磷生鐵澆鑄陰極鋁電解槽生產(chǎn)實(shí)踐

崔家雖

(青海橋頭鋁電股份有限公司,廣西 西寧 810100)

2021年全球電解鋁產(chǎn)量仍高達(dá)6744.7萬噸,而我國電解鋁產(chǎn)量達(dá)3851.6萬噸,約占世界總產(chǎn)量的57.11%。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和重大戰(zhàn)略決策,國家出臺了《關(guān)于發(fā)布高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2021年版)》《完善能源消費(fèi)強(qiáng)度和總量雙控制度方案》及《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》文件,要求不斷健全綠色價格機(jī)制,充分發(fā)揮電價杠桿作用,推動電解鋁行業(yè)持續(xù)提升能源利用效率、降低碳排放強(qiáng)度,服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會綠色低碳循環(huán)發(fā)展,完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策,完善階梯電價分檔和加價標(biāo)準(zhǔn):① 分檔設(shè)置階梯電價;② 穩(wěn)步調(diào)整分檔標(biāo)準(zhǔn),鋁液綜合交流電耗對電解鋁行業(yè)階梯電價進(jìn)行分檔,2022年分檔標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為鋁液綜合交流電耗13,650 kWh/t-Al;2023年分檔標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為鋁液綜合交流電耗13,450 kWh/t-Al(不含脫硫電耗);自2025年起,分檔標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為鋁液綜合交流電耗13,300 kWh/t-Al(不含脫硫電耗)。某公司2021年的鋁液綜合交流電耗13,648 kWh/t-Al,離階梯電價的最終目標(biāo)13,300 kWh/t-Al還存在348 kWh/t-Al的差距,通過新技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果是鋁電解企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。

1 磷生鐵澆鑄陰極電解槽

國內(nèi)科研院所、電解鋁企業(yè)研究開發(fā)了很多種節(jié)能異型陰極鋼棒[1-6]。某公司在電解槽大修時應(yīng)用了以磷生鐵澆鑄陰極的技術(shù),并配套開發(fā)了一種節(jié)能型單陰極鋼棒,形成了磷生鐵澆鑄陰極電解槽。節(jié)能型單陰極鋼棒是由傳統(tǒng)的雙陰極通長式陰極鋼棒,優(yōu)化分段式單陰極鋼棒,雙陰極通長式陰極鋼棒尺寸為4330 mm×65 mm×180 mm,分段式單陰極鋼棒尺寸為2110 mm×200 mm×180 mm,鋼棒截面積增加了45%。為了不影響陰極組裝改變了陰極炭塊燕尾槽的尺寸,將陰極炭塊兩條燕尾槽優(yōu)化為一條燕尾槽,陰極炭塊燕尾槽中心線不變,便于陰極炭塊和陰極鋼棒組裝,將燕尾槽寬度原設(shè)計90 mm優(yōu)化為220 mm。陰極炭塊與陰極鋼棒組裝是采用了磷生鐵澆鑄技術(shù),兩端陰極鋼棒中間用糊料搗固,鋼棒和糊料之間用陶瓷纖維毯分離。電解槽側(cè)部炭塊采用導(dǎo)熱性能較好的氮化硅復(fù)合碳化硅材料,側(cè)部下部陰極區(qū)保溫采用抗拉強(qiáng)度較好,導(dǎo)熱系數(shù)低的20 mm陶瓷纖維板及80 mm硅酸鈣板,底部保溫區(qū)將原來的保溫磚更換為保溫性能好的蛭石保溫磚和蛭石防滲隔熱磚。

2 焙燒啟動生產(chǎn)管理

2.1 焙 燒

磷生鐵澆鑄陰極電解槽焙燒方法采用了焦粒焙燒方法,與前期應(yīng)用的新技術(shù)雙陰極鋼棒電解槽、高導(dǎo)電陰極鋼棒電解槽焙燒方法一樣,該焙燒方法在行業(yè)內(nèi)技術(shù)很成熟、操作熟練,安全可靠。為降低熱沖擊對電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)材料損害,確保陰陽極電流分布均勻,避免產(chǎn)生局部過熱等現(xiàn)象,影響電解槽壽命,采取如下技術(shù)措施:

(1)焦粒鋪設(shè)時選用了柵欄式鋪設(shè)方法,焦粒顆粒選擇了5 mm大小的煅后焦,中間陽極鋪設(shè)焦粒采用煅后焦與石墨粉為4∶1的比例混合料鋪設(shè),為增大角部陽極的導(dǎo)電性,在角部鋪設(shè)焦粒是采用煅后焦與石墨粉為2∶1的比例混合料鋪設(shè),厚度均在20 mm。

(2)掛極時選用陽極導(dǎo)桿垂直、無毛刺,陽極無裂縫、無掉角等缺陷。陽極底掌高低基本一致,磷生鐵澆鑄要飽滿,鋼爪頭直徑不能小于145 mm,且在炭碗中心的陽極炭塊的陽極組。陽極上槽是陽極導(dǎo)桿放置在掛鉤的中心,距掛鉤兩側(cè)保持相等,陽極導(dǎo)桿離水平大母線有一定的距離,確保陽極自由放置在焦粒上,且陽極底掌與鋪設(shè)的焦粒充分接觸,接觸面積達(dá)到98%以上。

(3)裝爐時在人造伸腿上。首先鋪設(shè)一層氟化鈣和氟化鎂的混合料,然后用高分子比的電解質(zhì)塊裝滿槽四周,電解質(zhì)塊粒度小于10 cm，為防止陽極氧化,在陽極表面覆蓋和陽極中縫用冰晶石填滿冰晶石,有利于保護(hù)人造伸腿防止過熱，過燒現(xiàn)象，有助于后期形成爐幫。

(4)為通電時減少電流過大對陰極炭塊造成過熱現(xiàn)象,增大電流分流。分流技術(shù)采用了雙分流技術(shù),安裝分流器前打磨立柱母線,確保分流器與立柱母線和水平母線充分接觸,接觸面積達(dá)到98%以上,增加分流片數(shù)量至32組。

(5)通電時使用賽爾開關(guān)設(shè)備進(jìn)行通電,將系列電流240 kA降至180 kA,通電后三個階段逐步將電流升到200 kA、220 kA、240 kA,確保每階段的電壓保持在3.60～4.05 V以下。依據(jù)電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)各材料的特性設(shè)定焙燒升溫曲線,電解槽焙燒升溫曲線見圖1。

圖1 焙燒升溫曲線

2.2 啟 動

(1)磷生鐵澆鑄陰極電解槽啟動采用濕法無效應(yīng)啟動。焙燒90小時后陽極中縫的冰晶石全部熔化,焙燒溫度達(dá)到920～940℃,四個角部焙燒溫度達(dá)到700～800℃,槽內(nèi)中縫電解質(zhì)高度達(dá)到30～35 cm,該焙燒槽已具備啟動條件。為確保電解槽順利啟動,在電解槽內(nèi)灌入高溫液體電解質(zhì)12 t以上,邊抬電壓邊灌電解質(zhì)邊測量陽極電流分布,保證陽極電流分布均勻。電解質(zhì)在全槽貫通,啟動后電壓保持4.5～5.5 V。

(2)啟動電解槽溫度接近1000℃時,分兩次灌鋁液16 t,第一次灌入鋁液后電壓保持在4.3～4.5 V,第二次灌入鋁液后電壓保持4.1～4.3 V。

(3)啟動后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注側(cè)部爐幫溫度和端部爐幫溫度大于350℃,爐底溫度≥150℃時,用高壓風(fēng)管吹風(fēng)進(jìn)行冷卻,防止出現(xiàn)紅爐幫現(xiàn)象。嚴(yán)格控制電解質(zhì)水平,應(yīng)保持在30～33 cm,灌鋁后電解槽內(nèi)液體總高不能超過50 cm,防止電解質(zhì)外溢的現(xiàn)象。

2.3 啟動后期工藝管控

磷生鐵澆鑄陰極電解槽的啟動后60天為非正常生產(chǎn)期,采取快速降電壓,快速建立爐膛的工藝管理思路。將“高槽溫、高分子比”的電解質(zhì)形成堅固、厚實(shí)、規(guī)整的電解槽爐膛,同時采用“高電解質(zhì)水平、高陽極效應(yīng)系數(shù)”的工藝條件,確保電解槽爐底保持清潔,避免前期爐底有沉淀、結(jié)殼的現(xiàn)象,影響后期的運(yùn)行穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(1)磷生鐵澆鑄陰極電解槽60天的非正常生產(chǎn)期的工藝條件管理見表1。

表1 啟動后期工藝條件

(2)磷生鐵澆鑄陰極電解槽的內(nèi)襯保溫設(shè)計為加強(qiáng)爐底保溫和側(cè)部散熱的方式,側(cè)部炭塊由原來的碳化硅材質(zhì)優(yōu)化為導(dǎo)熱性能較好的氮化硅復(fù)合碳化硅材料,增加側(cè)部散熱。非正常生產(chǎn)期內(nèi)測量了陰極鋼棒溫度、爐幫溫度、爐底溫度,其平均溫度分別為258℃、277℃、94℃。磷生鐵澆鑄陰極電解槽爐幫溫度和爐底溫度相對于普通電解槽升高了30℃。

(3)啟動1周后連續(xù)15天測量爐底壓降,隨著各項技術(shù)條件的變化,電解槽爐膛內(nèi)形的形成,磷生鐵熱膨脹也趨于穩(wěn)定,爐底壓降逐漸降低趨于穩(wěn)定,爐底壓降變化趨勢見圖2。

圖2 爐底壓降變化趨勢

3 效果分析

某公司現(xiàn)有三類電解槽采用的陰極鋼棒結(jié)構(gòu)和尺寸,保溫材料和結(jié)構(gòu)有所不同,普通電解槽采用雙陰極通長式陰極鋼棒,側(cè)部炭塊采用碳化硅材料,內(nèi)保溫采用一層硅酸鈣板。兩層硅藻土保溫磚和一層干式防滲料,側(cè)下部一層硅酸鈣板。而高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽采用雙陰極分段式陰極鋼棒,側(cè)部炭塊采用碳化硅材料,內(nèi)保溫在普通電解槽底部和側(cè)下部保溫基礎(chǔ)上增加了一層10 mm厚陶瓷纖維板,同時將電解槽端頭的一層藻土保溫磚用陶瓷纖維板代替。

3.1 正常生產(chǎn)工藝管理對比

某公司三類電解槽采用了不同的陰極鋼棒、側(cè)部炭塊、內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)和材料,在電解槽運(yùn)行穩(wěn)定的前提下,保持不同的技術(shù)工藝參數(shù)。在正常生產(chǎn)期內(nèi)。隨機(jī)抽取20臺三類電解槽運(yùn)行的工藝參數(shù)統(tǒng)計分析,各類電解槽工藝技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計分析見表2。

從表2可以看出,三類電解槽分子比、電解溫度、電解質(zhì)水平基本保持一致,最大的差異是設(shè)定電壓和鋁水平,磷生鐵澆鑄陰極電解槽的設(shè)定電壓和鋁水平低于普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽,設(shè)定電壓低于20～100 mV,鋁水平低于2～6 cm。

表2 各類電解槽工藝技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計

3.2 爐幫厚度和溫度對比

三類電解槽隨機(jī)測量統(tǒng)計20臺電解測量了爐幫厚度、爐幫和爐底溫度,并與三類電解槽的爐幫厚度、爐幫和爐底溫度進(jìn)行對比、測量位置在A面A2～A6中間測量三個點(diǎn)、B面B2～B7中間測量三個點(diǎn)測量爐幫厚度,在對應(yīng)的鋼棒窗口測量爐幫和爐底溫度,各類電解槽平均的爐幫厚度、爐幫和爐底溫度測量結(jié)果見表3。

表3 各類電解槽爐幫厚度和溫度測量統(tǒng)計

從表3可以看出,三類電解槽平均側(cè)部爐幫厚度相比,磷生鐵澆鑄陰極電解槽和高導(dǎo)電雙陰極鋼棒電解槽比普通電解槽的爐幫厚度稍厚一些,能夠形成完整的爐膛內(nèi)形。磷生鐵澆鑄陰極電解槽的爐幫溫度和爐底溫度低于普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽,平均爐幫溫度比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別降低了23℃和9℃,平均爐底溫度比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別降低了44℃和10℃,磷生鐵澆鑄陰極電解槽保溫效果較為顯著。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

三類電解槽進(jìn)入考核期內(nèi)一年的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計對比,各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)平均值統(tǒng)計結(jié)果見表4。

從表4可以看出,三類電解槽各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相比,磷生鐵澆鑄陰極電解槽的各項指標(biāo)優(yōu)于普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽,平均電壓比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別降低了69 mV和32 mV,平均電流效率比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別提高了0.64%和0.42%,直流電耗比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別降低了320 kWh/t-Al和162 kWh/t-Al、爐底壓降比普通電解槽和高導(dǎo)電雙鋼棒電解槽分別降低了81 mV和33 mV,磷生鐵澆鑄陰極電解槽節(jié)能效果非常明顯。

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計

4 結(jié) 論

磷生鐵澆鑄陰極電解槽增大了導(dǎo)電面積,減少槽內(nèi)液體水平電流,同時優(yōu)化電解槽保溫結(jié)構(gòu),提高了電解槽低電壓生產(chǎn)工藝運(yùn)行穩(wěn)定性,電解槽節(jié)能效果明顯。