大型预焙电解槽节能降耗技术的应用

2018-10-27天山铝业股份有限公司石河子市832000赵庆云丁达勇杨晓玲

石河子科技 2018年4期

（天山铝业股份有限公司，石河子市，832000）赵庆云丁达勇杨晓玲

当前“节约资源和环境保护”已经成为我国的基本国策，是推进经济结构调整的首要任务和突破口，随着当前资源短缺和环境污染等问题日益突出的形势，节能减排已经成为每个企业必须承担的社会责任，近年来企业的节能任务指标也越来越高。电解铝作为高能耗行业，电解槽的大修成本吨铝分摊费用在企业生产成本链中比重甚大，决定大修成本吨铝分摊费用的主要因素是电解槽的平均槽寿命，它是电解铝企业重要的技术指标之一。影响电解槽平均槽寿命指标的因素很多，介绍了电解铝企业电解槽陆续进入大修期后，为使的企业节能减排和扩大生产、水平提升的需要，通过研究因电解槽阴极炭块自身及钢棒组装带来的电阻差异和阴极母线设计焊接安装带来的电阻差异，对其进行优化组合安装等一系列关键技术，从而实现节能降耗的目的。

1 电解槽破损原因分析

1.1 破损部位分析

收集的电解槽破损部位（如图1），明显存在两个高机率的破损区域。

炭质内衬中的这些早期裂缝或缝隙一般是在电解槽焙烧启动过程中由于所受的热冲击或热运动导致的。这些裂缝在启动早期迅速被高熔点的熔盐或炭块膨胀等部分或全部密封，但这会在炭质内衬中留下一个局部的薄弱点，这个薄弱点在后续的电解过程中可能会被熔化和发生电化学反应重新形成破损通道。

图1 电解槽破损部位示意图

电解质和铝沿破损通道到达阴极碳块下侧，到达混合物的凝固点，造成此处阴极炭块的隆起，加之电化学反应，裂缝区域炭块将逐渐被腐蚀，裂缝的宽度和深度将增加。随着腐蚀区域金属熔池到达阴极钢棒，这种局部腐蚀也将使腐蚀区域的电流密度比其他区域要大。

1.2 炉底钢板温度分析

炉底钢板温度高温点的分布与破损部位吻合。槽底温度上升说明高温熔盐到达槽底保温层，槽底保温层被破坏后，电解槽等温线下移，加剧底部渗漏的风险，同时底部散热的增加带来电解槽整体散热的失衡。（详见图2）

图2 炉底高温分布点

1.3 阴极电流分布

分析正常生产槽、焙烧期槽阴极电流分布，特征是生产槽B面电流比A面高11%（单槽最大的差异接近15%），焙烧期B面电流比A面高8.64%，最高的10组极均在B面。

铝电解槽内的电流产生强大的电磁力，使铝液发生循环流动、界面波动和隆起变形，电流分布的不均匀势必产生水平电流，增大铝的溶解损失，降低电流效率。

此外，铝液的循环流动和波动不均衡，给生产的稳定操作带来困难。流场分布的好坏对铝电解的生产操作、槽寿命、电能消耗和电流效率产生巨大影响。（详见图3）

图3 阴极电流分布图

2 节能降耗关键技术研究

2.1 电解槽阴极母线电阻分布优化建模

通过分析连接阴极钢棒和下台槽立柱大母线的阴极小母线、阴极大母线之间的电阻差异，获得影响电解槽每组阴极的电流分布机理。构建阴极母线电阻分布数学模型，通过参数调优，最终获得最佳电阻分布，并制定在项目实施中的规范标准。

2.2 阴极碳块电阻分布优化建模

阴极炭块由于炭块本身焙烧工艺的差异、阴极钢棒组装差异等，事实上每组阴极炭块的电阻是存在差异的。构建阴极炭块、阴极母线电阻分布数学模型，优化阴极炭块电阻分布。

2.3 电解槽电解质氧化铝浓度分布优化

通过改变打壳下料系统的打壳方式、下料周期分布，优化及均衡电解质内的氧化铝浓度，提高电解槽稳定性和电流效率。

2.4 电解槽焙烧启动方案优化

通过电解槽各部位阴阳极之间连接电阻建立数学模型，制订差异化焦粒铺设方案。并对焙烧期导杆与平衡母线连接面积、对阴极电流分布、阴极表面温度分布、电解槽三钢温度进行跟踪管理，调整分流片的拆卸顺序，优化焙烧启动方案。

3 节能降耗关键技术实施方案

3.1 利用降磁设备进行母线焊接

目前疆内电网容量小、且多数铝电一体化项目均采用小电网的方式，通过多次停电进行母线焊接更不具备条件。采用460KA全电流焊接装备作为系列全电流下母线焊接的降磁设备。通过对母线对应部位的磁场进行测量，实现施工现场的精确降磁，在不影响系列生产的前提下实现焊接点磁场强度满足母线焊接要求的目标，在铝电解系列全电流供电工况下，可靠、高质量的实现对阴极钢棒与母线软带、母线与母线之间的自动焊接。避免铝电解系列停电或降电流焊接造成的减产和对电网的冲击，减少CO2排放。（设备试验数据见图4）

图4 设备试验数据

A、B侧磁场平均值分别从降磁前的94Gs和114Gs降低到36Gs和32Gs。

3.2 焙烧启动方案调整

采用目前最为成熟的焦粒焙烧启动方式。焦粒焙烧是在阴极表面铺设一定厚度的焦碳颗粒作为发热体，电解槽通电后，焦粒在阴阳极间产生热量，通过分流器的安装来控制焙烧温度和分级增加电流的作用减轻电流对阴极内衬的损伤，利用软连接释放焦粒焙烧产生的上抬膨胀力，在经过72～96h焙烧后，槽电压降至2.0V左右，炉膛平均温度达到850℃以上，拆除软连接和分流器，进行启动。

焦粒焙烧采用逐渐升温，避免了高温铝液灌入时对碳块和扎固缝强烈热冲击，升温快，焙烧时间短，使用分流器可以控制温升速度，提高焙烧质量，启动时熔化的是电解质液体，如果渗入阴极裂缝中，冷凝后可起到堵塞裂缝和修补缺陷的作用，能有效防止早期破损，提高阴极槽寿命。其缺点主要是由于焦粒的密实程度和阴极接触程度的影响，使用电流分布不均匀，可能产生局部过热现象，针对此种现象，对电流分布的不均匀进行相应的调整，降低槽内各区域间的温升梯度差。

3.2.1 焦粒铺设方案

对正常槽标样中阴极电流分布高的阴极通过增加焦粒厚度的方式来减少焙烧期间该部分电流的方式，达到使全槽的电流分布更加均匀的目的。

3.2.2 分流片的拆除顺序

使用分流器可以使通过焙烧槽电流低于系列电流，这样能减小阴极中的热梯度。

分流器的数量决定了焙烧的阶段数，可以通过每次移除分流片的间隔时间来调整焙烧升温速率。基于以上理论，分流器的拆除顺序原则是依据电解槽母线结构，各部位的阳极电流分布情况、阴极电流分布情况、阴极表面温度的测量情况等，低温点先拆、低电流点先拆，从而平衡槽内各部位间的温度梯度。