降低400 kA鋁電解槽焦粒焙燒啟動成本的方法探討*

耿家榮，寸躍祖，席洪平，肖達帥，田大標，沈應仆

（云南云鋁澤鑫鋁業有限公司，云南 富源 655500）

近幾年，國內電解鋁企業產能不斷向西南地區轉移，特別是云南幾年內產能翻了幾翻，作為云南本土的存量電解鋁生產企業，在嚴峻的市場競爭中，如何降本、節能、增效、逆境中求生存與發展轉型，是生產經營的核心要務[1]。

鋁電解槽的焙燒啟動作為電解槽生產中的一個關鍵環節，好比人的育兒時期，后期能否健康茁壯成長與孕期和嬰幼兒時期密不可分，同樣電解槽焙燒啟動質量的好壞將直接影響電解槽后期能否平穩高效運行和槽壽命的長短，影響經濟綜合指標的提升及安全生產等方面。對目前鋁工業生產的節能減排形勢是至關重要的，作為高耗能產業，節能減排一直都是鋁電解行業生產管理的中心和重點，不斷改進工藝條件和技術創新，具有深遠的意義[2]。

1 焦粒焙燒啟動簡介

1.1 焙燒啟動流程

焦粒焙燒啟動是鋁電解生產的重要控制環節，對電解槽安全平穩運行、良好經濟指標取得及槽壽命延長有著重要影響[3]。需根據電解槽槽型設計、電解槽內襯結構、所用內襯材料特性及電解槽升溫梯度需求等因素，制定焙燒啟動方案。由于焦粒焙燒具有操作相對簡便、技術可靠、焙燒時間短，一次可焙燒多臺電解槽等優點。目前，400 kA系列鋁電解槽全部采用焦粒焙燒啟動，其流程主要有：鋪焦粒、掛極、裝槽、裝軟連接、裝分流片、通電焙燒、抬陽極、啟動、灌鋁等，如下圖1所示。

圖1 焦粒焙燒流程圖Fig.1 Flow chart of coke particles roasting

1.2 焦粒焙燒啟動現狀

當今大型預焙電解槽采用焦粒焙燒啟動過程中，普遍存在沖擊電壓高、偏流、升溫不均、陽極過燒、炭塊氧化、滲電解質或鋁液等現象。而陰極出現局部導熱導電不均，嚴重影響陰極表面溫度均勻性和升溫梯度，導致電解槽陰極炭塊在焙燒期間出現過燒和燒損，人工伸腿及側部炭塊出現局部氧化現象。目前，400 kA鋁電解槽焙燒啟動采用焦粒焙燒濕法效應啟動，裝槽物料主要是氟化鈣、冰晶石，通電焙燒90 h后安放緊固小盒卡具進行抬陽極作業，抬陽極速率視焙燒電壓和物料融化情況而定，抬陽極行程（35～45）mm。抬陽極過程中保證槽罩風門蓋嚴密封，減少散熱。焙燒96 h后灌入10 t液體電解質，然后迅速上抬陽極，啟動槽電壓保持在14 V左右。在此期間將陽極上用于保溫的冰晶石推入槽內熔化，待電解質量達到規定高度，四周物料全部熔化，電解質溫度達到970℃以上，開始打撈碳渣，碳渣打撈結束宣告電解槽啟動完畢。啟動后24 h灌入鋁液24 t，啟動完畢至灌鋁前槽電壓控制在6.5 V左右，開通NB自動加料。

1.3 焦粒焙燒啟動成本

根據400 kA鋁電解槽焦粒焙燒啟動方案，查閱相關資料后列出一臺400 kA電解槽從裝槽到啟動結束后的物料用量價格表如表1所示。

從表1可以看出，冰晶石、電量、陽極炭塊占一臺400 kA鋁電解槽整個焙燒啟動成本的85.8%，陽極炭塊屬于采購隨市場行情變化，在整個焙燒啟動過程中已沒有降本空間，那么如何降低焙燒啟動成本顯然只能從冰晶石和用電量上來下工夫。

2 焦粒焙燒啟動降本措施

在總結以往400 kA鋁電解槽焦粒焙燒啟動工作經驗的基礎上，發現原電解槽通電焙燒時間為96 h，仍有壓縮空間，同時采用濕法效應啟動電壓較高，電能消耗較大。裝槽過程中冰晶石用量較大成本高，若能用某種同性質價格低的物料代替或將大大降低成本，每年電解系列都打出上千噸電解質，經調查發現可以用破碎后的電解質塊代替部分冰晶石，這樣一來不僅緩解了電解質塊積壓，同時還能減少冰晶石用量。通過以上方法，在保證電解槽的正常焙燒和順利啟動的前提下，降低了整個焙燒啟動成本。具體措施如下。

2.1 縮短焙燒時間

前期啟動的電解槽采用焦粒焙燒，焙燒時間為96 h。焙燒過程中槽內物料融化較好，焙燒96 h后溫度可達（960～970）℃，出現部分陽極燒裂現象。400 kA電解槽爐底保溫效果好，焙燒過程中熱量散失小，為防止陰極過燒和降低能耗，把焙燒時間縮短為80 h，待槽內物料基本融化，溫度達到（950～960）℃時開始啟動。在鋪焦粉時用石墨碎和焦粉按3∶7比例混合用于角部極2∶8比例混合用于中間極。焦粒焙燒必須使用分流片進行分流，其目的：①把通過陽極的電流分去一部分，控制預熱速度，避免升溫過快，造成陽極及陰極內襯產生過于集中的熱應力；②將電流在通電初期基本均勻地分配到各組陽極；③控制沖擊電壓，盡快升至全電流，以利于系列生產槽的維護和管理。而分流片數量的選擇一直是電解槽通電焙燒的關鍵控制點。在原有安裝6片分流片基礎上減少1片，選擇安裝5片分流片減少通電焙燒過程中電流分走，讓更多的電流通過陽極增加熱量收入，以實現加快物料熔化，使電解質液盡快覆蓋到槽底大部分部位，使槽溫分布更均勻，提高焙燒效率，進而縮短焙燒時間。圖2為熔燒歷史曲線圖。

圖2 焙燒歷史曲線圖Fig.2 Historical graphs of roasting

2.2 減少冰晶石用量

前期啟動電解槽裝槽物料主要是高分子比冰晶石，單臺電解槽冰晶石用量16 t，啟動時物料燒結硬，不易操作，勞動量大，且成本高。針對這一現象，采用8 t固體電解質裝在邊部和陽極上，用6 t返回料均勻放在固體電解質上方加強保溫和防止陽極外露氧化，共置換高分子比冰晶石14 t。通過減少冰晶石用量降低了裝槽成本。從通電到灌電解質期間的控制，為防止陽極偏流，對于邊部化開的部位，及時補充冰晶石，避免局部溫度過高，使槽內溫度階梯上升，減少溫差；在陽極鋼爪發紅時及時把陽極上的物料撬掉，增強鋼爪散熱。中縫化開的地方及時補充冰晶石。表1為采取措施前后裝槽物料對比。圖3為裝槽效果對比。

表2 優化前后裝槽物料對比Tab.2 Comparison on materials for reduction cell before and after optimization t

圖3 裝槽效果圖Fig.3 Effect picture of Slotting

2.3 降低啟動電壓

前期電解槽在啟動前10 h開始需要抬陽極10個回轉計讀數，此過程需要不斷監測陽極電流分布情況，對物料融化的地方進行補充，電流分布較大的陽極鋼爪發紅會導致陽極脫落，需進行吹風冷卻。抬陽極過程中需要消耗大量的人力和物力且時間較長，電壓不斷升高增加能耗，同時頻繁開啟槽罩影響電解槽均勻升溫。優化后的400 kA鋁電解槽在啟動前不抬陽極，在啟動前分兩段灌入液體電解質：①啟動前8 h灌入液體電解質1.5 t；②當電解槽爐膛陰極表面溫度達900℃以上，中縫基本通暢，此時電解槽具備啟動條件，灌入液體電解質（7～9）t并升陽極使槽電壓不小于8 V。該方法既降低了工人的勞動強度也節省了電耗。

啟動電壓過高會造成啟動過程溫度偏高，炭渣分離不好或陽極病變。在后期啟動時，由于裝槽物料多元化，采用石墨碎拌焦粒均勻鋪在陰極表面，焙燒效率高，在（7～8）V的電壓下便能完成正常啟動。啟動電壓的優化使系列電壓波動小，節能降耗，同時減輕環境污染，降低勞動強度。生產實踐證明，在低電壓啟動過程中，電解槽側部沖擊小，伸腿完整，焦化充分，并且從未出現過陽極脫極、斷裂等異常情況。

灌鋁是焙燒啟動環節的最后一道工序，灌鋁的時間和灌入的量直接影響到啟動后期的效果。前期啟槽灌鋁時間選擇在開通NB后（16～20）h，灌入鋁液（22～24）t。優化后在原有基礎上對灌鋁時間和灌鋁量進行優化：第一次灌鋁，開通NB后19 h灌鋁（9～10）t；第二次灌鋁，開通NB后22 h灌鋁（9～10）t；第三次灌鋁，開通NB后25 h灌鋁（9～10）t。優化前后啟動電壓對比見表3所示。圖4為啟動過程歷史曲線圖。

表3 優化前后啟動電壓對比Tab.3 Comparison of startup voltage before and after optimization V

圖4 啟動過程歷史曲線圖Fig.4 Historical curve chart of startup process

3 效益分析

3.1 經濟效益

3.1.1 縮短焙燒時間

400 kA鋁電解槽焙燒期間焙燒電壓平均為2.1 V，縮短16 h焙燒時間可節約電量2.1×400×16=13 440 kW·h，電價0.35元/kW·h，則可節約電費：13 440×0.35=4 704元

3.1.2 減少冰晶石用量

一臺400 kA鋁電解槽可用8 t固體電解質和6 t返回料代替14 t冰晶石，每噸冰晶石與電解質塊和返回料的單價差額分別為2 000元和3 000元左右，可以節約物料成本：8×0.2+6×0.3=3.4萬元

3.1.3 降低啟動電壓

電解槽啟動過程電壓由14 V降低至7 V，啟動持續時間3 h，可節約電費：（14-7）×400×3×0.35=2 940元

綜上所述，一臺400 kA鋁電解槽可降低焙燒啟動成本：

0.4704+3.4+0.294=4.1644萬元

3.2 社會效益

電解槽采用濕法無效應啟動，減少了一氧化碳、四氟化碳、六氟化二碳及其他氟化物的排放，減少了對臭氧層的破壞，降低了對環境的污染，具有較好的社會效益。

通過對400 kA鋁電解槽焙燒啟動方案的不斷優化，在總結前期焦粒焙燒啟動經驗的基礎上，結合生產實際，大修槽全部采用上述工藝技術焙燒啟動。實踐證明，通過縮短焙燒時間、減少冰晶石用量、降低啟動電壓能使400 kA鋁電解槽焙燒啟動達到預期的效果，電解槽目前運行平穩，明顯降低了400 kA鋁電解槽焙燒啟動成本，取得了較好的經濟效益和社會效益，為400 kA電解槽轉入正常生產奠定良好的基礎。

4 結語

1）通過改善優化鋪焦比例，同時減少分流量，讓更多的電流通過陽極，增加熱量收入，提高焙燒效率，來縮短焙燒時間降低焙燒期間用電量；

2）在確保焙燒槽保溫效果和陽極無外露的情況下，用固體電解質塊和返回料代替14 t冰晶石，可以大幅降低外購冰晶石用量，降低裝槽成本。

3）在（7～8）V的電壓下實現400 kA電解槽正常啟動，啟動電壓的優化使電解槽側部沖擊小，伸腿完整，焦化充分。系列電壓波動小，節能降耗效果明顯。