同時比對照電池高1.1厘米，有助于降低測試電池的水平電流分量，增加垂直電流分量和陰極電流密度，提高電流效率。

2.1.2測量的爐側(cè)厚度和腿長的比較和分析

其中，實(shí)心點(diǎn)代表測量值，其余部分使用爐頂厚度和支腿延伸長度的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。7月16日使用耐高溫探頭罐殼溫度在線測量系統(tǒng)后，爐側(cè)厚度和腿伸長度的實(shí)際測量值與該數(shù)學(xué)模型的計算值偏差較小，表明該數(shù)學(xué)模型在電解溫度、初晶溫度、爐側(cè)和罐殼溫度測量完整準(zhǔn)確的情況下具有一定的準(zhǔn)確性。

2.2罐殼溫度降低

7月16日（開始使用改進(jìn)的在線測溫系統(tǒng)）是優(yōu)化前，11月8日是優(yōu)化后（8月19日4117號罐停罐是優(yōu)化后）。優(yōu)化后的試驗(yàn)罐罐殼最高溫度為327.0℃，比優(yōu)化前的432.9℃低106.0℃，比同期對照罐的425.9℃低98.9℃。優(yōu)化后試驗(yàn)罐殼平均溫度為286.3℃，比優(yōu)化前的347.0℃低60.6℃，比同期對比罐的331.2℃低44.9℃，有助于降低試驗(yàn)罐的熱損失和噸鋁電耗。

2.3電解溫度的優(yōu)化提高

電解溫度從優(yōu)化前3月23日的平均931.6℃逐漸升高，11月8月達(dá)到平均940.3℃，保持在937.5℃的合理范圍內(nèi)。

2.4主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有所提高

中間4104#槽（全石墨化陰極）為3.876V，比優(yōu)化前低32mV，比對比槽低24mV（2）優(yōu)化后測試電池的電流效率為90.44%，比優(yōu)化前高0.59%，比對照電池高0.82%。其中4104#罐為91.18%，比優(yōu)化前高1.13%，比對比罐（4125#）高2.06%;（3）優(yōu)化后，試驗(yàn)槽的DC電耗為12952千瓦時/噸鋁，比優(yōu)化前低144千瓦時/噸鋁，比對比槽低。（1）優(yōu)化后的測試電池平均電池電壓為3.930V，比優(yōu)化前低18mV，比對照電池（同期）低24mV。197千瓦時/噸鋁。4104#罐為12671千瓦時/噸鋁，比優(yōu)化前低263千瓦時/噸鋁，比對比罐（4125#）低373千瓦時/噸鋁。（4）優(yōu)化后試驗(yàn)槽原鋁液可達(dá)13353千瓦時/噸鋁，比優(yōu)化前低148千瓦時/噸鋁，比對照槽低203千瓦時/噸鋁。4104#罐為13063千瓦時/噸鋁，比優(yōu)化前低272千瓦時/噸鋁，比對比罐（4125#）低385千瓦時/噸鋁。（5）優(yōu)化后試驗(yàn)槽氟鹽單耗期為9.3 kg/t-al，比優(yōu)化前降低8.1 kg/t-al，同期比對照槽低7.7 kg/t-al。4104#罐為9.1 kg/t-al，比優(yōu)化前低8.6 kg/t-al，比對比罐（4125#）低7.9 kg/t-al。（6）試驗(yàn)槽碳陽極優(yōu)化總消耗為494.5 kg/t-al，比對照槽低10.5 kg/t-al。4104#罐為487.2kg/t-al，比對比罐（4125#）低12.3kg/t-al。

2.5降低每噸鋁的成本

（1）降低生產(chǎn)成本

與對比槽相比，試驗(yàn)槽電耗成本降低203千瓦時/噸鋁× 0.2638元/千瓦時=53.5元/噸鋁，氟化鹽成本降低7.7公斤/噸鋁× 6.788元/公斤=52.27元/噸鋁，鋁碳陽極成本降低10.5公斤/噸鋁× 2

（2）降低大修的啟動成本

該技術(shù)使電解槽壽命延長一年以上，全石墨化陰極電解槽大修啟動成本降低42.48元/噸鋁，高石墨化陰極電解槽大修啟動成本降低72.02元/噸鋁，每噸鋁電解槽大修啟動成本降低62.18元/噸鋁。生產(chǎn)總成本和大修開車成本降低195.46元/噸鋁。

參考文獻(xiàn)

[1]成庚，等.一種鋁電解槽爐幫厚度優(yōu)化控制方法：ZL201611227093.7[P].2018-07-20.

[2] 邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁[M].3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3] 劉業(yè)翔，李劼，等.現(xiàn)代鋁電解[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.