對(duì)我國(guó)大型預(yù)焙鋁電解槽熱平衡控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)

王文印

（包頭鋁業(yè)有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014046）

我國(guó)使用大型預(yù)焙鋁電解槽來(lái)進(jìn)行鋁電解生產(chǎn)的不足之處是各工藝過(guò)程容易相互干擾，而且鋁電解槽的熱平衡狀態(tài)也容易波動(dòng)。

1 對(duì)我國(guó)使用的大型預(yù)焙鋁電解槽熱平衡控制方法的分析與認(rèn)識(shí)

1.1 對(duì)200kA大型鋁電解槽熱平衡狀態(tài)的分析與優(yōu)化

1.1.1 熱平衡的分析

為了分析與評(píng)價(jià)大型預(yù)焙鋁電解槽的熱平衡狀態(tài)，可將鋁電解槽體系電壓做為能量輸入、鋁電解槽各部分散熱損失為能量輸出，來(lái)建立鋁電解槽的散熱結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析對(duì)鋁電解槽中各部分電壓降的分布狀態(tài)、電解溫度的分布狀態(tài)及槽膛內(nèi)型狀況進(jìn)行測(cè)定的數(shù)據(jù)。

（1）熱平衡的測(cè)定過(guò)程。某電解鋁生產(chǎn)單位的200kA 大型預(yù)焙鋁電解槽的設(shè)定電流強(qiáng)度為215A，設(shè)定電壓為3.85V，對(duì)其進(jìn)行測(cè)定的部分鋁電解槽工藝參數(shù)如表1和表2所示。

表1 200kA大型預(yù)焙鋁電解槽使用的電解質(zhì)體系

進(jìn)行工藝參數(shù)測(cè)定的鋁電解槽的電解質(zhì)體系比較復(fù)雜，即電解質(zhì)中鋰鹽與鉀鹽總量7%，使用衍射方法對(duì)電解質(zhì)成分進(jìn)行測(cè)定，其中分子比值測(cè)定誤差較大。

從表2可以看出，鋁電解槽熔體區(qū)域槽殼部分與陰極鋼棒部分的溫度平均值正常，5777號(hào)鋁電解槽與6604 號(hào)鋁電解槽的槽底板的溫度平均值分別為179.0℃、142.0℃，因?yàn)檫@些溫度測(cè)定值均比設(shè)定值高出70.0℃左右時(shí)，會(huì)使?fàn)t底偏冷，所以，應(yīng)當(dāng)對(duì)這種情況引起關(guān)注。由于爐幫厚度為4.80cm 的5777 號(hào)鋁電解槽槽底板溫度平均值為179.0℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)爐膛變形的情況，因此，在鋁電解槽生產(chǎn)過(guò)程中，每次更換陽(yáng)極時(shí)，應(yīng)對(duì)爐膛內(nèi)型進(jìn)行跟蹤測(cè)定。

表2 200kA大型預(yù)焙鋁電解槽工藝參數(shù)測(cè)定值

某鋁電解企業(yè)在同一區(qū)選取3臺(tái)覆蓋料厚度相同的200kA大型預(yù)焙鋁電解槽進(jìn)行排煙量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)排煙量為-16%～-5%，低于此工區(qū)排煙量的平均值。這是鋁電解槽槽電壓較低的緣故，排煙量偏差量較大時(shí)，不僅會(huì)造成鋁電解槽上部的散熱性能出現(xiàn)較大的差異性，而且會(huì)使鋁電解槽的熱平衡狀態(tài)難以穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）熱平衡測(cè)定值的分析計(jì)算。建立200kA 節(jié)能槽熱平衡模型，根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行熱平衡復(fù)核計(jì)算。節(jié)能槽的溫度分布和爐膛內(nèi)形如圖1和圖2所示，模擬值與測(cè)試值對(duì)比如表3所示。

可以利用上述對(duì)200kA大型預(yù)焙鋁電解槽進(jìn)行測(cè)定的數(shù)據(jù)來(lái)建立熱平衡分析模型。鋁電解槽的溫度分布狀態(tài)與爐膛內(nèi)型狀況如圖1和圖2所示。利用熱平衡模型分析的模擬值與測(cè)定值進(jìn)行比較的情況如表3所示。

圖1 200kA大型預(yù)焙鋁電解槽溫度分布狀態(tài)

圖2 200kA大型預(yù)焙鋁電解槽爐膛內(nèi)型狀況

由表3可知，200kA大型預(yù)焙鋁電解槽熱平衡各參數(shù)模擬值與測(cè)定值基本吻合，說(shuō)明對(duì)鋁電解槽熱平衡各參數(shù)的測(cè)定值進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)而可靠。

表3 200kA大型預(yù)焙鋁電解槽熱平衡模擬值與測(cè)定值的比較

（3）對(duì)熱平衡測(cè)定結(jié)果的分析。根據(jù)利用熱平衡模型得出的模擬值和測(cè)定值可知，測(cè)定的3 臺(tái)200kA大型預(yù)焙鋁電解槽上部與下部的散熱比約60∶40，散失的熱量中煙氣帶走的占總散熱量的32%，5759 號(hào)鋁電解槽槽底散熱量占5.1%，均屬于正常范圍之內(nèi)。其中，5777號(hào)鋁電解槽與6604號(hào)鋁電解槽的槽底散熱量較多，分別占3 臺(tái)鋁電解槽總散熱量的11.1%和15.1%。因?yàn)?777號(hào)鋁電解槽與6604號(hào)鋁電解槽的散熱量超過(guò)正常范圍，所以要對(duì)其特別重視。

1.1.2 鋁電解槽工藝參數(shù)的優(yōu)化方案

5777 號(hào)鋁電解槽與6604 號(hào)鋁電解槽的槽底散熱量較多、槽底板溫度偏高的問(wèn)題要及時(shí)處理，否則會(huì)對(duì)鋁電解生產(chǎn)后期的質(zhì)量指標(biāo)有影響，而且會(huì)降低鋁電解槽的使用壽命［1-2］。

為了解決上述200kA大型預(yù)焙鋁電解槽底部散熱較多的問(wèn)題，需要對(duì)所有的鋁電解槽進(jìn)行檢查。若發(fā)現(xiàn)槽底溫度超過(guò)120℃的鋁電解槽，要實(shí)施優(yōu)化方案，還要對(duì)鋁電解槽爐膛內(nèi)型規(guī)范、鋁電解質(zhì)中的氟鹽加入量、鋁電解質(zhì)分子比和電解溫度等工藝參數(shù)實(shí)施優(yōu)化過(guò)程，使鋁電解槽的爐幫利于生長(zhǎng)及增厚爐幫。除此之外，為了使鋁電解槽具有良好的保溫效果，要縮短鋁電解槽換極時(shí)間，用符合操作標(biāo)準(zhǔn)的鋁電解槽覆蓋料，而且要使鋁電解槽槽蓋板嚴(yán)實(shí)而整齊地蓋緊電解槽。鋁電解槽槽底保溫現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 鋁電解槽槽底保溫現(xiàn)場(chǎng)圖

1.1.3 實(shí)施鋁電解槽工藝參數(shù)優(yōu)化方案的效果

通過(guò)對(duì)200kA大型預(yù)焙鋁電解槽熱平衡工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，槽電壓基本無(wú)變化，爐幫增厚5.50cm，伸腿縮小3.20cm，散熱電壓降減少了17.0000mV，而且鋁電解槽槽底散熱電壓降減少了35.0000Mv，鋁電解槽電流效率增加0.8%，鋁電解槽每生產(chǎn)1t 原鋁，可降低直流電耗114.00kW.h。由此可見(jiàn)，實(shí)施鋁電解槽工藝參數(shù)優(yōu)化方案取得良好的效果。

1.2 500kA大型預(yù)焙電解槽熱平衡控制技術(shù)

1.2.1 集氣系統(tǒng)

對(duì)500kA 大型預(yù)焙電解槽而言，為了使鋁電解槽在密封狀態(tài)下達(dá)到以較低的風(fēng)量就能夠強(qiáng)化下料點(diǎn)周圍集氣的目的，集氣機(jī)構(gòu)需要使用無(wú)動(dòng)力型雙煙管，而且要配用六段區(qū)域型集氣上煙道。此集氣機(jī)構(gòu)可將電解槽的排煙量在進(jìn)行開(kāi)啟槽罩板作業(yè)的過(guò)程中瞬間增加1～3 倍，進(jìn)而控制準(zhǔn)備向外逸出的槽膛內(nèi)部污染物［3-4］，煙道內(nèi)部的煙氣流動(dòng)場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果如圖4和表4所示，雙煙管內(nèi)部的煙氣流動(dòng)場(chǎng)如圖5所示。

表4 六段區(qū)域型集氣上煙道中的集氣量分布情況

圖4 六段區(qū)域型集氣上煙道內(nèi)的煙氣流速分布狀況（m /s）

圖5 煙氣在雙煙管系統(tǒng)內(nèi)部的流速分布狀況（m / s）

此種煙道中，各段煙道集氣量的誤差波動(dòng)范圍是-3.0%～2.0%，煙氣最大流速值為19.00m/s，下煙道排煙阻力設(shè)計(jì)為138.00Pa，而且比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)值約低50.00～100.00Pa，可使鋁電解槽槽膛集氣均勻，有效地減少鋁電解槽煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行阻力，進(jìn)而使煙氣排放達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

根據(jù)圖5可知，在打開(kāi)鋁電解槽尾部副煙管道的情況下，通過(guò)計(jì)算可知副煙管道的煙氣流量是主煙管道的1.410倍，這種情況說(shuō)明鋁電解槽尾部副煙管道的單槽排煙量可瞬間增加2.410倍。利用1/4鋁電解槽煙氣凈化系統(tǒng)，同時(shí)打開(kāi)2臺(tái)槽的情況下，可使副煙管道的排煙量瞬間增加到主煙管道設(shè)計(jì)風(fēng)量的1.410～1.770 倍；同時(shí)打開(kāi)4 臺(tái)槽的情況下，可使副煙管道的排煙量瞬間增加到主煙管道設(shè)計(jì)風(fēng)量的0.880～1.130倍。在500kA大型預(yù)焙電解槽中安裝的雙煙管系統(tǒng)運(yùn)行狀況如圖6所示。

圖6 500kA大型預(yù)焙電解槽電解車間內(nèi)的雙煙管系統(tǒng)

綜上所述，在500kA 大型預(yù)焙電解槽集氣機(jī)構(gòu)中使用無(wú)動(dòng)力型雙煙管，而且要配用六段區(qū)域型集氣上煙道，可控制鋁電解生產(chǎn)車間無(wú)組織排放污染物的狀況，加強(qiáng)鋁電解槽密封運(yùn)行的能力，以達(dá)到降低能耗、有利于環(huán)保的目的。

1.2.2 熱平衡狀態(tài)

（1）電壓平衡狀態(tài)。電解槽體系內(nèi)壓降（不含外母線壓降）的計(jì)算公式：

對(duì)為500kA大型預(yù)焙電解槽而設(shè)計(jì)工作電壓組成如表5所示。

表5 電壓平衡狀態(tài)測(cè)定值（單位：V）

（2）熱平衡狀態(tài)。500kA大型預(yù)焙電解槽的3D熱場(chǎng)計(jì)算模型可利用有限元軟件進(jìn)行建立，對(duì)500kA 大型預(yù)焙電解槽，采用新型陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)，可使水平電流比過(guò)去傳統(tǒng)型電解槽降低50%，而且能夠在工作電壓為3.900V時(shí)使鋁電解槽進(jìn)入良好的熱平衡狀態(tài)。計(jì)算模型進(jìn)行模擬的結(jié)果說(shuō)明：在陰極炭塊以下具有900℃等溫線，在保溫層以上具有800℃等溫線，所有的各種等溫線均能夠排列平直，而且能夠具有疏密均勻、分布合理的間隔，在鋁電解槽上部與下部，具有分布合理散熱比例、合適的爐幫厚度及伸腿長(zhǎng)度，鋁電解槽槽殼的最高溫度可達(dá)258.0℃，而且槽況穩(wěn)定［5-6］。

2 結(jié)語(yǔ)

為了使大型預(yù)焙鋁電解槽保持穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，使鋁電解生產(chǎn)過(guò)程在合理的分子比、較低的電解溫度下平穩(wěn)而高效地運(yùn)行，需要建立行之有效的電解槽操作管理制度，優(yōu)化鋁電解槽的散熱過(guò)程，使鋁電解槽具有較為理想的操作環(huán)境。此外，大型預(yù)焙鋁電解槽必須具備鋁電解生產(chǎn)區(qū)域的熱平衡狀態(tài)的調(diào)控能力，以有效地防止出現(xiàn)熱平衡波動(dòng)的狀況。