鋁電解槽換極附加電壓策略優(yōu)化的工業(yè)試驗(yàn)

趙志彬,魏迎輝,劉 偉

(1.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001；2.山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045209)

當(dāng)今鋁電解工業(yè)的槽容量不斷增加,國(guó)內(nèi)外大型鋁電解槽容量已經(jīng)達(dá)到600 kA[1-2]。電解槽大型化是現(xiàn)代鋁電解工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一,據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道已經(jīng)有機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行更大容量電解槽的探索[4]。陽(yáng)極作為鋁電解槽的核心構(gòu)件,其尺寸也呈不斷大型化的趨勢(shì)。

在鋁電解過(guò)程中,陽(yáng)極隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不斷消耗,需要定期更換,稱之為換極。新?lián)Q上槽后對(duì)電解槽的影響主要集中在兩方面:① 陽(yáng)極質(zhì)量大溫度低,會(huì)對(duì)電解槽的熱平衡造成巨大沖擊,新?lián)Q陽(yáng)極需要16～28小時(shí)加熱才能逐漸恢復(fù)到電解溫度;② 新?lián)Q陽(yáng)極浸入電解質(zhì)后會(huì)在陽(yáng)極表面包裹一層絕緣凝固電解質(zhì),在鋁液中形成巨大的水平電流[5],造成電解槽磁流體穩(wěn)定性的瞬間破壞,陽(yáng)極電流往往需要經(jīng)過(guò)24小時(shí)才能恢復(fù)到正常值。由此可見(jiàn),換極對(duì)電解槽的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的沖擊大、維持時(shí)間長(zhǎng),造成電流效率的損失。

目前工業(yè)界對(duì)鋁電解換極這一復(fù)雜行為的認(rèn)知還非常有限,很多換極工藝參數(shù)依靠傳統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn)確定:例如對(duì)換角部和中間極采取相同的附加電壓策略,這種操作往往造成角部極電流恢復(fù)速度慢于中間極這一現(xiàn)象。筆者的前期研究[6]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)換角部極的沖擊大于中間極,溫度和電流的恢復(fù)情況也明顯弱于中間極。筆者將造成這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)于角部和中間極所處位置的散熱情況不同與極下電解質(zhì)流動(dòng)情況的差異,并提出針對(duì)不同區(qū)域陽(yáng)極采用不同的換極附加電壓策略的建議。

本文即在前期數(shù)值模擬工作的基礎(chǔ)上,首先對(duì)某電解企業(yè)換角部和中間極換極電流恢復(fù)的差異化情況進(jìn)行分析,然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)采用前期研究中提出的試驗(yàn)建議進(jìn)行了角部極附加電壓策略調(diào)整的工業(yè)試驗(yàn)。

1 換角部極與中間極差異性分析

圖1為在某500 kA電解企業(yè)發(fā)現(xiàn)的典型角部陽(yáng)極電流恢復(fù)慢的情況,可看出換角部極B23和B24后48小時(shí)電流的恢復(fù)仍不足50%。為了進(jìn)一步確認(rèn)角部極電流恢復(fù)較慢是該企業(yè)電解槽的普遍現(xiàn)象,圖2對(duì)比了筆者在該電解鋁企業(yè)統(tǒng)計(jì)的多組換角部和中間極后各自的電流恢復(fù)情況,并對(duì)其進(jìn)行線性擬合。從線性擬合直線的斜率可明顯看出換角部極的電流恢復(fù)速率小于換中間極(約5%)。

圖1 換角部極(B23B24)后48小時(shí)陽(yáng)極電流分布情況

圖2 傳統(tǒng)附加電壓策略下?lián)Q角部極和中間極電流恢復(fù)情況對(duì)比

角部極電流恢復(fù)較慢這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致其他陽(yáng)極導(dǎo)電增多、鋁液中水平電流變大、電解質(zhì)/鋁液界面變形加劇、局部極距的降低甚至出現(xiàn)短路等現(xiàn)象,這對(duì)電解槽整體極距的均化非常不利,會(huì)進(jìn)一步影響到電流效率的提升和企業(yè)壓電壓效果。此外大部分企業(yè)對(duì)這種局部導(dǎo)電不足狀況的處理方式都是人工提極,這增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)的用人成本。

2 換極熱-電-流場(chǎng)仿真模型修正與分析

本文的前期工作[6]耦合Fluent中隱藏的凝固&融化模塊模型,充分考慮換極過(guò)程中由于溫度變化所引起的電解質(zhì)相變及其帶來(lái)的對(duì)電解質(zhì)流動(dòng)、導(dǎo)電、傳熱等方面的影響,開(kāi)發(fā)了可模擬換極過(guò)程熱-電-流多物理場(chǎng)演變的瞬態(tài)仿真模型,并采用此模型對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析,提出了換極策略優(yōu)化建議。

但在前文的研究中電解質(zhì)流動(dòng)模式中的渦旋位置(如圖3a所示)與以前未考慮凝固&融化過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果[7]略有差異:漩渦所覆蓋面積相對(duì)較小,位置偏向于兩端頭。這種差異有可能對(duì)研究結(jié)果造成影響。

本文將鋁液流動(dòng)速度以邊界條件PROFILE的形式施加到模型中的鋁液/電解質(zhì)交界面上,計(jì)算結(jié)果如圖3b所示。兩個(gè)漩渦覆蓋面積較未考慮鋁液流動(dòng)時(shí)大,呈現(xiàn)煙道端大,出鋁端小的特性。該漩渦的分布模式與速度大小與前文數(shù)值模擬結(jié)果[7]和工業(yè)測(cè)量結(jié)果[8]相吻合,可以認(rèn)為該模型在流場(chǎng)計(jì)算方面較前文模型具備相對(duì)準(zhǔn)確的特性。

圖3 電解槽爐幫分布與電解質(zhì)的流動(dòng)模式

本文采用修正后的模型重新計(jì)算了換角部極和中間極后電解的溫度恢復(fù)情況,結(jié)果與前期研究差異較小(如圖4所示),故本文的工業(yè)試驗(yàn)依然采用數(shù)值模擬分析所提出的增加電解槽換極期的熱收入的方法來(lái)提高角部極的溫度和電流恢復(fù)速率。

圖4 模型修訂前后換A1A2后電解質(zhì)溫度的恢復(fù)情況對(duì)比

3 換極附加電壓調(diào)整的工業(yè)試驗(yàn)

根據(jù)與電解企業(yè)技術(shù)人員的討論結(jié)果,本文的工業(yè)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬中所提出的換極附加電壓策略[6]進(jìn)行了必要調(diào)整,但其核心概念未變。原始換極附加電壓為第一階段抬高電壓+80 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+60 mV保持60分鐘,第三階段降低到+40 mV保持60分鐘,第四階段再降低到+20 mV保持60分鐘。附加電壓策略1增加了原始附加電壓的幅值:第一階段抬高電壓+100 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+75 mV保持60分鐘,第三階段降低到+50 mV保持60分鐘,第四階段再降低到+25 mV保持60分鐘,試驗(yàn)槽為1237#,1238#,對(duì)比槽為1239#,1240#,1241#;附加電壓策略2延長(zhǎng)了原始附加電壓的時(shí)間,第一階段抬高電壓+80 mV保持60分鐘,第二階段抬高電壓+60 mV保持80分鐘,第三階段降低到+40 mV保持100分鐘,第四階段再降低到+20 mV保持120分鐘,試驗(yàn)槽為1235#,1236#,對(duì)比槽為1232#,1233#,1234#。

圖5和圖6顯示了在附加電壓策略1和2條件下角部極和中間極電流恢復(fù)速率的對(duì)比情況。由于晚上24:00換班后,有人工調(diào)極作業(yè),故本研究?jī)H選取換極后16小時(shí)內(nèi)未有人工干預(yù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可以明顯看出采用兩種換極附加電壓策略的試驗(yàn)槽陽(yáng)極電流恢復(fù)速率均大于對(duì)比電解槽。根據(jù)擬合直線可得出試驗(yàn)槽1的陽(yáng)極電流恢復(fù)速率比對(duì)比槽高8%,試驗(yàn)槽2的陽(yáng)極電流恢復(fù)速率比對(duì)比槽高11%。附加電壓策略2對(duì)陽(yáng)極電流恢復(fù)的提升效果優(yōu)于附加電壓策略1。

圖5 附加電壓策略1下角部極電流的恢復(fù)速度(某鋁廠測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

圖6 附加電壓策略2下角部極電流的恢復(fù)速度(某鋁廠測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

結(jié)合圖2中換中間極電流的恢復(fù)速率分析,施加兩種附加電壓后換角部極的陽(yáng)極電流恢復(fù)速率均高于換中間極,可以達(dá)到調(diào)整附加電壓的目的。

考慮到電解槽的附加電壓是施加在全槽層面上,換極期貿(mào)然的熱收入增多可能造成電解槽的熱平衡問(wèn)題。表1計(jì)算了換極附加電壓策略1和2在24小時(shí)內(nèi)的能量輸入量分別提高了萬(wàn)分之五和萬(wàn)分之七,其效果理論上可以忽略不計(jì)。但換極期內(nèi)短時(shí)間的能量輸入量分別增長(zhǎng)了0.3%和49%,所以非常有必要跟蹤電解槽的溫度變化情況,這一點(diǎn)對(duì)于換極附加電壓調(diào)整策略2尤其重要。

圖7和圖8顯示了電解槽出鋁口的電解質(zhì)溫度在換極后24小時(shí)內(nèi)的變化情況。從圖7顯示附加電壓策略1中在換極9小時(shí)后試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的電解質(zhì)溫度均有升高,這很可能是該車(chē)間在15:30～17:40停凈化風(fēng)2小時(shí)造成的,隨后電解槽內(nèi)的溫度逐漸恢復(fù)正常,并在24小時(shí)后回到換極前的狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)槽1和對(duì)比槽內(nèi)電解質(zhì)的溫度對(duì)比,可得出結(jié)論施加換極附加電壓策略1后電解槽內(nèi)的溫度沒(méi)有明顯異常,電解槽熱平衡也沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。

圖7 附加電壓策略1下出鋁口電解質(zhì)溫度(某鋁廠測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

圖8 附加電壓策略2下出鋁口電解質(zhì)溫度(某鋁廠測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

試驗(yàn)附加電壓策略2時(shí),電解槽內(nèi)溫度無(wú)明顯異常,24小時(shí)后電解質(zhì)溫度恢復(fù)到換極前水平。試驗(yàn)槽和對(duì)比槽對(duì)比分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二者的明顯區(qū)別。雖然表1中提到換極期的能量輸入增加了49%,這是由于附加電壓時(shí)間的延長(zhǎng)造成的,事實(shí)上在換極期該電解槽單位時(shí)間內(nèi)的熱收入反而減少了。

表1 換角部極附加電壓策略調(diào)整方案對(duì)比

鑒于電解槽對(duì)瞬時(shí)的大熱量收入比較敏感,例如陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)電解質(zhì)溫度急劇升高,電解槽爐幫融化,采用延長(zhǎng)換極電壓附加時(shí)間這種較為平緩的能量增加方案應(yīng)更具優(yōu)勢(shì)。隨后,該鋁廠在全系列范圍內(nèi)針對(duì)換角部極推廣了第二種換極附加電壓策略,角部極的電流恢復(fù)速率得到明顯提升。

4 結(jié) 論

(1)本文將鋁液流動(dòng)造成的曳力影響施加到所開(kāi)發(fā)的瞬態(tài)熱-電-流多物理場(chǎng)仿真模型中,電解質(zhì)流場(chǎng)漩渦的分布模式與速度大小與工業(yè)測(cè)量研究結(jié)果相吻合。本文提高了模型的準(zhǔn)確性,該模型可用于研究電解槽凝固融化過(guò)程、瞬態(tài)熱平衡等。

(2)本文提出了針對(duì)角部極和中間極采用不同的換極附加電壓策略方案,針對(duì)中間極采用傳統(tǒng)附加電壓,針對(duì)角部極通過(guò)增加能量輸入的方式來(lái)提高新極溫度和電流的恢復(fù)速率。

(3)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明提高換極附加電壓幅度或時(shí)間的方式均可有效提高角部極電流的恢復(fù)速率,其中延長(zhǎng)換極附加電壓時(shí)間的方案效果更好。兩種附加電壓調(diào)整方案對(duì)電解槽的熱平衡沒(méi)有明顯影響。

(4)基于工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果,該鋁廠在全系列針對(duì)換角部極推廣了延長(zhǎng)換極附加電壓時(shí)間的方案后,角部極的電流恢復(fù)速率得到明顯提升。