王俠前

(中鋁山西新材料有限公司， 山西 河津 043300)

0 前言

電解生產(chǎn)過程中，預(yù)焙陽(yáng)極不僅起著傳導(dǎo)電流的作用，而且作為陽(yáng)極材料參與電化學(xué)反應(yīng)過程。預(yù)焙陽(yáng)極隨著電解的進(jìn)行不斷消耗，因此需要定期更換。預(yù)焙陽(yáng)極作為電解槽的心臟，每次換極都是對(duì)電解槽的一次干擾[1]。在換極操作之前，正常運(yùn)行的鋁電解槽熱平衡和物料平衡保持相對(duì)穩(wěn)定，浸入熔融電解質(zhì)中的陽(yáng)極溫度和電解質(zhì)溫度基本相同。在換極過程中，高溫殘極從電解槽中拔出，一方面高溫殘極會(huì)從電解質(zhì)中帶走部分熱量，造成熱量損失；另一方面，從拔極到裝極需要一定的時(shí)間，造成空極，電解質(zhì)液面直接向空氣散熱，造成熱量損失。空極面積越大，空極時(shí)間越長(zhǎng)，熱量損失越大，尤其是更換角部極時(shí)，因邊部空極面積增大，熱量損失也增加。此外，當(dāng)常溫陽(yáng)極上槽時(shí)，由于二者之間溫差較大，新極需要從電解質(zhì)中吸收大量的熱量，直至達(dá)到新的熱平衡為止。因此，換極過程對(duì)電解槽的熱量平衡和物料平衡影響巨大。

為減少換極對(duì)電解槽帶來的影響，許多學(xué)者先后提出了不同的陽(yáng)極預(yù)熱方式[2-3]：電解槽煙氣預(yù)熱、殘極熱量預(yù)熱、電解槽槽道間的熱量預(yù)熱等，但是效果均不明顯。本文提出將焙燒出來的熱極直接澆鑄送往電解，充分利用陽(yáng)極焙燒產(chǎn)生的余熱，使陽(yáng)極送到電解后保持較高的溫度狀態(tài)，減少換極作業(yè)對(duì)電解槽熱平衡的影響。該方法作為中鋁集團(tuán)科技部推廣應(yīng)用項(xiàng)目，先后在山西新材料、山西華圣等單位進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 換極對(duì)電解槽影響

生產(chǎn)實(shí)踐表明，換極后對(duì)電解槽的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)物料平衡受到影響。換極作業(yè)過程中，在天車開邊、拔殘極時(shí)，不可避免地會(huì)有氧化鋁浮料和殼面塊落入槽內(nèi)，打撈這部分殼面塊時(shí)會(huì)帶走大量的電解質(zhì)，并且浮料和殼面塊進(jìn)入電解質(zhì)后熔化需要吸收大量的熱，造成換極區(qū)域電解質(zhì)溫度降低，電解質(zhì)發(fā)粘，氧化鋁溶解性變差，使局部氧化鋁濃度升高，走入反區(qū)，容易誘發(fā)局部效應(yīng)。

2)能量平衡受到影。換極后電解質(zhì)過熱度變小，電解質(zhì)發(fā)粘，需要增加一定的附加電壓彌補(bǔ)換極造成的熱量損失。

3)穩(wěn)定性受到影響。換極作業(yè)難免會(huì)有較大的殼面塊落入電解質(zhì)中，如果電解槽技術(shù)條件保持不合理，爐膛畸形或者爐底較差，極易造成電壓擺，甚至滾鋁。而且由于新極上槽后，在一定時(shí)間內(nèi)不導(dǎo)電，電解槽陰極、陽(yáng)極電流分布會(huì)發(fā)生變化，磁場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，容易造成噪聲增大、穩(wěn)定性降低。

2 不同的預(yù)熱方式對(duì)比

為對(duì)比不同預(yù)熱方式的預(yù)熱效果，選取殘極預(yù)熱、槽道間預(yù)熱和熱極澆鑄，預(yù)熱時(shí)間均為12 h，陽(yáng)極表面溫度見表1。

表1 不同預(yù)熱方式陽(yáng)極表面溫度

由表1可以看出，殘極預(yù)熱陽(yáng)極表面溫度最高，但是因?yàn)闅垬O預(yù)熱溫度是由外至內(nèi)傳遞，所以表面溫度傳遞至內(nèi)部逐漸衰減；而熱極澆鑄溫度是由內(nèi)至外輻射，炭塊內(nèi)部溫度較表面溫度更高，因此，熱極澆鑄的預(yù)熱方式最優(yōu)。

3 熱極澆鑄工藝流程

熱極澆鑄的實(shí)質(zhì)是優(yōu)化系統(tǒng)流程，消除等待浪費(fèi)，使炭素、電解之間的流程銜接緊湊，如圖1所示：焙燒塊出爐后當(dāng)班解組，解組后炭塊在線清理，清理完畢后在線檢查，檢查合格后直接從焙燒板鏈進(jìn)入組裝車間板鏈，進(jìn)入組裝車間；組裝澆鑄完成之后，表面清理，質(zhì)檢合格后上陽(yáng)極托盤拉運(yùn)到電解廠房。熱極澆鑄進(jìn)電解的核心是準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)，要求電解換極和焙燒爐出塊、陽(yáng)極組裝節(jié)奏一致。但是由于生產(chǎn)實(shí)際情況不同，基本可滿足60%左右的陽(yáng)極為熱極。各環(huán)節(jié)炭塊溫度和所需時(shí)間見表2。

圖1 熱極澆鑄工藝流程

表2 熱極澆鑄各工序耗時(shí)及炭塊溫度

4 熱極澆鑄效果

4.1 對(duì)效應(yīng)系數(shù)和電壓的影響

在相同的工藝控制條件下，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)工區(qū)(43臺(tái)300 kA系列電解槽)30天內(nèi)的全效應(yīng)系數(shù)以及日平均電壓的變化趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 全效應(yīng)系數(shù)、平均電壓變化趨勢(shì)

從圖2可以看出，隨著熱極陸續(xù)上槽，全效應(yīng)系數(shù)和平均電壓逐步降低，全效應(yīng)系數(shù)由1.231次/(槽·日)逐步下降到0.573次/(槽·日)，平均電壓由最高3.957 V降低到3.934 V。這是因?yàn)?，常溫情況下，陽(yáng)極上附著的水分會(huì)在陽(yáng)極入槽后形成氣泡附著在陽(yáng)極底掌，使得氣膜電阻升高，電壓拉偏增加，此時(shí)，槽控機(jī)通常會(huì)采用過量加工來控制電壓的異常升高，造成局部氧化鋁濃度偏高，溶解性下降，電解質(zhì)發(fā)粘，陽(yáng)極效應(yīng)頻發(fā)；而且常溫陽(yáng)極上槽后，由于表面溫度較低，與電解質(zhì)的溫差大，也會(huì)造成電解質(zhì)冷縮[4]。而熱極直接上槽可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，可以有效預(yù)防陽(yáng)極效應(yīng)。

4.2 對(duì)陽(yáng)極導(dǎo)電速度的影響

選擇一個(gè)工區(qū)(共43臺(tái)300 kA電解槽，20組雙陽(yáng)極)一個(gè)完整陽(yáng)極周期內(nèi)，不同位置熱極和常溫陽(yáng)極的平均導(dǎo)電情況做對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同陽(yáng)極位置熱極和常溫陽(yáng)極16 h電流分布對(duì)比

從圖3中可以看出，熱極的導(dǎo)電速度明顯大于常溫陽(yáng)極的導(dǎo)電速度。這是因?yàn)槌仃?yáng)極表面溫度(約20 ℃)遠(yuǎn)低于電解質(zhì)初晶溫度(約910～920 ℃)[5]。而陽(yáng)極上槽后，電解質(zhì)在陽(yáng)極底掌凝結(jié)一層電解質(zhì)結(jié)殼，導(dǎo)致新上極電阻增大，隨著陽(yáng)極底掌溫度升高，結(jié)殼逐步溶解，陽(yáng)極電流上升。但由于熱陽(yáng)極有較高的初溫，結(jié)殼層較薄，溶解速度較快，所以熱陽(yáng)極的導(dǎo)電速度大于常溫陽(yáng)極。

4.3 對(duì)電解槽穩(wěn)定性的影響

熱陽(yáng)極上槽后由于與電解質(zhì)的溫差相對(duì)常溫陽(yáng)極較小，所以對(duì)新極周圍的電解質(zhì)粘度、氧化鋁溶解性和陽(yáng)極本身的導(dǎo)電速度影響較小，并且電壓拉偏也會(huì)降低，噪聲比較小。使用常溫陽(yáng)極、熱極進(jìn)行陽(yáng)極更換作業(yè)的電壓變化曲線如圖4、圖5所示，針振、擺動(dòng)以及附加電壓值見表3。

圖4 常溫陽(yáng)極換極前后的槽電壓情況

圖5 熱極換極前后的槽電壓情況

表3 熱極和常溫陽(yáng)極上槽后槽況穩(wěn)定性變化

從圖4、圖5和表3中可以看出，在換極過程中，熱極上電解槽比常溫陽(yáng)極上電解槽的穩(wěn)定性好，換極過程中電壓拉偏較小、電壓擺動(dòng)較小；而且熱極電解槽比常溫陽(yáng)極電解槽更快地恢復(fù)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，縮短了從換極到平衡的時(shí)間，減少了換極后電解槽電壓的偏離，有助于提高電解槽生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

4.4 對(duì)電解槽能量平衡的影響

陽(yáng)極預(yù)熱可以減少陽(yáng)極上槽后電解質(zhì)溫度的降低程度，并且由于預(yù)熱后陽(yáng)極導(dǎo)電性能改善,使陽(yáng)極達(dá)滿負(fù)荷電流的時(shí)間大大提前，改善了剛換陽(yáng)極在電解槽熔體體系中形成的“小冷區(qū)”現(xiàn)象[6-7]，減少了電解槽換極過程中的熱量散失，使換極后槽電壓平穩(wěn)，噪聲較低，有利于電流效率的提升和能耗的降低。

相關(guān)資料表明[8-10]，陽(yáng)極電流分布達(dá)到全電流時(shí)的平均溫度為280 ℃，熱極上槽對(duì)電解槽熱平衡的影響理論計(jì)算如下：

Q=ΔCMΔT

(1)

Q=UIt

(2)

式中：ΔC——比熱容，kJ/kg·K；

M——陽(yáng)極質(zhì)量，kg；

ΔT——溫度變化量，K；

Q——熱量，kJ；

t——時(shí)間，s；

I——電流強(qiáng)度，kA；

U——電壓，V。

根據(jù)公式(1)，當(dāng)陽(yáng)極(質(zhì)量為1 932 kg)由室溫20 ℃升高到80 ℃(熱極的熱容為0.868 kJ/kg·K)，所需要吸收的熱量Q=0.868×1 932×(80-20)=100 619 kJ；以300 kA電解槽為例，根據(jù)公式(2)，使用熱極時(shí)，電壓U=Q/It=100 619/(300×3 600×24)=4 mV，即熱極對(duì)降低平均電壓有4 mV的貢獻(xiàn)。

4.5 對(duì)電解槽爐膛的影響

電解槽爐膛的變化實(shí)際就是電解質(zhì)冷凝和熔化的熱問題，一般認(rèn)為影響爐幫厚度和伸腿長(zhǎng)度的主要因素是過熱度，即是電解槽溫度和初晶溫度的差值。換極作業(yè)時(shí)，在天車開邊和起殘極過程中，不可避免地會(huì)有大量的浮料和殼面塊進(jìn)入電解質(zhì)，造成氧化鋁濃度增加，未能完全溶解的氧化鋁沉入爐底，形成沉淀。雖然由于氧化鋁濃度增加初晶溫度減小，但是常溫陽(yáng)極進(jìn)入電解質(zhì)后會(huì)吸收大量的熱量，使電解槽過熱度迅速變小，爐膛發(fā)生變化，鋁液鏡面變形，水平電流增大。

Fiona J Stevens[11]將電解槽的爐膛從散熱的角度上分了兩個(gè)區(qū)域，側(cè)部的散熱由過熱度驅(qū)動(dòng)，上部和爐底的散熱由電解質(zhì)溫度驅(qū)動(dòng)。在換極過程中，電解質(zhì)溫度降低，換極處爐幫、伸腿因靠近槽側(cè)鋼板有散熱，此時(shí)不僅得不到足夠的熱量補(bǔ)充，還要補(bǔ)充新極的吸熱，因此這部分熱量就由電解質(zhì)冷凝產(chǎn)生相變熱來補(bǔ)充，這樣就增厚了爐幫。使用熱極上槽后，陽(yáng)極與電解質(zhì)之間的溫度梯度變小，等溫線外移，爐膛變化較小，對(duì)電解槽穩(wěn)定性、鋁液界面波動(dòng)和電流效率影響減小。

5 結(jié)論

1)通過梳理碳素、電解工藝流程，消除等待浪費(fèi)，壓縮相關(guān)環(huán)節(jié)的處理時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)熱極直接澆鑄上槽，且熱極澆鑄直接上槽效果較其他預(yù)熱方式更好。

2)熱極澆鑄直接上槽能增加陽(yáng)極的導(dǎo)電速度，改善電解槽的熱平衡，有效降低電解槽效應(yīng)系數(shù)和平均電壓，通過理論計(jì)算得出，使用80 ℃的熱極，對(duì)降低平均電壓有4 mV貢獻(xiàn)。

3)與傳統(tǒng)的常溫陽(yáng)極上槽相比，熱極澆鑄直接上槽對(duì)電解槽爐幫、伸腿影響較小，有利于減小水平電流、提升電解槽的穩(wěn)定性。