魏成岐,夏德法,王風慧

（南山鋁業(yè)公司,山東 龍口 265713）

空腔焦粒焙燒啟動工藝在大型預焙電解槽上的實踐及探討

魏成岐,夏德法,王風慧

（南山鋁業(yè)公司,山東 龍口 265713）

電解槽焙燒啟動是電解鋁生產(chǎn)的重要階段,焙燒啟動的工藝與技術水平直接關系到電解槽的生產(chǎn)管理和技術經(jīng)濟指標.通過空腔焦粒焙燒啟動工藝實踐,從裝爐到后期管理各環(huán)節(jié)的研究分析,提出了一些優(yōu)化措施.

新建鋁電解槽和大修槽需經(jīng)焙燒、啟動和啟動后期生產(chǎn)管理階段后,才能轉入正常生產(chǎn).焙燒的目的是使電解槽能平穩(wěn)地從室溫逐步升高接近電解生產(chǎn)溫度,避免熱沖擊對內(nèi)襯的損壞,使填縫糊得到良好的焙燒而獲得適當?shù)膹姸?并驅(qū)除內(nèi)襯中的水分.大量研究表明,電解槽內(nèi)襯的缺陷絕大多數(shù)都是在焙燒啟動階段產(chǎn)生的,因而焙燒啟動對鋁電解槽的正常生產(chǎn)和電解槽壽命影響極大.近年來隨著鋁電解槽容量的不斷增大,鋁業(yè)界對焙燒啟動方法愈來愈重視,焙燒啟動方法已有較大改進.我國鋁電解槽的平均壽命短,生產(chǎn)效率較低,其中,焙燒啟動方法的不當和焙燒質(zhì)量偏低乃是重要原因之一.

1 焙燒方法分類

我國鋁廠自 20世紀 70年代以來,幾乎全都采用鋁水焙燒法.近年來我國鋁廠對焙燒啟動方法愈來愈重視,焙燒方法向多樣化發(fā)展,已有不少預焙槽鋁廠采用焦粒焙燒法 （又稱焦粒法、焦層法）,部分鋁廠還自行開發(fā)了燃氣焙燒法 （又稱燃料法、熱法、火焰法）.國外先進鋁廠多采用燃氣焙燒法,它能使溫度分布均勻,較好地控制焙燒時的升溫速度.焦粒焙燒可從常溫下逐漸升溫預熱,避免灌高溫電解質(zhì)時的熱沖擊,在使用大分流器的情況下,控制預熱速度,簡便實用,成本低廉,成為多數(shù)新建鋁廠電解槽焙燒啟動的首選.

2 焙燒方法的選擇

2.1 焙燒的一般原則

（1）低溫排除內(nèi)襯中的水份,300℃以下防止產(chǎn)生大裂紋.

（2）中溫 （300～600℃）焙燒填縫糊,升溫速度最好≤10℃/h,驅(qū)除瀝青中的揮發(fā)份,填縫糊焙燒時先收縮后膨脹.

（3）啟動后焙燒大邊縫,邊部電解質(zhì)或冰晶石不能撬開,需要慢慢熔化.

2.2 焙燒方法評價

從技術角度講,一般可從以下 6個方面對焙燒方法進行評價

（1）升溫速度的可控性.平均升溫速度一般不應超過 20℃ /h,最大升溫速度不應超過50℃/h.在焙燒溫度 300～600℃范圍內(nèi),升溫速度應控制在 10℃/h或更小.

（2）焙燒過程中陰極表面的溫度分布.顯然,溫度分布愈均勻愈好.一般要求其相對標準偏差小于 10%.焙燒結束時陰極表面沒有溫度超過1 000℃的“熱區(qū)”.

（3）焙燒結束時陰極表面的平均溫度.理想情況是這一溫度應盡可能接近電解槽正常生產(chǎn)時電解質(zhì)的溫度,以避免灌電解質(zhì)時產(chǎn)生熱沖擊.

（4）陽極電流分布.這是用焦粒法焙燒預焙槽時的一個重要考查指標.一般要求陽極電流分布的相對標準偏差小于 15%,最好小于 10%.

（5）陰極電流分布.這是用焦粒法焙燒電解槽時的另一個重要考查指標,其要求與陽極電流分布一樣,即其相對標準偏差應小于 15%,最好小于10%.

2.3 焙燒方法的優(yōu)缺點

按照熱量的來源,一般可將焙燒方法分為電阻法和燃料法兩大類.其中電阻法中最常用的是焦粒法和鋁水法.燃料法中現(xiàn)在最常用的燃料是液化石油氣和天然氣,故常稱之為燃氣法.焦粒法常用于預焙槽,也用于自焙槽.鋁水法現(xiàn)只用于二次啟動槽.燃氣法適用于所有槽型,目前在西方國家中,最常用和最有競爭力的焙燒方法實際上只有焦粒法和燃氣法.一般來講,焦粒法具有簡便、不需要復雜設備、不需要燃料、基本上不存在陰極炭塊燒損問題、焙燒時間短等優(yōu)點.燃氣法因為是空腔焙燒所以具有空氣流動暢通、熱傳導快、溫度分布均勻、升溫速度的可控性好、垂直溫度梯度小、啟動后不需要清除焦粒、不存在電流分布不均問題和對同系列生產(chǎn)槽的運行無影響等優(yōu)點.傳統(tǒng)的焦粒焙燒是通過焦粒層電阻產(chǎn)生熱量來焙燒的,陽極四周是用冰晶石填充和覆蓋起來的.在焙燒過程中,由于各部分冰晶石熔化速度不同,導致整個爐膛空氣流動不暢通,所以,焦粒焙燒最大弱點是陽極電流分布控制較難,對升溫速度的控制及溫度分布不夠均勻,易出現(xiàn)局部溫度過高及局部欠燒情況.

從上述可看出,焦粒焙燒與燃氣焙燒各有千秋.假若,把兩種焙燒方法的優(yōu)點集中到一種方法中去,是否會有更好的效果呢?為此,某鋁業(yè)公司在 300 kA大型預焙陽極電解槽焙燒過程中大膽提出采用新焙燒啟動技術——空腔焦粒焙燒技術,通過對焦粒焙燒啟動工藝的改進和實踐,取得了有益的經(jīng)驗.

3 空腔焦粒焙燒啟動應用實踐要點

3.1 裝爐和掛極

3.1.1 焦粒及鋪設厚度的選擇

采用煅燒石油焦,粒度在 1～3mm之間,這樣粒度能保證電阻率,同時避免氧化過快.焦粒層厚度為 20mm,既保證足夠的發(fā)熱量又避免啟動時有過多的焦粒殘留.焦粒用鋁框 （鋁框面積比一組陽極底掌面積略大）均勻地鋪在槽底,用刮板將其刮平,確保厚度一致,不能用腳踩焦粒層.整臺槽所有陽極下焦粒層的厚度應一致且鋪設均勻.

3.1.2 陽極的安裝

陽極安裝自 A 10、B10開始,至 A 1、B1結束.要求采用質(zhì)量較好、單塊陽極底面平正、兩塊陽極底掌齊平、導桿澆鑄垂直度較好的組裝陽極.將陽極依次輕輕地吊放到相應的位置上,吊放后不要移動,利用陽極的重量將焦層壓實,保證陽極底掌和焦粒層接觸良好.由于每塊陽極的重量基本相同,故加在焦粒上的壓力也大致相同,從而使整個電解槽在焙燒過程中升溫均勻,防止槽內(nèi)襯裂紋的產(chǎn)生.由于在通電后,焦粒受熱膨脹,陽極發(fā)生上移或傾斜,如果導桿與大母線接觸過于緊密,會使陽極位移受阻,陽極底掌會與焦粒之間產(chǎn)生縫隙,使得電流分布不均勻.另外,因?qū)U與大母線接觸過于緊密,在調(diào)整電流分布時會造成麻煩,出現(xiàn)調(diào)整電流分布困難的現(xiàn)象.所以,陽極與大母線之間不能用卡具固定,要采用軟連接,導桿與大母線之間一定要留有 1～2 cm空隙,以便陽極能自由膨脹,保證電流分布均勻,焙燒效果良好.

3.1.3 裝爐

裝爐采取的是空腔裝爐方式.為防止側面人造伸腿部分升溫過快和氧化,在人造伸腿表面用20 cm的碎電解質(zhì)塊砌筑成薄薄一層密實的斜坡,但不能把加工面空間全部填充,只要能把人造伸腿覆蓋,防止升溫過快和氧化即可.中縫也切不可填充冰晶石等物將其堵塞,應該保持暢通,使熱量通過該通道進行輻射和對流傳遞,使槽溫均勻.為防止陰極氧化,在中縫中再鋪約 20 mm焦粒層.陽極上表面組間縫、中縫和與砌塊連接處用 3 mm厚鋼板覆蓋,并用冰晶石密封,使電解槽在焙燒期間空腔內(nèi)為還原性氣體,減少陽極及爐底氧化.采用這種方式的目的是,在焙燒期間通過槽內(nèi)氣體的對流、輻射熱等形式對整個陽極、陰極進行加熱,且溫度分布均勻,減少偏流的發(fā)生.實踐證明,只要裝爐工作做的細致,焙燒期間陽極電流分布無需做任何調(diào)整.再者,沒有冰晶石存在,不會有液體電解質(zhì)生成,也就不會存在陰極吸鈉現(xiàn)象,就可以在理想狀況下完成初期預熱目標.

3.1.4 軟連接與分流裝置

在陽極導桿與陽極橫母線之間設置軟帶連接母線,使陽極底掌與焦粒之間始終保持良好接觸,獲得均勻的陽、陰極電流分布,確保槽溫均勻升高,減少裂縫的產(chǎn)生.采用焦粒焙燒的分流裝置常用的有兩種,一種連接陽極大母線和下游槽立柱母線的分流器;一種是用鋼帶連接陽極鋼爪和陰極鋼棒的分流片.兩種分流方式在使用過程中各有千秋,我們認為兩種分流裝置結合使用更合理,因為后者除具有分流功能外還具有均流的作用.在焙燒過程中,當無法利用分流片調(diào)整某組陽極輸入能量的幅度時,可以采取松開軟連接的方式,限制此組陽極輸入電流量以達到調(diào)整電流分布的目的.由于采用了空腔裝爐,在終止向單組陽極供電期間,陽極底部不會形成電解質(zhì)絕緣層,所以當溫度降到可控范圍后可以很快恢復該組陽極的能量的需求.

3.2 焙燒、啟動

3.2.1 通電

該公司在通電時采用的是“賽爾開關”,實現(xiàn)了系列不停電開停槽技術 （詳細敘述略）.沖擊電壓在 2.5～2.7 V之間,通電平穩(wěn)安全,說明裝爐質(zhì)量及分流器效果良好.3.2.2 電解槽啟動

為了減小效應啟動電壓過高對電解槽內(nèi)襯的沖擊,采用的是濕法無效應啟動方案,從出鋁口向槽內(nèi)灌入一定量的電解質(zhì),槽電壓控制在 8V以下.值得一提的是,大型預焙槽啟動時間較長,目的之一是提高液體電解質(zhì)量,之二是繼續(xù)焙燒側部大邊縫和角部（人造伸腿）,提高側部溫度到正常生產(chǎn)溫度.為此,關鍵是如何熔化陽極四周人造伸腿上部的電解質(zhì)塊覆蓋層,既不能高抬陽極,使液體電解質(zhì)遠離電解質(zhì)塊固體物料,造成電解質(zhì)中縫處過熱,而邊部物料不化;又不能急于把側部料撬開推入電解質(zhì),使尚未焙燒好的側部直接接觸液體電解質(zhì),造成側部溫度急劇上升,影響側部焙燒質(zhì)量.

3.2.3 后期管理

電解槽焙燒啟動的關鍵是裝爐和后期管理,啟動后期管理階段是建立、規(guī)整爐膛階段,此階段要盡快縮小過熱度,建立起高分子比爐幫,為正常期生產(chǎn)管理打好基礎,啟動后期管理需把握以下要點.

（1）槽電壓調(diào)整要點

啟動電解槽后電壓控制,第一周降的快些,第二周是維持階段,第三周末達到正常值.啟動后期是熱平衡與物料平衡建立的過程,同時也是調(diào)整電壓的有利時機.

（2）槽溫、分子比

第一個月:975℃以上,2.75以上;第二個月965℃以上,2.70以上;第三個月 960℃以上,2.50以上.

（3）兩水平

電解質(zhì)水平啟動后第一周保持在 28～30 cm,第二周保持在 25～28 cm,第三周保持在 23～25 cm,第四周以后保持在 18～22 cm.灌鋁后鋁水平達到 15～16 cm,達到 17 cm即可開始出鋁,一個月內(nèi)調(diào)整到 19 cm.此階段鋁水平的調(diào)整幅度,太慢太快均不好,太慢會延遲電效高效期的到來,太快雖然可使電效速度提高,但經(jīng)實踐表明,此做法易引起畸形的爐膛內(nèi)型,造成后期電壓擺的提前發(fā)生.

（4）效應控制

啟動后的第一周內(nèi)效應系數(shù)控制在 1.0次/槽·日,第二周內(nèi)控制在 0.3次 /槽·日左右.第一個月末降至 0.1次 /槽·日以下,嚴格杜絕 5m in以上的超時效應,以免破壞新生成的高分子比爐幫.

4 全新鋁電解槽空腔焦粒焙燒技術實踐結果

2009年 1月份,某公司采用在 300kA大型電解槽上應用了空腔焦粒焙燒技術,從鋪焦粒、掛極、焙燒、啟動等環(huán)節(jié)分析,各項工作達到了預期目標.

表 1 某槽 24～120 h爐膛溫度數(shù)據(jù)

續(xù)表

從圖 2分析得出,此槽焙燒期間電流分布均勻,無偏流現(xiàn)象.

從圖 3看出每小時焙燒溫度上升溫差控制在10℃以內(nèi),升溫曲線符合控制要求.

圖 3 某槽 120 h焙燒溫度曲線

從表 2數(shù)據(jù)可以看出,爐底鋼板溫度正常.啟動后期溫度略有升高,但隨著工作電壓的逐漸降低,爐底鋼板溫度又逐漸降低,處于正常范圍之內(nèi).

從表 3看出采用新焙燒、啟動方案后,側部槽殼溫度大面沒有大于 300℃的,表明側部已形成爐幫.從兩小頭溫度偏高,可看出,大型預焙電解槽煙道端與出鋁端側部槽殼由于是雙圍帶設計,側部空氣上下不流通,導致爐幫的管理與建立成為薄弱環(huán)節(jié).今后在設計方面要有所改進.

5 問題探討

5.1 裝爐方法和啟動方法

從焙燒的目的和有利于正常生產(chǎn)考慮,作者更傾向于槽邊部砌電解質(zhì)塊圍墻,中縫空腔的裝爐方法,采用濕法無效應啟動.從通電時的沖擊電壓和升溫速度考慮選用粒度為 1～3mm的焦粒, 且可以在其中添加一定量的石墨碎.

表 2 某槽爐底鋼板溫度 /℃

表 3 某槽側部槽殼溫度 /℃

5.2 焙燒時間

關于焙燒時間各家鋁廠做法各異,作者認為焙燒時間宜長些,4天或 5天為好.實踐表明這樣可使槽內(nèi)襯各部位的溫度趨于平衡,槽內(nèi)襯的扎固糊焦化比較理想,啟動時和后期管理十分平穩(wěn).

5.3 分流時間

采用大分流器時,分流時間為 12～24 h;用鋼帶分流時,分流時間為 24～36 h,具體何時拆除分流器或鋼帶,應由升溫速度和槽電壓決定,當槽電壓低于 2.8 V以下時,可拆除之.實踐證明,分流24 h較好,國外法鋁公司也提出分流不少于 24 h的做法,這樣焙燒初期緩慢升溫,升溫均勻,可減少偏流的發(fā)生.

5.4 灌鋁時間

電解槽啟動后,雖然物料全部熔化,炭渣已撈出,但是實際上人造伸腿和側部炭塊之間還沒有完全焦化為一個整體,如果灌鋁水時間過早,則可能使鋁水滲透到后期焦化產(chǎn)生的裂縫中,從而失去焦粒焙燒的優(yōu)點,應該讓電解質(zhì)液充分滲透到內(nèi)襯裂縫后再灌鋁水.啟動后 24 h灌鋁水最佳,可分兩次灌入,兩次間隔 12 h,啟動初期鋁水平控制在 15～16 cm為宜,灌鋁后電壓降至 5 V左右.

6 結 語

（1）電解槽的焙燒啟動工作是電解槽生產(chǎn)的開端,要以科學理論和技術為依據(jù),在實際生產(chǎn)中與時俱進,以延長槽正常生產(chǎn)和電效高效期為目的,不斷優(yōu)化工藝.

（2）從電解槽焙燒啟動操作工藝的各個環(huán)節(jié)看,它還是一項系統(tǒng)的管理工程,必須加強技術和管理方面的培訓,以便適應生產(chǎn)的需要.

（3）經(jīng)優(yōu)化的空腔焦粒焙燒啟動方法,使電解槽的陰、陽極電流分布更均勻,升溫速度更合理,槽溫分布更均勻,避免了局部過熱的現(xiàn)象,扎固糊焦化良好,可望獲得較長的槽壽命,降低噸鋁生產(chǎn)成本.

（4）采用空腔焦粒焙燒啟動技術,簡便實用,勞動強度低,成本低廉,易于操作.

（5）電解槽啟動后期管理非常重要,應嚴格避免技術條件的大起大落,盡快建立完整的爐膛體系,有了規(guī)整的爐膛基礎,此后電解槽的運行將會非常穩(wěn)定,不僅能高效低耗,減少勞動強度,也有利于延長槽壽命.

A

1671-6620（2010）S1-0047-05