石墨化陰極澆鑄技術(shù)在200 kA鋁電解槽的應(yīng)用實(shí)踐

張 陽(yáng),巨建龍,胡紅武,孫馳航

(1.中國(guó)鋁業(yè)連城分公司,甘肅 蘭州 730335;2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

當(dāng)前,節(jié)能降耗是我國(guó)落實(shí)節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境兩項(xiàng)基本國(guó)策的重要抓手,也是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的核心內(nèi)容。由于電解鋁生產(chǎn)的高耗能特性,電解鋁行業(yè)一直被國(guó)家列為高污染、高耗能的資源型行業(yè)進(jìn)行嚴(yán)格管控。尤其是隨著國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”和“3060”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和逐步實(shí)施,電解鋁行業(yè)所面臨的“能源雙控”壓力愈發(fā)增大,為了全面完成電解鋁企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額目標(biāo),以石墨化陰極技術(shù)、磷鐵澆鑄技術(shù)為代表的多種鋁電解節(jié)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

石墨化陰極因其良好的導(dǎo)電性、較低的吸鈉膨脹率在大型電解槽取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于陽(yáng)極電流密度偏低,300 kA及以下電解槽應(yīng)用石墨化陰極的相對(duì)較少,開展石墨化陰極等新型節(jié)能技術(shù)在小型電解槽的應(yīng)用實(shí)踐,同樣具有十分重要的意義。

1 技術(shù)路線

采用石墨化陰極及磷生鐵澆鑄技術(shù)配合使用新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu),結(jié)合電壓平衡優(yōu)化,使用優(yōu)質(zhì)開槽陽(yáng)極生產(chǎn)技術(shù),制定準(zhǔn)確匹配設(shè)計(jì)工藝的低電壓、低電耗、低鋁水精準(zhǔn)生產(chǎn)管理技術(shù)。將實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行管理與設(shè)計(jì)要求有機(jī)結(jié)合,推行生產(chǎn)運(yùn)行精準(zhǔn)化、工藝條件標(biāo)準(zhǔn)化、管理操作精細(xì)化,有效降低電解槽生產(chǎn)能耗。

(1)石墨化陰極導(dǎo)電性能良好,電阻率小,可以直接降低電解槽陰極物理壓降,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。同時(shí),由于石墨化陰極炭塊具有較低的鈉膨脹率,可以更好地阻礙鈉通過炭塊進(jìn)入鋼-炭接觸面,使石墨化陰極炭塊的陰極壓降隨生產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng),變化較為平緩[1]。

(2)電解槽陰極磷鐵澆鑄技術(shù)用導(dǎo)電性更好的磷生鐵通過澆鑄的方式代替陰極搗固糊,降低鋼棒和陰極炭塊間的接觸壓降。陰極炭塊磷鐵澆鑄技術(shù)不僅可以降低“鐵-碳”壓降及鋁液水平電流,還可以改善陰極電流分布的均勻性,提高電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]。

(4)優(yōu)質(zhì)開槽陽(yáng)極生產(chǎn)技術(shù)通過精準(zhǔn)控制微量元素,工藝優(yōu)化結(jié)合陽(yáng)極防氧化涂層,提升預(yù)焙陽(yáng)極的抗氧化性能,降低極距內(nèi)氣泡層厚度,減小氣膜壓降,實(shí)現(xiàn)降低電耗的目的。

2 技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

在200 kA電解系列開展2臺(tái)石墨化陰極澆鑄技術(shù)試驗(yàn)槽,同時(shí)選取5臺(tái)傳統(tǒng)高石墨質(zhì)陰極電解槽作為對(duì)比槽。

2.1 石墨化陰極組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的高石墨質(zhì)陰極電解槽由于其水平電流高,很難維持較低鋁水平運(yùn)行。而鋁電解槽內(nèi)的磁流體穩(wěn)定性是影響鋁液波動(dòng)的主要因素,降低鋁液水平電流能較好的提高電解槽穩(wěn)定性[3],從而提高電解槽的運(yùn)行效率。與此同時(shí),陰極壓降的降低能保證電解槽有效極距,對(duì)電解槽的穩(wěn)定性也具有積極意義。

陰極是阻擋電解質(zhì)滲透的第一層防線[4],為了增加陰極炭塊組的整體抗防滲性能,設(shè)計(jì)中在陰極炭塊底部與傳統(tǒng)防滲層之間增加防滲層,能在保證較好的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降的前提下,確保電解槽長(zhǎng)壽命生產(chǎn)運(yùn)行[5]。

石墨化陰極澆鑄技術(shù)在本身材料特性基礎(chǔ)上,配合新形的陰極結(jié)構(gòu),也可以進(jìn)一步均化陰極電流分布,保證電解槽長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

通過對(duì)200 kA鋁電解槽的設(shè)計(jì)分析,模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示,采用石墨化澆鑄技術(shù)的鋁電解槽陰極壓降約為205 mV,鋁液水平電流為4 720 A/m2;傳統(tǒng)石墨質(zhì)扎糊技術(shù)的鋁電解槽陰極壓降約為293 mV,鋁液水平電流為8 477 A/m2?？梢钥闯?采用石墨化澆鑄技術(shù)的電解槽在水平電流和陰極壓降方面有了較大幅度的降低。

圖1 水平電流及陰極壓降比較

2.2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于石墨化陰極炭塊導(dǎo)熱性好,散熱量大,而且200 kA電解槽整體熱收入偏低,傳統(tǒng)的石墨質(zhì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)很難達(dá)到石墨化陰極的要求,所以這對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)苛的要求。相比于扎糊的石墨質(zhì)陰極電解槽,石墨化磷生鐵澆鑄內(nèi)襯結(jié)構(gòu)主要針對(duì)槽底、鋼棒窗口以及側(cè)部等方面進(jìn)行了優(yōu)化:

(1)增加了槽底厚度,強(qiáng)化爐底保溫,保證防滲層有效高度,確保電解槽壽命周期內(nèi)槽底板溫度正常;

（3）注意整個(gè)施工過程的維護(hù)工作，尤其是進(jìn)行防滲漏施工時(shí)，涂刷好防水涂料后必須要進(jìn)行一定的防護(hù)，防止后期出現(xiàn)其他問題，影響施工質(zhì)量。

(2)鋼棒窗口使用保溫性能更好的材料,減少窗口部分熱量散失;

(3)優(yōu)化電解槽側(cè)部結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)新的內(nèi)襯結(jié)構(gòu),熱平衡計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示,底部800℃和900℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,等溫線分布合理。理論計(jì)算所得電解槽正常生產(chǎn)狀態(tài)下,爐幫約為13.3 cm,伸腿長(zhǎng)度約為2.0 cm,側(cè)壁溫度約為280℃,槽底溫度約為66℃。在該內(nèi)襯設(shè)計(jì)形式下,電解槽能維持良好的熱平衡狀態(tài),形成厚度合適的爐幫,從設(shè)計(jì)層面很好地解決了200 kA電解槽熱量收入偏低、石墨化炭塊散熱量大的問題,保證了石墨化陰極電解槽長(zhǎng)壽命的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 內(nèi)襯熱平衡溫度分布示意圖

圖3 電解槽爐幫形狀示意圖

圖4 鋪焦及裝爐

2.3 優(yōu)質(zhì)開槽陽(yáng)極技術(shù)應(yīng)用

為進(jìn)一步提高技改指標(biāo),使用了熟塊開槽、理化指標(biāo)良好的優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極。開槽陽(yáng)極可以有效降低極距內(nèi)氣泡層厚度,減小氣膜壓降,實(shí)現(xiàn)降低電耗的目的。優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極試驗(yàn)結(jié)果良好,電阻率平均54.3 μΩ·m,較目標(biāo)降低2.7 μΩ·m,二氧化碳反應(yīng)殘余率平均93%,較目標(biāo)提高了3%。上槽后使用周期為31天,殘極規(guī)整、厚度均勻,延長(zhǎng)換極周期0.5天,同時(shí)提高電流效率0.16%,降低直流電耗79 kWh/t-Al。

2.4 焙燒啟動(dòng)技術(shù)優(yōu)化

(1)電解槽采用焦粒焙燒,角部使用焦粒與石墨碎混合料,其它部位全部使用焦粒。鋪焦裝爐,使用低鋰鹽且粒度不大于20 mm電解質(zhì)塊,中縫用電解質(zhì)粉填裝,再用破碎電解質(zhì)均勻添加到陽(yáng)極表面和槽膛四周。

(2)電解槽焙燒時(shí)間120小時(shí),通電采用大分流器裝置,對(duì)軟連接、分流器壓接面進(jìn)行銑面、編號(hào),分流量不超過全電流的40%,瞬時(shí)沖擊電壓不高于3.0 V。焙燒啟動(dòng)前中縫溫度不低于900℃,角部、邊部溫度不低于800℃。

2.5 啟動(dòng)后期技術(shù)條件優(yōu)化

將實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行管理與石墨化設(shè)計(jì)要求有機(jī)結(jié)合,制定匹配設(shè)計(jì)工藝的低電壓、低電耗、低鋁水生產(chǎn)管理技術(shù)。推行生產(chǎn)運(yùn)行精準(zhǔn)化、工藝條件標(biāo)準(zhǔn)化、管理操作精細(xì)化,有效降低電解槽生產(chǎn)能耗。

2.5.1 電壓保持情況

電壓是控制電解槽熱平衡的主要技術(shù)參數(shù),采用快速降低電解槽設(shè)定電壓的方式減少電解槽熱收入,縮短電解槽啟動(dòng)后的高溫時(shí)間,促使電解質(zhì)中的高分子冰晶石和α-Al2O3在電解槽側(cè)部析出形成堅(jiān)固的爐幫[6]。

表1 電壓保持表

2.5.2 兩水平、槽溫及分子比保持情況

(1)石墨化陰極炭塊的電阻率低,導(dǎo)熱率高,陰極區(qū)散熱會(huì)比較大,而且由于水平電流的降低,電解槽穩(wěn)定性有較為明顯的增加。因此,試驗(yàn)槽鋁水平不宜過高,啟動(dòng)后前3個(gè)月控制在14～17 cm,正常期階段控制在19～20 cm,減少電解槽整體散熱。

(2)電解槽啟動(dòng)后前3個(gè)月保持高電解質(zhì)水平為電解槽形成規(guī)整爐膛提供有利的技術(shù)環(huán)境,第一個(gè)月電解質(zhì)水平控制23～37 cm,之后緩慢降低,正常期階段電解質(zhì)水平控制18～19 cm,可以使電解槽保持良好的熱穩(wěn)定性,同時(shí)也有利于增強(qiáng)電解質(zhì)對(duì)氧化鋁的溶解能力。

表2 兩水平、槽溫及分子比

3 技術(shù)應(yīng)用效果

(1)石墨化陰極澆鑄技術(shù)試驗(yàn)槽運(yùn)行后,電解槽生產(chǎn)運(yùn)行狀況良好,電解槽平均電壓穩(wěn)定在3.824 V,爐底壓降216 mV,與同期高石墨質(zhì)陰極電解槽相比,電壓及爐底壓降優(yōu)勢(shì)顯著,有效極距充足。

表3 爐底壓降及極距

(2)石墨化陰極澆鑄技術(shù)試驗(yàn)槽進(jìn)入正常生產(chǎn)期后,電流效率完成93.23%,直流電耗完成12 223 kWh/t-Al;與同期系列高石墨質(zhì)對(duì)比槽相比,試驗(yàn)槽電流效率提高0.66%,直流電耗降低293 kWh/t-Al。

表4 電流效率及直流電耗

(3)試驗(yàn)槽運(yùn)行期間側(cè)壁溫度較高石墨質(zhì)對(duì)比槽低6℃,陰極鋼棒溫度較高石墨質(zhì)對(duì)比槽高9℃,爐幫較對(duì)比槽厚3.2 cm,電解槽散熱較大,在運(yùn)行過程中不斷探索鋁水平、電壓、分子比等技術(shù)條件的匹配,多途徑加強(qiáng)電解槽保溫,改善保溫料結(jié)構(gòu),基本保持了電解槽熱平衡。

表5 三鋼溫度及爐幫

4 結(jié) 語(yǔ)

通過石墨化陰極澆鑄技術(shù)在200 kA電解槽的應(yīng)用實(shí)踐表明,在采用合理陰極結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,配合相對(duì)應(yīng)的操作生產(chǎn)管理,300 kA及以下電解槽完全適用石墨化陰極。而且與傳統(tǒng)高石墨質(zhì)陰極相比,電解槽平均電壓可降低64 mV,且有效極距充足,可以長(zhǎng)期在低電壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)電流效率較傳統(tǒng)高石墨質(zhì)陰極電解槽提高0.66%,直流電耗可降低293 kWh/t-Al。

目前行業(yè)內(nèi)300 kA及以下電解槽系列槽齡跨度較長(zhǎng),有相當(dāng)數(shù)量的“老齡槽”。這些“老齡槽”應(yīng)用的技術(shù)比較落后,電耗比較高。因此,石墨化陰極澆鑄技術(shù)是今后300 kA及以下電解槽優(yōu)選的有效節(jié)能技術(shù)。