200 kA鋁電解槽陰極磷生鐵澆鑄試驗及工業應用

楊國文

(中國鋁業股份有限公司 青海分公司,青海 西寧 810108)

隨著行業技術的進步和國家政策的更新,電解槽需在低能耗下高效運行,而低能耗鋁電解槽必須具有優良的磁流體穩定性,才能夠在較低極距下穩定高效生產。行業內不斷更新的優秀技術證明,降低鋁液中水平電流技術是提高鋁電解槽磁流體穩定性的有效手段。在此基礎上如何進一步大幅降低電解槽陰極壓降,采用磷生鐵澆鑄陰極組裝形式是一條重要途徑。

但在此之前,行業內采用磷生鐵澆鑄陰極炭塊組裝主要是針對石墨化炭塊,而石墨質炭塊主要采用的仍是炭糊扎固的組裝形式,采用該種組裝方式的電解槽的陰極壓降基本在270～320 mV,有進一步優化的技術潛力。目前石墨質陰極炭塊仍是國內使用規模最大的炭塊類型,特別是300 kA以下的槽型。因此,為了能夠在石墨質炭塊上采用磷生鐵澆鑄技術,達到大規模、大幅度降低電耗的目的,青海分公司與沈陽鋁鎂設計研究院有限公司合作,于2016年初在青海分公司200 kA系列上進行了磷生鐵澆鑄的工業化試驗,試驗成功后并在青海分公司進行推廣應用。

1 試驗思路

首先,針對性地設計節能型陰極組形式。該陰極組形式能夠適應磷生鐵澆鑄的工藝過程和磷生鐵的材料特性,并且將降低鋁液中水平電流與降低陰極壓降成功地結合起來;其次,進行磷生鐵澆鑄工藝的研究與工業試驗,摸索陰極炭塊磷生鐵澆鑄的工藝技術條件;最后,選取大修槽進行試驗,并對試驗槽進行詳細的熱、電測試,最終完成工業試驗,并進行系列推廣應用。

2 陰極組結構的優化研究

在陰極結構進行優化,將原來的兩根鋼棒改為單鋼棒,陰極組結構由之前的一塊陰極和4根鋼棒優化為一塊陰極和2根鋼棒。由于青海分公司200 kA電解槽的陰極塊寬度為515 mm,實施難度較大,經過不斷的嘗試和試驗,最終實現了單鋼棒的結構形式,即保證了磷生鐵澆鑄的成功率,又降低了水平電流和陰極壓降。對不同陰極結構的水平電流進行模擬計算,如圖1所示?？梢钥闯?磷生鐵澆鑄結構電解槽鋁液中水平電流比普通陰極電解槽有大幅降低,和雙鋼棒電解槽鋁液中水平電流基本一樣,說明磷生鐵澆鑄和雙鋼棒電解槽的穩定性基本一致,但磷生鐵澆鑄結構的陰極壓降比雙鋼棒槽降低了47 mV,這說明采用磷生鐵澆鑄技術具有較大的節能潛力。

圖1 不同陰極結構的水平電流比較

3 陰極組澆鑄試驗

試驗組于2016年1月進行了200 kA電解槽陰極磷鐵澆鑄試驗,共澆鑄了38組陰極組。試驗方式采用燃氣加熱方式,對炭塊和鋼棒加熱后,進行陰極炭塊和磷生鐵澆鑄組裝施工。二者指標如表1和表2所示。

表1 陰極炭塊理化指標(50%石墨質陰極)

表2 磷生鐵組分要求

圖2 陰極炭塊加熱設備

加熱時間3個小時,加熱結束后,移走加熱裝置,用熱成像儀檢查陰極炭塊及鋼棒溫度分布。鋼棒上表面沿長度方向溫度分布如圖3所示，鋼棒溫度平均值為502 ℃。陰極炭塊頂面沿長度方向溫度分布差值較小，炭塊頂面溫度約430 ℃，溫度最大最小差值在50 ℃左右。

圖3 鋼棒上表面長度方向溫度分布

陰極炭塊出爐后,使用鐵水澆鑄,如圖4所示;澆鑄完成后,采取相應保溫措施,陰極炭塊組溫度平穩下降,檢查陰極側翼及鋼棒槽倒角部位,均未發現裂紋,說明磷生鐵澆鑄試驗取得成功,可以將澆鑄好的陰極炭塊組用于試驗槽筑爐。

圖4 磷鐵澆鑄過程

4 試驗槽啟動及后期管理

選取6644#、5724#兩臺大修槽進行工業試驗。該兩臺槽經過前期的陰極澆鑄、內襯砌筑等,完成了兩臺電解槽的筑爐并交付電解驗收滿足焙燒的條件后,采用焦粒焙燒方式,順利完成啟動。

6644#、5724#兩臺槽槽電壓管理按照青海分公司節能槽電壓管理的思路在啟動后快速降電壓,啟動后一個月,6644#、5724#槽電壓分別保持在3.73 V,3.71 V,此時主要技術條件如下:

6644#槽電壓為3.73 V,鋁水平16 cm,電解質水平23 cm,電解質溫度為935 ℃,分子比2.99,陰極壓降為220 mV。5724#槽電壓為3.71 V,鋁水平16 cm,電解質水平22 cm,電解質溫度為924 ℃,分子比2.95,陰極壓降為218 mV。

電解槽槽況運行平穩,后續陸續按電解槽后期管理制度調整電解槽的各項技術參數至目標值。

5 試驗槽運行情況測試

為了全面掌握電解槽運行狀態,進一步提高電解槽技術指標,2016年8月青海分公司和沈陽院一同對該兩臺試驗槽的電熱場進行了詳細測試,根據測試結果對電解槽進行全面分析。電解槽主要指標如表3所示,其中5724#和6644#槽為陰極澆鑄電解槽,其余兩臺為雙鋼棒電解槽。

表3 電解槽工藝參數匯總表

5.1 槽殼溫度

對該四臺槽槽殼側壁(熔體區、陰極區)、槽底板及陰極鋼棒外表面溫度進行了測試,槽殼側壁區和鋼棒溫度如表4和圖5所示。

由表4和圖5可知,SY200雙鋼棒槽槽殼熔體區平均溫度266 ℃,澆鑄陰極電解槽平均溫度207 ℃,相比雙鋼棒槽降低了59℃。雙鋼棒槽陰極鋼棒頭平均溫度241 ℃,澆鑄陰極電解槽陰極鋼棒頭平均溫度268 ℃,與雙鋼棒槽相比增加了27 ℃。兩臺槽型槽底板平均溫度為136 ℃和91 ℃,澆鑄陰極電解槽槽底平均溫度比雙鋼棒槽低45 ℃。

為使A相剩磁穩定，需使合閘時刻外加電源A相虛擬磁鏈正好處在對應方向的峰值，若剩磁為負，則為負峰值，反之亦然。假設剩磁為某一值X，則要求剩磁滿足：

表4 測試電解槽溫度對比表

圖5 測試槽槽殼及陰極鋼棒溫度分布

5.2 槽膛內形

4臺槽的爐膛內形如表5所示,SY200雙鋼棒槽爐幫平均厚度為9.0 cm,伸腿長約11.6 cm。澆鑄陰極結構電解槽爐幫厚度14.5 cm,伸腿長度12.85 cm?？梢?磷生鐵澆鑄陰極電解槽爐膛內形更合理。

表5 SY200測試槽爐膛內形

5.3 散熱分布

電解槽的熱損失是指除鋁電解反應能耗以外的能量支出。測試的四臺電解槽熱損失分項對比如圖6～圖7所示。測試數據顯示澆鑄陰極結構電解槽上下散熱比例相比雙鋼棒電解槽有所不同,下部散熱比例較雙鋼棒槽小。

圖6 雙鋼棒槽散熱分布

圖7 澆鑄陰極槽散熱分布

5.4 測試結論

(1)采用雙鋼棒結構的電解槽噸鋁直流電耗平均值為12,682 kWh,爐底壓降平均值為336 mV;采用澆鑄陰極結構的試驗槽噸鋁直流電耗為12,404 kWh,爐底壓降為253 mV,相比雙鋼棒槽降低了83 mV,同時前者噸鋁直流電耗相比后者降低了278 kWh,這基本為陰極壓降降低值對應的能耗。

(2)澆鑄陰極結構電解槽的爐幫厚度要比雙鋼棒槽厚6.3 cm,這與澆鑄陰極結構電解槽側壁溫度較低是比較相符的。兩種槽型伸腿長度略有差異,總體來說澆鑄陰極結構槽膛上口更厚,形狀合理。

對陰極磷生鐵澆鑄電解槽運行指標進行長期跟蹤,發現其爐底壓降和直流電耗隨槽齡增長略有上升,但整體上基本保持穩定,各種工藝參數基本保持穩定,詳細數據見表6。

表6 磷生鐵澆鑄陰極電解槽運行參數統計表

6 推廣應用效果

陰極澆鑄試驗結果顯示出澆鑄技術的顯著優勢,非常具有推廣意義。自2019年10月起,青海分公司180 kA和200 kA系列大修槽均采用該技術進行大修。截至2020年,累計在180 kA系列上推廣應用31臺,在200 kA系列上推廣應用19臺,并取得了良好的技術指標和經濟效益。

根據數據統計,相比改造前,澆鑄陰極電解槽平均直流電耗在進入正常期后相比系列槽有大幅降低,2020年磷生鐵澆鑄電解槽正常期累計噸鋁直流電耗達到了12,400 kWh以下,噸鋁節能超過230 kWh/t-Al,2020年全年累計降低電耗591.3×104kWh,節約電費達到206.9萬元,同時社會效益顯著,實現電廠減排CO2約5895 t。

7 結 論

(1)采用針對性設計的結構形式和燃氣加熱的方式,能夠實現515 mm寬度的石墨質陰極單鋼棒磷生鐵澆鑄組裝。

(2)試驗結果顯示:在磷生鐵澆鑄和雙鋼棒兩種槽型的槽溫、兩水平、覆蓋料情況、電解質體系、分子比和水平電流基本相同的情況下,陰極壓降降低83 mV的差距直接決定著兩種電解槽的能耗表現,測試結果顯示磷生鐵澆鑄槽噸鋁直流電耗降低了278 kWh,直接體現出了該技術的優勢。

(3)該技術已經在青海分公司200 kA和180 kA電解槽大規模推廣應用,2020年磷生鐵澆鑄電解槽平均噸鋁直流電耗達到了12,400 kWh以下,2020年全年累計降低電耗591.3×104kWh,實現鋁廠減排CO2約5895 t,經濟和社會效益非常顯著。