500kA大型預焙電解槽電流效率與鋁水平相關性探討

張向珍

（中國鋁業股份有限公司連城分公司，甘肅 蘭州 730335）

電流效率是鋁電解生產過程中重要的經濟技術指標，是各項工藝技術條件與電解槽維護操作水平的綜合反映，直接影響電解槽的產鋁量與電耗。

在鋁電解生產運行過程中，影響電流效率的因素有很多，而鋁水平作為電解槽重要的工藝技術條件，直接影響電解槽的熱平衡和穩定性，進而影響電解槽的電流效率。適宜的鋁水平可以使電解槽保持穩定的熱平衡狀態，有助于維持規整的爐膛；同時，適宜的鋁水平也可以平衡電解槽磁場波動，隨著鋁水平高度增加，鋁液層內各方向電磁力會減弱，從而提高電解槽穩定性。

本文通過對500kA電解槽電流效率和鋁水平相關性進行分析，并進行相關試驗驗證，對實際生產管理有一定的指導意義。

1 鋁水平高度與電流效率相關性分析

1.1 鋁水平對磁流體穩定性的影響

提高鋁水平可以減少電解槽內水平電流，減小鋁液界面變形，降低電解槽噪聲，提高電解槽的穩定性，這些都已被理論研究和工業實踐所驗證。

從Sele推導的一種穩定性準則[1]，即：

（D+DO）·HM＞A·BZ·IP

其中：D為極距，m；DO為等效“陽極”極距，m；HM為鋁液層高度，m ；A=5＊10-6m2＊gauss-1＊kA-1，經驗常數；Bz為陽極下方的垂直磁場算術平均值，gauss；IP為槽系列電流，kA。

從上面的公式可以看出，鋁水平的提高有助于電解槽穩定性提高，而穩定性提高有利于提高電流效率。

1.2 鋁水平與電流效率相關性分析

以下是某公司500kA電解系列鋁水平和電流效率關系對比：

從圖1中鋁水平和電流效率的變化可以看出，該系列電解槽電流效率差異性非常大，同時電流效率與鋁水平之間有著強烈的相關性，電流效率對應鋁水平升高呈現線性增加的趨勢。

圖1 鋁水平與電流效率關系對比

2 提高鋁水平試驗

2.1 試驗槽選擇、鋁水平調整

為了進一步驗證電解槽鋁水平的提高對電流效率的影響，選取兩臺電解槽進行提高鋁水平試驗。

試驗槽確定的原則：為了使試驗槽具有一定的代表性，在選取試驗槽時盡量使鋁水平靠近系列平均值，同時考慮提高鋁水平帶來的負面影響，試驗槽電解質水平保持在高限，電解槽爐膛相對規整，爐底壓降在350mv以內，運行穩定。

基于以上條件，選取2104#、2105#兩臺電解槽作為試驗槽進行提高鋁水平試驗。鋁水平的提高通過適當減少出鋁量來實現，其中，2104#槽鋁水平從25.5cm提高到27.5cm，2105#槽鋁水平從25.5cm提高到26.5cm。

2.2 電流效率測定

6月10日開始逐步調整試驗槽出鋁量，期間隨著鋁水平上升，采用奧氏氣體分析儀對兩臺試驗槽進行電流效率測定。

奧氏氣體分析儀的測定原理是利用不同的溶液來吸收氣體試樣中的不同組分。在本次測定中，用30%的氫氧化鉀吸收試樣中的二氧化碳，然后根據吸收前后試樣體積的變化來計算二氧化碳的含量。計算公式為：

其中：η為電流效率；ψ為吸收前后試樣體積變化量。

測定后，對兩臺試驗槽鋁水平上升過程中電流效率的變化進行分析，如下圖：

從圖2和圖3可以看出，隨著鋁水平的升高，兩臺測試電解槽電流效率均呈上升趨勢；同時，2104#電解槽鋁水平較2105#電解槽高1cm，其電流效率也較2105#電解槽高。試驗槽鋁水平和電流效率的變化驗證了電流效率隨著鋁水平的升高而提高的論斷。需要注意的是，提高鋁水平，會增加電解槽的熱損失，因此，鋁水平的升高要與電解槽的整體熱平衡和工藝技術條件相匹配。

圖2 2104#槽-鋁水平和電流效率的關系

圖3 2105#槽-鋁水平和電流效率的關系

2.3 爐底壓降變化

在提高鋁水平的過程中，電流效率逐步提高，而爐底壓降呈現降低的趨勢。鋁水平的提高并沒有導致爐底壓降上升，說明在鋁水平提高時電解槽的熱平衡是能夠支撐的，同時也證明鋁水平提高后電解槽水平電流減少、垂直電流增加，對凈化爐底沉淀有利。

圖4 鋁水平-爐底壓降變化趨勢圖

2.4 三鋼溫度變化

隨著鋁水平逐步提高，電解質水平會有一定程度的收縮，此時要及時調整電解質水平，防止出現低電解質的情況。同時電解槽側壁溫度、棒頭溫度和爐底鋼板溫度均出現降低：

圖5 三鋼溫度變化趨勢圖

通過試驗可看出：鋁水平提高有利于電流效率的提高，同時電解槽爐底壓降和三鋼溫度均出現不同程度的下降。

3 結論

提高電解槽鋁水平有助于電流效率的提高。在鋁水平上升過程中，電解槽水平電流減小，垂直電流增加，有助于形成穩固的爐幫和較為規整的爐膛，提高電解槽運行的穩定性，同時，隨著鋁水平提高，電解槽電流效率呈線性升高的趨勢。

但是，鋁水平過高會使電解槽側下部散熱量增大，容易造成電解槽伸腿過長，爐底沉淀增加，嚴重時會產生爐底結殼，破壞電解槽穩定性，因此，需要結合現場實際選擇合適的鋁水平高度，在保持電解槽平穩運行的基礎上，獲得更高的電流效率。