600 kA铝电解槽规整炉膛的建立工艺

韦方佑

(广西德保百矿铝业有限公司， 广西 德保 533700)

0 前言

电解槽进入正常生产阶段的重要标志是各项技术参数相对匹配后槽况处于平稳高效状态，同时沿槽四周内壁建立起规整稳定的炉膛内型。规整的炉膛对电解槽内衬起到保护作用，可以提高电解槽寿命，收缩铝液镜面，降低水平电流强度，实现稳定槽况、降低能耗及提高电流效率的目的。要形成良好而稳定的炉膛，能量平衡是关键，因此需要优化电解槽的设计及生产工艺。传统的大型电解槽大多采用保温型设计，而600 kA电解槽为了提高投入产出比，增加阳极电流密度，使得槽容量增大，为了实现能量平衡，需增加炉膛单位表面积的散热负荷。规整炉膛内型建立的关键是，非正常期保持合理的技术条件以及与之相适应的操作制度,加之正常生产期间技术条件的合理保持[1]。因此，基于电解槽的散热设计特点，某公司通过一系列优化措施，实现了600 kA电解槽的热平衡耦合控制，并通过非正常期电解槽温度、电压、分子比、铝水平、电解质水平和效应等参数的控制，以及正常生产期间将电解槽过热度控制在合理范围，建立了较为理想的炉膛内型，实现了安全、平稳、高效生产的目的。

1 在散热设计基础上建立规整炉膛的思路

1.1 提高600 kA铝电解槽散热能力的措施

为了实现电解槽运行时的良好热平衡状态，600 kA系列高能效铝电解槽较400 kA和500 kA系列应具备更高的散热能力。某公司通过优化阳极钢爪、阴极钢棒、槽壳结构、炉膛结构和内衬设计等，提高600 kA系列高能效铝电解槽的散热能力，以实现热平衡耦合控制。

1) 增大阳极钢爪截面。适当增大阳极钢爪的截面尺寸，既可以降低钢爪电阻，又可以提高钢爪的散热能力。

2) 增大阴极钢棒截面。600 kA 高能效铝电解槽选择钢棒截面尺寸为180 mm×150 mm，其散热量占总散热量的8.9%。

3) 提高槽壳侧壁散热能力。600 kA高能效铝电解槽采用一体化焊接摇篮式槽壳结构，且在电解槽侧壁焊接散热片，并将车间通风纳入电解槽热平衡的调节。这些措施整体上提高了电解槽槽壳侧壁的散热能力，为电解槽达到良好热平衡状态创造有利条件。

4) 增加炉膛深度。600 kA高能效铝电解槽的炉膛深度由400 kA系列的580 mm提高至600 mm，可相对增加炉膛侧壁的散热面积。

5) 优化内衬设计。传统大型槽保温槽侧部采用普通炭块砌筑，而600 kA高能效铝电解槽侧部采用高热导率的 SiC-Si3N4砖砌筑，且SiC-Si3N4侧块与槽壳内壁之间采用碳化硅火泥或耐高温导热胶泥进行粘接。

1.2 不同槽况下的600 kA铝电解槽炉膛内型

不同槽况下，600 kA铝电解槽的炉膛内型有以下3种情况：

1) 若非正常期铝水平上升过快，电压降速过快，分子比过低，炉帮生长过快，电解槽炉底发冷，冷槽炉膛内型模拟图如图1(a)所示。此时，伸腿过长,一直延伸到阳极底部,炉底沉淀积多，形成水平电流，槽况稳定性差。

2) 若电解槽铝水平长期过低，电压偏高，分子比偏高，会导致槽况长期过热，无法形成炉帮，热槽炉膛内型模拟图如图1(b)所示。此时，炉帮薄，无法对内衬形成保护作用，热应力偏大时就会导致内衬的早期破损。

3) 若电解槽工艺技术条件调整控制良好,炉帮和伸腿的生长相对均匀,则可以建立起规整稳定的槽膛内型，如图1(c)所示。 在此条件下形成的炉膛内型,伸腿均匀分布在阳极正投影的边缘，铝液被挤在槽中央部位，电流从阳极到阴极呈垂直线通过[2-4]。在正常生产期间,稳定合理保持各工艺技术条件会使非正常期建立的炉膛相对稳固，电解槽也容易管理[1]。

图1 600 kA铝电解槽不同槽况下的炉膛内型模拟

2 电解槽非正常期的工艺管理

非正常期是电解槽转入正常生产的过渡期,是形成炉膛的关键期[5]。600 kA电解槽侧部为导热性能较强的氮化硅砖，有利于形成规整炉帮和保护内衬。非正常期建立炉帮的条件是以槽温为中心，通过快速降电压，保持相对较高的分子比和相对较低的铝水平，使内壁快速形成坚固炉帮。

2.1 电解槽温度管理

非正常生产期的分子比保持在2.6～3.0时,电解槽温度控制在960～985 ℃，呈梯度下降趋势，见表1。如果温度下降过快，虽然可以加速电解质结晶，促进炉膛的快速形成，但这样形成的炉膛结晶不完善、稳定性差，同时结晶过快，容易出现伸腿长度不一，形成局部突出的畸形炉膛[6]。但如果电解温度下降过慢，则不利于炉膛的结晶生长，侧部不能形成完整炉帮,使电解质直接与侧部内衬接触,电解质长期冲刷侧部内衬导致钢窗发红,即形成侧部漏电造成侧部击穿，对电解槽安全形成巨大威胁[7]。

表1 600 kA电解槽温度的控制规范

2.2 槽电压管理

2.2.1 干法无效应启动的电压管理

传统的湿法效应启动电压高于8 V，槽温高于1 050 ℃，不利于后期炉膛的形成。而干法无效应启动通过缓慢抬电压，将电压控制在8 V以下，实现降低启动温度的目的。

1) 在焙烧90 h后，槽电压低于2.2 V时，紧固阳极卡具后拆除软连接，然后测试阳极电流分布。导电超过4 mV的阳极通过捣实周边冰晶石的方法来平抑偏流，既能起到加快冰晶石熔化的作用，也能降低单块阳极的温度。

2) 每半小时点抬电压0.03 V，目的是使阳极底掌缓慢脱离阴极表面，同时使液体电解质不断浸没底掌，在阴阳极之间不产生电弧的情况下，极距缓慢拉开，在这个过程中，电解质逐渐上涨。

3) 焙烧96 h后，点抬电压12次，当电解质上涨至35 cm后，再一次紧固阳极卡具，然后再测试阳极电流分布，处理偏流阳极，做好大幅抬电压的准备。

4) 电解槽启动后，电压控制在7.3 V以下，温度不能超过1 020 ℃。而且为了达到降低槽温的目的，可以将边部四周物料铲到中缝或推下去熔化。电解质清亮可以接通氧化铝下料，启动后6 h，电压保持在6.0～6.5 V，四周物料化开后,将炭渣打捞干净，进一步降低槽温[8]。

2.2.2 启动后电压管理

电解槽启动后，以温度为中心控制电压，温度大于1 020 ℃，可快速降电压，期间炉帮随着电压下降而缓慢形成。

1) 启动后8～16 h, 每小时电压调整幅度为0.08～0.12 V，最终电压保持在5.8～6.0 V。若电压自动下降幅度过大，可适当手动抬电压；若电压自动下降幅度过小，可手动降电压，槽温过高(>1 020 ℃)时，电压按下限保持，并适时灵活调整下料间隔，保证槽内氧化铝浓度正常，杜绝浓度走反。

2) 启动16 h后至灌铝前，每小时电压调整幅度为0.05 V左右，最终电压保持在5.6～5.8 V。

2.2.3 灌铝电压管理

为防止出现滚铝现象，灌铝时电压控制在6.0～6.2 V，缓慢抬电压，灌完最后一包铝后，电压控制在5.8 V。灌铝后电压不能降得太快，否则槽况容易出现冷态。待电压出现自行下降趋势后，以每小时50 mV的速度将槽电压下降至4.8 V，然后接通槽电阻控制，保持至次日；之后从4.8 V开始按每日100 mV的梯度将电压降至4.5 V，最后降到4.3 V安全范围内。在槽况稳定的前提下，电压的梯度下降对控制槽温起重要作用，而温度的平缓下降有利于炉膛的建立，因此电压控制也要与炉膛的形成相匹配。

2.3 分子比管理

在非正常期，必须采用高分子比的电解质成分，因为低分子比的电解质成分初晶温度低，形成的炉膛热稳定性差，极易熔化而使炉膛遭到破坏[9]。灌铝后，由于炭素内衬吸钠，分子比快速下降，为了确保高分子比建立炉膛，需要不断补充纯碱，第一个月分子比维持在3.0～2.8，第二个月维持在2.8～2.7，第三个月开始添加氟化铝降低分子比：槽龄为60 d时，设定添加20 kg氟化铝，给电解槽适应分子比降低的时间，形成炉膛；槽龄为70 d时，设定添加40 kg氟化铝，出现分子比降低的效果；槽龄为80 d时，分子比控制在2.65～2.6。

2.4 两水平管理

铝电解槽的两水平是指电解质水平和铝水平。由于600 kA电解槽磁场较大，为了确保磁流体的稳定性，同时综合考虑热平衡，灌铝量以45 t为宜，灌铝后铝水平为23 cm。在高分子比建立炉膛的过程中，电解质水平不断收缩，铝水平上升，第一个月总高(电解质水平+铝水平)维持在53 cm，确保非正常期建立炉膛的状态处于高电解质水平、低铝水平；随着分子比呈梯度下降，炉膛不断规整；第二、三个月，铝水平每月递增1 cm，电解质水平每月递减2 cm。600 kA铝电解槽两水平的控制规范见表2。

表2 600 kA铝电解槽两水平的控制规范

2.5 效应管理

灌铝后2 d，设定效应间隔为24 h，主要目的是清理槽内炭渣，校正电解质中的氧化铝浓度，效应电压控制在15～25 V为宜，效应时间控制在5 min。如果电压过低、时间过短，则达不到清理炭渣的效果；如果电压过高、时间过长，则会干扰炉帮的形成，同时出现异常槽温。灌铝3 d后，效应间隔就可以延长至360 h，利于炉帮的形成。

3 正常生产期电解质过热度的控制

电解质过热度是指铝电解质温度与其初晶点温度之间的差值。保持适当的电解质过热度(10～15 ℃),使电解槽热平衡得到保持，同时有利于电解质较快地溶解氧化铝，减少炉底沉淀，维持相对规整的炉膛内型，是电解槽达到稳定高效生产的前提。通过研究发现，电解质过热度受电解质成分影响。铝电解质以NaAlF6-Al2O3二元体系为基础，为了降低铝电解质的初晶温度,尝试加入不同的添加剂,如氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等，它们均可降低铝电解质初晶温度,每添加1%的氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂，可分别降低初晶温度约2 ℃、3 ℃、5 ℃、8 ℃[10]。某公司600 kA系列电解槽通过热平衡计算采用散热型设计，然后选取上述氟化锂、氟化铝、氟化钙、氟化镁添加剂为研究对象，采用四因素(A,B,C,D)、三水平(1,2,3)的正交试验法，确定各添加剂含量对铝电解质初晶温度的影响水平。

3.1 正交试验设计

1) 试验目的：优选添加剂含量的组合。

2) 考核指标：电解质过热度(10～15 ℃)。

3) 试验因素：影响电解质过热度的主要因素——A(氟化锂含量)、B(氟化铝含量)、C(氟化钙含量)和D(氟化镁含量)。

4) 正交表：选用L9(34)正交表，共作9次试验。

5) 选位级：位级设计见表3。

表3 正交试验的位级选择

3.2 正交试验结果分析

按选用的正交表将因素位级表中的顺序上列，位级对号入座进行试验，试验结果见表4。从表4可知：

1) 级差分析。极差R越大，所对应的因素越重要。所列因素重要程度的次序是：A>C>B>D。

2) 直接看。第2号试验最好，过热度为13.0 ℃，运行条件为A1，C2，B2，D2。

3) 算一算。从位级之和看，最好的工艺条件是A1，C1，B1，D1。

综上所述， “直接看”与“算一算”结果有差异，但重要因素A是一致的，均为A1；次要因素在(C2，B2，D2)、(C1，B1，D1)中选取。由于氟化铝含量过低会导致电流效率降低，故选择(C2，B2，D2)。经综合评定，该正交试验的最佳工艺组合为A1，C2，B2，D2。

4 结论

1) 与400 kA、500 kA系列电解槽相比，600 kA系列电解槽的电流密度偏大，槽体热容量较大。因此，要采取散热设计，主要从阳极钢爪、阴极钢棒、内衬材料等方面做出针对性的优化改进。

2) 在散热设计的基础上，规整炉膛的形成需要工艺技术调件的匹配。非正常生产期是炉膛建立的关键时期，通过对电解槽温度、电压、两水平、分子比、效应等参数进行管理，确定了各参数的合理控制范围，为建立坚固的炉膛内型创造了条件。

3) 正常生产期是维护炉膛的重要时期，其中过热度是保持规整炉膛内型的重要因素。氟化锂、氟化铝、氟化钙、氟化镁对过热度影响较大，通过对这4种电解质成分进行正交试验分析，确定了最佳成分配比：氟化锂1.0%、氟化钙4.5%、氟化铝8.0%、氟化镁1.5%，确保了过热度处于较为理想的范围(10～15 ℃)。

表4 优选添加剂含量组合的正交试验结果

4) 实施上述措施后，600 kA系列电解槽炉帮伸腿均匀分布于阳极正投影的边缘，铝液被挤压在槽中央部位，电流从阳极到阴极呈垂直线通过。电解槽安全性、稳定性增强，槽寿命增加3年，吨铝电耗降低200 kWh，经济效益显著。