王昌昌

(1.青銅峽鋁業(yè)股份有限公司， 寧夏 青銅峽 751603; 2.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長沙 410006)

工藝節(jié)能

350 kA預(yù)焙鋁電解槽磁場優(yōu)化對工藝技術(shù)指標(biāo)的影響

王昌昌1,2

(1.青銅峽鋁業(yè)股份有限公司， 寧夏 青銅峽 751603; 2.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長沙 410006)

介紹了350 kA預(yù)焙鋁電解槽磁場優(yōu)化對電解槽工藝參數(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的影響情況。

鋁電解槽； 技術(shù)指標(biāo)； 磁場優(yōu)化； 平衡母線

0 前言

電解槽磁場問題是鋁電解槽大型化發(fā)展的一個(gè)重要問題。電解槽“物理場”的研究表明，隨著電流的增加，槽內(nèi)磁場強(qiáng)度及磁場梯度也會隨之增加，電解槽穩(wěn)定性降低。某公司GY350 kA預(yù)焙電解槽是以GY240 kA預(yù)焙電解槽設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)優(yōu)化創(chuàng)新而來。電解槽母線設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)是槽大面6點(diǎn)均勻進(jìn)電、槽周圍母線對稱配置，槽磁場補(bǔ)償采用槽周圍強(qiáng)補(bǔ)償、槽底弱補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

GY350 kA預(yù)焙鋁電解槽自投產(chǎn)以來，存在穩(wěn)定性差、槽電壓高、電流分布不均、電解溫度較高、鋁水平過高、電流效率低、電耗高等問題。經(jīng)測試分析，電解槽磁場補(bǔ)償效果不佳，出鋁端和煙道端垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，但其煙道端尤其突出，該處大部分垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對值超過20 Gs，甚至達(dá)到30 Gs以上，中間區(qū)域磁場較小，磁場分布不均勻。因此，需要了解電解槽磁場優(yōu)化對工藝技術(shù)指標(biāo)的影響。

1 GY350 kA預(yù)焙電解槽磁場優(yōu)化情況

為提高電解槽穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況以及磁流體穩(wěn)定性仿真復(fù)核結(jié)果分析，提出GY350 kA預(yù)焙電解槽磁場優(yōu)化方案。在系列電解槽母線配置不做修改的基礎(chǔ)上，在電解槽的煙道端和出鋁端外側(cè)分別增加補(bǔ)償母線，通80 kA和30 kA的補(bǔ)償電流，電流方向與系列電流方向相同。補(bǔ)償母線于2010年2月25日通電。

補(bǔ)償前電解槽垂直磁場感應(yīng)強(qiáng)度Bz在第一、二、三、四象限均值(絕對值平均值，下同)分別為：7.702 Gs、19.242 Gs、21.466 Gs和9.802 Gs，其中第二、三象限均值很大，一、四象限均值較小，說明磁場在四個(gè)象限的均勻性較差，且均值太高，而且垂直磁場最大值達(dá)到35.687 Gs，電解槽陰極母線電流明顯分布不均，最大偏差達(dá)到5%[1]。

補(bǔ)償后電解槽垂直磁場Bz在第一、二、三、四象限均值分別為3.928 Gs、4.43 Gs、7.29 Gs和6.25 Gs，與原設(shè)計(jì)垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz相比，電解槽四個(gè)象限的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著降低，特別是二、三象限，均值分別從19.242 Gs和21.466 Gs降到了4.430 Gs和7.290 Gs，效果非常明顯；另外垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值也降到了20 Gs以內(nèi)[2]，電解槽陰極母線電流明顯分布較均勻，最大偏差小于2%。

2 磁場優(yōu)化對電解槽工藝參數(shù)的影響

2.1 電解槽穩(wěn)定性提高槽電壓逐步降低

補(bǔ)償母線通電后，系列槽電壓由通電前的4.24 V降低到通電后的4.15 V(見圖1)，噪聲值從23 mV降至15～18 mV(見圖2)，效應(yīng)系數(shù)降到由0.06次/槽·日降低至0.03次/槽·日以下。這種變化的主要原因是磁場補(bǔ)償前電解槽受磁場影響，鋁液流速快，電解質(zhì)與鋁液界面變形、波動劇烈，必須保持高極距、高鋁水平才能保持電解槽的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致系列的較高槽電壓。通電后電解槽磁場減小，鋁液流速減慢，電解質(zhì)與鋁液界面波動降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時(shí)不需要較高鋁水平來減少鋁液水平電流，可降低極距，保持較低電壓進(jìn)行生產(chǎn)。

圖1 350 kA鋁電解系列電壓變化趨勢圖

圖2 350 kA鋁電解系列噪聲值變化趨勢圖

2.2 硅含量、側(cè)壁溫度降低

通電前受x、y方向磁場影響較大，鋁液流速大，對槽底和側(cè)部沖刷強(qiáng)烈，導(dǎo)致電解槽早期破損，硅含量較高。通電后由于電解槽x、y方向磁場降低，鋁液流速降低，電解槽穩(wěn)定性增強(qiáng)，極距降低，電解槽工作電壓降低，對外部出鋁、換極等操作干擾敏感度降低，新的熱平衡形成后，可形成規(guī)整的側(cè)部結(jié)殼。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系列電解槽側(cè)壁溫度均值由原來的370～380 ℃降低至330～350 ℃，爐幫平均增長2 cm左右，原鋁液硅含量由0.05%降低至0.04%以下(見圖3)。同時(shí)，在新的熱平衡建立過程中，隨著鋁水平的降低，電解槽穩(wěn)定性并沒有變差(見圖4)。

圖3 350 kA鋁電解系列硅含量變化趨勢圖

圖4 350 kA鋁電解系列鋁水平與日電壓振幅變化趨勢圖

2.3 陽極電流分布變均勻

圖5 優(yōu)化母線通電前一周內(nèi)20臺電解槽陽極電流分布均值圖

補(bǔ)償母線通電后陽極電流分布有明顯改觀，系列單槽陽極電流分布比以前更加均勻，特別是中間極與角部極的導(dǎo)電差異大幅減小，殘極高度變均勻(見圖5、圖6)。改善了原350 kA系列陽中間極消耗過快及角部極消耗慢導(dǎo)致的換極周期較短、陽極毛耗高的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化母線通電前殘極高度小于12 cm(陽極鋼爪化爪點(diǎn)11.5 cm)的占總殘極的2%，高于17 cm的占83%，殘極高度大于12 cm，小于14 cm的占15%。通電后經(jīng)過2個(gè)月調(diào)整，殘極高度大于12 cm，小于14 cm的占6%左右，具備延長換極周期條件。通過提高陽極質(zhì)量、加強(qiáng)陽極使用和管理等工作，延長換極周期2 d，陽極毛耗降低40 kg以上。

圖6 優(yōu)化母線通電后兩周內(nèi)20臺電解槽陽極電流分布均值圖

2.4 通電初期電解槽冷行程明顯

通電初期，電解槽噪聲值由23 mV下降至15～18 mV，電解槽穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，原有熱平衡體系產(chǎn)生較大變化，使得在原有技術(shù)條件下，熱量收入不足，電解槽冷行程明顯。其主要表現(xiàn)在槽溫降低，電解質(zhì)收縮，鋁水平上升，氧化鋁熔解性變差，氧化鋁投入量過大，爐底沉淀增多，在近1月內(nèi)陰極壓降上升10 mV。為防止冷行程加劇，采取適當(dāng)提高設(shè)定電壓，增大出鋁量、減小AlF3添加量等措施來抑制冷行程，等氧化鋁投入量正常后，再規(guī)范鋁水平和電壓。

2.5 電解槽經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件變化情況

磁場優(yōu)化后，電解槽的穩(wěn)定性提高，不需要較高的鋁水平來抑制水平電流帶來的影響，在保持較低工作電壓下為進(jìn)一步降低分子比提供空間，同時(shí)，電解槽穩(wěn)定性提高使得鋁液表面二次反應(yīng)減少，電流效率得以提高。在保持電解質(zhì)熔解性的前提下，為配合延長換極周期，防止電解質(zhì)沖涮陽極鋼爪，可適當(dāng)降低電解質(zhì)高度。在原磁場作用下，鋁液鏡面變化較大，受磁場與水平電流作用，導(dǎo)致出鋁口及煙道端鋁水平較高，在補(bǔ)償母線通電后，鋁水平較原來下降1 cm左右。經(jīng)過后期調(diào)整，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸穩(wěn)定。補(bǔ)償母線在磁場變化前后系列各項(xiàng)工藝技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)變化情況見表1、表2。

表1 補(bǔ)償母線通電前后技術(shù)條件變化情況

注：通電前為3個(gè)月實(shí)際平均數(shù)據(jù)，通電后為技術(shù)調(diào)整穩(wěn)定后3個(gè)月實(shí)際平均數(shù)據(jù)。

表2 補(bǔ)償母線通電前后經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)變化情況

注：通電前為3個(gè)月實(shí)際平均數(shù)據(jù)，通電后為技術(shù)調(diào)整穩(wěn)定后3個(gè)月實(shí)際平均數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)磁場優(yōu)化為技術(shù)條件優(yōu)化提供前提。電解槽磁場優(yōu)化后，因陽極電流分布均勻，磁場、水平電流的相互作用對電解槽穩(wěn)定性的影響降低，電解槽穩(wěn)定性提高，從而無需保持較高鋁水平、極距來保證穩(wěn)定性。新的熱平衡可以由比較理想的低鋁水平、低電壓技術(shù)條件來實(shí)現(xiàn)，從而為此后降低分子比，提高電流效率、降低電耗打好基礎(chǔ)。

(2)磁場優(yōu)化初期電解槽存在明顯的冷行程。補(bǔ)償母線通電后，磁場得以優(yōu)化，電解槽原有熱平衡被打破，隨之進(jìn)入明顯的冷行程，電解槽日氧化鋁投入量過大、陰極壓降上升，應(yīng)及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)工藝技術(shù)條件，防止?fàn)t膛破壞，槽況惡化。

(3)磁場優(yōu)化后，電解槽各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均有大幅度提高。磁場優(yōu)化后，電解槽各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)得以優(yōu)化，為指標(biāo)提升提供了空間。系列原鋁液正常交流電單耗降低380 kW·h/t-Al,陽極毛耗降低40 kg/t-Al以上，電流效率增加1.5%，年產(chǎn)量增加近4 000 t。同時(shí)，系列電解槽換極電壓擺臺次由每班次8臺次降低至2臺次，電壓擺時(shí)間大幅度降低，降低了勞動強(qiáng)度，增加了天車空余時(shí)間，為天車維修、電解槽槽修等工作提供了必要的時(shí)間。

[1] 胡紅武，孫康健. 400 kA預(yù)焙鋁電解槽磁場分布應(yīng)用研究[J].輕金屬,2011(增刊).

[2] 青銅峽鋁業(yè)GY350電解槽磁流體穩(wěn)定性研究報(bào)告[R].2009.3.

Influence of Magnetic Field Optimization on Technology Indicators of 350 kA Prebaked Aluminum Reduction Cell

WANG Chang-chang

This paper introduces the influences of magnetic field optimization on process indicators and economic and technological conditions in 350 kA prebaked aluminum reducrion cell.

aluminum reduction cell; technology indicators; magnetic field optimization; balance bus

2014-04-28

王昌昌(1985—)，男，甘肅合水人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電解鋁生產(chǎn)管理工作。

TF821

A

1008-5122(2014)05-0010-04