（天山鋁業(yè)股份有限公司，石河子市，832000） 趙慶云 丁達(dá)勇 楊曉玲

當(dāng)前“節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)”已經(jīng)成為我國的基本國策，是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的首要任務(wù)和突破口，隨著當(dāng)前資源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出的形勢，節(jié)能減排已經(jīng)成為每個(gè)企業(yè)必須承擔(dān)的社會責(zé)任，近年來企業(yè)的節(jié)能任務(wù)指標(biāo)也越來越高。電解鋁作為高能耗行業(yè)，電解槽的大修成本噸鋁分?jǐn)傎M(fèi)用在企業(yè)生產(chǎn)成本鏈中比重甚大，決定大修成本噸鋁分?jǐn)傎M(fèi)用的主要因素是電解槽的平均槽壽命，它是電解鋁企業(yè)重要的技術(shù)指標(biāo)之一。影響電解槽平均槽壽命指標(biāo)的因素很多，介紹了電解鋁企業(yè)電解槽陸續(xù)進(jìn)入大修期后，為使的企業(yè)節(jié)能減排和擴(kuò)大生產(chǎn)、水平提升的需要，通過研究因電解槽陰極炭塊自身及鋼棒組裝帶來的電阻差異和陰極母線設(shè)計(jì)焊接安裝帶來的電阻差異，對其進(jìn)行優(yōu)化組合安裝等一系列關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 電解槽破損原因分析

1.1 破損部位分析

收集的電解槽破損部位（如圖1），明顯存在兩個(gè)高機(jī)率的破損區(qū)域。

炭質(zhì)內(nèi)襯中的這些早期裂縫或縫隙一般是在電解槽焙燒啟動過程中由于所受的熱沖擊或熱運(yùn)動導(dǎo)致的。這些裂縫在啟動早期迅速被高熔點(diǎn)的熔鹽或炭塊膨脹等部分或全部密封，但這會在炭質(zhì)內(nèi)襯中留下一個(gè)局部的薄弱點(diǎn)，這個(gè)薄弱點(diǎn)在后續(xù)的電解過程中可能會被熔化和發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)重新形成破損通道。

圖1 電解槽破損部位示意圖

電解質(zhì)和鋁沿破損通道到達(dá)陰極碳塊下側(cè)，到達(dá)混合物的凝固點(diǎn)，造成此處陰極炭塊的隆起，加之電化學(xué)反應(yīng)，裂縫區(qū)域炭塊將逐漸被腐蝕，裂縫的寬度和深度將增加。隨著腐蝕區(qū)域金屬熔池到達(dá)陰極鋼棒，這種局部腐蝕也將使腐蝕區(qū)域的電流密度比其他區(qū)域要大。

1.2 爐底鋼板溫度分析

爐底鋼板溫度高溫點(diǎn)的分布與破損部位吻合。槽底溫度上升說明高溫熔鹽到達(dá)槽底保溫層，槽底保溫層被破壞后，電解槽等溫線下移，加劇底部滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)底部散熱的增加帶來電解槽整體散熱的失衡。（詳見圖2）

圖2 爐底高溫分布點(diǎn)

1.3 陰極電流分布

分析正常生產(chǎn)槽、焙燒期槽陰極電流分布，特征是生產(chǎn)槽B面電流比A面高11%（單槽最大的差異接近15%），焙燒期B面電流比A面高8.64%，最高的10組極均在B面。

鋁電解槽內(nèi)的電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，使鋁液發(fā)生循環(huán)流動、界面波動和隆起變形，電流分布的不均勻勢必產(chǎn)生水平電流，增大鋁的溶解損失，降低電流效率。

此外，鋁液的循環(huán)流動和波動不均衡，給生產(chǎn)的穩(wěn)定操作帶來困難。流場分布的好壞對鋁電解的生產(chǎn)操作、槽壽命、電能消耗和電流效率產(chǎn)生巨大影響。（詳見圖3）

圖3 陰極電流分布圖

2 節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電解槽陰極母線電阻分布優(yōu)化建模

通過分析連接陰極鋼棒和下臺槽立柱大母線的陰極小母線、陰極大母線之間的電阻差異，獲得影響電解槽每組陰極的電流分布機(jī)理。構(gòu)建陰極母線電阻分布數(shù)學(xué)模型，通過參數(shù)調(diào)優(yōu)，最終獲得最佳電阻分布，并制定在項(xiàng)目實(shí)施中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 陰極碳塊電阻分布優(yōu)化建模

陰極炭塊由于炭塊本身焙燒工藝的差異、陰極鋼棒組裝差異等，事實(shí)上每組陰極炭塊的電阻是存在差異的。構(gòu)建陰極炭塊、陰極母線電阻分布數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化陰極炭塊電阻分布。

2.3 電解槽電解質(zhì)氧化鋁濃度分布優(yōu)化

通過改變打殼下料系統(tǒng)的打殼方式、下料周期分布，優(yōu)化及均衡電解質(zhì)內(nèi)的氧化鋁濃度，提高電解槽穩(wěn)定性和電流效率。

2.4 電解槽焙燒啟動方案優(yōu)化

通過電解槽各部位陰陽極之間連接電阻建立數(shù)學(xué)模型，制訂差異化焦粒鋪設(shè)方案。并對焙燒期導(dǎo)桿與平衡母線連接面積、對陰極電流分布、陰極表面溫度分布、電解槽三鋼溫度進(jìn)行跟蹤管理，調(diào)整分流片的拆卸順序，優(yōu)化焙燒啟動方案。

3 節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案

3.1 利用降磁設(shè)備進(jìn)行母線焊接

目前疆內(nèi)電網(wǎng)容量小、且多數(shù)鋁電一體化項(xiàng)目均采用小電網(wǎng)的方式，通過多次停電進(jìn)行母線焊接更不具備條件。采用460KA全電流焊接裝備作為系列全電流下母線焊接的降磁設(shè)備。通過對母線對應(yīng)部位的磁場進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的精確降磁，在不影響系列生產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)磁場強(qiáng)度滿足母線焊接要求的目標(biāo)，在鋁電解系列全電流供電工況下，可靠、高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)對陰極鋼棒與母線軟帶、母線與母線之間的自動焊接。避免鋁電解系列停電或降電流焊接造成的減產(chǎn)和對電網(wǎng)的沖擊，減少CO2排放。（設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4）

圖4 設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)

A、B側(cè)磁場平均值分別從降磁前的94Gs和114Gs降低到36Gs和32Gs。

3.2 焙燒啟動方案調(diào)整

采用目前最為成熟的焦粒焙燒啟動方式。焦粒焙燒是在陰極表面鋪設(shè)一定厚度的焦碳顆粒作為發(fā)熱體，電解槽通電后，焦粒在陰陽極間產(chǎn)生熱量，通過分流器的安裝來控制焙燒溫度和分級增加電流的作用減輕電流對陰極內(nèi)襯的損傷，利用軟連接釋放焦粒焙燒產(chǎn)生的上抬膨脹力，在經(jīng)過72～96h焙燒后，槽電壓降至2.0V左右，爐膛平均溫度達(dá)到850℃以上，拆除軟連接和分流器，進(jìn)行啟動。

焦粒焙燒采用逐漸升溫，避免了高溫鋁液灌入時(shí)對碳塊和扎固縫強(qiáng)烈熱沖擊，升溫快，焙燒時(shí)間短，使用分流器可以控制溫升速度，提高焙燒質(zhì)量，啟動時(shí)熔化的是電解質(zhì)液體，如果滲入陰極裂縫中，冷凝后可起到堵塞裂縫和修補(bǔ)缺陷的作用，能有效防止早期破損，提高陰極槽壽命。其缺點(diǎn)主要是由于焦粒的密實(shí)程度和陰極接觸程度的影響，使用電流分布不均勻，可能產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，針對此種現(xiàn)象，對電流分布的不均勻進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，降低槽內(nèi)各區(qū)域間的溫升梯度差。

3.2.1 焦粒鋪設(shè)方案

對正常槽標(biāo)樣中陰極電流分布高的陰極通過增加焦粒厚度的方式來減少焙燒期間該部分電流的方式，達(dá)到使全槽的電流分布更加均勻的目的。

3.2.2 分流片的拆除順序

使用分流器可以使通過焙燒槽電流低于系列電流，這樣能減小陰極中的熱梯度。

分流器的數(shù)量決定了焙燒的階段數(shù)，可以通過每次移除分流片的間隔時(shí)間來調(diào)整焙燒升溫速率?；谝陨侠碚?，分流器的拆除順序原則是依據(jù)電解槽母線結(jié)構(gòu)，各部位的陽極電流分布情況、陰極電流分布情況、陰極表面溫度的測量情況等，低溫點(diǎn)先拆、低電流點(diǎn)先拆，從而平衡槽內(nèi)各部位間的溫度梯度。

4 結(jié)語

某電解鋁企業(yè)通過上述技術(shù)的運(yùn)用，電解槽啟動后爐底鋼板溫度控制在100℃以下，解決了早期破損對正常生產(chǎn)運(yùn)行的干擾。

綜上所述，對延長電解槽的槽壽命及降低原鋁交流電耗指標(biāo)有重要意義，為電解鋁行業(yè)帶來全新的高效節(jié)能技術(shù)，某企業(yè)通過大型預(yù)焙電解槽節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，不斷優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，強(qiáng)化電流，提高產(chǎn)能，降低效應(yīng)系數(shù)，降低工作電壓，減少環(huán)境污染，使企業(yè)利潤大幅提高，節(jié)能效果十分明顯。