景翠林

(山西華圣鋁業(yè)有限公司， 山西 永濟 044501)

大型預焙鋁電解槽操作精細化管理探討

景翠林

(山西華圣鋁業(yè)有限公司， 山西 永濟 044501)

總結(jié)了大型預焙鋁電解槽焙燒啟動技術(shù)、小修及二次啟動技術(shù)、節(jié)能降耗等生產(chǎn)技術(shù)與管理工作的經(jīng)驗。

鋁電解； 技術(shù)管理

我國鋁電解技術(shù)經(jīng)過20年的發(fā)展，總體達到國際先進水平。然而，在借鑒國外技術(shù)的過程中，雖然在槽型開發(fā)方面成效顯著，但在生產(chǎn)領域存在明顯不足，表現(xiàn)在管理粗放、指標不好、槽壽命短。就目前我國電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率比國際先進水平低15%左右。作者通過多年的電解生產(chǎn)實踐，對標國際先進水平，總結(jié)了涵蓋電解鋁生產(chǎn)的多項技術(shù)措施和管理方式，對于提高電解鋁生產(chǎn)技術(shù)水平、節(jié)能降耗、優(yōu)化生產(chǎn)指標具有一定指導意義。

1 焙燒啟動技術(shù)

1.1 混合料焙燒新工藝

隨著電解槽大型化，在自焙槽上常用的鋁液焙燒工藝幾乎被摒棄，取而代之的是利用固體發(fā)熱電阻進行焙燒，即焦粒焙燒。但焦粒焙燒存在如下缺點：一是沖擊電壓高，一般為6 V左右，少數(shù)甚至超過7 V；二是陽極電流分布紊亂，電解槽橫向溫度梯度大。過大的陽極電流分布導致局部熱量集中，溫度上升過快，對應的陰極炭塊受熱應力的影響，易膨脹、變形、裂紋，在焙燒過程中容易發(fā)生電解質(zhì)滲漏現(xiàn)象，嚴重影響槽壽命。

某公司開發(fā)出一種新型的“混合料焙燒工藝”，即采用抗氧化性能強、體積密度變化小、粒度為1～4 mm的煅后石油焦和電阻比煅后石油焦約低22 μMΩ的石墨碎，按照重量比為(7～5)∶(3～5)均勻混合后平鋪于陰極炭塊表面，然后通電焙燒。該工藝具有焙燒溫度分布均勻，升溫梯度小，電流分布均衡、穩(wěn)定等優(yōu)點，完全符合電解槽“緩慢加熱，均勻升溫”的焙燒原則，不僅能延長電解槽壽命，并且其操作簡單易行，縮短了焙燒周期，降低了能耗，經(jīng)濟效益十分顯著，極具推廣應用價值。

1.2 空腔裝爐技術(shù)

采用空腔裝爐方法，即除底部鋪設的(20±2)mm的混合料層外，陽極中縫不加任何物質(zhì)。這樣啟動時容易灌入電解質(zhì)，同時使陽極底掌、間縫與陰極表面留有熱量流通空間，保證焙燒溫度均勻。

值得注意的是，一定要在陽極中縫上部覆蓋薄鋼板(帶把手)，間縫覆蓋硬紙板，最后再在上面鋪設一層覆蓋料，使槽膛與外界完全隔絕，避免陰陽極在焙燒過程中的氧化。

1.3 全電解質(zhì)焙燒啟動技術(shù)

公司開發(fā)出“全電解質(zhì)焙燒啟動技術(shù)”，即裝爐時除使用常規(guī)的純堿、氟化鈣、氟化鎂、電解質(zhì)塊筑堰墻外，用粉碎后的電解質(zhì)塊代替原裝爐用的冰晶石，啟動后補加電解質(zhì)塊(粉)來保證足夠的電解質(zhì)液體，實現(xiàn)全電解質(zhì)焙燒啟動。過程中需要注意，由于使用了全電解質(zhì)塊(粉)，為了保證啟動后達到工藝要求的分子比，裝爐時要加大純堿用量至2.0～2.5 t；其次由于粉碎后的電解質(zhì)粉末保溫性能不如冰晶石，裝爐用電解質(zhì)粉末用量比高分子冰晶石大約多1.5～2.0 t, 陽極上部覆蓋厚度比用冰晶石裝爐厚度高1～2 cm以加強保溫。

按照年產(chǎn)20萬t的300 kA電解系列，槽齡1 500 d核算，每年需要大修啟動46臺電解槽，年節(jié)約及盤活費用共計590.41萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。而且由于電解槽啟動過程爐面敞開，電解質(zhì)粉較弱的揮發(fā)性利于改善現(xiàn)場環(huán)境。

1.4 平行分流器分流技術(shù)

在焙燒初期，利用分流器有效的控制電流上升梯度，使通往槽上的電流逐步增加，避免通電焙燒時沖擊電壓過高引發(fā)的安全事故。傳統(tǒng)的方法是將通電槽水平母線與相鄰下臺槽立柱母線間用鋼帶連接進行分流，稱之為傾斜分流器，如圖1所示。

圖1 傾斜分流器分流示意圖

1.4.1 傾斜分流器在安裝使用中存在的缺陷

(1)在立柱母線上安裝分流器時，要用砂輪打磨接觸面，其導電效果受到影響。

(2)受空間限制，分流鋼帶間隙很小，不利于散熱，通電后鋼帶發(fā)紅，甚至有熔斷現(xiàn)象。

(3)分流器重量大，加上電解操作現(xiàn)場存在較大的磁場，拆裝極為不便，而且在拆卸時由于溫度較高，存在一定安全隱患。

(4)通電后，工人要頻繁在槽間穿行進行測量，分流器斜向安裝于兩槽之間，不利于工人的安全通行。

(5)對于系列中的二次啟動槽，由于其爐底狀況不良，需要有較大的分流效果，以降低全電流時瞬間電壓對槽子的沖擊，而再單純地增加傾斜分流鋼帶的橫截面積似乎不太現(xiàn)實。

1.4.2 平行分流器分流技術(shù)的優(yōu)點

平行分流器是將通電槽水平母線與相鄰下臺槽水平母線用鋼帶連接，如圖2所示。該技術(shù)可以很好地避免上述缺陷，解決二次啟動槽分流效果需要加大的問題。

圖2 水平分流器分流示意圖

平行分流器的組數(shù)、鋼帶片數(shù)與傳統(tǒng)的傾斜分流器一樣按沖擊電壓的目標值和瞬時分流量來選定制作，其次對于中、小修電解槽需要二次或三次啟動時，可考慮傾斜分流器與水平分流器結(jié)合使用。

2 電解槽小修及二次啟動技術(shù)

作者結(jié)合幾年來的生產(chǎn)實踐，對電解槽小修及二次啟動技術(shù)提出了實用的操作方案和管理思路。

2.1 保護性停槽技術(shù)思路的提出及應用

對于預見性的停槽，研發(fā)出“保護性停槽”技術(shù)并付諸實施，效果良好。常規(guī)的停槽方法未采取任何保護措施，電解槽降溫速度過快，會出現(xiàn)或加劇槽殼變形，爐底隆起，內(nèi)襯開裂、破損等情況，直接導致降低二次啟動成功率，縮短電解槽壽命的后果。為了克服常規(guī)停槽方法對電解槽的負面影響，提出了在降溫過程中控制槽體散熱速度，使槽殼和陰極內(nèi)襯應力緩慢釋放，盡可能避免陰極內(nèi)襯出現(xiàn)收縮裂縫，減小電解槽破損機會的“保護性停槽”理論，并付諸實施。

首先，科學安排停槽順序，合理安排停槽作業(yè)流程，停槽后的前10 d對槽體進行全方位、立體式保溫，之后依據(jù)電解槽實際散熱速度適當調(diào)整保溫方式，實現(xiàn)提高陰極內(nèi)襯散熱速率和縮短降溫時間的目的。過程中要充分考慮陽極對電解槽的保溫作用；其次，對槽殼采取合理的保溫措施，降低槽殼的降溫速度，減小槽殼收縮對內(nèi)襯的應力，避免槽殼蠕變和塑性變形過快引起陰極內(nèi)襯開裂。特別要強調(diào)的是，由于陽極與殼面、爐幫是一個整體，在降溫過程中產(chǎn)生的應力會通過陽極導桿對槽上部結(jié)構(gòu)造成損壞，因此在降溫過程中要采取必要措施及時釋放上部結(jié)構(gòu)的應力。

2.2 二次啟動電解槽通電前小型修補技術(shù)方案的實施

由于電解槽停運時已有相當槽齡，停槽后的覆蓋料、結(jié)殼、陽極和鋁塊被清出后，其側(cè)部和陰極部分有輕重不同的破損現(xiàn)象，為降低電解槽投運后漏槽、停槽的風險，電解槽在通電前必須經(jīng)過小型修補才能投產(chǎn)。

修補方案的確定主要以阻止形成鋁液通道為原則。采用熱搗糊扎固需修補的炭間縫及人造伸腿，扎固時糊料溫度控制在90～120 ℃、陰極表面溫度加熱到80～100 ℃，該過程要講求溫度與速度，才能確保扎補質(zhì)量；側(cè)塊基本不更換；針對不同的破損部位，采取小范圍、針對性的修補扎固，要特別注意的是，由于槽內(nèi)人造伸腿的特殊作用，若人造伸腿出現(xiàn)裂縫、起層、剝落、滲鋁等現(xiàn)象，一定要對其清除掉2～4層后再重新進行扎固，不能僅處理表面。

2.3 低電壓焙燒啟動技術(shù)在二次啟動電解槽上的實踐

低電壓焙燒啟動技術(shù)不是簡單地通過人為措施來降低電解槽的啟動電壓，而是通過合理分流和高的裝爐質(zhì)量來保證低的沖擊電壓和焙燒電壓；通過啟動過程嚴格控制電壓來保證低的啟動電壓；通過快速降電壓來保證低的啟動后期電壓。具體技術(shù)思路集中體現(xiàn)在一高二快三低。

一高就是讓電解槽在焙燒啟動過程中產(chǎn)生高分子比電解質(zhì)，這樣在焙燒過程中流塞進陰極裂縫中的電解質(zhì)才能具備高熔點特性，長久堵塞縫隙，并在啟動后形成較高分子比的穩(wěn)定爐膛。

二快就是快速降電壓，快速形成爐膛。快速降電壓，可以減少電解槽啟動過程中的側(cè)部鋼窗發(fā)紅、爐底溫度高等異常情況的發(fā)生；快速形成爐膛，可以減少焙燒啟動高溫期對電解槽體的熱沖擊，縮短電解槽非正常期。

三低就是低的沖擊電壓、低的焙燒啟動電壓、低的啟動后期電壓。低的沖擊電壓可以降低通電瞬間電流對電解槽的熱沖擊，提高通電操作的安全系數(shù)；低的焙燒啟動電壓可以提高焙燒啟動質(zhì)量，降低能耗，減少溫室氣體的排放；低的啟動后期電壓不僅可以節(jié)電，而且可以加速爐幫的形成。

保護性停槽技術(shù)、小型修補技術(shù)、低電壓焙燒啟動技術(shù)三者結(jié)合形成了系統(tǒng)、規(guī)范的電解槽小修及二次啟動技術(shù)方案。該方案在某公司近200臺次二次啟動槽上進行了應用，啟動過程中無一滲漏現(xiàn)象發(fā)生，啟動成功率達到100%。

3 節(jié)能降耗技術(shù)

3.1 電壓、電流雙強化技術(shù)

對已有鋁電解企業(yè)系列來說，節(jié)能降耗工作主要圍繞提產(chǎn)與降本。降本自不必說，提產(chǎn)途徑主要有三條：增加運行槽日；提高電流效率；強化生產(chǎn)電流。目前，電流強化工作已成為電解鋁企業(yè)提產(chǎn)增效的必要措施，但怎樣通過電壓強化挖掘系列增產(chǎn)潛力還很少有企業(yè)重視。某公司結(jié)合自身實際情況，在實踐中總結(jié)出電壓、電流雙強化技術(shù)，即在保證系列富余電壓安全的前提下，在增加運行槽數(shù)提高產(chǎn)量的同時，提升一定幅度的系列電流以增加單槽日產(chǎn)量，從而實現(xiàn)系列電壓、電流雙強化，達到最大限度提高產(chǎn)能、降低生產(chǎn)成本的目的。

技術(shù)中的電壓強化要通過以下三點來實現(xiàn)：(1)盡可能增加系列運行槽數(shù)，挖掘系列增產(chǎn)潛能；(2)通過降低電解槽工作電壓(使用開槽陽極、優(yōu)化技術(shù)條件)，增加系列富余電壓提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；(3)在較小富余電壓條件下，減小電解槽運行(降低陽極效應系數(shù)、縮短效應時間)對供電系統(tǒng)的影響，可以實現(xiàn)在不退槽的情況下系列電流強化4%、系列富余電壓提升10～15 V的目的，最大限度的提高了系列產(chǎn)能。

該技術(shù)在某公司實施后，單槽原鋁產(chǎn)量從2 227 kg/d增加到了2 311 kg/d，鋁錠綜合交流電耗從14 527.44 kW·h/t-Al降低為13 360 kW·h/t-Al；同時系列的富余電壓增高，效應系數(shù)降低，系列安全電壓受到的沖擊大大降低，對保障系列安全運行的意義也很重大。

3.2 低電壓運行技術(shù)

對于高電耗的鋁產(chǎn)業(yè)，節(jié)能降耗的較大潛力在于降低電耗(尤其是電價較高的企業(yè))，而降低電耗的途徑包括降低電壓和提高電流效率。但是對于國內(nèi)電流效率已達92%及以上的大型預焙系列，通過細化操作，提高管理等基礎工作的加強來提高電流效率的空間已經(jīng)不大，所以提出了在不降低電流效率的前提下加強對電解槽電壓的管理，實現(xiàn)電解槽低電壓運行，達到節(jié)能降耗的目的。

在實施過程中，通過降低電解槽的各部分壓降，提高電解槽的有效極距、采用“小步慢跑”的方式，壓低電解槽極距及建立低電壓、低極距下運行的工藝技術(shù)模型，進一步提高電流效率，減少極距降低對電流效率的損失。

該技術(shù)方案在某公司300 kA系列電解槽上實施完成后，在極距降低0.4 cm情況下，電解槽平均電壓降低了110 mV，噸鋁電耗降低266 kW·h/t-Al，電流效率雖然有部分損失，但噸鋁成本節(jié)約近百元，實現(xiàn)年節(jié)約成本2 000萬元的經(jīng)濟效益。

3.3 陽極上部開槽技術(shù)

預焙陽極是鋁電解生產(chǎn)中的一種重要原材料，在鋁電解生產(chǎn)中起著“心臟”的作用，其炭塊內(nèi)在質(zhì)量以及澆鑄組裝質(zhì)量的好壞，直接影響著電解生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟指標以及生產(chǎn)成本。而在實際生產(chǎn)過程中，由于炭塊較高的鐵- 碳壓降導致電解槽陽極壓降居高不下，制約了電解槽工作電壓的下降潛力，而且由于在使用過程中，陽極鋼爪極易內(nèi)彎，致使鋼爪存在較高的返修率和報廢率，從而增加生產(chǎn)成本。

某公司研發(fā)出的陽極上部開槽(碗間開槽)技術(shù)，通過在預焙陽極碗孔之間開槽，澆鑄時碗內(nèi)鐵水與溝槽內(nèi)鐵水形成一個整體結(jié)構(gòu)，由于磷生鐵的相互支撐作用，抑制了鋼爪的彎曲變形，達到了延長鋼爪使用周期，降低返修費用，節(jié)約生產(chǎn)成本的目的；同時組裝澆鑄后鐵、碳接觸面積增大，壓降降低，為電解槽工作電壓的降低提供空間。

該技術(shù)實施后，陽極壓降減小后在降低電耗上所產(chǎn)生的效益與節(jié)省炭塊重量、減少鋼爪維修、校直費用每年共計達600萬元。

3.4 電解槽防陽極氧化及殼頭包處理裝置

大型預焙陽極電解槽采用的是中間多點連續(xù)打殼下料，槽上打殼氣缸下連接有打殼錘頭，錘頭從下料口延伸出，左右兩側(cè)為生產(chǎn)用陽極，在生產(chǎn)過程中智能槽控系統(tǒng)根據(jù)設定的下料間隔進行槽內(nèi)加料，具體實施過程為下料前先由打殼錘頭打開液面上的一層結(jié)殼，然后進行氧化鋁下料。

3.4.1 傳統(tǒng)的槽上部打殼錘頭在生產(chǎn)運行過程中存在的不足

(1)電解槽在生產(chǎn)過程中，由于上部打擊頭頻繁打殼下料，會有電解質(zhì)黏附在上面，在錘頭處形成電解質(zhì)結(jié)瘤，俗稱“殼頭包”，如果處理不及時(工人用鋼釬敲打)，會造成該點下料不正常，引發(fā)電解槽異常效應，造成能源消耗及人力浪費；

(2)出現(xiàn)殼頭包后，工人在處理過程中需要使用鋼釬敲打錘頭，容易造成槽上氣缸及打殼錘頭非正常損壞，縮短其使用壽命；

(3)打殼錘頭左右的兩組陽極和其它位置的陽極不同，由于與錘頭鄰近，新極靠中縫處幾乎不能上覆蓋料，陽極內(nèi)爪得不到保護，若遇到錘頭黏附電解質(zhì)形成殼頭包，工人在處理過程中也會將內(nèi)爪處僅有的保護料碰掉，該陽極靠中縫的一側(cè)就容易被氧化消耗，嚴重者鋼爪外露化鐵，導致原鋁質(zhì)量下降。

3.4.2 電解槽防陽極氧化及殼頭包處理裝置的優(yōu)點

電解槽防陽極氧化及殼頭包處理裝置的設計、安裝、應用，能夠很好的解決上述問題。

(1)對生產(chǎn)過程中打殼錘頭上黏附的電解質(zhì)能夠進行摩擦刮削，防止形成“殼頭包”對正常電解生產(chǎn)造成影響，減少能源及人力浪費。

(2)由于杜絕了“殼頭包”的出現(xiàn)，同時也就避免了人工處理時造成的機械損傷，延長了槽上氣缸及打殼錘頭的使用壽命。

(3)由于外框架鋼板的作用，鋼板與陽極之間的距離可以先用電解質(zhì)塊料墊底填充，而后上面覆蓋保溫面料，起到很好的陽極內(nèi)爪保護作用，防止其在生產(chǎn)過程中被氧化消耗，進而影響到原鋁質(zhì)量。

就年產(chǎn)20萬t的300 kA電解系列來說，安裝使用電解槽防陽極氧化及殼頭包處理裝置的電解槽年節(jié)約電耗費用250余萬元。而且該裝置的安裝不影響電解槽正常運行，焊接過程方便，可視不同的電解槽中間下料口尺寸自行變更大小，對下料點的方位不具備選擇性，因此，推廣應用價值十分顯著。特別說明的是，在新的電解槽設備安裝時，也可考慮將該裝置作為槽上部設計的一部分同步安裝，操作更簡便，效益更明顯。

4 結(jié)束語

在目前整體經(jīng)濟形勢疲軟的大環(huán)境下，進一步提高管理水平、深挖潛力、降本增效成為當務之急。形成一整套規(guī)范的、科學的電解鋁生產(chǎn)管理模式更是實現(xiàn)電解鋁企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的努力方向。

[1] 王國獻,等. 預焙槽啟動后高殘極使用方法及在190 kA電解槽上的應用[J]. 輕金屬,2003(7).

Discussion on Fine Management of Large Pre-baked Aluminum Reduction Cell Operation

JING Cui-lin

This article summarizes technologies of electro-bath roasting start, minor overhaul and secondary start, energy saving and consumption reducing, and experience of production and management on large pre-baked aluminum reduction cell.

aluminum electrolysis; technology management

2015-04-10

景翠林(1977—)，女，專科，工程師，長期從事鋁電解技術(shù)及工藝管理工作。

TF821

B

1008-5122(2015)04-0017-04