高 峰 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

陽極換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響及改進(jìn)措施

高 峰 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

分析了陽極換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響，討論了在陽極更換之前對(duì)陽極進(jìn)行預(yù)熱的措施。

鋁電解槽； 換極溫度； 運(yùn)行工況； 陽極預(yù)熱

多年來，鋁電解工作者一直不斷地研究影響鋁電解槽運(yùn)行工況的因素。但研究大多集中于氧化鋁質(zhì)量及其濃度、電解質(zhì)溫度、電解質(zhì)水平、電解質(zhì)中各種添加劑種類等方面，雖然也涉及到陽極更換問題，但也僅論及了換極質(zhì)量以及提高換極質(zhì)量的各種注意事項(xiàng)。事實(shí)上，換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響非常明顯。本文通過鋁電解槽陽極更換后表現(xiàn)出的行為，分析了陽極掛槽溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響，并提出在陽極更換掛槽之前應(yīng)對(duì)陽極進(jìn)行預(yù)熱，以降低陽極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響。

1 更換陽極

在預(yù)焙電解槽中，陽極的使用周期為28～31 d，當(dāng)陽極達(dá)到使用周期時(shí)，殘極厚度約為15～17 cm，如果繼續(xù)使用，就會(huì)發(fā)生陽極鋼爪熔化現(xiàn)象。這一方面會(huì)造成原鋁液中Fe、Si含量上升，導(dǎo)致原鋁污染，最終影響鋁產(chǎn)品品質(zhì)；另一方面則會(huì)造成對(duì)電解槽運(yùn)行工況的誤判。因?yàn)?，在鋁電解生產(chǎn)過程中通常是以鋁液中Fe、Si含量的高低判斷電解槽是否出現(xiàn)漏槽，而出現(xiàn)漏槽現(xiàn)象必須緊急處理或者進(jìn)行停槽處理。如果由于原鋁液中Fe、Si含量升高的誤判而導(dǎo)致停槽，那么，對(duì)于電解系列將是嚴(yán)重的損失。因此，應(yīng)根據(jù)預(yù)焙陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝情況，在保持一定殘極高度情況下及時(shí)更換陽極，從而保證鋁電解槽的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2 換極后鋁電解槽面臨的問題及其對(duì)運(yùn)行工況的影響

2.1 換極后電解槽所面臨的問題

鋁電解槽中有溫度場(chǎng)、物料場(chǎng)和電磁場(chǎng)。陽極的更換對(duì)“三場(chǎng)”都具有一定影響，但其影響最大的是溫度場(chǎng)，其次是物料場(chǎng)，再次是電磁場(chǎng)。

正常穩(wěn)定運(yùn)行的鋁電解槽是處于熱平衡狀態(tài)的。換極前，正常運(yùn)行的鋁電解槽保持著相對(duì)的能量平衡，浸入電解質(zhì)中的陽極部分溫度和電解質(zhì)溫度是相同的，陽極上部分的溫度也高達(dá)600～700 ℃。當(dāng)高溫殘極由電解槽中拔出時(shí)，一方面殘極會(huì)從電解質(zhì)中帶走一部分熱量；另一方面，拔出陽極的位置會(huì)出現(xiàn)一定的空間，也會(huì)散失一部分熱量，因?yàn)閺陌纬鲫枠O到新陽極上槽需要一定的時(shí)間；此外，當(dāng)室溫新陽極安裝到電解槽上并浸入電解質(zhì)中時(shí)，由于二者之間巨大的溫差，新陽極也會(huì)從電解質(zhì)中吸收大量的熱量，直至在二者界面達(dá)到新的熱平衡為止。因此，換極過程實(shí)際上就是熱平衡—破壞熱平衡—建立新的熱平衡的過程。

綜上所述，換極后電解槽面臨的主要問題有以下幾方面：

(1)物料平衡受到破壞。

(2)電解槽能量平衡受到破壞，具體表現(xiàn)是電解質(zhì)溫度下降，粘度增加，槽電壓上升。

(3)陽極電流分布發(fā)生變化。由于新上槽溫度在一定時(shí)間內(nèi)不導(dǎo)電，因此，會(huì)發(fā)生偏流。如果偏流過大，會(huì)導(dǎo)致陽極鋼爪發(fā)紅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致陽極脫落，同時(shí)，還會(huì)造成電壓擺增大，槽電壓上升。

(4)換極后，由于會(huì)有較大電解質(zhì)塊掉入電解質(zhì)中，如果打撈不及時(shí)，其很可能與槽底的陰極炭塊粘附在一起，當(dāng)陽極下降到一定程度時(shí)，很可能粘附在陽極底掌上，造成陽極底掌長(zhǎng)包，導(dǎo)致長(zhǎng)包陽極電流集中，造成陽極脫極。

(5)拔極后，陽極殼面保溫料落入電解質(zhì)中，會(huì)造成電解質(zhì)分子比升高，導(dǎo)致一部分電流效率損失。

2.2 換極對(duì)電解槽工況的影響

通常，換極對(duì)電解槽的影響約持續(xù)16 h。在這期間，新?lián)Q的陽極浸入電解質(zhì)部分由室溫逐步被電解質(zhì)加熱，在換極后約16 h，陽極溫度基本與電解質(zhì)溫度相當(dāng)。剛剛換入電解槽的新陽極幾乎是不導(dǎo)電的，這是因?yàn)檫@時(shí)陽極與電解質(zhì)之間存在巨大溫差，在陽極浸入電解質(zhì)的一剎那，與陽極底掌接觸的電解質(zhì)驟然遇到激冷，在陽極底掌表面形成一層電解質(zhì)凝殼，這一層凝殼將液態(tài)電解質(zhì)與陽極完全隔離，從而使得以導(dǎo)電性碳材料制造的陽極炭塊失去導(dǎo)電作用。加之，在陽極底掌表面形成電解質(zhì)凝殼的同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，鄰近陽極底掌部分的電解質(zhì)失去的熱量相對(duì)遠(yuǎn)離陽極處要快的多，從而使得陽極附近電解質(zhì)的粘度增加。而電解質(zhì)粘度的增加，也使得陽極氣體不易排出，炭渣分離不清，增加了電解質(zhì)的電阻率，導(dǎo)致該部分電解質(zhì)導(dǎo)電性下降。隨著換極時(shí)間的延長(zhǎng)，陽極溫度逐漸升高，換極時(shí)形成于陽極底掌表面電解質(zhì)凝殼逐步熔化，陽極開始導(dǎo)電，并且隨著陽極炭塊溫度的不斷上升，通過陽極的電流不斷增加。在換極后16 h左右，導(dǎo)電量達(dá)到正常值的70%，換極后24 h達(dá)到正常導(dǎo)電量?？梢酝ㄟ^測(cè)量新?lián)Q陽極16 h的等距離陽極導(dǎo)桿上的毫伏值來分析陽極的導(dǎo)電情況。

某公司240 kA鋁電解槽換極后16 h的等距離陽極導(dǎo)桿壓降測(cè)量數(shù)據(jù)說明了換極溫度對(duì)電解槽運(yùn)行工況的影響，見表1。

表1 240 kA鋁電解槽換極后16 h等距離陽極導(dǎo)桿壓降

3 提高換極溫度的途徑

以上分析與測(cè)量數(shù)據(jù)說明，換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響是顯著的，其主要體現(xiàn)在對(duì)電解槽能量平衡的破壞與重新建立上。根據(jù)目前各類槽型換極周期，電解槽平均每月?lián)Q極一次，每次換極的影響時(shí)間約為24 h。也就是說，在換極24 h內(nèi)，所更換陽極處不產(chǎn)鋁或少產(chǎn)鋁。實(shí)質(zhì)上，換極溫度最終影響的是電流效率，并且在換極期間，電解槽必須提供額外的電能來補(bǔ)充換極過程散失熱量所引起的電解質(zhì)溫度下降。因此，要減小換極對(duì)電解槽運(yùn)行工況的影響，盡可能減小電流效率損失以及能量消耗，最有效的途徑是在更換陽極之前對(duì)陽極炭塊進(jìn)行預(yù)熱。實(shí)施陽極預(yù)熱不僅能減小換極溫度對(duì)電解槽運(yùn)行工況的影響，而且由于陽極溫度的提高，可以減小陽極炭塊與電解質(zhì)之間巨大溫差所引起的炭塊應(yīng)力集中以及由此產(chǎn)生的陽極炭塊裂紋、掉渣、電解質(zhì)粘度增加，對(duì)于保持電解質(zhì)清潔度、降低電解質(zhì)壓降以及降低預(yù)焙陽極消耗速度也是很有益的。

目前，在電解鋁廠，實(shí)施陽極預(yù)熱的途徑有以下幾種。

3.1 利用電解槽煙氣余熱預(yù)熱預(yù)焙陽極

目前，關(guān)于電解槽煙氣余熱回收利用方面的研究并不多見。在國(guó)外，已經(jīng)有回收電解槽煙氣余熱進(jìn)行區(qū)域供暖的研究[1]，回收的煙氣溫度可達(dá)130～150 ℃或者更高。如果能夠在確保煙氣凈化和達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，利用電解煙氣對(duì)將要實(shí)施更換的陽極進(jìn)行預(yù)熱，那么，可在一定程度上提高陽極溫度，從而減緩陽極換極溫度對(duì)電解槽運(yùn)行工況的影響。然而，國(guó)內(nèi)關(guān)于對(duì)鋁電解槽煙氣余熱的綜合利用研究?jī)H限于余熱發(fā)電[2-3]，利用電解槽煙氣余熱預(yù)熱預(yù)焙陽極在國(guó)內(nèi)尚無成功應(yīng)用的報(bào)道。

3.2 利用換下的高溫殘極加熱預(yù)焙陽極

與該技術(shù)相關(guān)的僅有一個(gè)實(shí)用新型專利，名為《陽極塊預(yù)熱交換裝置》，授權(quán)公告號(hào)CN 201347457Y。其原理是設(shè)計(jì)了一個(gè)專用換熱裝置，利用剛從電解槽拔出的舊陽極的高溫余熱加熱待上槽的新陽極，但是，由于在用殘極預(yù)熱陽極的同時(shí)，殘極也處于持續(xù)的冷卻狀態(tài)，因此，殘極對(duì)陽極塊的預(yù)熱很有限，所預(yù)熱的陽極塊溫度較低，表面溫度僅80 ℃，而且陽極內(nèi)部大部分區(qū)域得不到加熱，從而造成陽極炭塊內(nèi)外出現(xiàn)溫度梯度，因此，該技術(shù)仍有待改進(jìn)。

3.3 收集與利用碳素煅燒余熱

在鋁用碳素陽極生產(chǎn)過程中，石油焦煅燒會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，這種煙氣的溫度可達(dá)800～900 ℃。目前，有許多企業(yè)利用煅燒煙氣加熱余熱鍋爐，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和辦公場(chǎng)所的冬季取暖和員工洗浴問題；另一方面，利用煅燒余熱對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，再通過導(dǎo)熱油管道對(duì)陽極成型所用的瀝青進(jìn)行加熱熔化，保證了陽極成型工序的完成。同時(shí)也有單位[4]研究了鋁電解碳素預(yù)焙陽極預(yù)熱技術(shù)，該技術(shù)是利用鋁用碳素生產(chǎn)中的煙氣作為熱源，將碳素預(yù)焙陽極進(jìn)行預(yù)熱，然后按電解槽換極周期要求送到電解車間上槽更換舊陽極，該技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 利用中高溫煅燒煙氣預(yù)熱預(yù)焙陽極的工藝流程

用這種技術(shù)對(duì)預(yù)焙陽極進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)預(yù)熱的陽極平均溫度≥300 ℃。由于預(yù)熱后的陽極溫度與電解液溫度之間的溫差縮小，新陽極上槽后其內(nèi)部的熱應(yīng)力也相應(yīng)地減少，陽極所受到的熱震影響得到了極大緩解，從而抑制了陽極裂紋、斷裂、掉渣的產(chǎn)生，減少了陽極因熱震而帶來的各種破損，降低了陽極消耗，縮短陽極導(dǎo)通電流的時(shí)間，縮短了槽溫恢復(fù)正常時(shí)間，增加了電解槽正常運(yùn)行時(shí)間，而且對(duì)原有的換極操作沒有大變動(dòng)。

但是，該技術(shù)實(shí)施過程中，需要建設(shè)一系列中高溫?zé)煔夤芫€，并要對(duì)管線進(jìn)行防腐處理，而且要單獨(dú)建設(shè)陽極預(yù)熱間，為了防止煙氣泄露，必須對(duì)陽極預(yù)熱間進(jìn)行密封處理。對(duì)于一個(gè)15萬t原鋁產(chǎn)能規(guī)模的電解鋁廠，實(shí)施本項(xiàng)目的固定資產(chǎn)投資約在300萬元左右，因此，實(shí)施費(fèi)用相對(duì)較高。

3.4 利用電解車間現(xiàn)有條件實(shí)施陽極預(yù)熱

電解車間的環(huán)境較差，除了粉塵、有害氣體、噪聲外，溫度也較高。在夏季，兩電解槽之間的溫度通常高達(dá)70～80 ℃，冬季，由于受環(huán)境溫度(-20 ℃左右)的影響，此處溫度有所下降，但仍然能夠保持在60～70 ℃。利用該溫度在兩電解槽之間的風(fēng)格板上預(yù)熱陽極，仍然能將陽極溫度提高到60 ℃左右，而且陽極塊的溫度均勻性好，陽極內(nèi)幾乎不存在溫度梯度。某公司目前采用該預(yù)熱方法，具體做法是根據(jù)鋁電解槽換極順序表，在換極前16 h將陽極放置在風(fēng)格板上。這樣，陽極炭塊有足夠的時(shí)間吸收來自兩電解槽槽殼的輻射熱，并且由于時(shí)間關(guān)系，所吸收的熱量能夠在陽極塊內(nèi)充分?jǐn)U散，從而通過提高陽極溫度減小了換極溫度對(duì)電解槽運(yùn)行工況的影響。該方法簡(jiǎn)單易行，幾乎不需資金投入。

4 結(jié)束語

換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況影響較大，且通常持續(xù)16～24 h。當(dāng)下要減小換極溫度對(duì)鋁電解槽運(yùn)行工況的影響，唯一有效的途徑是在換極前對(duì)預(yù)焙陽極炭塊進(jìn)行充分預(yù)熱。目前已經(jīng)實(shí)施的預(yù)熱陽極的方法主要有3種，即殘極預(yù)熱、碳素煅燒中高溫?zé)煔忸A(yù)熱和兩電解槽之間風(fēng)格板上預(yù)熱。在3種預(yù)熱方法中，煅燒中高溫?zé)煔忸A(yù)熱效果最佳，但投資較大；利用殘極預(yù)熱陽極，雖然也可以將陽極表面溫度提高至80 ℃左右，但所預(yù)熱陽極的溫度均勻性差；利用風(fēng)格板預(yù)熱陽極，雖然陽極溫度較低，但陽極溫度均勻性好。因此，各冶煉廠應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件和投資情況，合理選擇陽極預(yù)熱方法，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的投資性價(jià)比。

[1] Yves Ladam. Asbjorn Socheim Martin Segatz and Odd-Arne Lorentsen. Heat recovery from the exaust gas of aluminum reduction cells[C]. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2011: 393-398.

[2] 周乃君，柯文，王志奇.鋁電解槽低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電技術(shù)探討[J].輕金屬，2009(1)：60-64.

[3] 柯文.基于有機(jī)朗肯循環(huán)的鋁電解槽煙氣余熱發(fā)電技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[4] 貴州省科學(xué)院科技創(chuàng)新發(fā)展處.鋁電解炭素預(yù)焙陽極預(yù)熱技術(shù)的應(yīng)用[R].2011.

Effects of Anode Replacing Temperature on Running Conditions of Aluminum Reduction Cell and Some Improving Measures

GAO Feng， LIU Min-zhang, LI Xian

This paper analyzes some effects of anode replacing temperature on running conditions of aluminum reduction cell with pre-baking anodes, and discusses the measures and its relative merits of preheating anodes before anodes replacing.

aluminum reduction cell; anode replacing temperature; running condition; anode preheating

2014-02-19

高峰(1968—)，男，河北泊頭人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事鋁電解、發(fā)電、鋁加工生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

TF821

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1008-5122(2014)05-0021-03