大型預(yù)焙電解槽節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用

（天山鋁業(yè)股份有限公司，石河子市，832000） 趙慶云 丁達(dá)勇 楊曉玲

當(dāng)前“節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)”已經(jīng)成為我國(guó)的基本國(guó)策，是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的首要任務(wù)和突破口，隨著當(dāng)前資源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出的形勢(shì)，節(jié)能減排已經(jīng)成為每個(gè)企業(yè)必須承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，近年來(lái)企業(yè)的節(jié)能任務(wù)指標(biāo)也越來(lái)越高。電解鋁作為高能耗行業(yè)，電解槽的大修成本噸鋁分?jǐn)傎M(fèi)用在企業(yè)生產(chǎn)成本鏈中比重甚大，決定大修成本噸鋁分?jǐn)傎M(fèi)用的主要因素是電解槽的平均槽壽命，它是電解鋁企業(yè)重要的技術(shù)指標(biāo)之一。影響電解槽平均槽壽命指標(biāo)的因素很多，本文主要介紹了電解鋁企業(yè)電解槽陸續(xù)進(jìn)入大修期后，為使的企業(yè)節(jié)能減排和擴(kuò)大生產(chǎn)、水平提升的需要，通過(guò)研究因電解槽陰極炭塊自身及鋼棒組裝帶來(lái)的電阻差異和陰極母線設(shè)計(jì)焊接安裝帶來(lái)的電阻差異，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化組合安裝等一系列關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 電解槽破損原因分析

1.1 破損部位分析

收集的電解槽破損部位如下圖，明顯存在兩個(gè)高機(jī)率的破損區(qū)域。

圖1 電解槽破損部位圖

由圖1可知，炭質(zhì)內(nèi)襯中的這些早期裂縫或縫隙一般是在電解槽焙燒啟動(dòng)過(guò)程中由于所受的熱沖擊或熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。這些裂縫在啟動(dòng)早期迅速被高熔點(diǎn)的熔鹽或炭塊膨脹等部分或全部密封，但這會(huì)在炭質(zhì)內(nèi)襯中留下一個(gè)局部的薄弱點(diǎn)，這個(gè)薄弱點(diǎn)在后續(xù)的電解過(guò)程中可能會(huì)被熔化和發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)重新形成破損通道。

電解質(zhì)和鋁沿破損通道到達(dá)陰極碳?jí)K下側(cè)，到達(dá)混合物的凝固點(diǎn)，造成此處陰極炭塊的隆起，加之電化學(xué)反應(yīng)，裂縫區(qū)域炭塊將逐漸被腐蝕，裂縫的寬度和深度將增加。隨著腐蝕區(qū)域金屬熔池到達(dá)陰極鋼棒，這種局部腐蝕也將使腐蝕區(qū)域的電流密度比其他區(qū)域要大。

1.2 爐底鋼板溫度分析

圖2 爐底高溫點(diǎn)分布圖

由圖2可知，爐底鋼板溫度高溫點(diǎn)的分布與破損部位吻合。槽底溫度上升說(shuō)明高溫熔鹽到達(dá)槽底保溫層，槽底保溫層被破壞后，電解槽等溫線下移，加劇底部滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)底部散熱的增加帶來(lái)電解槽整體散熱的失衡。

1.3 陰極電流分布

分析正常生產(chǎn)槽、焙燒期槽陰極電流分布，特征是生產(chǎn)槽B面電流比A面高11%（單槽最大的差異接近15%），焙燒期B面電流比A面高8.64%，最高的10組極均在B面。

鋁電解槽內(nèi)的電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，使鋁液發(fā)生循環(huán)流動(dòng)、界面波動(dòng)和隆起變形，電流分布的不均勻勢(shì)必產(chǎn)生水平電流，增大鋁的溶解損失，降低電流效率。

此外，鋁液的循環(huán)流動(dòng)和波動(dòng)不均衡，給生產(chǎn)的穩(wěn)定操作帶來(lái)困難。流場(chǎng)分布的好壞對(duì)鋁電解的生產(chǎn)操作、槽壽命、電能消耗和電流效率產(chǎn)生巨大影響。（見(jiàn)圖3）

圖3 陰極電流分布圖

2 節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電解槽陰極母線電阻分布優(yōu)化建模

通過(guò)分析連接陰極鋼棒和下臺(tái)槽立柱大母線的陰極小母線、陰極大母線之間的電阻差異，獲得影響電解槽每組陰極的電流分布機(jī)理。構(gòu)建陰極母線電阻分布數(shù)學(xué)模型，通過(guò)參數(shù)調(diào)優(yōu)，最終獲得最佳電阻分布，并制定在項(xiàng)目實(shí)施中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 陰極碳?jí)K電阻分布優(yōu)化建模

陰極炭塊由于炭塊本身焙燒工藝的差異、陰極鋼棒組裝差異等，事實(shí)上每組陰極炭塊的電阻是存在差異的。構(gòu)建陰極炭塊、陰極母線電阻分布數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化陰極炭塊電阻分布。

2.3 電解槽電解質(zhì)氧化鋁濃度分布優(yōu)化

通過(guò)改變打殼下料系統(tǒng)的打殼方式、下料周期分布，優(yōu)化及均衡電解質(zhì)內(nèi)的氧化鋁濃度，提高電解槽穩(wěn)定性和電流效率。

2.4 電解槽焙燒啟動(dòng)方案優(yōu)化

通過(guò)電解槽各部位陰陽(yáng)極之間連接電阻建立數(shù)學(xué)模型，制訂差異化焦粒鋪設(shè)方案。并對(duì)焙燒期導(dǎo)桿與平衡母線連接面積、對(duì)陰極電流分布、陰極表面溫度分布、電解槽三鋼溫度進(jìn)行跟蹤管理，調(diào)整分流片的拆卸順序，優(yōu)化焙燒啟動(dòng)方案。

3 節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案

3.1 利用降磁設(shè)備進(jìn)行母線焊接

目前疆內(nèi)電網(wǎng)容量小、且多數(shù)鋁電一體化項(xiàng)目均采用小電網(wǎng)的方式，通過(guò)多次停電進(jìn)行母線焊接更不具備條件。采用460KA全電流焊接裝備作為系列全電流下母線焊接的降磁設(shè)備。通過(guò)對(duì)母線對(duì)應(yīng)部位的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的精確降磁，在不影響系列生產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足母線焊接要求的目標(biāo)，在鋁電解系列全電流供電工況下，可靠、高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極鋼棒與母線軟帶、母線與母線之間的自動(dòng)焊接。避免鋁電解系列停電或降電流焊接造成的減產(chǎn)和對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少CO2排放。

圖4 設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

由圖4可知，A、B側(cè)磁場(chǎng)平均值分別從降磁前的94Gs和114Gs降低到36Gs和32Gs。

3.2 焙燒啟動(dòng)方案調(diào)整

采用目前最為成熟的焦粒焙燒啟動(dòng)方式。焦粒焙燒是在陰極表面鋪設(shè)一定厚度的焦碳顆粒作為發(fā)熱體，電解槽通電后，焦粒在陰陽(yáng)極間產(chǎn)生熱量，通過(guò)分流器的安裝來(lái)控制焙燒溫度和分級(jí)增加電流的作用減輕電流對(duì)陰極內(nèi)襯的損傷，利用軟連接釋放焦粒焙燒產(chǎn)生的上抬膨脹力，在經(jīng)過(guò)72～96小時(shí)焙燒后，槽電壓降至2.0V左右，爐膛平均溫度達(dá)到850度以上，拆除軟連接和分流器，進(jìn)行啟動(dòng)。

焦粒焙燒采用逐漸升溫，避免了高溫鋁液灌入時(shí)對(duì)碳?jí)K和扎固縫強(qiáng)烈熱沖擊，升溫快，焙燒時(shí)間短，使用分流器可以控制溫升速度，提高焙燒質(zhì)量，啟動(dòng)時(shí)熔化的是電解質(zhì)液體，如果滲入陰極裂縫中，冷凝后可起到堵塞裂縫和修補(bǔ)缺陷的作用，能有效防止早期破損，提高陰極槽壽命。其缺點(diǎn)主要是由于焦粒的密實(shí)程度和陰極接觸程度的影響，使用電流分布不均勻，可能產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象，針對(duì)此種現(xiàn)象，對(duì)電流分布的不均勻進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，降低槽內(nèi)各區(qū)域間的溫升梯度差。

3.2.1 焦粒鋪設(shè)方案

對(duì)正常槽標(biāo)樣中陰極電流分布高的陰極通過(guò)增加焦粒厚度的方式來(lái)減少焙燒期間該部分電流的方式，達(dá)到使全槽的電流分布更加均勻的目的。（見(jiàn)圖5）

圖5 電流調(diào)整前后對(duì)比圖

3.2.2 分流片的拆除順序

使用分流器可以使通過(guò)焙燒槽電流低于系列電流，這樣能減小陰極中的熱梯度。

分流器的數(shù)量決定了焙燒的階段數(shù)，可以通過(guò)每次移除分流片的間隔時(shí)間來(lái)調(diào)整焙燒升溫速率。

基于以上理論，分流器的拆除順序原則是依據(jù)電解槽母線結(jié)構(gòu)，各部位的陽(yáng)極電流分布情況、陰極電流分布情況、陰極表面溫度的測(cè)量情況等，低溫點(diǎn)先拆、低電流點(diǎn)先拆，從而平衡槽內(nèi)各部位間的溫度梯度。

4 結(jié)語(yǔ)

某電解鋁企業(yè)通過(guò)上述技術(shù)的運(yùn)用，電解槽啟動(dòng)后爐底鋼板溫度控制在100℃以下，解決了早期破損對(duì)正常生產(chǎn)運(yùn)行的干擾。

綜上所述，對(duì)延長(zhǎng)電解槽的槽壽命及降低原鋁交流電耗指標(biāo)有重要意義，為電解鋁行業(yè)帶來(lái)全新的高效節(jié)能技術(shù)，某企業(yè)通過(guò)大型預(yù)焙電解槽節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，不斷優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，強(qiáng)化電流，提高產(chǎn)能，降低效應(yīng)系數(shù)，降低工作電壓，減少環(huán)境污染，使企業(yè)利潤(rùn)大幅提高，節(jié)能效果十分明顯。

[1]黃俊，黃若愚等.全電流降磁焊接技術(shù)在鋁電解槽母線修復(fù)的應(yīng)用實(shí)踐[J].輕金屬.2016年第7期.

[2]趙江，陳有義.240KA預(yù)焙電解槽節(jié)能降耗生產(chǎn)實(shí)踐[J].中國(guó)金屬通報(bào).2009年增刊.

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[4]孟令建，張瑞忠，劉寶才等.降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)、構(gòu)建節(jié)能環(huán)保型企業(yè)[A].2007年全省有色金屬學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集 2007